Informationsdruck i. 25 - über Kupfer

1. Allgemeines zu den Kupfer-Zinn- und Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen (Zinnbronzen)Die gebräuchlichen Kupfer-Zinn-Gusslegierungensind in DIN EN 1982(Tab. 17 bis 21, Stand 12.98) genormtund umfassen Gusslegierungen desKupfers mit 9 bis 13 % Zinn als Hauptlegierungselement,sie werden auch„Guss-Zinnbronzen“ genannt. Außerdemsind Legierungen mit etwa 20%Zinn als sogenannte „Glockenbronzen“bekannt.Bei den Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungenhandelt es sich um Legierungendes Kupfers mit Zinn und Zink(sowie evtl. noch Blei). Diese sind inDIN EN 1982 (Tab. 22 bis 26, Stand 12.98)genormt und enthalten 1,5 bis 11%Zinn, 1 bis 9 % Zink und bei Bedarf 2,5bis 7% Blei. Für diese Legierungsuntergruppeist der Handelsname Rotgussüblich. Sowohl den Kupfer-Zinn-Gusslegierungen als auch den Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen kann etwasNickel zur Verbesserung der Festigkeitund Blei zur Verbesserung der Spanbarkeitzugegeben werden.Die in DIN EN 1982 (Tab. 27 bis 30,Stand 12.98) genormten Kupfer-Zinn-Blei-Gusslegierungen mit Zinn (0,5 bis11%) und größeren Gehalten an Blei(4 bis 26 %) sind auch als „Guss-Zinn-Bleibronzen“ geläufig. Diese durchden hohen Bleigehalt gekennzeichnetenKupferwerkstoffe weisen sehr guteNotlaufeigenschaften auf und sinddeshalb auch zukünftig als Lagerwerkstoffeunersetzbar. Sie können zurSteigerung der Festigkeit auch einengeringen Zusatz an Nickel enthalten.1.1 GeschichtlichesVermutlich um 2500 v. Chr. wurde erstmalsmit Zinn legiertes Kupfer vergossen.Das wohl bedeutendste früheBildwerk aus Vorderasien – ein bronzenerFürstenkopf entstand etwa 2000v. Chr. [1].Schon in frühgeschichtlicher Zeit wurdenKupferlegierungen mit 20 bis 50 %Zinn wegen ihres hohen Reflexionsvermögenszur Herstellung von Spiegelnherangezogen. Der frühere Bildgusshatte nach 500 v. Chr. in Griechenlandeinen Höhepunkt erreicht, eine rund30 m hohe Statue des SonnengottesHelios im Hafen von Rhodos – um 300v. Chr. aus BronzegussteilenBild 1: Gleitlager (DKI 2488)zusammengesetzt und kurz daraufdurch ein Erdbeben zerstört – galt imAltertum als großes Weltwunder [1].Die ersten Glocken aus Zinnbronzenwurden um etwa 600 n. Chr., dieersten Kanonenrohre aus Bronzezwischen 1345 und 1370 gegossen. DerBronzeguss – insbesondere Kunstguss –erlebte eine Blütezeit in der Renaissance.Heute nehmen die Gusslegierungenaufgrund ihrer technologischen Eigenschaftenunter den Kupferwerkstoffeneine bedeutende Stellung ein (Bild 1).1.2 Zustandsschaubild Kupfer-ZinnIm Gegensatz zu dem früh realisiertentechnischen Einsatz der Kupfer-Zinn-Legierungen war deren Konstitutionlange Zeit nur in groben Zügen klar, dadiese Legierungen wegen ihres breitenErstarrungsintervalls zu starken Seigerungen(Entmischung) neigen. Diekristallographische Ähnlichkeit derentstehenden Phasen erschwert ihreeindeutige Identifizierung.Bild 2 zeigt das gesamte ZustandsschaubildKupfer-Zinn und Bild 3dzeigt die kupferreiche Seite desZustandsschaubildes Kupfer-Zinn fürden Gleichgewichtszustand. In derflüssigen Phase ist eine vollkommeneLöslichkeit vorhanden. Im festenZustand kann das Kupfer bis max.15,8% Zinn (bei 520°C) unter Mischkristallbildung(α-Phase) lösen.Obgleich die mit sinkender Temperaturabnehmende Zinnlöslichkeit unter520°C theoretisch eine Ausscheidungsfähigkeitvon Kupfer-Zinn-Legierungenerwarten lässt, hat diese praktischkeine Relevanz, da sich das Gleichgewichtnur nach starker Kaltumformungund bei extrem langen Glühzeiten– infolge der Diffusionsträgheitvon Zinn – einstellen würde. So bleibtfür normale Glühzeiten die Löslichkeitvon Zinn unterhalb von 520°C nahezukonstant.Bei der Erstarrung führt außerdem dasbreite Erstarrungsintervall zu erheblichenKonzentrationsunterschiedender entstehenden Mischkristalle, sosind die zuletzt aus der Restschmelzeausgeschiedenen Mischkristalle vielzinnreicher als die zuerst ausgeschiedenen.Dieser Konzentrationsunterschiedkann allein über eine Zinndiffusionausgeglichen werden. DerDiffusionsvorgang läuft jedoch sehrträge, so dass bei den gusstechnischmöglichen Abkühlungsgeschwindigkeitendas Gebiet der α-Phase nochmehr eingeengt wird. Die in Sandgegossenen Zinnbronzen weisen dahernur bis zu Zinngehalten zwischen 4 bis6% in homogenen α-Mischkristallenauf (Bild 3b). Bei Zinnbronzen mithöheren Zinngehalten tritt neben derα-Phase auch das (α+δ)-Eutektoid auf.Bild 3a zeigt das praktische ZustandsschaubildKupfer-Zinn für Kokillenguss.4|Deutsches Kupferinstitut