mini|Fragment einer Bronzebüste des Mark Aurel, etwa 170 n. Chr., Louvre Mit dem Sammelbegriff Bronzen werden Legierungen mit mindestens 60 % Kupfer bezeichnet, soweit sie nicht durch den Hauptlegierungszusatz Zink dem Messing zuzuordnen sind.
Metallurgisch wird der Begriff inzwischen nur zusammen mit dem vorangestellten Hauptlegierungszusatz verwendet; korrekt handelt es sich dann um eine Antimon- und Arsenbronze, Aluminiumbronze, Bleibronze oder Manganbronze. In historischen Kontexten, etwa zum Thema BronzezeitErnst Pernicka: Die Ausbreitung der Zinnbronze im 3. Jahrtausend. In: Bernhard Hänsel (Hrsg.): Mensch und Umwelt in der Bronzezeit Europas. Oetker Voges Verlag, Kiel 1998, ISBN 978-3-9804322-2-1, S. 135–147 (archiv.ub.uni-heidelberg.de auf archiv.ub.uni-heidelberg.de) und Bronzebildwerken, wird „Bronze“ (in Österreich teilweise ohne endendes -e gesprochen) alleinstehend und meist für eine Zinnbronze verwendet. Auch bei der Phosphorbronze handelt es sich um eine Zinnbronze, der Phosphoranteil im Metall ist gering.
Etymologie Die heutige Bezeichnung für die Legierung wurde im 17. Jahrhundert zuerst aus dem italienischen bronzo, später auch über das französische bronze erneut entlehnt. Die Vorgeschichte ist etymologisch unklar. Das Wort gelangte zuerst im 14. Jahrhundert aus dem Orient ins Italienische. Nicht auszuschließen ist ein Zusammenhang mit dem persischen Wort birindsch (pirinğ bzw. birinğ) für Kupfer, woraus mittellateinisch bronzium und italienisch bronzo ableitbar wären.
Mineralische Grundlagen Zu den in Mitteleuropa frühzeitlich entdeckten Kupfererzvorkommen gehören die Fahlerze: Tetraedrit (Antimonfahlerz), Tennantit (Arsenfahlerz), Freibergit, Germanit, Colusit, Schwazit (Quecksilberfahlerz), Hermesit, Annivit; oder Chalkostibit (auch Wolfsbergit oder Kupferantimonglanz) – bei denen das enthaltene Kupfer von Antimon, Arsen, Schwefel, Blei und Eisen begleitet wird, Elemente, deren saubere Abtrennung grundlegende metallurgische Fähigkeiten voraussetzt. Zinnerze wurden insbesondere als Kassiterit (Zinnstein) und als Stannit (Zinnkies) gefunden.
Zusammensetzung und Eigenschaften Zinnbronzen mini|Gleichgewichts-Phasendiagramm für das System Kupfer-Zinn im Bereich der Zinnbronzen Im Bronzebereich des Systems Kupfer-Zinn bilden sich aus der Schmelze bei unterschiedlicher Zusammensetzung drei verschiedene Mischkristalle: Der α-Mischkristall entspricht dem des Reinkupfers, das ein kubisch flächenzentriertes Gitter bildet. Der Schmelzpunkt des Reinkupfers ist 1083 °C. Bei etwa 24 % Zinn liegt der β-Mischkristall vor, der ein kubisch raumzentriertes Gitter besitzt, bei circa 30 % Zinn und darüber der ebenfalls kubisch raumzentrierte γ-Mischkristall. Zwischen den Mischkristallen α und β und zwischen β und γ bildet sich je ein peritektisches Teilsystem. Das technisch relevante Peritektikum α/β liegt bei 22 % Zinn und 798 °C. Bei 586 °C findet ein eutektoider Zerfall der β-Mischkristalle in α- und γ-Mischkristalle statt. Aus den γ-Mischkristallen können sich je nach Legierungszusammensetzung bei Abkühlung zwei intermetallische Verbindungen bilden: Die δ-Phase entspricht Cu31Sn8 und damit circa 32,5 % Zinn. Sie bildet eine enorm große kubisch flächenzentrierte Elementarzelle mit 416 Atomen und hat eine sehr große Härte. Die orthorhombische ε-Phase entspricht Cu3Sn und liegt damit bei circa 38,4 % Zinn vor. Im technisch relevanten Bereich entsteht die δ-Phase bei 520 °C beim Zerfall der γ-Mischkristalle in ein eutektoides Gefüge aus α- und δ-Mischkristallen mit 27 % Zinn. Ein weiterer eutektoider Zerfall der δ-Mischkristalle in α- und ε-Mischkristalle bei circa 350 °C findet unter realen technischen Verhältnissen nicht mehr statt, weil die Diffusion zu stark behindert ist. Zur Herstellung des Gleichgewichts wären hier Kaltumformung und ein mehrmonatiges Glühen erforderlich.
Die tatsächlich entstehenden Gefüge sind vor allem bestimmt durch die große Diffusionsträgheit des Zinns, die bereits bei der Kristallisation aus der Schmelze die Einstellung des Gleichgewichts verhindert. Damit liegt in Zinnbronze nur bei Zinngehalten unter 5–6 % ein Gefüge ausschließlich aus α-Mischkristallen vor; bei höheren Gehalten besteht es aus weichen α-Mischkristallen und dem harten α/δ-Eutektoid.
Durch den Zinnzusatz nimmt die Festigkeit der Legierung zu und erreicht zwischen 10 und 15 % Zinn ein Maximum. Die Dehngrenze nimmt annähernd linear zu, wobei sie sich gegenüber dem Reinkupfer vervielfacht, und erreicht bei etwa 20 % ein Maximum. Die Bruchdehnung beginnt, ausgehend von den hohen Werten des Kupfers, jenseits von 5 % Zinn rapide abzunehmen und nähert sich annähernd exponentiell der Nulllinie, die zwischen 20 und 25 % praktisch erreicht ist. Die Härte nimmt stetig zu, was sich bei höherem Zinngehalt nochmals verstärkt. Die Dichte nimmt pro 6 % Zinnzusatz um 0,1 g/cm³ ab. Sie liegt bei 8 % Zinn bei 8,79 g/cm³.
Legierungen und Legierungszusätze mini|Gefüge einer Gussbronze mit 11 % Zinn und etwas Blei, sichtbar die dendritischen α-Mischkristalle mit Seigerungen, feinkörniges Eutektoid und dunkle Bleiansammlungen Zinnbronzen sind als Kupfer-Zinn-Legierungen genormt und werden aufgrund der grundsätzlich unterschiedlichen Anforderungen und Eigenschaften in Knetlegierungen (max. 9 % Zinn), die für die umformende Verarbeitung geeignet sind, und Gusslegierungen (9 % bis 13 % Zinn) gegliedert. Darüber hinaus kommen noch sogenannte Glockenbronzen mit etwa 20 % (maximal 22 %) Zinn zur Anwendung. Phosphor reduziert Kupferoxid und verflüssigt damit auch die Schmelze. Zinnoxid wird zwar nicht reduziert, kann aber in der desoxidierten Schmelze leichter in die Schlacke aufsteigen. Bei Zugabe von Phosphor als Desoxidationsmittel, in aller Regel als vorlegiertes Phosphorkupfer mit 10 oder 15 % Phosphorgehalt, ist so zu dosieren, dass nach der Desoxidation noch mindestens 0,01 % Phosphorüberschuss in der Schmelze verbleibt. Gießstrahloxidation wird so vermieden; Gießbarkeit und physikalische Eigenschaften im Guss werden verbessert. Negativ wirkt sich Phosphor lediglich auf die elektrische Leitfähigkeit aus. Bei Gehalten von mehr als 0,1 % tritt Cu3P im Gefüge auf. Bei Lagerwerkstoffen kann dies erwünscht sein, bei Leitkupfer ist Phosphor als Desoxidationsmittel durch Mangankupfer oder eine andere phosphorfreie Vorlegierung zu ersetzen. Nickel, das die Entstehung eines zusätzlichen ϑ-Mischkristalls im Bereich um 9 % Zinn bewirkt, erhöht die Zähigkeit und verringert den Wandstärkeneinfluss auf die Festigkeit. Es kommt daher nur bei Gusslegierungen mit einem Anteil bis zu 2,5 % zum Einsatz. Blei bildet eine eigene Phase und liegt im Gefüge fein verteilt vor. Es verbessert Spanbarkeit und Gleiteigenschaften, erhöht jedoch die Warmbrüchigkeit. Es kommt daher mit 2 % bei Gusslegierungen für Lagerwerkstoffe zum Einsatz, bei Knetlegierungen mit 4 % nur im Sonderfall des Strang-, Band- und Drahtgusses, wo keine anschließende Warmumformung mehr erforderlich ist und das Produkt zerspanbar sein soll. Zink kann unter Umständen die halbe Menge Zinn ersetzen; es kommt aus wirtschaftlichen Gründen zum Einsatz. Es wirkt desoxidierend, so dass hier der Phosphorzusatz entfallen kann. Dies wird u. a. bei Legierungen für Kontaktwerkstoffe genutzt.
Eigener Normierung unterliegen die Schweißzusätze und Hartlote auf Kupfer-Zinn-Basis.
Weitere Bronzen Enthalten Legierungen nur wenig oder kein Zinn, werden sie häufig „Sonderbronzen“ genannt. Ihre Bezeichnungen werden vom Legierungszusatz abgeleitet: Aluminiumbronze, Manganbronze, Nickelbronze etc. (siehe Übersichtstabelle unten). Als „weiße Bronze“ oder „weißes Kupfer“ wird eine Legierung aus Kupfer und Nickel bezeichnet, die bereits im Mittelalter als Harsini bekannt war und der chinesischen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung Paktong ähnelt.Allison Coudert: Der Stein der Weisen. Die geheime Kunst der Alchemisten. (Originalausgabe: Alchemy: the Philosopher’s Stone. 1980) Lizenzausgabe. Pawlak, Herrsching 1992, ISBN 3-88199-911-6, S. 36. Berylliumbronze ist ein spezieller Kupferwerkstoff für funkenfreie Werkzeuge, der lediglich 2–3 % Beryllium und eine geringe Menge Cobalt enthält.
Bleibronze (auch Kupfer-Zinn-Blei-Bronze) ist eine Lagerlegierung mit 5–22 % Blei.Beleg fehlt
Rotguss zählt nicht zu den Zinnbronzen, ist damit auch nicht Bronze im engeren Sinne, obwohl gelegentlich als Maschinenbronze, Kanonenbronze und ähnlich bezeichnet. Es ist eine Legierung auf Kupferbasis, deren Eigenschaften weniger vom Zusatz an Zinn als von Zink, Blei und Nickel bestimmt werden.kupfer.de: Kupfer-Blei-Zinn-Legierungen
Als Kunstbronze wird in Abgrenzung zur teureren echten Bronze eine Legierung aus verschiedenen Metallen bezeichnet, normalerweise eine Mischung aus Kupfer, Zink und Zinn, die oft auch mit anderen Metallen wie Blei, Nickel oder Aluminium legiert werden kann und die Bronze-ähnliche Eigenschaften aufweist, aber weniger langlebig und nicht so widerstandsfähig ist wie echte Bronze.Skulpturen, artistritual.de 2024.
Tabellenübersicht der Bronzelegierungen Name der Legierung Komponenten zu Kupfer Eigenschaften Verwendung Guss-Zinnbronze bis 22 % Zinn, vorwiegend 10–12 % Zinn, Dichte etwa 8,8024 kg/dm³ elastisch, zäh, korrosionsbeständig überwiegend als Formguss, bis 6 % Zinn kalt walzbar zu Blechen und Prägevormaterial (Medaillen, Münzen), Drahtziehen bis 10 % Zinn. Glockenguss (Glockenbronze: etwa 20–24 % Zinn), historisch ist Kanonenbronze, ebenso Klanginstrumente. Statuenbronze für Kunstguss (Kleinbronzen, Denkmale) Aluminiumbronze 5–10 % Aluminium seewasserbeständig, verschleißfest, elastisch, leicht magnetisch, goldfarben Federblech, Waagebalken, Schiffspropeller, chemische Industrie Bleibronze bis zu 26 % Blei korrosionsbeständig, gute Gleiteigenschaften Lagermetall, Verbund- und Formgusswerkstoffe, antike Münzbronze enthielt häufig Blei, dem nicht alles Silber abgetrieben wurde Manganbronze 12 % Mangan korrosionsbeständig, hitzebeständig elektrische Widerstände(in den USA trotz des in manchen Legierungen enthaltenen Zinkanteils von 20–40 % als manganese bronze bezeichnet, zum Beispiel bei einigen von Ampco hergestellten Werkstoffen) Siliciumbronze 1–2 % Silicium mechanisch und chemisch hoch beanspruchbar, hohe Leitfähigkeit Oberleitungen, Schleifkontakte, Chemische Industrie, Verbindungsmittel im Schiffbau Berylliumkupfer (Berylliumbronze) 2 % Beryllium hart, elastisch, giftig Federn, Uhren, funkenfreie Werkzeuge Phosphorbronze 7 % Zinn, 0,5 % Phosphor hohe Dichte und Festigkeit zähfeste Maschinenteile, Achsenlager, Gitarrensaiten Leitbronze Magnesium, Cadmium, Zink (gesamt 3 %) elektrische Eigenschaften ähnlich Kupfer, jedoch zugfester Freileitungen, Starkstromanlagen Rotguss Zinn, Zink, Blei (gesamt 10–20 %) korrosionsbeständig, gute Gleiteigenschaften und Gießbarkeit Gleitlager, Armaturen, Schneckenräder, Kunstguss Stahlbronze 92 % Kupfer und 8 % Zinn hohe Dichte und Festigkeit, galt in den 1870er Jahren als ernsthafte Alternative zu Stahl Das Material wurde von Franz von Uchatius entdeckt und insbesondere in der Österreichisch-Ungarischen Artillerie verwendet. Korinthisches Erz (corinthium aes) 1–3 % Gold, 1–3 % Silber,manchmal wenige Prozent Arsen, Zinn oder Eisen durch Patinieren schwarz färbbar historischer Werkstoff für Statuen und Luxusartikel (Antike) Potin französische Bezeichnung für Legierungen auf Kupferbasis Potin gris ist als Bronzelegierung zu bezeichnen. Potin jaune ist aus Altmessing hergestelltes Gussmessing.Bezeichnung auch für keltische Münzbronze mini|hochkant=1.6|Darstellung der Bronze-Guss- und Knetlegierungen durch das Deutsche Kupferinstitut
Statuenbronze Meyers Konversationslexikon von 1905 benannte für die Legierung einer der Witterung widerstehenden Bronze zur Herstellung von Bronzeskulpturen 89 % Kupfer, 8,2 % Zinn und 1,5 % Blei. Weiter wurden die Legierungen einiger ausgeführter Statuen angegeben: