Was ist Bronze?
Was ist Bronze und woraus wird sie hergestellt?
Bronze ist eine Art von Legierung, die hauptsächlich aus Kupfer besteht. Sie ist eine Mischung aus Kupfer und anderen Elementen wie Zinn, Aluminium, Beryllium, Silizium, Mangan, Cadmium und Zirkonium, Titan, Magnesium und Eisen.
Alle Kupferlegierungen mit Ausnahme von reinem Kupfer und der Kupfer-Zink-Reihe (Messing) und der Kupfer-Nickel-Reihe (weißes Kupfer) können als Bronze eingestuft werden.
Die Zugabe von anderen Elementen zum Kupfer in Bronze erhöht die Festigkeit und verleiht ihr spezifische Eigenschaften. Bronze weist eine hohe Druckfestigkeit auf, und seine hohe Elastizität, Erweichungsbeständigkeit, Korrosions- und Verschleißfestigkeit machen es zu einem nützlichen Material für eine Vielzahl von Anwendungen. Obwohl es schwierig zu verarbeiten ist, haben diese Eigenschaften zu einer breiten Palette von Anwendungen für Bronze geführt.
Arten von Bronze
Wie viele Arten von Bronze gibt es?
Bronze kann aufgrund ihrer Hauptelemente in mehrere Kategorien eingeteilt werden. Dazu gehören unter anderem Zinnbronze (einschließlich Zinnphosphorbronze), Aluminiumbronze, Berylliumbronze, Siliziumbronze, Manganbronze, Chrombronze, Kadmiumbronze, Zirkoniumbronze, Chrom-Zirkoniumbronze, Titanbronze, Magnesiumbronze und Eisenbronze.
Zinnbronze
Die Legierung auf Kupferbasis, deren Hauptelement Zinn ist, wird als Zinnbronze bezeichnet. Die in der Industrie verwendete Zinnbronze enthält in der Regel zwischen 3% und 14% Zinn.
Zinnbronze mit einem Zinngehalt von weniger als 5% ist ideal für die Kaltumformung. Zinnbronze mit einem Zinngehalt von 5% bis 7% ist dagegen für die Warmumformung geeignet. Für Gussanwendungen wird Zinnbronze mit einem Zinngehalt von mehr als 10% bevorzugt.
Zinnbronze ist in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet, z. B. im Schiffbau, in der chemischen Industrie, im Maschinenbau und in der Messtechnik. Sie wird hauptsächlich zur Herstellung von verschleißfesten Teilen wie Lagern, Wellenschutzhülsen und elastischen Komponenten wie Federn sowie von korrosionsbeständigen und antimagnetischen Teilen verwendet.
Aluminium-Bronze
Die Legierung auf Kupferbasis, deren Hauptelement Aluminium ist, wird als Aluminiumbronze bezeichnet. Aluminiumbronze hat im Vergleich zu Messing und Zinnbronze bessere mechanische Eigenschaften.
In der Praxis enthält Aluminiumbronze 5% bis 12% Aluminium, wobei der Aluminiumgehalt zwischen 5% und 7% die beste Plastizität aufweist und sich daher ideal für die Kaltumformung eignet. Liegt der Aluminiumgehalt jedoch über 7% bis 8%, steigt die Festigkeit der Legierung, aber die Plastizität nimmt deutlich ab. Daher wird sie meist in gegossener Form oder nach der Warmumformung verwendet.
In Bezug auf Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit übertrifft Aluminiumbronze Messing und Zinnbronze in atmosphärischem Wasser, Seewasser, Seewasserkohlensäure und den meisten organischen Säuren.
Aluminiumbronze kann zur Herstellung von hochfesten, verschleißfesten Teilen wie Zahnrädern, Wellenhülsen und Schneckenrädern sowie von elastischen Elementen mit hoher Korrosionsbeständigkeit verwendet werden.
Beryllium-Bronze
Die Art von Kupferlegierung, deren Hauptelement Beryllium ist, wird als Berylliumbronze bezeichnet. Der Berylliumgehalt in Berylliumbronze liegt normalerweise zwischen 1,7% und 2,5%.
Berylliumbronze zeichnet sich durch eine hohe Elastizitäts- und Ermüdungsgrenze, hervorragende Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, gute Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, Nichtmagnetismus und Funkenfreiheit beim Aufprall aus.
Es wird hauptsächlich für die Herstellung von kritischen Federn in Präzisionsinstrumenten, Uhrwerken, Lagern und Buchsen, die unter hohen Geschwindigkeiten und hohem Druck arbeiten, sowie für Schweißelektroden, explosionsgeschützte Werkzeuge, Navigationskompasse und andere wichtige Komponenten verwendet.
Silizium-Bronze
Die Bronzeart, deren Hauptelement Silizium ist, wird als Siliziumbronze bezeichnet. Neben Silizium enthält die in der Industrie verwendete Siliziumbronze auch Spuren von Mangan, Nickel, Zink oder anderen Elementen.
Silizium ist ein begrenzter Mischkristall in Kupfer, mit einer maximalen Löslichkeit von 5,3% bei 852°C, die mit sinkender Temperatur abnimmt. Der Effekt der Alterungshärtung ist jedoch nicht signifikant, und im Allgemeinen wird keine verstärkende Wärmebehandlung durchgeführt.
Der Siliziumgehalt von verformbarer Siliziumbronze reicht von 1% bis 4%. Mit steigendem Siliziumgehalt kann eine spröde Phase auftreten, die die Plastizität der Legierung verringert.
Siliziumbronze hat einen engen Temperaturbereich der Kristallisation, eine gute Fließfähigkeit und höhere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Zinnbronze. Sie kann als Ersatz für Zinnbronze in der Maschinenbauindustrie verwendet werden.
Mangan-Bronze
Manganbronze ist eine Legierung, die Kupfer als Grundelement und Mangan als Hauptlegierungselement enthält. Die wichtigsten Sorten von Manganbronze sind u. a. QMn1,5 (Cu-1,5Mn) und QMn5 (Cu-5Mn).
Chrombronze
Chrombronze ist eine Kupferlegierung, die 0,4% bis 1,1% Chrom enthält. Chrombronze kann durch Abschrecken, Alterung oder Abschrecken und Kaltverformung Alterungsbehandlungen verstärkt werden.
Bei der eutektischen Temperatur von 1072°C beträgt die maximale Löslichkeit von Chrom in Kupfer 0,65%. Mit abnehmender Temperatur nimmt die Feststofflöslichkeit von Chrom rasch ab, und Chrompartikel werden nach Mischkristall- und Alterungsbehandlungen ausgefällt.
Durch die Zugabe von Chrom werden die Rekristallisationstemperatur und die thermische Festigkeit der Legierung erheblich verbessert, während die Leitfähigkeit von Kupfer leicht sinkt. Die Leitfähigkeit von lösungsbehandeltem Chrombronzestab beträgt 45% IACS, die nach der Alterungsbehandlung auf 80% IACS ansteigt. Die Erweichungstemperatur von gealterter Chrombronze liegt bei 400°C und ist damit doppelt so hoch wie die von kaltverformtem Kupfer.
Diese Legierung kann sowohl im Guss- als auch im Verformungszustand verwendet werden. Wenn Aluminium und Magnesium als Legierungselemente der Chrombronze zugesetzt werden, bildet sich auf der Oberfläche der Cu-Cr-Legierung ein dünner, dichter Oxidfilm, der fest mit dem Grundmetall verbunden ist und die Hochtemperaturoxidations- und Wärmebeständigkeit der Legierung verbessert. Der Gehalt an Aluminium und Magnesium in der Legierung beträgt normalerweise nicht mehr als 0,3%.
Kadmium-Bronze
Kadmiumbronze ist eine spezielle Art von Bronze, die Kadmium als Hauptlegierungselement enthält und der manchmal 0,35% bis 0,65% Chrom hinzugefügt wird. Kadmium und Kupfer bilden bei hohen Temperaturen eine feste Lösung, deren Löslichkeit jedoch mit sinkender Temperatur rasch abnimmt.
Der niedrige Cadmiumgehalt führt zu einer schwachen Partikelverfestigung der ausgeschiedenen Phase, so dass die Legierung nicht durch Wärmebehandlung ausgehärtet werden kann und nur durch Kaltverformung verfestigt werden kann.
Cadmiumbronze hat eine hohe Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, eine gute Verschleißfestigkeit, Verschleißminderung und Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Verarbeitungsleistung. Es ist weit verbreitet in der Herstellung von leitfähigen, hitzebeständigen und verschleißfesten Teilen für elektrische Geräte verwendet.
Es ist zu beachten, dass die flüchtigen Bestandteile des Cadmiums giftig sind, und das Material muss durch Schmelzverfahren aufbereitet werden, wobei während des Schmelzvorgangs auf Sicherheitsmaßnahmen zu achten ist. Die Inlandssorte von Cadmiumbronze ist QCd1. Sie ist in Form von Platten, Bändern, Stäben und Draht erhältlich.
Zu den Hauptanwendungen gehören unter anderem Motorkommutatoren, Schaltelemente, Federkontakte, Hohlleiter, hochfeste Übertragungsleitungen, Verbindungen und Kontaktschweißelektroden sowie Rollen.
Zirkonium-Bronze
Zirkoniumbronze ist eine spezielle Art von Bronze, die Zirkonium als Hauptlegierungselement enthält, und manchmal wird eine kleine Menge Zirkonium hinzugefügt, um die Festigkeit zu verbessern. Die gebräuchlichsten Sorten von Zirkoniumbronze sind QZr0.2 und QZr0.4.
Es hat eine gute thermische Festigkeit und Kriechfestigkeit und behält auch bei hohen Temperaturen eine gute Plastizität und Leitfähigkeit. Zirkoniumbronze wird durch das Schmelzverfahren hergestellt.
Es wird hauptsächlich verwendet als Widerstandsschweißen Teilen und hochfesten Elektrodenwerkstoffen. Die Verwendung von Zirkoniumbronze wird in der Eisen- und Stahlindustrie aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und einfachen Verarbeitung immer häufiger eingesetzt.
Chrom-Zirkonium-Bronze
Chrom-Zirkonium-Bronze ist eine Legierung, die eine hohe Festigkeit, Härte, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie eine gute Verschleißfestigkeit aufweist. Nach einer Alterungsbehandlung werden Härte, Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit deutlich verbessert, so dass sie leicht zu schweißen ist.
Es wird häufig in Anwendungen wie Motorkommutatoren und Punktschweißmaschinen eingesetzt, Nahtschweißen Maschinen, Elektroden für Stumpfschweißmaschinen und andere Bauteile, die Festigkeit, Härte, Leitfähigkeit und Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen erfordern.
Als Funkenerosionselektrode kann Chrom-Zirkonium-Bronze eine ideale Spiegeloberfläche mit guten aufrechten Leistungen erzeugen. Sie kann Effekte erzielen, die mit reinem Rotkupfer nur schwer zu erreichen sind, wie z. B. Abblättern, und eignet sich für schwer zu bearbeitende Materialien wie Wolframstahl.
Zu den Chrom-Zirkonium-Bronze-Sorten gehören C18150, C18200, C15000 und C15100.
Titan-Bronze
Titanbronze ist eine Kupferlegierung, die Titan als Hauptlegierungselement enthält. Es handelt sich um ein neuartiges elastisches Material, das sich sowohl kalt als auch heiß gut verarbeiten lässt. Durch Wärmebehandlung können die Eigenschaften von Titanbronze erheblich verbessert und verstärkt werden. Zum Beispiel kann die Zugfestigkeit von 686 MPa auf 1009 MPa erhöht werden.
Titanbronze wird unter anderem zur Herstellung von hochfesten, hochelastischen und hochverschleißfesten elastischen Elementen, elektrischen Schaltern, elastischen Relaiselementen, Membrankästen, Membranen, Zahnrädern, Lagern, Lagerschalen und Lagerhülsen verwendet.
Magnesium-Bronze
Magnesiumbronze ist eine Art von Magnesium-Kupfer-Legierung. Die inländische Qualität von Magnesiumbronze ist QMg0,8. Sie ist eine binäre Legierung aus Kupfer und Magnesium und wird häufig als leitfähiges Material verwendet, z. B. für Kabel, und kann Cadmiumbronze in vielen Anwendungen ersetzen.
Magnesiumbronze wird hauptsächlich in Form von Drähten geliefert und vor allem zur Herstellung von leitfähigen Bauteilen wie Kabeln und Flugzeugantennen verwendet.
Eisenbronze
Eisenbronze ist eine Art von Bronze, deren Hauptelement Eisen ist. Kupfer-Eisen-Legierungen, die auch als Eisenbronze bekannt sind, werden in Amerika durch die Legierung C19400 repräsentiert.
Durch die Wärmebehandlung verbessert die Ausscheidung von Eisen in der Legierung ihre Festigkeit und Wärmebeständigkeit. Die Zugfestigkeit im gehärteten Zustand kann 415-485 MPa erreichen, und seine Leitfähigkeit kann 60% IACS erreichen.
Eisenbronze wird häufig als Lead-Frame-Material für integrierte Schaltungen verwendet und ist in den Vereinigten Staaten in der Norm ASTM B465-85 enthalten. Diese Norm umfasst auch die Legierungen C19200, C19500 und C19600, die Eisengehalte von 0,8% bis 12%, 10% bis 20% bzw. 9% bis 12% und Phosphorgehalte von 0,01% bis 0,04%, 0,01% bis 0,35% bzw. 0,25% bis 0,35% aufweisen.
In China ist das Äquivalent zur Legierung C19400 die Eisenbronze QFe2,5-0,1.
