Bronze

Fragment einer Bronzebüste von Marcus Aurelius, etwa 170 n. Chr.

Mit dem Sammelbegriff Bronzen werden Legierungen mit mindestens 60 Prozent Kupfer bezeichnet, soweit sie nicht durch den Hauptlegierungszusatz Zink den Messingen zuzuordnen sind. Metallurgisch wird der Begriff heute nur zusammen mit dem vorangestellten Hauptlegierungszusatz verwendet; man spricht dann korrekt etwa von einer Aluminium-, Blei-, Mangan- oder Phosphorbronze. In historischen Kontexten, etwa zu Bronzezeit und Bronzebildwerken, wird "Bronze" alleinstehend und stets für eine Zinnbronze verwendet.

Etymologie

Die heutige Bezeichnung für die Legierung wurde im 17. Jahrhundert zuerst aus dem italienischen bronzo, später auch über das französische bronce erneut entlehnt. Die Vorgeschichte ist etymologisch unklar. Das Wort wurde aber zuerst im 14. Jahrhundert aus dem Orient ins Italienische übernommen. Vermutlich kommt es vom persischen Wort birinj (birindsch), was einfach Kupfer bedeutet.

Mineralische Grundlagen

Zu den in Mitteleuropa frühzeitlich entdeckten Kupfererzvorkommen gehört der im Harz anstehende Wolfsbergit (Kupferantimonglanz), bei dem das enthaltene Kupfer von Antimon, Arsen, Schwefel, Bleiund Eisen begleitet wird; Elemente, deren saubere Abtrennung grundlegende metallurgische Fähigkeiten voraussetzt. Zinnerze wurden im Fichtelgebirge und besonders im Erzgebirge insbesondere als Kassiterit (Zinnstein) und als Stannit (Zinnkies) gefunden.

Zusammensetzung/Eigenschaften

Zinnbronzen

Gleichgewichts-Phasendiagramm für das System Kupfer-Zinn im Bereich der Zinnbronzen

Im Bronzebereich des Systems Kupfer-Zinn bilden sich aus der Schmelze bei unterschiedlicher Zusammensetzung drei verschiedene Mischkristalle: Der α-Mischkristall entspricht dem des Reinkupfers, das ein kubisch flächenzentriertes Gitter ausbildet. Der Schmelzpunkt des Reinkupfers ist 1083 °C. Bei ca. 24 % Zinn liegt der β-Mischkristall vor, der ein kubisch raumzentriertes Gitter besitzt, bei ca. 30 % Zinn und darüber der ebenfalls kubisch raumzentrierte γ-Mischkristall. Zwischen den Mischkristallen α und β und zwischen β und γ bildet sich je ein peritektisches Teilsystem. Das technisch relevante Peritektikum α/β liegt bei 22 % Zinn und 798 °C. Bei 586 °C findet ein eutektoider Zerfall der β-Mischkristalle in α- und γ-Mischkristalle statt. Aus den γ-Mischkristallen können sich je nach Legierungszusammensetzung bei Abkühlung zwei intermetallische Verbindungen bilden: Die δ-Phase entspricht Cu₃₁Sn₈ und damit ca. 32,5 % Zinn. Sie bildet eine enorm große kubisch flächenzentrierte Elementarzelle mit 416 Atomen und weist eine sehr große Härte auf. Die orthorhombische ε-Phase entspricht Cu₃Sn und liegt damit bei ca. 38,4 % Zinn vor. Im technisch relevanten Bereich entsteht die δ-Phase bei 520 °C beim Zerfall der γ-Mischkristalle in ein eutektoides Gefüge aus α- und δ-Mischkristallen mit 27 % Zinn. Ein weiterer eutektoider Zerfall der δ-Mischkristalle in α- und ε-Mischkristalle bei ca. 350 °C findet unter realen technischen Verhältnissen nicht mehr statt, da die Diffusion zu stark behindert ist. Zur Herstellung des Gleichgewichts wären hier Kaltumformung und ein mehrmonatiges Glühen erforderlich.

Die tatsächlich entstehenden Gefüge sind vor allem bestimmt durch die große Diffusionsträgheit des Zinns, die bereits bei der Kristallisation aus der Schmelze die Einstellung des Gleichgewichts verhindert. Damit liegt in Zinnbronze nur bei Zinngehalten unter 5-6 Prozent ein Gefüge ausschließlich aus α-Mischkristallen vor, bei höheren Gehalten besteht es aus weichen α-Mischkristallen und dem harten α/δ-Eutektoid.

Durch den Zinnzusatz nimmt die Festigkeit der Legierung zu und erreicht zwischen 10 und 15 Prozent Zinn ein Maximum. Die Dehngrenze nimmt annähernd linear zu, wobei sie sich gegenüber dem Reinkupfer vervielfacht, und erreicht bei ca. 20 Prozent ein Maximum. Die Bruchdehnung beginnt, ausgehend von den hohen Werten des Kupfers, jenseits von 5 Prozent Zinn rapide abzunehmen und nähert sich annähernd exponentiell der Nulllinie, die zwischen 20 und 25 Prozent praktisch erreicht ist. Die Härte nimmt stetig zu, was sich bei höherem Zinngehalt nochmals verstärkt. Die Dichte nimmt pro 6 Prozent Zinnzusatz um 0,1 g/cm³ ab. Sie liegt bei 8 % Zinn bei 8,79 g/cm³.

Legierungen und Legierungszusätze

Gefüge einer Gussbronze mit 11 % Zinn und hohem Phosphorgehalt, sichtbar die dendritischen α-Mischkristalle mit Seigerungen, extrem feinkörniges Eutektoid und dunkle Phosphidausscheidungen

Zinnbronzen sind als Kupfer-Zinn-Legierungen genormt und werden aufgrund der grundsätzlich unterschiedlichen Anforderungen und Eigenschaften in Knetlegierungen (max. 9 % Zinn), die für die umformende Verarbeitung geeignet sind, und Gusslegierungen (9 % bis 13 % Zinn) gegliedert. Darüber hinaus kommen noch sogenannte Glockenbronzen mit ca. 20 %, max. jedoch 22 % Zinn zur Anwendung.

• Phosphor reduziert Kupferoxid und verflüssigt damit auch die Schmelze. Zinnoxid wird zwar nicht reduziert, kann aber in der desoxidierten Schmelze leichter in die Schlacke aufsteigen. Bei Zugabe von Phosphor als Desoxidationsmittel, in aller Regel als vorlegiertes Phosphorkupfer mit 10 oder 15 % Phosphorgehalt, ist so zu dosieren, dass nach der Desoxidation noch mindestens 0,01 % Phosphorüberschuss in der Schmelze verbleibt. Gießstrahloxidation wird so vermieden, Gießbarkeit und physikalische Eigenschaften im Guss verbessert. Negativ wirkt sich Phosphor lediglich auf die elektrische Leitfähigkeit aus. Bei Gehalten von mehr als 0,1 % tritt Cu₃P im Gefüge auf. Bei Lagerwerkstoffen kann dies erwünscht sein, bei Leitkupfer ist Phosphor als Desoxidationsmittel durch Mangankupfer oder eine andere phosphorfreie Vorlegierung zu ersetzen.

• Nickel, das die Entstehung eines zusätzlichen ϑ-Mischkristalls im Bereich um 9 % Zinn bewirkt, erhöht die Zähigkeit und verringert den Wandstärkeneinfluss auf die Festigkeit. Es kommt daher nur bei Gusslegierungen mit einem Anteil bis zu 2,5 % zum Einsatz.
• Blei bildet eine eigene Phase und liegt im Gefüge fein verteilt vor. Es verbessert Spanbarkeit und Gleiteigenschaften, erhöht jedoch die Warmbrüchigkeit. Es kommt daher mit 2 % bei Gusslegierungen für Lagerwerkstoffe zum Einsatz, bei Knetlegierungen mit 4 % nur im Sonderfall des Strang-, Band- und Drahtgusses, wo keine anschließende Warmumformung mehr erforderlich ist und das Produkt zerspanbar sein soll.
• Zink kann unter Umständen die halbe Menge Zinn ersetzen, es kommt aus wirtschaftlichen Gründen zum Einsatz. Es wirkt desoxidierend, so dass hier der Phosphorzusatz entfallen kann. Dies wird u.a. bei Legierungen für Kontaktwerkstoffe genutzt.

Eigener Normierung unterliegen die Schweißzusätze und Hartlote auf Kupfer-Zinn-Basis.

Weitere Bronzen

Enthalten Legierungen nur wenig oder kein Zinn, werden sie häufig "Sonderbronzen" genannt. Ihre Bezeichnungen werden vom Namen des sie qualifizierenden, dem Kupfer zugesetzten Elements abgeleitet: Aluminiumbronze, Manganbronze, Nickelbronze etc. (siehe Übersichtstabelle unten). Berylliumbronze ist ein spezieller Kupferwerkstoff für funkenfreie Werkzeuge, der lediglich 2-3 % Beryllium und eine geringe Menge Cobalt enthält.

Bleibronze (auch Kupfer-Zinn-Blei-Bronze) ist eine Lagerlegierung mit 5-22 % Blei.

Rotguss zählt nicht zu den Zinnbronzen, ist damit auch nicht "Bronze" im engeren Sinne, obwohl gelegentlich als "Maschinenbronze", "Kanonenbronze" und ähnlich bezeichnet. Es ist eine Legierung auf Kupferbasis, deren Eigenschaften weniger vom Zusatz an Zinn als von Zink, Blei und Nickel bestimmt werden.

Tabellenübersicht der Bronzelegierungen

Geschichte

Zinnbronze ist ab der Mitte des 4. Jahrtausends v. Chr. zwischen mittlerer Donau und Kaspischem Meer belegt, z. B. für die Kura-Araxes-Kultur (Transkaukasien), 36. Jahrhundert: Beginn Frühbronze I auf dem Balkan.

Der bereits im griechischen bekannte Begriff wird auch mit Brundisium in Verbindung gebracht, dem lateinischen Namen des heutigen süditalienischen Brindisi, das in der Antike, zu Neugriechenland gehörend, eine Art Zentrum der Bronzeverarbeitung und des Bronzehandels war.

Die gewerbsmäßige Herstellung von Bronze dürfte zwischen 2500 und 2000 v. Chr. in Vorderasien begonnen haben. In China ist ebenfalls die Verwendung im 3. Jahrtausend v. Chr., spätestens während der Xia-Zeit dokumentiert.

Bronze gilt damit als eine der ersten, von Menschen erstellten und genutzten Legierungen, härter als reines Kupfer, aber im Vergleich niedrigerer Schmelzpunkt, eine Feststellung, die bereits ein grundlegendes metallurgisches Wissen voraussetzte. Die Zusammensetzung der frühesten Bronzen war jedoch oft noch von den eingesetzten Erzen abhängig; es ergaben sich Legierungen mit Arsen, deren negativer Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften heute bekannt ist. Auch bleihaltige Bronzen und − durch das verarbeitete Erz bedingt − solche mit Antimon wurden verarbeitet.

Die Bronzezeit, als Nachfolgerin der Kupferzeit, die ihrerseits die Jungsteinzeit ablöste, brachte Bronzewaffen, Gerätschaften und Schmuck (Bronzefibeln) in der Aunjetitzer Kultur und der alpinen Bronzezeit. Abgelöst wurde sie allmählich von der frühen Eisenzeit und schließlich wird mit der Hallstatt-Kultur die Antike eingeleitet. Bronze und Eisen wurden je nach Aufgabenstellung noch nebeneinander verwendet. Empirisch gelangte man jedoch zu kohlenstoffarmem Schmiedeeisen. Damit verlor die Bronze zunehmend an Bedeutung für die Herstellung von Handwaffen. Mit den Griechen und Römern erlebte die Waffentechnik eine bis dato nie gesehene Güte und entwickelte sich im Bauwesen. Auch Denkmäler aus Bronze belegen die große Erfahrungen in der Antike. Das frühe Mittelalter verlieh neuen Auftrieb, Glocken- und Stückgießer unterstützten die kirchliche und weltliche Herrschaft für einige Jahrhunderte, bis die Eisenverhüttung und der Eisenguss die Bronze ablösten.

Zusammenfassung

Die traditionellen Anwendungsbereiche von Bronzen

• Glocken und vergleichbare Klanginstrumente nichtchristlicher Religionen, Statuen von Lebensgröße bis zur Überdimensionierung und seit Erfindung des Schießpulvers Geschütze.
• Kunstgegenstände (Kunstguss). Bekannt sind historische Bronzetüren, wie die Bernwardstür im Hildesheimer Dom
• Kleinbronzen, Gedenktafeln und gegossene oder geprägte Medaillen.
• klangstarke Musikinstrumente wie Schlagzeugbecken
• antike bis neuzeitliche Münzen.

Bronzen und Bronzelegierungen als Teil moderner Techniken

Kupfer-Zinn-Legierungen für unterschiedliche Techniken werden auch mit ebenso unterschiedlichen Legierungselementen den gestellten Forderungen angepasst. Der Zusatz von Nickelerhöht bei Gusslegierungen die Zähigkeit, bei Knetlegierungen die Festigkeit, Blei ist unverzichtbarer Bestandteil aller Lagerlegierungen, im Gefüge als metallisches Blei ausgeschieden, stützt es die für Lager wichtige Notlaufeigenschaft.

Ein weites Einsatzgebiet für Kupfer-Zinn-Legierungen ist der Maschinen- und Werkzeugbau, aber auch für Feder- und Kontaktelemente in der Elektrotechnik und Elektronik, z.B. in Schaltkreisfassungen mit vergoldeter Federbronze. Chemische und Nahrungsmittelindustrie nutzen die Korrosions- und Verschleißfestigkeit.

Zur Herstellung von Propellern und Schiffsschrauben für Seeschiffe sind klassische Zinnbronzen nicht geeignet, man setzt an ihrer Stelle Aluminium-Mehrstoffbronzen ein, die sich im Kontakt mit Seewasser kavitations- und korrosionsbeständig zeigen.

Ebenso, wie aus anderen Metallen und Legierungen Fein- und Feinstgranulate hergestellt werden - verbreitet als "Metallpulver" bezeichnet (Kupferpulver, Aluminiumpulver)- so auch aus Bronze. Pyrophore Eigenschaften machen alle Metallpulver zum Bestandteil von Feuerwerkskörpern, wichtiger ist aber, dass sie die Technik des Pulverflammspritzens zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände ermöglichen. Durch zusätzliches heißisostatisches Verpressen (Sintern) werden hierbei Eigenschaften eines Metallmodells erzielt und damit bei der Fertigung von Prototypen und Kleinserien Zeit und Kosten eingespart.

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
 

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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 05.01. 2024