Haben Sie sich jemals gefragt, was Bronze so besonders und vielseitig macht? Dieser Artikel befasst sich mit der faszinierenden Welt der Bronze, einer Legierung, die hauptsächlich aus Kupfer und Elementen wie Zinn, Aluminium und Silizium besteht. Wir decken ihre einzigartigen Eigenschaften, verschiedenen Arten und praktischen Anwendungen auf und geben Einblicke von erfahrenen Maschinenbauingenieuren. Erfahren Sie, wie Bronze die Industrie durch seine Festigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit geprägt hat!
Bronze ist eine vielseitige Metalllegierung, die hauptsächlich aus Kupfer besteht. Sie entsteht durch die Kombination von Kupfer mit einem oder mehreren Legierungselementen, in der Regel Zinn, aber auch Aluminium, Beryllium, Silizium, Mangan, Nickel, Phosphor und gelegentlich Zink in geringen Mengen. Die spezifische Zusammensetzung variiert je nach den gewünschten Eigenschaften und der beabsichtigten Anwendung.
Metallurgisch gesehen umfasst der Begriff Bronze eine breite Familie von Kupferlegierungen, ausgenommen reines Kupfer, Messing (Kupfer-Zink-Legierungen) und Kupfernickel (Kupfer-Nickel-Legierungen). Durch die Zugabe von Legierungselementen zu Kupfer werden dessen mechanische und chemische Eigenschaften erheblich verbessert, was zu einem Werkstoff mit besseren Eigenschaften als bei reinem Kupfer führt.
Das Legierungsverfahren verleiht der Bronze eine einzigartige Kombination von Eigenschaften:
Diese Eigenschaften machen Bronze zu einem unschätzbaren Werkstoff in verschiedenen Industriezweigen, darunter Schiffstechnik, Luft- und Raumfahrt, elektrische Anwendungen und künstlerische Arbeiten. Obwohl die Verarbeitung von Bronze aufgrund ihrer Härte und ihres hohen Schmelzpunkts schwieriger sein kann als die einiger anderer Metalle, haben moderne Fertigungstechniken wie Präzisionsguss, CNC-Bearbeitung und additive Fertigung die Anwendungsmöglichkeiten erweitert und die Produktionseffizienz verbessert.
Die spezifische Bronzezusammensetzung wird sorgfältig auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zugeschnitten, wobei Faktoren wie Festigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und Kosteneffizienz berücksichtigt werden. Diese Anpassungsfähigkeit hat dafür gesorgt, dass Bronze sowohl in traditionellen als auch in hochmodernen technischen Anwendungen weiterhin relevant ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 den Zusatz von Chrom werden die Rekristallisationstemperatur und die thermische Festigkeit der Legierung deutlich verbessert, während die Leitfähigkeit von Kupfer leicht abnimmt. 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%.
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.
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 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. Mit ihr lassen sich Effekte erzielen, die mit reinem Rotkupfer nur schwer zu erreichen sind, wie z. B. das Abblättern, und sie eignet sich für schwer zu bearbeitende Werkstoffe wie Wolframstahl.
Zu den Chrom-Zirkonium-Bronze-Sorten gehören C18150, C18200, C15000 und C15100.
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.
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 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.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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