Eigenschaften und Wirkungen von Mangan als Legierungselement
Mangan ist ein hartes, sprödes, silbrig-weißes Metall, dessen Name sich vom lateinischen Wort ‘magnes’ für Magnet ableitet. Das im Jahr…
Bronze, eine Legierung aus Kupfer und Zinn, ist bekannt für ihre Haltbarkeit, Festigkeit und Vielseitigkeit. Auch als Phosphorbronze bekannt, enthält sie Phosphor als Desoxidationsmittel sowie 11 % Zink und bis zu 0,35 % Phosphor.
Historisch gesehen ermöglichte die Kombination von Kupfer und Zinn die Herstellung einer Legierung, die dem reinen Kupfer in Härte und Festigkeit überlegen war. Dadurch konnten überlegene Werkzeuge, Waffen und künstlerische Meisterwerke geschaffen werden. Heute sind Bronzelegierungen unverzichtbar für verschiedenste technische Anwendungen.
Dieser Artikel beleuchtet die wichtigsten Eigenschaften von Bronzelegierungen und ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten.
Bronzelegierungen zeichnen sich durch eine ausgewogene Kombination physikalischer und mechanischer Eigenschaften aus. Die Zugabe von Zinn erhöht die Streck- und Zugfestigkeit des Materials erheblich, wodurch es widerstandsfähig gegen Verformung und Bruch wird. Dadurch eignet sich Bronze ideal für Anwendungen, die starke und langlebige Komponenten erfordern, wie Zahnräder und Werkzeuge.
Bronzelegierungen verfügen über eine gute Duktilität, sodass sie in verschiedene Formen gebracht und gezogen werden können, ohne zu brechen oder zu reißen. Dies erleichtert Fertigungsverfahren wie Gießen, Schmieden und Zerspanen.
Zudem sind Bronzewerkstoffe besonders widerstandsfähig gegen Korrosion, insbesondere in Salz- oder Süßwasserumgebungen. Dies ist auf die schützende Oxidschicht zurückzuführen, die durch die Zugabe von Zinn und Phosphor entsteht. Daher werden sie bevorzugt für Schiffsausrüstung und Propeller eingesetzt.
Für Lageranwendungen, bei denen eine lange Lebensdauer gefordert ist, sind Bronzelegierungen wegen ihrer Ermüdungsfestigkeit und ihres niedrigen Reibungskoeffizienten sehr gefragt. Sie halten wiederholten Belastungen stand, ohne zu ermüden, und sind daher ideal für Anwendungen mit zyklischer Beanspruchung. Darüber hinaus verringert ihr geringer Reibungskoeffizient die Abnutzung beweglicher Teile.
Bronzelegierungen finden Verwendung in zahlreichen Maschinenteilen wie Zahnrädern, Kupplungsscheiben, Buchsen, Lagern, Federn, Membranen, Bälgen, Pumpen, Druckbehältern und Kondensatoren. Einige dieser Anwendungen werden im Folgenden ausführlicher erläutert.
Klassische Bronzelager enthalten oft 6 bis 8 % Blei, um die selbstschmierenden Eigenschaften zu verbessern. Das Gießverfahren wird sorgfältig gesteuert, um eine gleichmäßige Verteilung der Bleipartikel zu gewährleisten, da Blei in Bronze unlöslich ist. Der Anteil von Blei und Zinn richtet sich nach den Anforderungen an Festigkeit und Schmierfähigkeit.
Eine weitere Art selbstschmierender Bronze verfügt über eine poröse Mikrostruktur, die mit Schmierstoffen getränkt werden kann und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit sowie Selbstschmierung bietet. Damit eignen sie sich besonders für Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen und minimalem Wartungsbedarf.
Poröse Bronze wird meist im Pulvermetallurgie-Verfahren hergestellt, bei dem Kupfer- und Zinnpulver gemischt, gepresst und anschließend gesintert werden. Das entstandene poröse Material ist zwar nicht so fest wie gegossene Bronze, doch die Poren können nach dem Sintern mit Öl oder vor dem Pressen mit Graphit imprägniert werden, um ein selbstschmierendes Material zu erzeugen.
Eine für den Marinebereich verwendete Bronzelegierung ist Phosphorbronze, die durch einen geringen Phosphorgehalt eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Diese Eigenschaften prädestinieren sie für Komponenten wie Pumpenteile, Ventilkörper und Armaturen, insbesondere in rauen maritimen Umgebungen. Für Hochdruckanwendungen, etwa bei Ventilen und Pumpenteilen, sind sogenannte Rotgusslegierungen aufgrund ihres hohen Zinn- und Zinkgehalts beliebt, da sie zusätzliche Festigkeit und Verschleißfestigkeit bieten.
Bestimmte Bronzelegierungen, wie kaltverfestigte Phosphorbronzen, besitzen ausgezeichnete Federeigenschaften. Dadurch können sie konstanten Druck aufrechterhalten und eine zuverlässige elektrische Leitfähigkeit für Anwendungen wie Schalter und Steckverbinder gewährleisten.
In einer 2023 veröffentlichten Studie untersuchten Forscher die Verbesserung der Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von Nickel-Aluminium-Bronze (NAB) durch Zugabe von Zinn (Sn). Sie stellten fest, dass verschiedene Zinngehalte die Mikrostruktur von säulen- zu äquiaxialen Gefügen verwandelten, wobei bei 1,0 Gew.-% Zinn die besten Ergebnisse erzielt wurden. Diese Modifikation steigerte die Härte um bis zu 69 % und die Zugfestigkeit um bis zu 28,4 %.
Die Studie zeigte zudem, dass die Zugabe von Zinn die Erstarrungsparameter veränderte und die Bildung von Hochtemperatur-α- und zinnreichen Phasen förderte, was die verbesserten Eigenschaften begünstigte. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Zinnzusatz die Mikrostruktur gezielt verfeinern und die Leistungsfähigkeit von NAB-Legierungen steigern kann.
In einer weiteren Studie von 2024 entwickelten Forscher mittels Induktionsschmelzen neuartige mittelentropische Bronzelegierungen (MEB) auf Basis von (CuMnNi)100-xSnx. Diese Legierungen mit unterschiedlichen Zinnanteilen (0, 5, 10, 15 und 20 Gew.-%) erreichten signifikante Verbesserungen in Festigkeit und Verschleißbeständigkeit.
Die Zugabe von Zinn förderte die Ausbildung einer kubisch-raumzentrierten (KRZ) Phase, sodass sich die Mikrostruktur von einer einphasigen flächenzentrierten (FZK) zu einer zweiphasigen FZK-KRZ-Struktur wandelte.
Diese mikrostrukturelle Entwicklung sowie die Mischkristallverfestigung durch Zinn führten zu erhöhter Härte, Streck- und Druckfestigkeit. Zudem verbesserte sich die Verschleißbeständigkeit der MEB-Legierungen deutlich und übertraf ab einem Zinngehalt von mehr als 5 Gew.-% die konventionelle Aluminiumbronze C6161.
Obwohl Bronzelegierungen in verschiedensten Industriezweigen breit eingesetzt werden, gibt es weiterhin Herausforderungen, die die Forschung beschäftigen. So kann selbstschmierende Bronze mit Bleianteil umweltschädlich sein, da Blei toxisch ist.
Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung auf bleifreie, selbstschmierende Bronzelager als Alternativen. Weiterentwicklungen in diesem Bereich werden in naher Zukunft voraussichtlich dazu beitragen, die Umweltbelastung durch Bronzelegierungen zu minimieren.
