Messing

Definition und Zusammensetzung

Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung mit mindestens 50 % Kupfer und bis zu etwa 40 % Zink. Technisch verwendbare Messinge enthalten meist 5 bis höchstens 45 % Zink; in der Praxis besitzen gut verarbeitbare Sorten mindestens 58 % Kupfer. Die Kurzbezeichnung CuZnX gibt mit X den Zinkgehalt in Prozent an, beispielsweise enthält CuZn37 einen Zink-Massenanteil von 37 %. Kleinere Mengen weiterer Metalle können bestimmte Eigenschaften von Guss- oder Knetlegierungen verändern: Blei und Zinn beeinflussen besonders die Verarbeitung, Nickel die Korrosionsbeständigkeit. Legierungen mit zusätzlichen Elementen wie Blei über 3 %, Silicium, Eisen, Nickel, Mangan oder Aluminium heißen Sondermessinge.

Das Verhältnis von Kupfer und Zink bestimmt die Farbe. Bis 20 % Zink ist Messing bräunlich bis bräunlich-rot; bei mehr als 36 % wird es hellgelb bis fast weißgelb. Mit steigendem Zinkanteil wird die Farbe somit heller. Wird bei geringem Zinkgehalt ein anderes Metall zum zweiten Hauptbestandteil, gilt die Legierung nicht als Messing, sondern beispielsweise als Bronze bei Zinn, Neusilber bei Nickel, weißer Tombak bei Arsen oder Siliciumtombak bei Silicium.

Eigenschaften und Gefüge

Messing ist härter als reines Kupfer, aber weniger hart als Bronze. Seine genaue Festigkeit hängt von der Zusammensetzung ab, denn anders als Stahl und viele Aluminiumlegierungen lässt es sich nicht durch Wärmebehandlung aushärten. Die Zugfestigkeit liegt bei 310 bis 460 MPa, die Dehngrenze bei 120 bis 420 MPa und der Elastizitätsmodul bei 78 bis 123 GPa. Die Poissonzahl beträgt 0,37, der Torsionsmodul 37 GPa und die Schallgeschwindigkeit 4430 m/s.

Die Dichte reicht von 8,41 g/cm³ bei CuZn40 bis 8,86 g/cm³ bei CuZn5. Mit wachsendem Zinkanteil sinken Schmelztemperatur und elektrische Leitfähigkeit: Das Schmelzintervall beträgt bei CuZn5 1050–1065 °C und bei CuZn37 902–920 °C; die Leitfähigkeit fällt von 33·10^6 S/m bei CuZn5 auf 15,5·10^6 S/m bei CuZn37. Die spezifische Wärmekapazität liegt legierungsabhängig bei etwa 377 J/(kg·K), die Wärmeleitfähigkeit bei 111 W/(m·K) bei 20 °C. Für CuZn30 beträgt der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient bei 20 °C 18,5·10^−6/K. Messing ist außerdem amagnetisch und schlägt keine Funken, weshalb es sich für besondere Werkzeuge eignet.

Kupfer und Zink bilden Substitutionsmischkristalle: Dabei ersetzen Zinkatome einzelne Kupferatome im Kristallgitter. Weil Zinkatome etwas größer sind, verspannen sie das Gitter; dies erklärt die höhere Härte gegenüber reinem Kupfer. Bis 32,5 % Zink entsteht die kubisch-flächenzentrierte α-Phase. Ihre Soliduslinie, also die Grenze, unterhalb deren die Legierung vollständig fest ist, sinkt von 1083,62 °C bei 0 % Zink auf 902 °C bei 32,5 % Zink. Zwischen 32,5 % und 36,8 % Zink tritt zusätzlich eine kubisch-raumzentrierte β-Phase auf; bis etwa 37 % wandelt sie sich bei tieferen Temperaturen wieder in die α-Phase um.

Bei ungefähr gleichen Anteilen von Kupfer und Zink liegt je nach Temperatur die β- oder β'-Phase vor. Unter 468 °C ist die geordnete β'-Phase mit Caesiumchlorid-Struktur stabil; oberhalb davon verteilen sich die Atome in der β-Phase statistisch auf die Gitterplätze. Oberhalb von 50 % Zink entstehen weitere intermetallische γ-, δ- und ε-Phasen. Die extrem spröde γ-Phase macht solche Legierungen technisch unbrauchbar. Reine α-Messinge mit höchstens etwa 37 % Zink sind kalt verformbar. Mit zunehmender β-Phase ist nur noch Warmverformung oberhalb von 600 °C möglich.

Wichtige Messingsorten

Gussmessing ist die Sammelbezeichnung für Messinggussteile; eine besonders häufige Sorte ist CuZn37. In der älteren Bezeichnung Ms 63 wurde stattdessen der Kupferanteil genannt. Messing kann bis zu 3 % Blei enthalten. Blei liegt nicht gelöst im Kristallgitter vor, sondern als fein verteilte Phase und wirkt beim Zerspanen als Spanbrecher. Bei Automaten- oder Zerspanungsmessing verbessern 0,5 bis höchstens 3,5 % Blei die Bearbeitbarkeit; noch höhere Anteile bringen kaum weitere Vorteile und erschweren das Erschmelzen.

CuZn30 besitzt unter den Messingsorten die beste plastische Verformbarkeit. Wegen seiner früheren Verwendung für Artilleriekartuschen heißt es auch Kartuschmessing. Heute wird Messing mit 30 % Zink aufgrund seiner guten Kaltverformbarkeit unter anderem für Patronenhülsen verwendet.

Tombak bezeichnet Messing mit mehr als 67 % Kupfer. Handelsformen sind Rottombak mit 90 % Kupfer, Gold- oder Mitteltombak mit 85 % und Gelbtombak mit 72 %. Tombak dient kunstgewerblichen Zwecken und als Mantel für Pistolen- und Gewehrgeschosse; die bis 2001 geprägten deutschen 5- und 10-Pfennig-Münzen bestanden aus tombakplattiertem Stahl. Goldmessing, eigentlich Goldtombak, wird häufig für Blechblasinstrumente verwendet und teilweise galvanisch versilbert. Siliciumtombak gehört dagegen zu den Sondermessingen, weißer Tombak ist als Kupfer-Arsen-Legierung eine Arsenbronze und kein Messing.

Tafelmessing wird unter anderem für gestanzte Zahnräder und andere Uhrenteile, Dekorationselemente und als Goldersatz im Schmuck eingesetzt. Talmigold ist kein Goldtombak, sondern eine vergoldete Rotgusslegierung aus Kupfer, Zink, Zinn und Blei. Als Gelbguss bezeichnete man früher Formgusslegierungen mit 56 bis 80 % Kupfer. Unter den Sondermessingen besitzt Siliciumtombak wegen hoher Festigkeit und guter Gießbarkeit im Schwerkraftkokillen- und Druckguss besondere Bedeutung für die Serienfertigung. Neusilber ist eine bekannte Kupfer-Zink-Nickel-Legierung.

Herstellung und Bearbeitung

Obwohl Kupfer erst bei 1083,62 °C schmilzt und Zink bereits bei 419,53 °C schmilzt sowie bei 907 °C siedet, lassen sich beide Metalle schmelzflüssig legieren. Die Schmelze darf jedoch nicht überhitzt werden und sollte nach Erreichen der Gießtemperatur schnell verarbeitet werden, damit nicht unkontrolliert Zink verdampft. Gegen Oxidation wird die Oberfläche beispielsweise mit trockenem Quarzsand, Holzkohle oder gestoßenem Glas abgedeckt. Trockene, gut verkokte Holzkohle hemmt zusätzlich den Zinkabbrand.

Messing lässt sich gut sägen, drehen, fräsen, bohren, schleifen und polieren. Für die spanabhebende Bearbeitung eignet sich besonders Automatenmessing mit 58 % Kupfer und 1–3 % Blei. Verwendet werden kleine Spanwinkel: bei Ms 58 etwa 0–5°, bei Ms 73 etwa 5–15°. Die Schnittgeschwindigkeit kann mit Werkzeugen aus Schnellschnittstahl bis 70 m/min und mit Hartmetallwerkzeugen bis 600 m/min betragen.

Je höher der Kupfergehalt ist, desto besser lässt sich Messing kalt verformen, etwa durch Biegen, Treiben, Drücken und Tiefziehen. Die dabei entstehende Verfestigung kann durch Glühen bei ungefähr 600 °C beseitigt werden; Abschrecken mit Wasser hat keine Bedeutung. Bereits Drehen oder Fräsen kann eine spiegelglatte Oberfläche erzeugen, Polieren steigert den Glanz weiter, und auch Bürsten ist üblich. Beim Brünieren mit Essigessenz bildet sich durch chemische Umwandlung eine dünne schützende Konversionsschicht. Diese Behandlung kann Gegenständen zugleich ein antikes Aussehen geben.

An der Luft läuft Messing durch Oxidation an und wird matt und bräunlich. Ein Brei aus Zitronensaft und Salz oder Natron kann die Schicht als schonendes Schleifmittel entfernen; Zaponlack schützt vor erneutem Anlaufen. Wie bei anderen Kupferwerkstoffen kann durch Kohlendioxid und Schwefeldioxid aus der Luft Grünspan entstehen. Er lässt sich durch Tränken mit Petroleum und anschließendes Abreiben entfernen.

Verwendung

Messing wird wegen seiner Farbe, Bearbeitbarkeit, elektrischen Leitfähigkeit, mechanischen Stabilität und besonderen Oberflächeneigenschaften vielseitig eingesetzt. Goldfarbene Sorten dienen für Schmuck, Kunstgegenstände, Griffe und Beschläge. Antennen und Hohlleiter werden aus Messing hergestellt; Steckverbinder verwenden Pins aus Messingdraht, teilweise mit galvanisierter Oberfläche. Übliche Drahtsorten sind CuZn2, CuZn15, CuZn30 und CuZn37.

Armaturenmessing besteht aus 39 % Zink, 3 % Blei und dem Rest Kupfer. Daraus werden endkonturnahe Armaturen und Formstücke für Sanitärinstallationen gegossen. Es ist gut zerspanbar, besitzt jedoch eine geringere Korrosionsbeständigkeit als reines α-Messing, selbst gegenüber chloridfreiem Leitungswasser. Für Lager eignen sich unter anderem CuZn37Al1 und CuZn40Al2 mit 1 beziehungsweise 2 % Aluminium. Aluminium erhöht außerdem die Verschleißfestigkeit, ist wegen seiner leichten Oxidierbarkeit beim Gießen aber problematisch: Ohne geeignete Schmelzebehandlung können Oxideinschlüsse entstehen.

Hochfeste Messinge mit mehr als 32,5 % Zink und β-Phase können für gegossene Propeller von Sportbooten im Süßwasser verwendet werden, sind wegen Korrosion jedoch nicht für Seewasser geeignet. Zusätzliche 5 % Nickel erweitern den Einsatz auf Schiffspropeller. Auch Silicium und Mangan können den Einsatzbereich vergrößern. Zinkhaltige Schweißzusätze können Silicium, Silber oder Zinn enthalten; beim MIG-Schweißen sind dagegen zinkfreie Legierungen erforderlich. Der Bleianteil sollte höchstens 1 % betragen.

Messingoberflächen geben kleine Mengen Kupferionen ab, die desinfizierend wirken. Diese Wirkung heißt Oligodynamie oder Selbst-Desinfektion. Deshalb werden Messing-Türgriffe, Türplatten und Lichtschalter teilweise in Krankenhäusern zur Bekämpfung von Krankenhauskeimen eingesetzt; auch Viren werden innerhalb von Stunden inaktiv.

Sicherheit und natürliches Vorkommen

Beim Schmelzen von Messing entweicht ab etwa 900 °C Zinkdampf. Er reagiert an der Luft sofort zu Zinkoxid und bildet weißen Rauch. Das Einatmen kann Reizungen, Müdigkeit und Fieber verursachen. Diese akute Giftwirkung ist als Gießfieber, Zinkfieber oder Metalldampffieber bekannt; Langzeitschäden sind nicht bekannt. Eine geeignete Abdeckung der Schmelze vermindert die Entstehung des beim Gießen störenden und gesundheitsschädlichen Zinkrauchs.

Kupfer-Zink-Legierungen kommen auch als Minerale vor. Die International Mineralogical Association erkannte mit Stand 2011 Zhanghengit, ein β-Messing, und Danbait mit der Formel CuZn2 als eigenständige Minerale an. In der 9. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehören sie zur Klasse der Elemente, dort zu den Metallen und intermetallischen Verbindungen und innerhalb der Zink-Messing-Familie zur Messing-Gruppe mit der Systemnummer 1.AB.10.