Bronze

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 etwa 24 % Zinn liegt der β-Mischkristall vor, der ein kubisch raumzentriertes Gitter besitzt, bei circa 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 circa 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 circa 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 circa 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 % 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 % Zinn ein Maximum. Die Dehngrenze nimmt annähernd linear zu, wobei sie sich gegenüber dem Reinkupfer vervielfacht, und erreicht bei etwa 20 % ein Maximum. Die Bruchdehnung beginnt, ausgehend von den hohen Werten des Kupfers, jenseits von 5 % Zinn rapide abzunehmen und nähert sich annähernd exponentiell der Nulllinie, die zwischen 20 und 25 % praktisch erreicht ist. Die Härte nimmt stetig zu, was sich bei höherem Zinngehalt nochmals verstärkt. Die Dichte nimmt pro 6 % Zinnzusatz um 0,1 g/cm³ ab. Sie liegt bei 8 % Zinn bei 8,79 g/cm³.

Gefüge einer Gussbronze mit 11 % Zinn und etwas Blei, sichtbar die dendritischen α-Mischkristalle mit Seigerungen, feinkörniges Eutektoid und dunkle Bleiansammlungen

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.[8] Darüber hinaus kommen noch sogenannte Glockenbronzen mit etwa 20 % (maximal 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 werden 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.

Enthalten Legierungen nur wenig oder kein Zinn, werden sie häufig „Sonderbronzen“ genannt. Ihre Bezeichnungen werden vom Legierungszusatz 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.

Meyers Konversationslexikon von 1905 benannte für die Legierung einer der Witterung widerstehenden Bronze zur Herstellung von Bronzeskulpturen 89 % Kupfer, 8,2 % Zinn und 1,5 % Blei.[9] Weiter wurden die Legierungen einiger ausgeführter Statuen angegeben:[9]

Eine schöne grüne Patina besaßen laut Meyers 1905 diese Monumente:[9]

Bronzeglocke aus der Barockzeit (Gussjahr: 1694)

• Glocken und vergleichbare Klanginstrumente nichtchristlicher Religionen, Statuen von Lebensgröße bis zur Überdimensionierung und – seit Erfindung des Schießpulvers – Geschütze. Im Zweiten Weltkrieg wurden zahlreiche Glocken abgehängt, um Kupfer und Zinn für die Rüstung zu verwenden. Ein „Glockenfriedhof“ in Hamburg diente als Zwischenlager vor dem Schmelzofen. Bei Kriegsende befanden sich dort noch zahlreiche Glocken, die ihren Gemeinden zurückgegeben werden konnten.
• Kunstgegenstände (Kunstguss). Bekannt sind historische Bronzetüren, wie die Bernwardstür im Hildesheimer Dom,
• Kleinbronzen, Gedenktafeln und gegossene oder geprägte Medaillen (Bronzemedaille bei sportlichen Wettkämpfen),
• klangstarke Musikinstrumente wie Schlagzeugbecken und Hi-Hat,
• Formdüsen für die Nudelherstellung,
• antike bis neuzeitliche Münzen, beispielsweise As.

Kupfer-Zinn-Legierungen für unterschiedliche Techniken werden auch mit ebenso unterschiedlichen Legierungselementen den gestellten Forderungen angepasst. Der Zusatz von Nickel erhöht 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.[13]

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 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.

Durch Vermischen von Bronzepulver mit flüssigem Kunstharz wie bei der Kaltgussbronze werden billige Bronzeimitate hergestellt.

Durch Firnisbrand kann Bronze oberflächlich braun eingefärbt werden.

Wie bei Kupfer kann auch eine grünliche bis bläuliche Patina auftreten bzw. hervorgerufen werden.