Bronze ist eine Legierung auf der Basis von Kupfer und Zinn mit Beryllium, Aluminium und anderen Elementen, vor allem Phosphor, Aluminium, Zink und Blei. Bronze kann jedoch weder eine Legierung aus Kupfer und Zink (in diesem Fall erhält man Messing) noch eine Legierung aus Kupfer und Nickel sein.

Relevanz

Die bekannteste Bronze ist Zinn — eine Legierung aus Kupfer und Zinn (Kupferist die Mehrheit). Es ist eines der ersten Metalle, die der Mensch beherrscht. Die Menschen kennen diese Zusammensetzung seit der antiken Bronzezeit. Bronze war lange Zeit ein strategisches Metall (bis zum XIX. Jahrhundert wurden Kanonen aus Bronze gegossen). Es ist ein Metall mit bemerkenswerten Eigenschaften wie Härte, Haltbarkeit und Hochtechnologie. Die Entdeckung von Bronze eröffnete dem Menschen weite Horizonte. Um die Preise für Nichteisenmetalle zu sehen und Bronze zu kaufen, besuchen Sie unsere Website.

Eigenschaften

Zinnbronze ist schlecht gepresst, schlecht geschnitten und gebogen. Sie ist ein Gießereimetall und ihre Gusseigenschaften stehen denen anderer Metalle nicht nach. Bronze zeichnet sich durch eine geringe Schrumpfung aus — 1−2%, die Schrumpfung von Messing und Gusseisen beträgt 1,6%, die von Stahl über 3%. Daher wird Bronze erfolgreich für komplexe Kunstgüsse verwendet. Sie hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit und reibungsmindernde Eigenschaften. Sie wird in der chemischen Industrie für die Herstellung von Armaturen und als Gleitwerkstoff für bewegliche Teile verwendet.

Bronze-Sorten

Zinnbronzen können mit Zink, Aluminium, Nickel, Phosphor, Blei, Arsen und anderen Metallen weiterlegiert werden. Der Zusatz von Zink (max. 11%) verändert die Eigenschaften der Bronze nicht, macht sie aber erheblich billiger.

Prozentuale Zusammensetzung von BROF2−0.25 GOST 5017−2006

Legierung	Fe	Ni	As	Cu	Pb	Zn	Р	Sn	Verunreinigungen
BROF2−0,25	≤0.05	≤0,2	---	96,7−98,98	≤0,3	≤0.3	0,02−0,3	1−2,5	≤0,3

Bronze mit Zinkzusatz wird als «Admiralitätsbronze» bezeichnet und ist sehr korrosionsbeständig in Meerwasser. Blei und Phosphor verbessern die Reibungseigenschaften der Bronze. Aluminiumbronze ist leicht und hat eine hohe spezifische Festigkeit.

Prozentuale Zusammensetzung von БрАЖМц10−3-1,5 GOST 18 175−78

Si	Fe	Mn	Al	Cu	Pb	Zn	Р	Sn	Verunreinigungen
≤0.1	2−4	1−2	9−11	82,3−88	≤0,03	≤0.5	≤0.01	≤0.1	≤0,7

Es ist in der Verkehrstechnik gefragt. Seine hohe elektrische Leitfähigkeit ist in der Elektrotechnik wichtig. Teile aus Berylliumbronze zünden bei Stößen nicht und werden in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt.

Prozentuale Zusammensetzung von BrB2 GOST 18 175−78

Legierung	Fe	Si	Al	Cu	Pb	Zn	Be	Ni	Verunreinigungen
BrB2	≤0.15	≤0,15	≤0,15	96,9−98	≤0,005	---	1,8−2,1	0,2−0,5	≤0,6

Eine Reihe von Kupferlegierungen sind keine Bronzen. Die bekanntesten sind Messing (Cu+Zn-Legierung) und Konstantan (Cu+Ni).

Lieferung

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Bronzen

Bronzen sind Legierungen auf Kupferbasis, die mehr als 2,5% (nach Gewicht) an Legierungsbestandteilen enthalten.

Bronzen dürfen nicht mehr Zink enthalten als die Summe der anderen Legierungselemente, sonst wird die Legierung als Messing eingestuft.

Bronzen werden nach dem Hauptlegierungselement (Aluminium, Zinn usw.) benannt, in einigen Fällen auch nach zwei oder drei (Zinn-Phosphor, Zinn-Zink, Zinn-Zink-Blei usw.).

Zinnfreie Bronzen

Tabelle 1 enthält eine zusammenfassende Liste der in Russland genormten druckbehandelten zinnfreien Bronzen und ihrer ausländischen Bronzelegierungen.

Die zusammenfassende Liste der inländischen standardmäßigen druckbehandelten saponfreien Bronzen und ihrer ausländischen Bronzelegierungen

Niedrig legierte Bronzen:

Bronzesorte	US-Analogon	Analog Deutsch	Analog Japan	Hinweis
BrSr0.1	-	CuAg0.1 (2.1203)	-	Silber (Ag)
-	-	CuAg0,1P (2,1191)	-	Silber (Ag)
Tellur-Bronze	С14500	CuTeP (2.1546)	-	Tellur (Te)
-	C19600	-	-	eisenhaltig (Fe)
-	C19200	-	-	eisenhaltig (Fe)
-	C19500	-	-	eisenhaltig (Fe)
-	C19400	CuFe2P (2.1310)	-	eisenhaltig (Fe)
-	-	-	C1401	andere
BrMg0,3	-	CuMg0,4 (2.1322)	-	andere
-	C14200	-	-	andere
-	C14700	CuSP (2.1498)	-	Verschiedenes
-	-	CuZn0,5 (2,0205)	-	andere
-	-	CuMg0,4 (2,1322)	-	andere
-	-	CuMg0.7 (2.1323)	-	andere
-	C15100	CuZr (2.1580)	-	andere —
BrX1	-	-	-	andere
-	C18400	CuCrZr (2.1293)	-	andere —
BrKd1	-	-	-	andere
-	-	CuPbIp (2.1160)	-	andere

Aluminium-Bronzen:

Bronze-Güteklasse	US-Analog	Gleich wie Deutschland	Wie Japan	Hinweis
BrA5	C60800	CuA15As (2.0918)	-	Al-Cu
BrA7	-	CuA18 (2.0920)	-	Al-Cu
-	C61400	CuAl8Fe3 (2,0932)	C6140	Al-Fe-Cu
-	C61300	-	-	Al-Fe-Cu
BrAJ9−4	C62300	-	-	Al-Fe-Cu
Gleiche	C61900	-	-	Al-Fe-Cu
-	C62400	-	-	Al-Fe-Cu
BrАMts9−2	-	CuA19Mn2 (2.0960)	-	Al-Mn-Cu
БрАМц10−2	-	-	-	Al-Mn-Cu
-	С64200	-	-	Al-Si-Cu
-	С64210	-	-	Al-Si-Cu
BrAJMc10−3-1b5	-	CuA10Fe3Mn2 (2.0936)	-	Al-Fe-Mn-Cu
BrAZHN10−4-4	C63000	CuA110Ni5Fe4 (2.0966)	-	Al-Fe-Ni-Cu
-	-	CuA111Ni6Fe5 (2.0978)	-	Al-Fe-Ni-Cu
-	-	CuA19Ni3Fe2 (2.0971)	-	Al-Fe-Mn-Ni-Cu
-	-	-	C6161	Al-Fe-Mn-Ni-Cu
-	-	-	C6280	Al-Fe-Mn-Ni-Cu
BrAJNMc9−4-4−1	C63200	-	C6301	Al-Fe-Mn-Ni-Cu
-	C63800	-	-	Al-Si-Co-Cu und Al-Si-Ni-Cu
-	C64400	-	-	Al-Si-Co-Cu und Al-Si-Ni-Cu

Beryllium-Bronzen:

Bronze-Güteklasse	US-Analogon	Bronze aus Deutschland	Analog Japan
-	C17410	-	-
-	C17510	CuNi2Be (2.0850)	-
-	C17500	CuCo2Be (2.1285)	-
-	C17000	CuBe1,7 (2,1245)	C1700
BrB2	C17200	CuBe2 (2.1447)	C1720
-	-	CuBe2Pb (2.1248)	-
BrBET1.9	-	-	-
BrBNT1.9Mg	-	-	-

Kieselerde-Bronzen

Bronze-Güteklasse	US-Analogon	Gleich wie Deutschland	Wie Japan
-	-	CuNi1,5Si (2,0853)	-
-	C64700	-	-
BrKH1−1	-	CuNi2Si (2.0855)	-
-	-	CuNi3Si (2.0857)	-
-	C70250	-	-
-	C65100	-	-
BrKMZ3−1	-	-	-
Gleiche	C65500	-	-

Mangan-Bronze

Bronze-Güteklasse	US-Analog	Gleich wie Deutschland	Japan analog
BrMz5	-	-	-

Tellurbronze hat in GOST 18175 keine besondere Bezeichnung

Tabelle 2. Chemische Zusammensetzung der zinnfreien Bronzen (GOST 18175−78) (Massenanteil, %)

Bezeichnung	Gehalt Grenzwert der Elemente	Cu	Ag	Al	Be	Cd	Cr	Fe	Mg	Mn	Ni	P	Pb	Si	Sn	Te	Ti	Zn	Summe der anderen Elemente
BrA5	min.	ost.	-	4,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
BrA5	max.	-	-	6,0	-	-	-	0,5	-	0,5	-	0,01	0,03	0,1	0,1	-	-	0,5	1,1
BrA7	min.	ost.	-	6,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
BrA7	max.	-	-	8,0	-	-	-	0,5	-	0,5	-	0,01	0,03	0,1	0,1	-	-	0,5	1,1
BrAMZ9−2	min.	ost.	-	8,0	-	-	-	_	-	1,5	-	-	-	-	-	-	-	-	-
BrАMts9−2	max.	-	-	10,0	-	-	-	0,5	-	2,5	-	0,01	0,03	0,1	0,1	-	-	1,0	1,5
BrAmc10−2	min.	ost.	-	9,0	_	-	-	_	-	1,5	-	-	-	-	-	-	-	-	-
БрАМц10−2	max.	-	-	11,0	-	-	-	0,5	-	2,5	-	0,01	0,03	0,1	0,1	-	-	1,0	1,7
BrAJ9−4	min.	ost.	-	8,0	-	-	-	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
BrAJ9−4	Max.		-	10,0	-	-	-	4	-	0,5	-	0,01	0,01	0,1	0,1	-	-	1	1,7
BrAJMc10−3-1,5	min.	ost.	-	9,0	-	-	-	2	-	1,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-
BrAJMc10−3-1,5	max.		-	11,0	-	-	-	4	-	2,0	-	0,01	0,03	0,1	0,1	-	-	0,5	0,7
BrAJN10−4-4	min.	ost.	-	9,5	-	-	-	3,5	-	-	3,5	-	-	-	-	-	-	-	-
BrAJHN10−4-4	max.	-	-	11,0	-	-	-	5,5	-	0,3	5,5	0,01	0,02	0,1	0,1	-	-	0,3	0,6
BrAJNMc9−4-4−1	min.	ost.	-	8,8	-	-	-	4	-	0,5	4,0	-	-	-	-	-	-	-	-
БрАЖНМц9−4-4−1	max.	-	-	11,0	-	-	-	5	-	1,2	5,0	0,01	0,02	0,1	0,1	-	-	0,5	0,7
BrB2	min.	ost.	-	-	1,8	-	-	-	-	-	0,2	-	-	-	-	-	-	-	-
BrB2	max.	-	-	0,2	2,1	-	-	0,15	-	-	0,5	-	0,05	0,15	-	-	-	-	0,5
BrBNT1,9	min.	ost.	-	-	1,85	-	-		-	-	0,2	-	-	-	-	-	0,10	-	-
BrBNT1.9	max.	-	-	0,2	2,1	-	-	0,15	-	-	0,4	-	0,05	0,15	-	-	0,25	-	0,5
BrBNT1.9Mg	min.	ost.	-	-	1,85	-	-	-	0,07	-	0,2	-	-	-	-	-	0,10	-	-
BrBNT1.9Mg	max.	-	-	0,2	2,1	-	-	0,15	0,13	-	0,4	-	0,05	0,15	-	-	0,25	-	0,5

Tabelle 3. Charakteristische Eigenschaften und Typen von Halbzeugen aus zinnfreien Bronzen

Bronze-Sorte	Spezifische Eigenschaften	Arten von Halbzeugen
BrАMts9−2	Hohe Beständigkeit bei Wechselbelastung	Stangen, Streifen, Stäbe, Drähte, Schmiedestücke
БрАЖ9−4	Hohe mechanische Eigenschaften, gute Gleiteigenschaften, korrosionsbeständig	Stangen, Rohre, Schmiedestücke
BrAJMZ10−3-1.5	Schlechte Verformbarkeit im kalten Zustand, verformbar im warmen Zustand, hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, korrosionsbeständig, hohe Erosions- und Kavitationsbeständigkeit	Stangen, Rohre, Drähte, Schmiedestücke
BrAJHN10−4-4	Schlecht verformbar im kalten Zustand, verformbar im warmen Zustand, hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, korrosionsbeständig, hohe Erosions- und Kavitationsbeständigkeit	Stangen, Rohre, Schmiedestücke
BrB2, BrBNT1.9	hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit, hohe Federeigenschaften, gute Gleiteigenschaften, mittlere elektrische und thermische Leitfähigkeit, sehr gute Verformbarkeit im abgeschreckten Zustand	Bänder, Streifen, Stangen, Rohre, Drähte
BrKMZ3−1	hoch korrosionsbeständig, schweißbar, hitzebeständig, hohe Druckfestigkeit	Bleche, Streifen, Bänder, Stangen, Drähte
BrKN1−3	hohe mechanisch-technologische Eigenschaften, korrosionsbeständig, gute Gleiteigenschaften	Bleche, Bänder, Streifen, Stäbe, Drähte

Bild 1. Zustandsdiagramm des Systems (Gleichgewichtszustand)

Das Diagramm zeigt, dass die maximale Löslichkeit von Aluminium im festen Zustand 9,4% (nach Masse) beträgt. Mit steigender Temperatur von 565 °C bis 1037 °C nimmt die Löslichkeit von Aluminium in Kupfer ab und erreicht 7,5%.

Zu den stabilen Phasen des Cu-Al-Systems gehören die α-, β-, γ2- und α2-Phasen.

Die α-Phase ist der primäre Mischkristall, isomorph, mit einem elementaren kubisch-flächenzentrierten Kristallgitter. Bei langsamer Abkühlung der Legierung auf 400 °C bildet die α-Phase eine Beinahe-Ordnung, die zu einer deutlichen Verringerung des elektrischen Widerstands führt, die unterhalb von 200 °C infolge der Beseitigung von Packungsfehlern anhält.

Die β-Phase ist ein Mischkristall, der sich aus der stöchiometrischen Zusammensetzung von Cu3Al direkt aus der Schmelze bei 1036−1079 °C bildet, mit einem elementarzentrierten kubischen Kristallgitter. Die β-Phase ist duktil, elektrisch leitfähig und bei Temperaturen über 565 °C stabil. Wenn die Legierung schnell abkühlt (mit einer Geschwindigkeit von > 2 °C/min), kommt es zu abrupten martensitartigen Umwandlungen, bei denen Zwischenphasen entstehen (Abbildung 1). Bei langsamer Abkühlung (2°C/min) zerfällt die β-Phase in die eutektoide α+γ2-Phase und bildet die grobkörnige γ2-Phase, die als kontinuierliche Ketten auftritt und der Legierung ihre Sprödigkeit verleiht. Die Phase γ2 (Cu9Al4), die sich aus der Phase γ' bildet, ist bei niedrigen Temperaturen stabil, spröde und hart, wobei die elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die der β-Phase.

Die Phase α2, die sich bei 363 °C als Ergebnis einer peritektoiden Reaktion zwischen den Phasen α und γ2 bildet, hat ein kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter, jedoch mit anderen Parametern.

Die metastabilen Phasen in den Legierungen: β1 — mit elementarem zentriertem kubischem Kristallgitter (a — 5,84 Å, Al — 11,9%), geordnet; β' — mit elementarem flächenzentriertem kubischem Kristallgitter (Al — 11,6%), stark verformt; β1' — mit elementarem rhombischem Kristallgitter (a = 3,67 Å, c = 7,53 Å, Al — 11,8%), geordnet; γ1-Phase mit orthorhombischer Einheitszelle (a = 4,51 Å, c = 5,2 Å, c = 4,22 Å, Al — 13,6%), geordnet. Die Existenz anderer Phasen, die eine Variation der β1'-Phase sind, wird angenommen.

Die Bestimmung der Struktur von Cu-Al-Legierungen ist schwierig. Sehr hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten (1 bis 8°C/min, je nach Aluminiumgehalt) sind erforderlich, um Legierungsgleichgewichtsstrukturen zu erhalten. Solche Strukturen werden durch Ätzen der Legierungen mit Eisenchlorid sichtbar.

Die Eisenchlorid-Ätzung erlaubt jedoch nicht immer eine sichere Bestimmung der Phasen in den mit normaler Geschwindigkeit abgekühlten Legierungen. In diesem Fall werden spezielle Techniken des elektrolytischen Polierens eingesetzt, um die tatsächliche Struktur von Cu-Al-Legierungen zu ermitteln.

Das Gefüge von Zweistoff-Kupfer-Aluminium-Legierungen und Mehrstoffbronzen auf der Basis des Kupfer-Aluminium-Systems im Gleichgewichtszustand wird durch ein Zustandsdiagramm definiert (Abb. 2).

Abb. 2. Phasenumwandlungsdiagramm für eine Aluminiumbronze mit einem Aluminiumgehalt von 12,07% (Massenanteil)

Unter Produktionsbedingungen, beim Gießen von Masseln und Knüppeln und bei der Druckbehandlung im warmen und kalten Zustand, weichen die Abkühlungs- und Erwärmungsraten jedoch erheblich von denen ab, für die das Gleichgewichtszustandsdiagramm erstellt wurde.

Daher unterscheiden sich auch die Strukturen der gegossenen und verformten Halbzeuge von denen, die durch das Gleichgewichtszustandsdiagramm bestimmt werden.

Zur Bestimmung der Eigenschaften und des Gefüges von Legierungen im metastabilen Zustand werden C-Kurven aufgezeichnet, die die Kinetik der Phasenumwandlung in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit und der isothermen Haltezeit bei Temperaturen unterhalb der eutektoiden Umwandlungstemperatur zeigen.

Einphasige Legierungen (α-Aluminiumbronzen) sind duktil und durch Druck gut verarbeitbar, zweiphasige Legierungen (α+γ2-Aluminiumbronzen) mit hohem Aluminiumgehalt sind weniger duktil und werden hauptsächlich als Gusslegierungen verwendet.

Es ist zu beachten, dass der tatsächliche Aluminiumgehalt in industriellen Legierungen stark schwankt, was sich auf die Stabilität der mechanischen Eigenschaften von gegossenen und verformten Aluminiumbronze-Halbzeugen auswirkt.

Die Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Aluminiumbronzen, die unter Druck verarbeitet werden (Zugfestigkeit σv, Proportionalität σnu und Streckgrenze σ0,2, relative Dehnung δ und Kontraktion ψ, Kerbschlagzähigkeit an (TC) und Brinellhärte (HB) in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt, wie in Abb.3.

Abbildung 3: Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Aluminiumbronzen Cu-Al in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt:

a — Bänder, die um 40% verformt und 30 Minuten lang bei 650oC geglüht wurden;

b — gepresste Stangen und Rohre aus Aluminiumbronze BrAJMc10−3-1,5

Diese Eigenschaft von Aluminiumbronzen wird in ausländischen nationalen Normen (USA, Deutschland, Großbritannien, Frankreich usw.) verwendet. In diesen Ländern wird zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ein engeres Intervall des Aluminiumgehalts in den Bronzen verwendet, das etwa 1,5−2 mal geringer ist als bei ähnlichen Bronzen, die in den GUS-Ländern verwendet werden (siehe Legierungen GOST 493, GOST 17328 und ihre ausländischen Analoga).

In den USA, Frankreich und Japan gibt es Gruppen von Bronzen des Typs BrAJMc, bei denen die geforderten mechanischen Eigenschaften nur durch Änderung des Aluminiumgehalts erreicht werden.

Einfluss von Legierungselementen auf die Eigenschaften von Aluminiumbronzen

Das Legieren von Zweikomponenten-Aluminiumbronzen mit verschiedenen Elementen führt zu einer deutlichen Veränderung ihrer Eigenschaften. Die wichtigsten Legierungselemente in Cu-Al-Legierungen sind Eisen, Mangan und Nickel. Aluminiumbronzen haben im Allgemeinen einen Eisen- und Nickelgehalt von höchstens 5,5 und einen Mangangehalt von 3% (nach Masse).

Eisen ist im festen Zustand in Cu-Al-Legierungen leicht löslich und bildet mit Aluminium eine intermetallische Verbindung aus Fe3Al, die sich als eigenständige Phase in Form feiner Teilchen abzeichnet. Bei etwa 1% Fe in den Legierungen bildet sich eine kleine Anzahl feiner Teilchen, die sich in der Nähe des eutektoiden Bereichs (α + γ2) befinden und diesen einrahmen. Mit steigendem Eisengehalt nimmt ihre Zahl jedoch zu. So bilden sich bei 4% Fe die feindispersen Teilchen Fe3Al sowohl im Bereich von α + γ2 als auch im Bereich von α. Die feindispersen Teilchen der intermetallischen Fe3Al-Verbindung hemmen das Kornwachstum in Aluminiumbronzen bei hohen Temperaturen. Unter dem Einfluss von Eisen, das die mechanischen Eigenschaften stark verbessert und die Rekristallisationstemperatur verzögert, verschwindet bei Aluminiumbronzen das sogenannte Phänomen des «Spontanglühens», das zu einer erhöhten Sprödigkeit der Legierungen führt. Durch die Verfeinerung des Gefüges verhindert Eisen in Cu-Al-Legierungen mit einem Al-Gehalt von 8,5−11,0% die Bildung einer grobkörnigen γ2-Phase, die sich in Form von kontinuierlichen Ketten abzeichnet und Sprödigkeit verursacht.

Eisen beeinflusst je nach seinem Gehalt in der Legierung das Gefüge, die Phasenumwandlungen und die Eigenschaften von Aluminiumbronzen wie folgt: Bei bis zu 1,2% liegt es in fester Lösung (α-Phase) vor, bei höheren Konzentrationen ist es als einzelne kugelförmige Einschlüsse isoliert, die in nickelhaltigen Doppel- und Dreifachlegierungen,.gewöhnlich durch die k-Phase repräsentiert werden. Die ungefähre Zusammensetzung der k-Phase ist 85% Cu, 10% Al und 5% Fe; bei einem Legierungsgrad von 1,2 bis 5,5% hat Eisen eine stark modifizierende Wirkung auf die Primärkornveränderung in Gussknüppeln; bei einem Grad > 5,5% Fe verschwindet diese Wirkung. Aus diesem Grund haben industrielle Aluminiumbronzen in der Regel einen Eisengehalt von nicht mehr als 4%.

Eisen härtet Aluminiumbronzen, indem es die Festigkeit des Mischkristalls (α-Phase) erhöht und die k-Phase abspaltet. Legierungen mit hohem Eisengehalt, wie z. B. BrAZh10−10, sind widerstandsfähiger gegen Abrieb und Erosion, aber weniger beständig gegen Seewasser.

Die zusätzliche Legierung von Cu-Al-Fe-Legierungen mit Mangan und Nickel erhöht ihre Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erheblich und verändert die Struktur und Zusammensetzung der k-Phase.

Mangan löst sich in Aluminiumbronzen im festen Zustand gut auf. Bei einem Mn-Gehalt > 2% in Legierungen des Cu-Al-Systems wird die Umwandlung der α + γ2-Phase in die β-Phase erheblich beschleunigt (Mangan senkt die eutektoide Temperatur und verzögert den Zerfall der β-Phase); bei Mn > 8% findet der Zerfall der β-Phase praktisch nicht statt.

Eine Besonderheit von Manganzusätzen zu Aluminiumbronzen ist auch das Auftreten von Nadelkernen der β-Phase beim Abkühlen, bevor sich die β-Phase in α+ γ2 umwandelt.

Das Auftreten von α-Phasennadelkeimen macht sich besonders beim Glühen von großen Halbzeugen bemerkbar. Daher werden für das Gießen von Propellern mit einer Dicke von 15 bis 400 mm häufig spezielle Aluminium-Mangan-Bronzen mit hohem Mangangehalt verwendet.

In Bronzen der Typen БрАЖ10−4, БрАЖ9−4 ist Mangan das führende Element, das die Kinetik der β-Phasenumwandlung beim Erhitzen bestimmt und die Härtbarkeit in der Tiefe verbessert. Der Mn-Gehalt in diesen Bronzen ist bis zu 1,5% zulässig. Mit steigendem Mn-Gehalt von 2 bis 5% nimmt jedoch die Härte der Aluminiumbronzen nach dem Abschrecken bei 800−1000 °C ab. Um die Härte von Aluminiumbronzen während der Wärmebehandlung zu erhöhen, sollten sie daher nicht mehr als 0,5% Mn enthalten.

Mangan erhöht die mechanischen und korrosiven Eigenschaften und verbessert die technologischen Merkmale von Cu-Al-Legierungen. Mit Mangan legierte Aluminiumbronzen zeichnen sich durch erhöhte Korrosionsbeständigkeit, Kältebeständigkeit und hohe Verformbarkeit im heißen und kalten Zustand aus.

Nickel, das in festem Zustand in Kupfer unlöslich ist, ist in Aluminium fast unlöslich (die Löslichkeit bei 560 °C beträgt 0,02%). Nickel vergrößert den α-Phasenbereich in den Systemen Cu-Al und Cu-Al-Fe. Bei Cu-Al-Ni-Legierungen bewirkt das Nickel, dass sich der Mischkristallbereich mit abnehmender Temperatur deutlich in Richtung des Kupferwinkels verschiebt, so dass sie dispersionsgehärtet werden können. Die Fähigkeit zur Dispersionshärtung dieser Legierungen wird bei 1% Ni erreicht. Nickel erhöht die eutektoide Zersetzungstemperatur von β zu α+γ2 auf 615 °C und hemmt die Umwandlung von α+γ2 zu β beim Erwärmen. Die Wirkung von Nickel wird bei einem Gehalt von mehr als 1,5% besonders deutlich. So erscheint bei 2% Ni die β-Phase bei 790 °C und bei 4% Ni bei 830 °C.

Nickel wirkt sich günstig auf die Struktur des Eutektoids α+γ2 und des Pseudoeutektoids α + β aus, erhöht deutlich die Beständigkeit der Phasenumwandlungen der β-Phase und fördert beim Gießen und Härten eine größere Menge metastabiler β'-Phasen vom martensitischen Typ. In diesem Fall wird die α-Phase runder, die Struktur wird einheitlicher und die Streuung des Eutektoids nimmt zu.

Durch die Nickellegierung von Aluminiumbronzen werden die physikalischen und mechanischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Härte, Dauerfestigkeit), die Kältebeständigkeit und die Reibungseigenschaften, die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit in Meerwasser und schwachen Salzsäurelösungen, die Wärmebeständigkeit und die Rekristallisationstemperatur ohne merkliche Verschlechterung der technologischen Eigenschaften deutlich verbessert. In Legierungen mit Nickel ist die modifizierende Wirkung von Eisen deutlich erhöht.

Aluminiumbronzen des Systems Cu-Al-Ni werden selten verwendet. Nickel wird den Aluminiumbronzen in der Regel in Kombination mit anderen Elementen (hauptsächlich Eisen) zugesetzt. Aluminiumbronzen des Typs БрАЖН10−4-4 sind am weitesten verbreitet. Die optimalen Eigenschaften dieser Bronzen werden bei einem Verhältnis von Fe: Ni = 1:1 erreicht. Bei einem Verhältnis von 3% Ni und 2% Fe kann die k-Phase in diesen Bronzen in zwei Formen auftreten: in Form kleiner runder Einschlüsse von Mischkristallen auf der Basis von Eisen, das mit Aluminium und Nickel legiert ist, und in Form dünner Platten mit intermetallischer Zusammensetzung NiAl.

Die am häufigsten verwendeten verformten Aluminiumbronzen gehören zu den folgenden Systemen: Cu-Al, Cu-Al-Fe, Cu-Al-Mn, Cu-Al-Fe-Mn, Cu-Al-Fe-Ni.

Aluminiumbronzen sind sehr korrosionsbeständig in Kohlendioxidlösungen sowie in Lösungen der meisten organischen Säuren (Essig-, Zitronen-, Milchsäure u. a.), aber sie sind instabil in konzentrierten Mineralsäuren. In Lösungen von Schwefelsalzen und ätzenden Alkalien sind einphasige Aluminiumbronzen mit reduziertem Aluminiumgehalt stabiler.

Aluminiumbronzen sind weniger anfällig für Korrosionsermüdung als andere Werkstoffe.

Besonderheiten bei der Bearbeitung von Aluminium-Knetbronzen

Um homogen verformte Halbzeuge mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und hoher Ermüdungsfestigkeit zu erhalten, empfiehlt es sich, Aluminiumbronzen im Stranggussverfahren zu gießen und die anschließende Bearbeitung nach einem speziellen Verfahren durchzuführen, das folgende Arbeitsgänge umfasst

a) Warmbearbeitung des gegossenen Knüppels mit einer Gesamtkräuselung von bis zu 30%;

b) Wärmebehandlung bei einer bestimmten Temperatur (t0) mit einer Abweichung von ± 2 °C (Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur, Verzögerung von 20 Minuten alle 25 mm des Materialquerschnitts);

c) Anlassen in Wasser oder Öl bei 600 °C;

d) Warmdruckbehandlung bei einer Temperatur, die je nach dem Aluminiumgehalt der Legierung 35−50 °C unter der für die Wärmebehandlungsstufe «b» angenommenen Temperatur liegt (der Aluminiumgehalt ist mit einer Genauigkeit von ±0,02% zu bestimmen). Die Wärmebehandlungstemperatur wird durch die folgende empirische Formel bestimmt:

t=(1990 — 1000A)°C,

wobei A — der Aluminiumgehalt in der Legierung, % (nach Masse).

Die grafische Beziehung zwischen Temperatur und Aluminiumgehalt für die Wärmebehandlung und die zweite Wärmebehandlungsdruckbehandlung von Aluminiumbronzen ist in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 4. Abhängigkeit der Temperatur vom Aluminiumgehalt bei der Wärme- und Druckwärmebehandlung von Aluminiumbronzen:

1 — Temperatur der Wärmebehandlung;

2 — Temperatur der Warmarbeit unter Druck

Berylliumbronzen (Kupfer-Beryllium-Legierungen)

Berylliumbronzen sind einzigartige Legierungen, die sich durch eine günstige Kombination von guten mechanischen, physikalisch-chemischen und korrosionshemmenden Eigenschaften auszeichnen. Diese Legierungen haben nach dem Abschrecken und Veredeln eine hohe Zugfestigkeit, Elastizität, Fließfähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, sind gut leitfähig, wärmeleitfähig, hart, haben eine hohe Kriechfestigkeit, eine hohe zyklische Festigkeit mit minimaler Hysterese, eine hohe Korrosions- und Korrosionsermüdungsbeständigkeit. Sie sind frostsicher, nicht magnetisch und erzeugen beim Aufprall keine Funken. Berylliumbronzen werden daher für die Herstellung von Federn und Federteilen für kritische Anwendungen, einschließlich Membranen und Uhrwerksteilen, verwendet.

Abb. 5. Zustandsdiagramm des Cu-Be-Systems

Das Diagramm zeigt, dass Kupfer und Beryllium eine Reihe von Mischkristallen bilden. Der Mischkristallbereich α erreicht 2,7% (Masse) bei 864 °C. Mit abnehmender Temperatur verschiebt sich die Löslichkeitsgrenze des α-Bereichs ziemlich stark in Richtung Kupfer. Sie beträgt 1,55% bei 608 °C (eutektoide Umwandlung) und fällt auf 0,2% bei 300 °C, was darauf hindeutet, dass Berylliumbronzen angereichert werden können.

Eine signifikante Änderung der Berylliumkonzentration im α-Mischkristall mit abnehmender Temperatur fördert die Dispersionshärtung von Cu-Be-Legierungen. Die Auswirkungen der Dispersionshärtung von Cu-Be-Legierungen auf den Berylliumgehalt sind in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Einfluss des Berylliumgehalts auf die Wirkung der Dispersionshärtung von Cu-Be-Legierungen: 1 — Härten bei 780 °C; 2 — Härten bei 780 °C + Anlassen bei 300 °C

Berylliumbronzen werden bei 750−790 °C wärmebehandelt und anschließend in Wasser abgeschreckt, um einen übersättigten Mischkristall zu erzeugen. In diesem Zustand lassen sich Berylliumbronzen leicht biegen, ziehen und anderweitig deformieren. Der zweite Vorgang der Wärmebehandlung — das Anlassen — wird bei einer Temperatur von 300−325 °C durchgeführt. Die β'-Phase wird freigesetzt. Diese Emissionen sind mit erheblichen Gitterspannungen verbunden, die die Härte und Festigkeit der Legierungen erhöhen.

Die eutektoide Umwandlung der β-Phase bei Temperaturen unter 608 °C führt zur Bildung des α + β'-Eutektoids. Die α-Phase hat ein kubisch-flächenzentriertes Gitter, dessen Parameter mit zunehmendem Berylliumgehalt abnimmt. Die β-Phase hat ein kubisch-volumenzentriertes Gitter mit einer ungeordneten Anordnung der Atome. Die Kristallstruktur der β'-Phase ist die gleiche wie die der β-Phase, aber sie hat eine geordnete Anordnung der Berylliumatome.

In der Praxis werden binäre Kupfer-Beryllium-Legierungen kaum verwendet, Drei- und Mehrkomponenten-Legierungen sind weit verbreitet.

Um die Phasenumwandlungs- und Rekristallisationsprozesse zu verlangsamen und ein homogeneres Gefüge zu erhalten, wird den Cu-Be-Legierungen Nickel oder Kobalt sowie Eisen zugesetzt. Der Gesamtgehalt an Nickel, Kobalt und Eisen in Berylliumbronzen liegt zwischen 0,20 und 0,60% (Masseanteil), einschließlich Nickel und Kobalt zwischen 0,15 und 0,35% (Masseanteil).

Die Einführung von Titan in Cu-Be-Legierungen, das mit Beryllium eine verstärkende Phase bildet, trägt zur Verlangsamung der Diffusionsprozesse in diesen Legierungen bei. Titan als oberflächenaktives Element reduziert die Konzentration von Beryllium an den Korngrenzen und verringert die Diffusionsrate in diesen Bereichen. In Berylliumbronze wird durch den Zusatz von Titan eine homogene Zersetzung und infolgedessen eine gleichmäßigere Härtung beobachtet.

Die Eigenschaften von Berylliumbronze werden durch Titan in Gegenwart von Nickel am günstigsten beeinflusst. Durch den Zusatz von Titan und Nickel kann der Berylliumgehalt in den Legierungen auf 1,7−1,9% (Masseanteil) gesenkt werden.

Mangan in Cu-Be-Legierungen kann Beryllium teilweise ersetzen, ohne dass sich die Festigkeit merklich verringert. Die Legierungen Cu + 1% Be + 5−6% Mn und Cu + 0,5% Be + 10% Mn haben nach dem Ausscheidungshärten ähnliche mechanische Eigenschaften wie die Berylliumbronze BrB2.

Magnesiumzusätze in kleinen Mengen (0,1%) erhöhen die Wirkung der Dispersionshärtung von Berylliumbronze, und im Bereich von 0,1 bis 0,25% verringern sie merklich ihre Plastizität.

Blei, Wismut und Antimon sind für Berylliumbronzen sehr schädliche Verunreinigungen, die ihre Verformbarkeit im heißen Zustand beeinträchtigen.

In Standard-Cu-Be-Legierungen darf der Gehalt an Al und Si jeweils 0,15% nicht überschreiten. In solchen Konzentrationen beeinträchtigen diese Elemente die Eigenschaften der Legierungen nicht.

Mangan-Bronzen

Manganbronzen zeichnen sich durch hohe mechanische Eigenschaften aus. Diese Legierungen weisen eine ausgezeichnete Warm- und Kaltverformbarkeit mit einer Kaltwalzdehnung von bis zu 80% auf.

Manganbronzen sind korrosionsbeständig und hitzebeständig und werden daher bei der Herstellung von Teilen und Produkten verwendet, die bei hohen Temperaturen arbeiten. In Anwesenheit von Mangan steigt die Rekristallisationstemperatur von Kupfer um 150−200°C.

Abb. 7. Zustandsdiagramm des Cu-Mn-Systems

Mangan ist bei erhöhten Temperaturen sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand uneingeschränkt in Kupfer löslich. Bei einer Legierung mit einem Magnesiumgehalt von 36,5% (nach Masse) sind die Liquidus- und Solidustemperaturen des Systems gleich und betragen 870 ± 5 °C. Mit abnehmender Temperatur findet eine Reihe von Umwandlungen statt und es bilden sich neue Phasen. Die Mischkristallfläche y nimmt mit abnehmender Temperatur ab. Manganbronzen, die weniger als 20% Magnesium enthalten, sind im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zum Schmelzpunkt einphasig. Abbildung 8 zeigt die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von Manganbronzen vom Mangangehalt.

Abbildung 8. Änderungen der mechanischen Eigenschaften von Cu-Mn-Legierungen in Abhängigkeit vom Mangangehalt: a — Streckgrenze σ0,2; b — Zugfestigkeit σb; c — relative Dehnung δ

Die am weitesten verbreitete Bronze BrMc5 verformt sich gut unter warmen und kalten Bedingungen, weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und behält ihre Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei.

Siliziumbronzen

Siliziumbronzen weisen hohe mechanische, federführende und reibungsmindernde Eigenschaften auf, sind korrosionsbeständig und verschleißfest. Diese Legierungen lassen sich hervorragend durch Druck warm- und kaltverformen, können mit Stahl verschweißt werden und sind sowohl mit Weich- als auch mit Hartlot lötbar. Sie sind unmagnetisch, stoßfest und verlieren auch bei sehr niedrigen Temperaturen nicht an Duktilität.

Das Zustandsdiagramm der Cu-Si-Legierung:

Abbildung 9. Das Zustandsdiagramm des Cu-Si-Systems

Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, erreicht die Mischkristallgrenze α bei 830oC 5,4% Si (nach Masse) und verschiebt sich mit abnehmender Temperatur in Richtung Kupfer. Die Phase α hat ein kubisch flächenzentriertes Gitter mit dem Parameter a=(3,6077+0,00065k) Å, wobei k die Siliciumkonzentration in % ist.

Bei einer Temperatur > 577 oC erscheint rechts von der Grenze zwischen α und fester Lösung eine neue Phase mit einem hexagonalen, dicht gepackten Gitter (a=2,5550 Å, c=4,63644 Å). Das charakteristische Merkmal der Phase k ist die auffällige Farbänderung in polarisiertem Licht von hell- zu dunkelbraun. Bei 557o C findet die Phasenumwandlung k → α+ γ statt.

Die Art der Siliziumveränderung im α-Mischkristall mit abnehmender Temperatur weist darauf hin, dass einige Legierungen des Cu-Si-Systems angereichert werden können. Die Wirkung der Dispersionshärtung von Legierungen ist jedoch schwach und wird in der Praxis nicht angewendet.

Siliziumbronzen mit Mangan- und Nickelzusatz sind am weitesten verbreitet. Seltener werden Zweikomponenten-Bronzen mit Zusatz von Zinn, Zink, Eisen und Aluminium verwendet.

Durch die Legierung von Kupfer-Silizium-Bronzen mit Mangan werden die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit deutlich verbessert.

Zustandsdiagramm des Cu-Si-Mn-Systems:

Abbildung 10. Zustandsdiagramm des Cu-Si-Mn-Systems. Sättigungsisotherme des Mischkristallbereichs

Trotz der Verschiebung der Grenze des α-Bereichs mit abnehmender Temperatur in Richtung der Kupferecke ist der Veredelungseffekt von Cu-Si-Mn-Legierungen nur schwach ausgeprägt.

Nickelzusätze erhöhen die mechanischen Eigenschaften von Siliziumbronzen deutlich. Silizium und Nickel bilden eine intermetallische Verbindung (Ni2Si), die in Kupfer sehr gut löslich ist. Die Löslichkeit von Ni2Si in Kupfer nimmt mit sinkender Temperatur (von 900 auf 500 °C) stark ab, und die ausgeschiedenen Partikel der intermetallischen Verbindung härten die Legierungen. Eine Wärmebehandlung (Abschrecken, Altern) kann die Festigkeit und Härte dieser Legierungen im Vergleich zu geglühten Legierungen um fast das Dreifache erhöhen. Nach dem Abschrecken weisen die Cu-Si-Ni-Legierungen eine hohe Duktilität auf und lassen sich im kalten Zustand hervorragend bearbeiten.

Die Veränderung der Zugfestigkeit dieser Legierungen hängt vom Ni2Si-Gehalt und von der Art der Wärmebehandlung ab:

Abbildung 11. Veränderung der Festigkeit von Cu-Ni-Si-Legierungen in Abhängigkeit vom Ni2Si-Gehalt und der Art der Wärmebehandlung: 1 — Abschrecken bei 900−950°C; Alterung bei 350−550°C; 2 — Glühen bei 800 °C; 3 — Abschrecken bei 900−950°C

Kobalt- und Chromzusätze haben auf Siliziumbronzen die gleiche Wirkung wie Nickel, aber die Wirkung der Dispersionshärtung von Legierungen unter dem Einfluss von Kobalt- und Chromsiliziden ist viel schwächer.

Der Zusatz kleiner Mengen von Sn (bis zu 0,5%) erhöht die Korrosionsbeständigkeit von Siliziumbronzen merklich, und Eisen verringert sie. Aus diesem Grund sollte der Fe-Gehalt in Siliziumbronzen, die unter Druck verarbeitet werden, 0,2−0,3% (Masseanteil) nicht überschreiten.

Der Zusatz von Zn im Bereich von 0,5 bis 1,0% beim Schmelzen von Siliziumbronzen verbessert deren technologische Eigenschaften.

Die Legierung von Siliziumbronzen mit Aluminium erhöht ihre Festigkeit und Härte, aber die Cu-Si-Al-Legierungen sind wegen ihrer schlechten Schweiß- und Löteigenschaften nicht weit verbreitet.

Arsen, Phosphor, Antimon, Schwefel und Blei sind schädliche Verunreinigungen in druckbehandelten Siliziumbronzen.

Korrosionseigenschaften von Siliziumbronzen

Siliziumbronzen besitzen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit unter dem Einfluss von Meeres-, Industrie- und Landatmosphäre, Süß- und Meerwasser (bei einer Fließgeschwindigkeit von 1,5 m/sec), heißen und kalten konzentrierten Alkali- und Schwefelsäurelösungen sowie kalten Lösungen von Salzsäure und organischen Säuren, Chloriden und Sulfaten von Leichtmetallen. Sie sind in der Atmosphäre trockener Gase wie Chlor, Brom, Fluor, Schwefelwasserstoff, Fluorid und Chlorid, Schwefelgas und Ammoniak recht stabil, korrodieren aber in diesen Medien in Gegenwart von Feuchtigkeit.

Gegen Aluminiumhydroxid, Chloride und Sulfate von Schwermetallen sind Siliziumbronzen jedoch nur wenig beständig. Sie korrodieren schnell in saurem Grubenwasser, das Fe2 (S04)3 enthält, sowie in Lösungen von Chromsäuresalzen.

Besonderheiten der Wärmebehandlung von Siliziumbronzen

Das leichte Glühen von Siliziumbronzen (einschließlich Erhitzen und Abkühlen) sollte in Wasserdampf erfolgen. Oxidschichten, die sich während des Glühens auf der Oberfläche der Halbzeuge bilden, lassen sich leicht durch Beizen bei Raumtemperatur in 5%iger Schwefelsäurelösung entfernen.

Zinnbronzen

Zinnbronzen sind Legierungen verschiedener Zusammensetzungen auf der Grundlage des Cu-Sn-Systems. Eine zusammenfassende Liste russischer druckbehandelter Zinnbronzen und ihrer analogen ausländischen Legierungen ist in Tabelle 4 enthalten.

Zusammenfassende Liste der inländischen druckbehandelten Zinnbronzen und ihrer ausländischen Gegenstücke

Zinn-Phosphor-Bronzen:

Marke der inländischen Bronze	US-Analogon	Analog Deutsch	Analog Japan
BrOF2−0,25	-	-	-
BrOF4−0,25	С51100	CuSn4 (2.1016)	C5111
-	C53400	-	-
BrOF6,5−0,15	-	CuSn6 (2.1020)	C5191
-	C51000	-	-
-	C53200	-	-
BrOF6,5−0,4	-	-	-
BrOF7−0,2	-	SuSn6 (2.1020)	C5210
BrOF7−0,2	-	SuSn8 (2.1030)	-
BrOF8.0−0,3	C52100	Gleiche	C5212
-	C52400	-	-

Zinn-Zink-Bronzen:

Inländische Bronzequalität	US-Analog	Gleich wie in Deutschland	Japan analog
BrOC4−3	-	-	-
-	-	CuSn6Zn6 (2.1080)	-

Zinn-Nickel-Bronzen:

Inländische Bronzequalität	US analog	Analog Deutsch	Analog Japan
-	C72500	CuNi9Sn2 (2.0875)	-
-	C72650	-	-
-	C72700	-	-
-	C72900	-	-

Zinn-Zink-Blei-Bronze:

Bronze inländischer Qualität	US-Analog	Gleich wie in Deutschland	Japan analog
BrOZS4−4-2,5	-	-	-
-	С54400	-	-
BrOtzS4−4-4	-	-	-

Das Zustandsdiagramm des Cu-Sn-Systems ist in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 12: Zustandsdiagramm des Cu-Sn-Systems

Die α-Mischkristallphase von Zinn in Kupfer (kubisch-flächenzentriertes Gitter) ist in warmen und kalten Zuständen verformbar.

Die Phasen β und γ sind nur bei höheren Temperaturen stabil und zerfallen mit hoher Geschwindigkeit bei abnehmender Temperatur. Phase δ (Cu31Sn8, γ-Gitterphase) — ein Zersetzungsprodukt der γ-Phase (oder β') bei 520 °C — ist hart und spröde.

Die Zersetzung der δ-Phase in α + Cu3Sn (ε-Phase) beginnt bei 350 °C. Bei abnehmender Temperatur verläuft die Zersetzung der δ-Phase extrem langsam (70−80% bei langem Glühen nach Kaltverformung). In Legierungen mit einem Sn-Gehalt von bis zu 20% ist die ε-Phase praktisch nicht vorhanden.

In technischen Zinnbronzen schwankt der Zinngehalt zwischen 2% und 14%, seltener bis zu 20%.

Legierungen des Cu-Sn-Systems bestehen je nach Zinngehalt entweder aus homogenen Kristallen der α-Mischkristalle oder aus α- und eutektoiden α + β-Kristallen.

Der Diffusionsprozess in Zinnbronzen verläuft langsam. Die dendritische Struktur verschwindet erst nach mehreren Zyklen der thermomechanischen Bearbeitung. Aus diesem Grund ist es schwierig, Zinnbronzen einer Druckbehandlung zu unterziehen.

Zinnbronzen werden beim Schmelzen mit Phosphor desoxidiert, daher enthalten die meisten binären Cu-Sn-Legierungen Restphosphor. Phosphor gilt als Legierungszusatz, wenn sein Gehalt in der Legierung >0,1% ist.

Die wichtigsten Legierungszusätze in Zinnbronzen sind, neben Phosphor, Blei, Zink und Nickel.

Wirkung von Legierungszusätzen

Phosphor in Wechselwirkung mit Kupfer ergibt die chemische Verbindung Cupr (14,1% P), die mit Kupfer bei 714 °C ein Eutektikum bildet (P-Gehalt — 8,4% (Masse)). Im ternären System Cu-Sn-P bildet sich bei 628 °C ein ternäres Eutektikum, das %:80,7 Cu, 14,8 Sn und 4,5 P enthält.

Aus dem Zustandsdiagramm des Cu-Sn-P-Systems (Abb. 13) geht hervor, dass sich die Sättigungsgrenze des α-Mischkristalls mit steigendem Zinngehalt und sinkender Temperatur stark in Richtung Kupferwinkel verschiebt.

Abb. 13. Zustandsdiagramm des Cu-Sn-P-Systems: a — Kupferwinkel; b — polymetrische Schnitte des Cu-Sn-P-Systems bei konstantem Zinngehalt

Bei einem P-Gehalt von mehr als 0,3% in Zinnbronzen treten letztere als eutektische Phosphideinschlüsse auf. Zinnbronzen mit einem P-Gehalt von 0,5% und mehr brechen bei Warmverformung leicht, weil das Phosphideutektikum schmilzt. Daher beträgt der maximale Phosphorgehalt von druckbehandelten Zinnbronzen 0,4%. Zinnbronzen mit diesem Phosphorgehalt haben optimale mechanische Eigenschaften, einen höheren Modul, eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Ermüdungsfestigkeit. Die Verformbarkeit von Zinnbronzen mit hohem Phosphorgehalt kann durch Homogenisierungsglühen verbessert werden, bei dem ein beträchtlicher Teil des Phosphors in eine α-Lösung überführt wird.

Geringe Zusätze von Zirkonium, Titan, Bor und Niob verbessern ebenfalls die Warm- und Kaltverformbarkeit von Zinnbronzen.

Blei ist in Zinnbronzen im festen Zustand praktisch unlöslich. Während der Erstarrung der Legierung wird es als unabhängige Phase in Form von dunklen Einschlüssen zwischen Dendriten freigesetzt. Blei verbessert die Dichte, die Gleitfähigkeit und die Bearbeitbarkeit von Zinnbronzen erheblich, verschlechtert aber ihre mechanischen Eigenschaften. Reibungsarme Zinnbronzen enthalten bis zu 30% Pb.

Zink ist in Zinnbronzen im festen Zustand gut löslich und verändert zwar geringfügig das Gefüge der Legierungen, verbessert aber ihre technologischen Eigenschaften beträchtlich.

Nickel verschiebt die Mischkristallgrenze α in Richtung des Kupferwinkels (Abb.14).

Abb. 14. Zustandsdiagramm des Cu-Sn-Ni-Systems: а — Abschnitt des Kupferwinkels bei einem Nickelgehalt von 2%; b — Bereich der Mischkristallsättigungsgrenze bei Raumtemperatur. Kupferwinkel.

Das Kristallgitter des α-Mischkristalls wird durch Nickel nicht verändert, aber sein Parameter nimmt leicht zu (-0,007 A). Bei niedrigen Zinnkonzentrationen tritt im heterogenen Bereich eine neue Phase (Ni4Sn) auf, die je nach Erstarrungsgeschwindigkeit entweder als kleine nadelartige Kristalle (schnelle Abkühlung) oder als hellblaue Einschlüsse auftritt. Die Flüssigkeiten in Cu-Sn-Legierungen nehmen deutlich zu, wenn sie mit Nickel legiert werden. Bei 539 °C erfolgt die eutektoide Umwandlung von α + γ in α + β'. Die δ'-Phase ist im Gegensatz zur δ-Phase des Cu-Sn-Doppelsystems polarisiert.

Nickel erhöht die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit von Zinnbronzen, verfeinert ihre Struktur und ist bei einem Gehalt von 1% ein nützlicher Zusatzstoff. Bei einem Ni-Gehalt von mehr als 1% werden die Legierungen zwar angereichert, ihre Bearbeitbarkeit unter Druck wird jedoch beeinträchtigt. Besonders dramatisch wirkt sich Nickel auf Zinnbronzen aus. Gleichzeitig beeinflusst Ni bei einem Gehalt von 0,5−1% weder die Struktur noch die Eigenschaften von Zinn-Zink-Bronzen.

Einfluss von Verunreinigungen

Verunreinigungen mit Aluminium, Magnesium und Silizium sind in Zinnbronzen sehr schädlich. Diese Elemente, die im Mischkristall enthalten sind, können zwar die mechanischen Eigenschaften der Bronzen verbessern, werden aber während des Schmelzens stark oxidiert, wodurch feuerfeste Oxide entstehen, die sich entlang der Korngrenzen ablagern und die Bindung zwischen ihnen aufbrechen.

Die Zinnbronze, die druckbehandelt werden kann, wird auch durch Arsen, Wismut, Antimon, Schwefel und Sauerstoff beeinträchtigt. Letzterer vermindert die Reibungseigenschaften von Zinnbronzen.

Korrosionseigenschaften

Zinnbronzen sind sehr widerstandsfähig gegen Atmosphären (Land-, Industrie- und Seewasser). Sie sind in Meerwasser widerstandsfähiger als Kupfer und Messing (die Beständigkeit von Zinnbronzen gegenüber Meerwasser steigt mit zunehmendem Zinngehalt). Nickel erhöht ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit von Zinnbronzen im Meerwasser, während Blei in hohen Konzentrationen die Korrosionsbeständigkeit verringert. Zinnbronzen sind in Salzwasser stabil.

Zinnbronzen sind in überhitzter Wasserdampfatmosphäre bei einer Temperatur von 250 °C und einem Druck von nicht mehr als 1,5 °C ausreichend korrosionsbeständig.Bei Raumtemperatur sind sie auch beständig gegen Korrosion in der Atmosphäre von überhitztem Dampf bei 250 °C und einem Druck von höchstens 2,0 MPa mit Lösungen von Alkalien, trockenen Gasen (Chlor, Brom, Fluor und deren Wasserstoffverbindungen, Kohlenstoff- und Schwefeloxide, Sauerstoff), Tetrachlorkohlenstoff und Ethylenchlorid.

Zinnbronzen sind instabil in Umgebungen mit Mineral- (Salpeter-, Schwefel-) und Fettsäuren, Alkalien, Ammoniak, Zyanid, Eisen- und Schwefelverbindungen, Gasen (Chlor, Brom, Fluor) bei hohen Temperaturen und saurem Grubenwasser.

Die Korrosion von Zinnbronzen unter Einwirkung von Schwefelsäure nimmt in Gegenwart von Oxidationsmitteln (K2Cu7, Fe2 (S04)3 usw.) zu und nimmt in Gegenwart von 0,05% Benzylthiocyanat um das 10−15fache ab.

Die Korrosionsgeschwindigkeit von Zinnbronzen unter Einwirkung einer Reihe von Agenzien ist wie folgt, mm/Jahr:

Alkalien:

heiß… 1,52

bei 293 K …0,4−0,8

Ammoniaklösungen bei Raumtemperatur …1,27−2,54

Essigsäure bei Raumtemperatur …0,025−0,6

H2S-Dampf bei 100 °C …1,3

feuchtes Schwefeldioxid …2,5

trockener und feuchter Wasserdampf (je nach Durchflussmenge) …0,0025−0,9

Zinnbronzen sind anfällig für Spannungsrisskorrosion durch die Einwirkung von Quecksilbernitrat.

Messing, Eisen, Zink und Aluminium schützen Zinnbronzen bei elektrochemischer Korrosion.