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Bronze

Mit dem Sammelbegriff Bronzen werden Legierungen mit mindestens 60 % 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 Aluminiumbronze, Bleibronze, Manganbronze oder Phosphorbronze. In historischen Kontexten, etwa zu Bronzezeit und Bronzebildwerken, wird „Bronze“ (in Österreich ohne endendes e gesprochen)[1] alleinstehend und meist für eine Zinnbronze verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Etymologie


Die heutige Bezeichnung für die Legierung wurde im 17. Jahrhundert zuerst aus dem italienischen bronzo, später auch über das französische bronze erneut entlehnt. Die Vorgeschichte ist etymologisch unklar.[2][3] Das Wort wurde aber zuerst im 14. Jahrhundert aus dem Orient ins Italienische übernommen. Nicht auszuschließen ist ein Zusammenhang mit dem persischen Wort birindsch (pirinğ bzw. birinğ) für Kupfer, woraus mittellateinisch bronzium und italienisch bronzo ableitbar wären.[4][5]

Mineralische Grundlagen


Zu den in Mitteleuropa frühzeitlich entdeckten Kupfererzvorkommen sind die Fahlerze: Tetraedrit (Antimonfahlerz), Tennantit (Arsenfahlerz), Freibergit, Germanit, Colusit, Schwazit (Quecksilberfahlerz), Hermesit, Annivit; oder Wolfsbergit (Kupferantimonglanz) – bei denen das enthaltene Kupfer von Antimon, Arsen, Schwefel, Blei und Eisen begleitet wird, Elemente, deren saubere Abtrennung grundlegende metallurgische Fähigkeiten voraussetzt. Zinnerze wurden insbesondere als Kassiterit (Zinnstein) und als Stannit (Zinnkies) gefunden.

Zusammensetzung/Eigenschaften


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 % 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 ca. 20 Prozent 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.

Legierungen und Legierungszusätze

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.[6] Darüber hinaus kommen noch sogenannte Glockenbronzen mit ca. 20 %, max. jedoch 22 % Zinn zur Anwendung.

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 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.

Tabellenübersicht der Bronzelegierungen

Name der Legierung Komponenten zu Kupfer Eigenschaften Verwendung
Guss-Zinnbronze bis 22 % Zinn, vorwiegend 10–12 % Zinn, Dichte etwa 8,8024 kg/dm³ elastisch, zäh, korrosionsbeständig überwiegend als Formguss, bis 6 % Zinn kalt walzbar zu Blechen und Prägevormaterial (Medaillen, Münzen), Drahtziehen bis 10 % Zinn. Glockenguss (Glockenbronze: etwa 20–24 % Zinn), historisch ist Kanonenbronze, ebenso Klanginstrumente. Statuenbronze für Kunstguss (Kleinbronzen, Denkmale)
Aluminiumbronze 5–10 % Aluminium seewasserbeständig, verschleißfest, elastisch, leicht magnetisch, goldfarben Federblech, Waagebalken, Schiffspropeller, chemische Industrie
Bleibronze bis zu 26 % Blei korrosionsbeständig, gute Gleiteigenschaften Lagermetall, Verbund- und Formgusswerkstoffe, antike Münzbronze enthielt häufig Blei, dem nicht alles Silber abgetrieben wurde
Manganbronze 12 % Mangan korrosionsbeständig, hitzebeständig elektrische Widerstände
(in den USA trotz des in manchen Legierungen enthaltenen Zinkanteils von 20–40 % als manganese bronze bezeichnet, zum Beispiel bei einigen von Ampco hergestellten Werkstoffen)
Siliciumbronze 1–2 % Silicium mechanisch und chemisch hoch beanspruchbar, hohe Leitfähigkeit Oberleitungen, Schleifkontakte, Chemische Industrie
Berylliumkupfer (Berylliumbronze) 2 % Beryllium hart, elastisch, giftig Federn, Uhren, funkenfreie Werkzeuge
Phosphorbronze 7 % Zinn, 0,5 % Phosphor hohe Dichte und Festigkeit zähfeste Maschinenteile, Achsenlager, Gitarrensaiten
Leitbronze Magnesium, Cadmium, Zink (gesamt 3 %) elektrische Eigenschaften ähnlich Kupfer, jedoch zugfester Freileitungen, Starkstromanlagen
Rotguss Zinn, Zink, Blei (gesamt 10–20 %) korrosionsbeständig, gute Gleiteigenschaften und Gießbarkeit Gleitlager, Armaturen, Schneckenräder, Kunst
Korinthisches Erz (corinthium aes) 1–3 % Gold, 1–3 % Silber,
manchmal wenige Prozent Arsen, Zinn oder Eisen
durch Patinieren schwarz färbbar historischer Werkstoff für Statuen und Luxusartikel (Antike)
Potin französische Bezeichnung für Legierungen auf Kupferbasis. Potin gris ist als Bronzelegierung zu bezeichnen. Potin jaune ist aus Altmessing hergestelltes Gussmessing.
Bezeichnung auch für keltische Münzbronze

Statuenbronze

Der Meyers von 1905 benannte für die Legierung einer der Witterung widerstehenden Bronze 89 % Kupfer, 8,2 % Zinn und 1,5 % Blei.[7]

Als Zusammensetzung moderner Statuenbronze wurden 1905 genannt:[7]

Statue Kupfer Zink Zinn Blei
Friedrich Wilhelm IV., Köln 89,55 7,46 2,99
Löwenkämpfer, Berlin 88,88 9,72 1,40
Amazone, Berlin 90,00 6,00 4,00 1,00
Blücher, Berlin 90,10 5,30 4,60
Friedrich II., Berlin 88,30 9,50 1,40 0,07
Großer Kurfürst, Berlin 89,09 1,64 5,82 2,26
87,91 1,38 7,45 2,65

Schöne grüne Patina besaßen laut Meyers 1905:[7]

Statue Kupfer Zink Zinn Blei Eisen Nickel
Schäfer am Teich, Potsdam 89,20 1,12 8,86 0,51 0,18
Bronze aus dem 16. Jahrhundert 89,4 8,17 1,05 0,34 0,19
Diana, München 77,3 19,12 0,91 2,29 0,12 0,43
Mars und Venus, München 1575 94,12 0,30 4,77 0,67 0,48

Geschichte


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

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 Mohenjo Daro wurde die kleine Figur eines Mädchens (Tänzerin) gefunden. 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.[8] 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 (Urnenfelderkultur, Lausitzer Kultur), und schließlich wird mit der Hallstatt-Kultur die Antike eingeleitet. Bronze und Eisen wurden je nach Aufgabenstellung noch nebeneinander verwendet. Durch Versuch und Irrtum 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.

Nutzung


Die traditionellen Anwendungsbereiche von Bronzen

Bronzen und Bronzelegierungen als Teil moderner Techniken

Kupfer-Zinn-Legierungen für unterschiedliche Techniken werden auch mit ebenso unterschiedlichen Legierungselementen den gestellten Forderungen angepasst.[10] 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.[10]

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.

Galerie von Verwendungen


Literatur


Einzelnachweise


  1. duden.de: Rechtschreibung und Aussprache des Wortes Bronze
  2. Der Grosse Duden, Band 7, Etymologie, Bibliografische Institut AG, Mannheim 1963, S. ?.
  3. Etymologisches Wörterbuch der baskischen Sprache. (Google Books ).
  4. Friedrich Kluge, Alfred Götze: Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache. 20. Aufl., hrsg. von Walther Mitzka, De Gruyter, Berlin/ New York 1967; Neudruck („21. unveränderte Auflage“) ebenda 1975, ISBN 3-11-005709-3, S. 102.
  5. Karl Lokotsch: Etymologisches Wörterbuch der europäischen (germanischen, romanischen und slavischen) Wörter orientalischen Ursprungs (= Indogermanische Bibliothek. Abteilung 1: Sammlung indogermanischer Lehr- und Handbücher. Reihe 2: Wörterbücher. Bd. 3, ZDB-ID 843768-3 ). Winter, Heidelberg 1927, S. 132 f.
  6. DIN CEN/TS 13388 Kupfer und Kupferlegierungen – Übersicht über Zusammensetzungen und Produkte
  7. a b c http://www.zeno.org/Meyers-1905/A/Bronze
  8. für Analysen früher Bronzen siehe T. L. Kienlin, Copper and Bronze During the Eneolithic and Early Bronze Age: a Metallographic Examination of Axes from the Northalpine Region. In: Archaeometry 48/3, 2006, S. 453–468.
  9. 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.
  10. a b Deutsches Kupfer Institut, DIN/EN Norm (alt DIN1705 und neu DIN EN1982)

Weblinks


WiktionaryWiktionary: Bronze – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Bronze  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Deutsches Kupferinstitut (DKI) :




Kategorien: Kupferlegierung | Zinn | Bronze | Gusswerkstoff


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