Im Eisen‑Kupfer‑System kann Kupfer im flüssigen Zustand in einem breiten Konzentrationsbereich mit dem geschmolzenen Eisen eine flüssige feste Lösung bilden. Bei 1477 °C beträgt die γ‑Kupferlöslichkeit in Fe 8 %; mit sinkender Temperatur nimmt die Löslichkeit sogar zu. So erreicht sie bei 1094 °C bereits 8,5 %. Unterhalb von 650 °C liegt die Löslichkeit nahe dem festen Wert von etwa 0,35 %. Bei Raumtemperatur ist die Löslichkeit von Kupfer in Eisen äußerst gering. Sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand bildet sich bei Überschreitung der jeweiligen Temperatur‑Löslichkeitsgrenze eine kupferreiche Phase. Die Löslichkeit von Kupfer in geschmolzenem Gusseisen beträgt etwa 3–5 %. Mangan, Aluminium, Nickel und andere Elemente im Gusseisen erhöhen die Löslichkeit von Kupfer, während Magnesium diese verringert. In Gegenwart von Magnesium überschreitet der Kupfergehalt 2 %; es kommt zur Ausfällung einer gelben kupferreichen Phase mit einem Kupfergehalt von 97 %. Steigt der Kupfergehalt weiter auf 3,8 %, nimmt die Zahl der kupferreichen Phasen deutlich zu.
Kupfer hat nur geringe Auswirkungen auf die eutektische Umwandlungstemperatur von Gusseisen. Kupfer ist ein schwach graphitisierendes Element und kann die Neigung zur Weißschichtbildung leicht verringern. Zudem senkt Kupfer die Temperatur der eutektoiden Umwandlung; diese sinkt um 6–10 °C pro 1 % erhöhtem Kupfergehalt, was zur Stabilisierung des Austenits beiträgt. Darüber hinaus kann Kupfer die Menge an Perlit erhöhen, den eutektischen Gefügeanteil verfeinern und bei der Normalisierung von Gusseisen die Bildung einer perlitischen Mikrostruktur erleichtern. Somit fördert Kupfer die Umwandlung von Austenit in Perlit und hemmt während der eutektoiden Umwandlung die Graphitisierung. Außerdem stärkt Kupfer den Ferrit und verbessert dessen Festigkeit.
Bei einem Kupfergehalt von weniger als 2,0 % zeigt sich kein signifikanter Einfluss auf die Sphäroidisierungsrate, die Anzahl der Kugeln sowie deren Durchmesser; die Sphäroidisierungsrate bleibt dabei zuverlässig über 90 %. Überschreitet der Kupfergehalt jedoch 2 %, wird die Sphäroidisierung beeinträchtigt: Die Sphäroidisierungsrate und die Kugelanzahl nehmen deutlich ab. Bei einem Kupfergehalt von 2,5 % treten agglomerierte Graphitstrukturen sowie eine kupferreiche Phase auf. Die Schmelztemperatur dieser kupferreichen Phase liegt unter der des flüssigen Eisens. Nach der Graphitabscheidung kann die kupferreiche Phase einen Teil des Graphits einschließen, wodurch sich der Graphit allmählich von kugelförmig zu agglomeriert umwandelt.
Die antisphäroidisierende Wirkung von Kupfer hängt mit anderen Elementen zusammen. Beispielsweise zeigt sich bei magnesiumhaltigem, nodulärem Gusseisen mit 0,04 % Titan, wenn in einem Kupfergehalt von 0,94 % agglomerierter Graphit auftritt, dass die Zugabe von 0,02–0,03 % Cer diese antisphäroidisierende Wirkung des Kupfers abschwächen kann.
Der Einfluss von Kupfer auf die Nodulisierung hängt von der Größe und Dicke des Gussstücks ab. Bei einer Wandstärke von über 300 mm kann durch die Zugabe von 3–4 % Kupfer der agglomerierte Graphit im Kern des Gussstücks vollständig beseitigt werden. Zu beachten ist, dass diese Wirkung des Kupfers nur dann wirksam ist, wenn es gemeinsam mit Seltenen Erden zugesetzt wird.
Kupfer fördert die Bildung von Perlit im nodularen Gusseisen; dieser ist zehnmal größer als der von Nickel, jedoch nur ein Zehntel so groß wie der von Zinn. Im Versuch wurden etwa 0,5 % Kupfer zugesetzt, wodurch der Perlitanteil in einem 25 mm dicken Prüfbarren aus duktilem Gusseisen 90 % erreichte; bei einer Kupferzugabe von 1,5 % lag der Perlitanteil nahe bei 100 %. Überschreitet der Kupfergehalt jedoch 1,5 %, tritt stattdessen Ferrit auf. Diese positive Wirkung des Kupfers ermöglicht es, als gegossenes perlitisches duktiles Gusseisen ohne Wärmebehandlung zu erhalten.
Einfluss von Kupfer auf die Eigenschaften von Grauguss. Liegt der Kupfergehalt unter 0,5 %, steigen Zugfestigkeit, Streckgrenze und Elastizitätsmodul, allerdings nicht linear. Bei einem Kupfergehalt von etwa 0,8 % im Grauguss erreichen die Festigkeiten ihren Höchstwert. Mit weiterer Erhöhung des Kupfergehalts nimmt die Schlagzähigkeit des Graugusses jedoch ab.
Kupfer beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des nodularen Gusseisens, indem es die Perlitbildung fördert und die Metallmatrix verstärkt. Bei geringer Kupferzugabe (unter 0,5 %) steigt der Perlitanteil stark an, ebenso nehmen Zugfestigkeit, Streckgrenze und Härte deutlich zu, während die Dehnung stark abnimmt. Überschreitet die Zugabemenge 0,5 %, besteht die Matrix zwar weiterhin aus Perlit, doch Festigkeit und Härte nehmen weiter zu, und die Dehnung sinkt nicht mehr. Dies liegt daran, dass Kupfer die Metallmatrix stärkt. Darüber hinaus verfügt Kupfer über eine feinkörnige Graphitkugelwirkung, die die Ermüdungsfestigkeit kupferhaltigen nodularen Gusseisens verbessern kann.
Die feste Löslichkeit von Kupfer im Gusseisen beträgt bei Raumtemperatur 0,35 %. Wird mehr als 0,5 % Kupfer zugesetzt, verändert sich die Diffusionsgeschwindigkeit der Kohlenstoffatome während der Austenit- und Eutektoidumwandlung, was die Perlitbildung begünstigt und den Perlit feinkörniger macht. Beim Abkühlen des Gussstücks, insbesondere während der Alterung, scheidet sich das Kupfer aus der festen Lösung aus, stärkt die Matrix und erhöht die Mikrohärte des Perlits erheblich. Eine Erhöhung des Kupfergehalts kann die Verschleißfestigkeit der Gussstücke verbessern. Bei der Spannungsarmglühung verringert das Kupfer die Härte nicht, sondern erhöht sie sogar um etwa 10 HB10‑Einheiten.