Bronze

Bronze ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer (Cu) und Zinn (Sn).

Je nach Art ihrer Verarbeitung lassen sich Knet und Gusslegierungen unterscheiden. Knetlegierungen eignen sich zur Warm und Kaltumformung durch Walz-, Press und Ziehverfahren; sie enthalten neben Kupfer bis zu 8,5% Zinn. Gusslegierungen weisen in der Regel einen Zinnanteil zwischen neun und 12% auf. Von Hyperzinnbronzen spricht man bei Knetlegierungen mit Zinnanteilen bis 17%, die durch Sprüh kompakteren hergestellt werden. Bronzen mit Zinnanteilen von 20% sind als Glockenbronze bekannt. Bronze wird im seltensten Fall als reine Zweistofflegierung genutzt, sondern mit weiteren Legierungskomponenten und Zusätzen versehen. Dadurch lassen sich die Werkstoffeigenschaften massgeschneidert beeinflussen. Bei Knetlegierungen werden vor allem Phosphor und Zink beigemengt, bei Gusslegierungen sind darüber hinaus Blei, Nickel und Eisen von Bedeutung. Derartige Legierungen werden auch als Mehrstoffbronzen bezeichnet.

Blei (Pb) verbessert das Fliessvermögen, senkt jedoch die Zugfestigkeit und Duktilität. In Knetlegierungen, die warm umgeformt werden, ist es schon in geringen Mengen schädlich, da diese Legierungen zur Warmbrüchigkeit neigen. Gusslegierungen können bis zu 7% Blei enthalten. Es ist wegen seines niedrigen Schmelzpunktes in der Lage, eventuell auftretende Porosität – bedingt durch das bei der Erstarrung auftretende Volumendefizit – auszufüllen, wodurch die Druckdichtigkeit der Gussteile erhöht wird. Blei ist unlöslich und liegt fein verteilt im Gefüge vor, was zu einer besseren Spanbarkeit der Produkte führt. Ausserdem erhöht es die Korrosionsbeständigkeit, speziell gegen Schwefelsäure. Bleizusätze verbessern zudem die Notlaufeigenschaften von Gleitwerkstoffen.

Zusätze von Nickel (Ni) erhöhen bei gleichbleibender Festigkeit die Zähigkeit und sorgen dafür, dass die Festigkeit weniger stark von der Wanddicke des Gussteils abhängt. Ausserdem werden Gusslegierungen durch Nickel korrosionsbeständiger. Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen enthalten Ni-Zusätze bis 2,5%, in Knetlegierungen wird es dagegen nur in geringen Mengen bis 0,3% beigemischt. Neben einer höheren Festigkeit kann durch Kaltumformung zwischen der Lösungsglühung und Warmaushörtung auch die Härte gesteigert werden.

Eisen verbessert in geringen Mengen die Verfestigungsfähigkeit von Knetlegierungen und bewirkt ein feineres Korn. Das Schmelzen und Giessen wird jedoch durch Eisen erschwert, da es eine zähe Schlackenhaut bildet. Während die skizzierten Legierungskomponenten gezielt eingesetzt werden, um die Werkstoffeigenschaften von Bronze positiv zu beeinflussen, können sich Verunreinigungen mit anderen Stoffen wie Aluminium, Antimon, Arsen, Mangan, Schwefel, Silizium, Wismut auch in kleinsten Mengen negativ auswirken. Sie beeinträchtigen die Giessbarkeit und Festigkeit und führen teilweise auch zur Versprödung.

Vor dem Hintergrund, dass immer mehr Kraftfahrzeuge heute mit Bordcomputern und elektronischen Geräten zur Motorsteuerung, Abgaskontrolle, Geschwindigkeitsregelung oder für Antiblockier- Bremssysteme ausgerüstet werden, gilt dies auch für die Kfz-Elektronik. Des Weiteren werden solche Bronzen im Automobil- sowie Maschinenbau für Gleitlager und andere Buchsen verwendet. Knetlegierungen wie CuSn4 werden neben den skizzierten Einsatzbereichen in der Elektronik und Elektrotechnik für Federn, Schrauben, Bolzen und Muttern eingesetzt sowie für Rohre und Behälter der chemischen und Papierindustrie.

Die Legierung CuSn6 wird neben der Relais- und Steckertechnik für Bleche, Bänder und Rohre sowie für Pumpenteile, Zahnräder, Buchsen, Drahtgewebe und Membranen im Schiff-, Maschinen und Apparatebau sowie in der Zellstoff-, Textil- und chemischen Industrie eingesetzt. Der Werkstoff CuSn6 weist aufgrund seines höheren Zinngehaltes noch bessere Federeigenschaften auf und wird daher für hochbeanspruchte, verschleissfeste Federn im Maschinen- und Uhrenbau verwendet. Ausserdem wird der Werkstoff für Zahnräder und Schneckengetriebe, für Gleitlager, Gleitbahnen und Laufbuchsen sowie für Bolzen, Schrauben und Muttern eingesetzt. Im Kraftwerksbau wird dieser Werkstoff ebenso wie die Legierung CuSn6 mit einem Anteil von einem% Aluminium für Kondensatorrohre genutzt.

Mit einem geringen Anteil Phosphor ist diese Legierung ein hochwertiger Lagerwerkstoff mit hervorragenden Gleiteigenschaften, d.h. mit einer hohen Verschleiss-, Warm- und Dauerschwingfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit. Der höhere Phosphorgehalt verbessert die Schmierfilmhaftung des Werkstoffs. Er wird daher für Lager aller Art bis zu höchsten Belastungen und Drehzahlen im Motoren und Fahrzeugbau sowie im Maschinenbau eingesetzt.

Die Mehrstoffbronzen CuSn3Zn9 und CuSn4Zn4Pb4 werden zum Beispiel für Steckverbinder in Kraftfahrzeugen verwendet. In jüngster Zeit hat die Legierung CuSn5Pb1 an Bedeutung gewonnen. Sie wird in der Automobiltechnik eingesetzt: speziell für Bauteile in Stellmotoren und für Einspritzsysteme.

BRONZE GUSSLEGIRUNGEN

Gussteile sind durch einen kurzen, prozessstufenarmen Weg vom Rohstoff zum Fertigteil gekennzeichnet. Sie zeichnen sich durch eine weitgehende Gestaltungsfreiheit bei der Teilekonstruktion sowie durch eine hohe Massgenauigkeit und Oberflächengüte aus. Aufgrund des Fertigungsverfahrens lassen sich Produkte mit endformnahen bzw. endformfertigen Abmessungen herstellen. Die Eigenschaften der Kupfer-Zinn- Gusslegierungen werden primär vom Zinngehalt bestimmt. Doch lassen sich ihre Bearbeitungs- und Anwendungsmöglichkeiten durch den Zusatz von Legierungselementen gezielt anpassen. Entsprechend breit ist das Anwendungsspektrum von Bronzeguss als Konstruktionswerkstoff. Bronze-Gusslegierungen zählen zu den korrosionsbeständigsten Kupferwerkstoffen. Hervorzuheben ist ihre hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen verschiedenste atmosphärische Einflüsse, da sie sich mit einer fest haftenden, dichten Schutzschicht überziehen. Die Schutzwirkung nimmt mit steigendem Zinngehalt zu..

Bronzeguss kommt überall dort zum Einsatz, wo die Kombination verschiedener Eigenschaften mit der vorteilhaften Formgebung durch das Giessen gefragt ist. Auf welche Verfahren zur Herstellung von Gussteilen zurückgegriffen wird, ist letztlich eine technisch-wirtschaftliche Frage: Sie hängt unter anderem davon ab, in welchen Stückzahlen und -gewichten gegossen werden soll. Doch hat die Wahl des Gussverfahrens auch Einfluss auf die Gefügestruktur und die Eigenschaften des Gussteils. Dies hängt mit der Abkühlungsgeschwindigkeit und folglich mit dem Erstarrungsablauf der Schmelze zusammen, die je nach Gussverfahren unterschiedlich sind. So haben stranggegossene Teile – gleiche chemische Zusammensetzung vorausgesetzt – wegen ihrer schnelleren Abkühlung ein feinkörnigeres Gefüge und damit eine höhere mechanische Festigkeit als Teile aus Sandguss..

Der Sandguss ist das älteste und am meisten angewendete Formverfahren. Aus Quarzsand, mit Ton bzw. Bentonit als Bindemittel, wird nach einem Modell eine Hohlform hergestellt. Durch Einbringen von Formelementen, den Sandkernen, in den Formhohlraum lassen sich praktisch beliebige, auch sehr grosse und verwickelte, formschwierige Bronze- Gussteile herstellen. Sie zeichnen sich durch hohe Massgenauigkeit aus. Das Verfahren wird vor allem für die Einzel und Kleinserienfertigung eingesetzt. Die Formfüllung geschieht mittels Schwerkraft.

Beim Vollformguss werden die Gussteile mittels Modellen aus Polystyrolschaumstoff hergestellt, die in der Form verbleiben. Man spricht deshalb bei diesem Verfahren von „Vollform“ im Gegensatz zur „Hohlform“, weil das Schaumstoffmodell so lange die Form füllt, bis es beim Giessen vergast und durch die flüssige Bronze ersetzt wird. Als Formstoffe dienen Giessereisande, die nicht unbedingt verdichtet werden müssen. Das Verfahren eignet sich zur Einzelfertigung mittlerer und grosser Gussteile, aber auch zur Grossserienfertigung, wenn die geschäumten Modelle serienmässig vorgefertigt werden. Die Oberflächenstruktur entspricht der Oberfläche des Schaumstoffmodells.

Beim Feingussss kommen Modelle aus Wachs oder thermoplastischen Stoffen zum Einsatz, die in keramische Formstoffe eingebettet und nach dem Abbinden ausgeschmolzen oder ausgebrannt werden. Es entstehen so einteilige Schalenformen, die ebenfalls nur einmal verwendbar sind. Die Bronze wird in die noch heisse Form gegossen: Dadurch werden feinste Konturen exakt wiedergegeben; ausserdem sind sehr dünne Wände und Querschnitte giessbar. Der Feinguss ist ein Präzisionsgiessverfahren, dass sich durch sehr hohe Massgenauigkeit und ausgezeichnete Oberflächen auszeichnet. Es ist kein oder kaum ein abschliessender Bearbeitungsaufwand erforderlich. Beim Kokillenguss werden wiederverwendbare Formen (Kokillen) aus Stahl oder Kupfer genutzt, die unempfindlich gegen hohe Temperaturwechsel sind. Bestehen die Kokillen und die Kerne aus Stahl, spricht man von einer Vollkokille. Werden Sandkerne eingelegt, spricht man von einer Gemischtkokille. Die Formfüllung geschieht unter Ausnutzung der Schwerkraft bzw. bei Sonderverfahren mit geringem überdruck. Die erstarrende Schmelze kühlt dank der hohen Wärmeleitfähigkeit des metallischen Formwerkstoffs schnell ab, wodurch ein feinkörniges und dichtes Gef&uumli;ge mit guten Festigkeitseigenschaften entsteht. Die Bauteile zeichnen sich durch eine hohe Massgenauigkeit, Konturenwiedergabe und Oberflächengüte aus.

Beim Schleuderguss handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Bronze &uumli;ber eine Rinne in eine rotierende, meist zylindrische Form gebracht wird und die Legierung noch während der Rotation in der Kokille erstarrt. Dieses Verfahren liefert einen dichten, gleichmässigen Guss; durch die auftretenden Zentrifugalkräfte scheiden sich leichte Verunreinigungen wie Gase und Oxide auf der inneren Oberfläche der Rotationskörper ab. Verfahrensbedingt lassen sich im Schleuderguss nur Rohre, B&uumli;chsen, Ringe und ähnliche rotationssymmetrische Teile herstellen.

Der Strangguss für die Herstellung von Halbzeugen entspricht dem Verfahrensablauf, wie er unter dem Punkt Knetlegierungen skizziert ist. Im Unterschied zum Strangguss aus Knetlegierungen werden Halbzeuge aus Gusslegierungen nicht weiter umgeformt, sondern nur noch mechanisch bearbeitet. Mittels Strangguss lassen sich Voll- und Hohlprofile der verschiedensten Abmessungen und Formen giessen. Auch bei diesem Verfahren wird wegen der raschen und gleichmässigen Erstarrung ein dichtes, feinkörniges Gefüge erzielt.