Messing

Eigenschaften von Messing zentriert|300px Gefügeschliffbild von gewalztem und geglühtem Messing chemische Zusammensetzung CuZnx Technisch: CuZnX, wobeiX = Zinkgehalt in Prozent Farbe Goldgelb; mit steigendem Zinkgehalt heller werdend Schmelzintervall 1050–1065 °C (CuZn5)Kupferinstitut – Datenblatt CuZn5 (PDF; 286 kB) 902–920 °C (CuZn37)Kupferinstitut Datenblatt CuZn37 (PDF; 259 kB) mit steigendem Zinkgehalt sinkend Dichte 8,41 g/cm³ (CuZn40) bis8,86 g/cm³ (CuZn5) elektrische Leitfähigkeit 33·106 S/m (CuZn5) bis 15,5·106 S/m (CuZn37)(mit steigendem Zinkgehalt sinkend) Spezifische Wärmekapazität etwa 377 J/(kg·K) (legierungsabhängig) Wärmeleitfähigkeit 111 W/(m·K) bei 20 °C Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient 18,5·10−6/K bei 20 °C (CuZn30) Mechanisch Zugfestigkeit 310 bis 460 MPa (N/mm²) Dehngrenze 120 bis 420 MPa (N/mm²) Elastizitätsmodul 78 bis 123 GPa (kN/mm²) Poissonzahl 0,37 Torsionsmodul 37 GPa (kN/mm²) Schallgeschwindigkeit 4430 m/s

Messing ist eine Kupferlegierung mit Massenanteilen von mindestens 50 % Kupfer und bis zu etwa 40 % Zink. Weitere Metalle können in geringeren Anteilen hinzugefügt werden, um den Guss- oder Knetlegierungen bestimmte Eigenschaften zu geben. Aus Messing hergestellte Gegenstände haben eine messing(e)neDuden. (von mittelhochdeutsch , ‚Messing-‘) Farbe.

Die Farbe von Messing wird vom Kupfer-Zink-Verhältnis bestimmt: Bei einem Massenanteil bis zu 20 % Zink ist Messing bräunlich bis bräunlich-rötlich, bei über 36 % hellgelb bis annähernd weißgelb. Die Verarbeitungseigenschaften von Messing werden durch zugesetzte Anteile von Blei oder Zinn wesentlich beeinflusst, die Korrosionseigenschaften durch Nickel. Typische Gusslegierungen sind Gelbguss und Rotguss mit weiterem Legierungsmetall Blei.

Wenn der Massenanteil von Zink gering ist und ein anderes Metall zum zweiten Hauptbestandteil der Kupferlegierung wird, heißt die Legierung nicht Messing, sondern Bronze (Zinn), Neusilber (Nickel), weißer Tombak (Arsen) oder Siliciumtombak (Silicium).

Eigenschaften Messing ist etwas härter als reines Kupfer, jedoch nicht so hart wie Bronze. Der Schmelzpunkt liegt niedriger als der von Bronze und verringert sich mit steigendem Zinkanteil. Ein die Qualität der Gussstücke herabsetzender Gasgehalt der Schmelzen ist im Gegensatz zu Kupfer oder Aluminium nicht gegeben. Der bei Temperaturen um 900 °C vorhandene Dampfdruck des Zinks wirkt gleich einer Spülentgasung. Das austretende Zink wird an der Luft sofort zu feinflockigem Zinkoxid, das als Zinkrauch beim Vergießen stört und zudem beim Einatmen gesundheitsschädlich ist (Metalldampffieber). Eine schützende Abdeckung mittels geeigneter Gemische wirkt dem entgegen.

Messing ist amagnetisch, wird also im Allgemeinen durch magnetische Felder nicht beeinflusst, und schlägt keine Funken. Daher wird es für spezielle Werkzeuge verwendet.

Im Gegensatz zu Stahl und vielen Aluminiumlegierungen ist Messing durch Wärmebehandlung nicht aushärtbar. Die erzielbaren Festigkeitswerte werden von der Legierungszusammensetzung bestimmt.

Bei Zinkgehalten bis zu einem Massenanteil von max. 37 % sind die Legierungen kalt verformbar, da nur die Alpha-Phase vorliegt (Knetlegierungen). Mit zunehmendem Massenanteil an Zink tritt die Beta-Phase auf, und es ist nur Warmverformung bei > 600 °C möglich.

Etymologie und Geschichte

mini|hochkant|Messingkrug (14. Jahrhundert) aus Ägypten Der Ursprung des Wortes Messing () ist nicht völlig klar, wogegen die Legierung wegen ihres goldähnlichen Aussehens schon Aristoteles (384–322 v. Chr.) bekannt war. Einige Erklärungen führen die Bezeichnung noch weiter auf ein Volk in der Kolchis zurück, das Mossynoiken (Holzturm-Bewohner) genannt wurde, andere sehen die Verwandtschaft zum lateinischen und meinen damit einen Metallklumpen auf dem offenen Herd. Messing verbreitete sich als Sammelbezeichnung für Legierungen auf Basis Kupfer/Zink. Größere Bekanntheit erlangten dabei die Tombake, Kupfer-Zinklegierungen mit Kupfergehalten von stets >80 %. Die Bezeichnung soll auf das malaiische zurückgehen.

Schriftliche Zeugnisse über den Gebrauch von Messing liefert zwar unter anderen Cicero, der sich in seinem De officiis darüber beklagte, dass die Unmoral vieler Händler sie Messing anstelle von Gold verkaufen ließe. Unter anderem durch die Naturalis historia Plinius des Älteren ist die Verwendung des Wortes Oreichalkos (Aurichalkum) für Messing gebräuchlich. Ebenfalls durch Plinius den Älteren überliefert ist die Herstellung von Messing aus den Komponenten Kupfer und dem zinkhaltigen Mineral Galmei (Smithsonit, auch edler Galmei Zn[CO3]) sowie dem zur Reduktion des Galmei zugesetzten, angefeuchteten Kohlenstaub. Man vermengte diese Bestandteile und setzte das Gemenge in mehrere Schmelztiegel – meist sieben bis neun pro Brennofen – ein. Das Gemenge wurde dann bis auf Schmelztemperatur (> 900 °C) erhitzt. Durch dieses etwa 12 Stunden dauernde, heute als Zementation bezeichnete Verfahren entstand Rohmessing, auch Arco genannt, das für einen zweiten Schmelzvorgang zusammengeschüttet wurde, um Menge und Qualität zu erhöhen.stolberg-abc.de: Römisches Messing Dies galt zu jener Zeit sowohl für die griechische Antike als auch im römischen Reich – und das ohne genauere Kenntnis der jeweils goldähnlichen Legierungszusammensetzung.

Die Römer praktizierten zwischen dem 1. und 4. Jahrhundert n. Chr. das von Plinius beschriebene Verfahren der Messingherstellung auch in den von ihnen besetzten Gebieten Germaniens.

mini|Reiner von Huy: Taufbecken, Gelbguss, 1107–1118,St. Bartholomäus in Lüttich Zentren der mittelalterlichen Verarbeitung von Messing (Gelbguss oder Rotguss) waren das Maastal, Flandern, Brabant und Aachen. Im Maastal gab es Lagerstätten von Galmei, das man dort mit importiertem Kupfer zu Messing verarbeitete, so dass man alle aus dieser Gegend stammenden Produkte seit dem 14. Jahrhundert nach dem Hauptort Dinant als Dinanderie Das französische Wort bezeichnet das Material Messing, dagegen noch heute alle Handwerkserzeugnisse aus diesem Material. bezeichnete.

Berühmte, oft figürlich geschmückte Güsse der romanischen Zeit sind manchmal aus Messing (auch wenn das Material häufig als Bronze angesprochen wird, von der es äußerlich nicht immer leicht zu unterscheiden ist): Das Taufbecken des Reiner von Huy in Lüttich (1107–1118), der Cappenberger Kopf oder ein Leuchter im Mailänder Dom (um 1200) gehören dazu, ferner zahlreiche kirchliche Ausstattungsobjekte: Lavabokessel und Becken, Kannen und Aquamanilien, Weihwassereimer und Weihrauchkessel, Lesepulte, gravierte Grabplatten (Niederlande, England), Kronleuchter, später im profanen Bereich auch Kannen, Schüsseln und anderes Hausgerät.

Seit dem späteren Mittelalter kommen auch aus Blech getriebene Gefäße häufiger vor, zunächst die Beckenschlägerschüsseln des 15. und vor allem 16. Jahrhunderts, später auch alle möglichen Arten von Haushaltsgeräten wie Kannen, Kessel, Rechauds, Tabakdosen, Bettpfannen, Waagen, Leuchter, Tabletts, Rähmchen, Beschläge und vieles andere. Aus Messingguss dagegen wurden in vorindustrieller Zeit neben Beschlägen aller Art zum Beispiel Tischleuchter, Gewichte, Tischglocken, Mörser, Zapfhähne, Türklopfer oder wissenschaftliche und nautische Instrumente hergestellt.

Legierungsbildung Kupfer kristallisiert im kubischen Kristallsystem mit kubisch-flächenzentrierter Struktur (Kristallklasse: hexakisoktaedrisch ). Sein Schmelzpunkt liegt bei 1083,62 °C (Siedepunkt: (2927 °C) und seine Dichte bei 8,96 g/cm³.

Zink kristallisiert dagegen im hexagonalen Kristallsystem mit hexagonal-dichtester Packung (Kristallklasse: dihexagonal-dipyramidal ) und schmilzt bereits bei 419,53 °C. Selbst sein Siedepunkt liegt mit 907 °C noch deutlich unter dem Schmelzpunkt von Kupfer. Die Dichte des Zinks ist allerdings mit 7,14 g/cm³ der des Kupfers relativ ähnlich.

Trotz der großen Unterschiede in Bezug auf Schmelzverhalten und Kristallaufbau sind Kupfer und Zink in der Lage, Mischkristalle, genauer Substitutionsmischkristalle zu bilden. Da aber Zink einen etwas größeren Atomdurchmesser hat, wird die Elementarzelle des Kupfers durch die eingebauten Zinkatome verzerrt und verspannt, was die Ursache der größeren Härte des Messings gegenüber dem reinen Kupfer ist.

Auch das schmelzflüssige Legieren der beiden Metalle bereitet trotz der weit auseinanderliegenden Schmelzpunkte keine allzu großen Schwierigkeiten. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Schmelze nicht überhitzt und möglichst schnell nach Erreichen der Gießtemperatur verarbeitet wird, um unkontrollierten Zinkabbrand zu vermeiden.

Zusätzlich muss die Schmelzoberfläche abgedeckt werden, um eine übermäßige Oxidation durch Aufnahme von Luftsauerstoff zu verhindern. Geeignete Abdeckmittel sind unter anderem trockener Quarzsand, Holzkohle und gestoßenes Glas. Holzkohle hat zudem in trockenem und gut verkoktem Zustand den Vorteil, Zinkabbrand effektiv zu verhindern.

Phasen und Strukturen mini|Phasendiagramm von Kupfer-Zink-Legierungen

Zink ist in Kupfer aufgrund der unterschiedlichen Kristallsysteme nur begrenzt löslich. Technisch verwendbare Messinge enthalten zwischen 5 und maximal 45 Prozent Zink.

Zink löst sich ohne Änderung der Struktur in festem Kupfer bis zu einem maximalen Anteil von 32,5 % und bildet mit diesem einen kubisch-flächenzentrierten (kfz) Substitutionsmischkristall, der als α-Phase oder α-Messing bezeichnet wird. Die Soliduslinie sinkt im Bereich der reinen α-Phase von 1083,62 °C (0 % Zn) bis 902 °C (32,5 % Zn).

Im Bereich von Massenanteilen zwischen 32,5 % und 36,8 % Zink entsteht neben der α-Phase auch eine β-Phase, die im kubisch-raumzentrierten (krz) Gitter erstarrt. Bis etwa 37 % Zink wandelt sich die β-Phase bei tieferen Temperaturen allerdings wieder in die α-Phase um.

Legierungen mit Massenanteilen von etwa 50 % Kupfer und 50 % Zink kristallisieren entweder in der β-Phase oder der β'-Phase: Bei Temperaturen unter 468 °C ist die β'-Phase stabil, bei der acht Kupferatome jeweils acht Zinkatome umgeben und dabei die Caesiumchlorid-Struktur einnehmen. Oberhalb 468 °C, in der β-Phase, verteilen sich die Atome statistisch auf Gitterplätze eines kubisch raumzentrierten Gitters.

Oberhalb von Massenanteilen 50 % Zink treten weitere intermetallische Hume-Rothery-Phasen auf, die γ-, δ- und ε-Phasen. Ab einem Zinkgehalt von 97,25 % ist die hexagonale Struktur des Zinks möglich. Da die γ-Phase allerdings durch extreme Sprödigkeit ausgezeichnet ist, sind solche Legierungen technisch unbrauchbar.

Messingsorten Die gängigen Messingsorten unterscheiden sich durch ihren Zinkanteil, der in der Bezeichnung in Prozent angegeben wird. In der Praxis enthalten alle Messinglegierungen aber mindestens 58 Prozent Kupfer, da sie unterhalb davon spröde werden und schlecht zu verarbeiten sind.

Für Gussteile gilt die Sammelbezeichnung Gussmessing. Meistverwendet ist die Legierung CuZn37, deren Zink-Massenanteil 37 % beträgt. Die frühere Nomenklatur sah die Bezeichnung Ms und nachgesetzt den Kupferanteil vor, hier also Ms 63.

Messing kann bis zu 3 % Massenanteil Blei enthalten. Mit deutlich höherem Bleigehalt gehört die Legierung dann bereits zur Kategorie der Sondermessinge, die auch noch andere Elemente enthalten können.

Die Legierung CuZn30 weist von allen Messingsorten die beste plastische Verformbarkeit auf. Da aus ihr in der Vergangenheit wegen ihrer hohen Bruchdehnung häufig Kartuschen für Artilleriegeschosse hergestellt wurden, nennt man diese Legierung umgangssprachlich auch Kartuschmessing.

Tombak mini|hochkant=0.5|Osmanische Wasserkanne (Ibrik) von 1870 aus Tombak, Museum für türkische und islamische Kunst