Bronze

Begriff und Rohstoffe

Bronzen sind Legierungen mit mindestens 60 % Kupfer, sofern Zink nicht der Hauptlegierungszusatz ist; dann handelt es sich um Messing. Metallurgisch wird die Bezeichnung mit dem wichtigsten Zusatz verbunden, etwa Aluminiumbronze, Bleibronze, Manganbronze, Antimon- oder Arsenbronze. In historischen Zusammenhängen meint „Bronze“ meist Zinnbronze. Phosphorbronze gehört ebenfalls zu den Zinnbronzen, weil ihr Phosphoranteil gering ist.

Frühe Kupfererze in Mitteleuropa waren unter anderem Fahlerze wie Tetraedrit und Tennantit. Sie enthalten neben Kupfer oft Antimon, Arsen, Schwefel, Blei und Eisen. Diese Bestandteile sauber abzutrennen, verlangt grundlegende metallurgische Fähigkeiten. Wichtige Zinnerze waren Kassiterit (Zinnstein) und Stannit (Zinnkies).

Zinnbronze: Aufbau und Eigenschaften

Zinnbronze ist eine Kupfer-Zinn-Legierung. Reinkupfer besitzt ein kubisch flächenzentriertes Gitter und schmilzt bei 1083 °C. Je nach Zinngehalt können Mischkristalle entstehen: α bei niedrigen Zinngehalten, β bei etwa 24 % Zinn und γ bei circa 30 % Zinn und darüber. Ein Mischkristall ist ein einheitliches festes Gefüge, in dem Atome eines Elements in das Kristallgitter eines anderen eingebaut sind.

Das technisch wichtige Peritektikum α/β liegt bei 22 % Zinn und 798 °C. Bei 586 °C zerfallen β-Mischkristalle eutektoid in α- und γ-Mischkristalle. Ein Eutektoid ist ein Gefüge, das beim Abkühlen aus einer festen Phase in zwei feste Phasen zerfällt. Die harte δ-Phase hat die Zusammensetzung Cu₃₁Sn₈, also circa 32,5 % Zinn. Unter technischen Bedingungen stellt sich das Gleichgewicht wegen der langsamen Diffusion des Zinns nicht vollständig ein. Bis unter 5–6 % Zinn besteht das Gefüge nur aus α-Mischkristallen; darüber enthält es weiche α-Mischkristalle und hartes α/δ-Eutektoid.

Mit zunehmendem Zinn steigen Festigkeit und Härte. Die Festigkeit erreicht zwischen 10 und 15 % Zinn ein Maximum, die Dehngrenze bei etwa 20 %. Die Bruchdehnung nimmt ab mehr als 5 % Zinn rasch ab und liegt zwischen 20 und 25 % praktisch bei null. Pro 6 % Zinnzusatz sinkt die Dichte um 0,1 g/cm³; bei 8 % Zinn beträgt sie 8,79 g/cm³.

Legierungsarten und Zusätze

Genormte Zinnbronzen werden in Knetlegierungen mit höchstens 9 % Zinn für die Umformung und Gusslegierungen mit 9 bis 13 % Zinn eingeteilt. Glockenbronze enthält etwa 20 %, höchstens 22 % Zinn.

Phosphor reduziert Kupferoxid, verbessert Gießbarkeit und Eigenschaften des Gusses. Nach dem Desoxidieren sollen mindestens 0,01 % Phosphorüberschuss in der Schmelze bleiben; über 0,1 % entsteht Cu₃P. Das kann bei Lagerwerkstoffen erwünscht sein, verschlechtert aber die elektrische Leitfähigkeit. Nickel erhöht bei Gusslegierungen bis 2,5 % die Zähigkeit. Blei liegt als eigene Phase vor, verbessert Spanbarkeit und Gleiteigenschaften, erhöht jedoch die Warmbrüchigkeit; Lagergusslegierungen enthalten etwa 2 % Blei. Zink kann aus wirtschaftlichen Gründen ungefähr die halbe Zinnmenge ersetzen und wirkt desoxidierend.

Sonderbronzen enthalten wenig oder kein Zinn. Aluminiumbronze enthält 5–10 % Aluminium und ist seewasserbeständig, verschleißfest und goldfarben. Bleibronze ist eine Lagerlegierung mit 5–22 % Blei. Berylliumbronze enthält 2–3 % Beryllium sowie wenig Cobalt und wird für funkenfreie Werkzeuge eingesetzt. Rotguss ist keine Zinnbronze im engeren Sinn: Seine Eigenschaften werden vor allem durch Zink, Blei und Nickel bestimmt. Als Kunstbronze bezeichnet man meist günstigere Mischungen aus Kupfer, Zink und Zinn, die weniger langlebig und widerstandsfähig als echte Bronze sind.

Entwicklung und traditionelle Verwendung

Zinnbronze ist ab der Mitte des 5. Jahrtausends v. Chr. in Pločnik der Vinča-Kultur nachgewiesen. Dort entstand sie beim Schmelzen eines Kupfererzes mit natürlichem Zinnanteil. In der Kura-Araxes-Kultur ab dem 3. Jahrtausend v. Chr. wurden Kupfer und Zinn zunächst getrennt gewonnen und anschließend gezielt legiert. Die gewerbsmäßige Herstellung begann vermutlich zwischen 2500 und 2000 v. Chr. in Vorderasien; in Mohenjo-Daro wurde die Figur eines Mädchens, die „Tänzerin“, gefunden. Auch in China ist Bronze im 3. Jahrtausend v. Chr., spätestens in der Xia-Zeit, belegt.

Bronze gehört zu den ersten von Menschen hergestellten Legierungen. Sie kann härter als reines Kupfer sein und schmilzt bei 20 Masseprozent Zinn bereits bei 900 °C, während reines Kupfer bei 1084,62 °C schmilzt. Früheste Bronzen enthielten je nach Erz auch Arsen, Blei oder Antimon. Die Bronzezeit folgte auf Kupferzeit und Jungsteinzeit; sie brachte Waffen, Geräte, Schmuck und bronzene Reibnägel für Wagen mit lenkbaren Vorderachsen. Zinn war im 2. Jahrtausend v. Chr. Handelsgut über große Entfernungen; bei vielen Funden im östlichen Mittelmeerraum wurde Südwest-Großbritannien als Zinnquelle nachgewiesen.

Später wurde Eisen zunehmend wichtiger, doch Bronze und Eisen blieben abhängig vom Zweck nebeneinander in Gebrauch. In Antike und frühem Mittelalter war Bronze besonders für Denkmäler, Glocken und Geschütze bedeutsam. Traditionell dient sie außerdem Kunstguss, Bronzetüren wie der Bernwardstür, Kleinbronzen, Gedenktafeln, Medaillen, Becken und Hi-Hats, Formdüsen für Nudeln sowie Münzen wie dem As.

Moderne Anwendungen, Skulpturen und Oberflächen

Im Maschinen- und Werkzeugbau werden Kupfer-Zinn-Legierungen eingesetzt, ebenso für Federn und Kontakte in Elektrotechnik und Elektronik. Nickel erhöht bei Gusslegierungen die Zähigkeit, bei Knetlegierungen die Festigkeit. Blei ist bei Lagerlegierungen wichtig, weil ausgeschiedenes metallisches Blei die Notlaufeigenschaft von Lagern unterstützt. Chemische und Nahrungsmittelindustrie nutzen Korrosions- und Verschleißfestigkeit. Für Schiffspropeller verwendet man statt klassischer Zinnbronzen Aluminium-Mehrstoffbronzen, da sie in Seewasser kavitations- und korrosionsbeständig sind. Bronzepulver kann beim Pulverflammspritzen und anschließendem heißisostatischen Verpressen (Sintern) für Prototypen und Kleinserien genutzt werden.

Für witterungsbeständige Bronzeskulpturen nannte Meyers Konversationslexikon 1905 eine Legierung aus 89 % Kupfer, 8,2 % Zinn und 1,5 % Blei. Die Zusammensetzungen einzelner Statuen unterscheiden sich jedoch deutlich, beispielsweise durch Zink- und Bleianteile. Bronze kann durch Firnisbrand braun eingefärbt werden. Wie bei Kupfer kann eine grünliche bis bläuliche Patina entstehen oder gezielt hervorgerufen werden. Günstige Bronzeimitate entstehen durch das Vermischen von Bronzepulver mit flüssigem Kunstharz, etwa bei Kaltgussbronze.