Kupfer-Zinn-Knetlegierungen(Zinnbronzen)

Informationsdruck i.15

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Wir danken der ICA (InternationalCopper Association), New York, frdie besondere Untersttzung zur Herausgabe dieser Broschre.

Auflage 07/2004

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Kupfer-Zinn-Knetlegierungen (Zinnbronzen)

Inhalt

1. Allgemeines zu den Kupfer-Zinn-Knetlegierungen . . . . . . . . . . . . . 41.1 Das Zustandsschaubild Kupfer-Zinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Kupfer-Zinn-Knetlegierungen mit weiteren Legierungselementen . . . . . . 51.3 Einfluss von Beimengungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Einfluss von Verunreinigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.6 Kupfer-Zinn-Knetlegierungen in den Europischen Normen . . . . . . . . . . 61.7 Legierungsvergleich zwischen Europa (DIN EN), USA und Japan . . . . . . . . 8

2. Eigenschaften der Kupfer-Zinn-Knetlegierungen . . . . . . . . . . . . . . 92.1 Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Federeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4 Gleiteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5 Korrosionsbestndigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3. Herstellung und Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1 Schmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Gieen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.3 Warmumformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.4 Kaltumformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.5 Wrmebehandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.6 Spanabhebende Bearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.7 Verbindungsarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.8 Oberflchenbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4. Verwendung von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen. . . . . . . . . . . . . . . 20

5. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

6. Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

7. Verlagsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

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1. Allgemeines zu den Kupfer-Zinn-Knetlegierungen

Der Begriff umfasst Legierungen desKupfers mit Zinn als Hauptlegierungs-element. Die gebruchlichen Kupfer-Zinn-Knetlegierungen sind inDIN V 17900* genormt und enthaltendemnach neben Kupfer bis 8,5 % Sn.Die Schweizustze fr Kupfer undKupferlegierungen (DIN 1733, Teil 1)sowie Hartlote auf Kupferbasis (DINEN 1044) aus Kupfer-Zinn-Legierungenknnen bis zu 13 % Sn enthalten.Zum Desoxidieren wird den o.g. Knet-legierungen Phosphor zugegeben(t 1.2.1), der im Einzelfall auch alsLegierungsbestandteil (0,1 bis 0,4 % P)mit in die Werkstoffbezeichnungaufgenommen wird (s. hierzuDIN ISO 4382, Teil 2).Einige Legierungen enthalten nebenZinn auch Zink, was vorwiegend aufwirtschaftliche Grnde zurckzu-fhren ist.Fr die Kupfer-Zinn-Legierungen istauch heute der alte Begriff Zinn-bronzen allgemein blich.

1.1 Das Zustandsschaubild Kupfer-ZinnKupfer-Zinn-Legierungen gehrenzwar zu den ltesten technisch ver-werteten Kupferlegierungen, der Auf-bau der kupferreichen Zweistofflegie-rungen war jedoch lange Zeit nur ingroben Zgen klar, da diese Legierun-gen wegen des breiten Erstarrungs-intervalls zu starken Seigerungenneigen und die Einstellung derPhasengleichgewichte sehr trge ver-luft. Weiterhin erschwert die kristal-lographische hnlichkeit der ent-stehenden Phasen deren eindeutigeIdentifizierung.

Bild 1 zeigt das Phasendiagramm desZweistoffsystems Kupfer-Zinn. Im fls-sigen Zustand sind Kupfer und Zinnvollstndig mischbar. Im festen Zustandbei 520 C betrgt die Lslichkeit vonZinn in Kupfer 15,8 %. Die bei sinken-der Temperatur abnehmende Lslich-keit von Zinn, wie sie im Bild 1 ange-geben ist, lsst eine Ausscheidungs-

fhigkeit der Kupfer-Zinn-Legierungenerwarten. Diese hat jedoch unter525 C fast nur theoretische Bedeutung,weil zur Einstellung des Gleichgewichtsinfolge der Diffusionstrgheit des ZinnsKaltumformungen und extrem langeGlhzeiten von 1000 bis 2000 h erfor-derlich wren. Die Lslichkeit von Zinnbleibt unterhalb von 520 C mit etwa15,8 % Sn nahezu konstant, so dassdie handelsblichen Kupfer-Zinn-Knetlegierungen von bis 9% Sn inForm von -Mischkristallen vorliegen.Wegen der durch den Erstarrungsab-lauf verursachten Strungen der Pha-sengleichgewichte wird in der Praxisfr die technisch knetbaren Kupfer-Zinn-Legierungen der Zinngehalt inder Regel auf max. 9 % begrenzt.Bei der Erstarrung fhrt das breiteErstarrungsintervall zur Bildung vonZonenkristallen, deren Konzentrations-unterschied zwischen Kern undAuenzone 10 % betragen kann.Es werden also zunchst kupferreicheMischkristalle ausgeschieden. Die Rest-

schmelze erstarrt dann erheblich zinn-reicher als es dem Durchschnittsgehaltder Legierung entspricht. Der zu hoheZinngehalt der zuletzt erstarrtenMischkristalle kann nur durch Diffusionausgeglichen werden. Aufgrund derDiffusionstrgheit des Zinns verluftdieser Vorgang so langsam, dass frdie technischen Belange ein techni-sches Zweistoff-Diagramm herangezo-gen wird (Bild 2). Danach weisen diehherlegierten Kupfer-Zinn-Legierun-gen (> 6 % Sn) nach dem Erstarrenneben der -Phase auch +-Eutek-toid auf.

Die Kupfer-Zinn-Legierungen zeigenaber nicht nur eine massive Korn-seigerung, sondern auch die Erschei-nung der umgekehrten Blockseige-rung. Durch eine Homogenisierungs-glhung knnen die Kornseigerungenber die Platzwechselvorgnge besei-tigt werden, umgekehrte Blockseige-rung jedoch nur durch thermomecha-nische Behandlung.

* Die Europischen Normen sind Produkt-normen in denen u. a. auch die chemischeZusammensetzung enthalten ist. EineZusammenfassung aller in DIN EN genormtenWerkstoffe enthlt DIN V 17900

Bild 1: Zustandsschaubild Kupfer-Zinn. (DKI 1531 B) [1]

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Ein sehr feines, homogenes und seige-rungsarmes Gefge kann erreichtwerden, wenn nicht gegossen wird,sondern der Werkstoff durch Sprh-kompaktieren erzeugt wird. So knnenindustriell verarbeitbare Zinn-Bronzenbis ca. 17 % Zinn hergestellt werden.

1.2 Kupfer-Zinn-Knetlegierungenmit weiteren LegierungselementenAls Zustze sind fr die Kupfer-Zinn-Knetlegierungen Phosphor und Zinkvon Bedeutung.

1.2.1 Kupfer-Zinn-PhosphorPhosphor wird in kleinen Mengen,jedoch im berschuss, zugegeben, umdie Desoxidation der Kupfer-Zinn-Schmelze zu erreichen und die Bildungvon Zinnoxid (SnO2), das die Eigen-schaften der Legierungen ungnstigbeeinflussen wrde, zu verhindern.Hierbei entsteht als ReaktionsproduktPhosphorpentoxid, das entweder ver-dampft oder verschlackt. Durch einengeringeren Restgehalt von mehr als0,01 % P wird eine einwandfreieDesoxidation sichergestellt. Darberhinaus ist Phosphor aber auch einLegierungselement. Phosphor ermg-licht eine bessere Schmelzfhrung undeine bessere Giebarkeit, erweitert dasErstarrungsintervall erheblich und(Bild 3) beeinflusst verschiedene phy-sikalische Eigenschaften. Mit steigen-dem Phosphorgehalt wird die Verfesti-gungsfhigkeit der Knetlegierungenerhht, gleichzeitig aber wird dieelektrische Leitfhigkeit und Warmver-formbarkeit herabgesetzt.

Hhere Phosphorgehalte wirken sichauch positiv auf die Gleiteigenschaftvon CuSn-Legierungen aus.

Bild 2: Kupferseite des praktischen Zustandsschaubildes Kupfer-Zinn. (DKI 1536) [2]

Bild 3: Schnitt durch das Zustandsschaubild Kupfer-Zinn-Phosphor fr 0,2 % P.(DKI 1543) [3]

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1.2.2 Kupfer-Zinn-ZinkZustze von Zink haben insbesonderefr Kupfer-Zinn-Gusslegierungen einegroe Bedeutung, doch enthalten bis-weilen auch Kupfer-Zinn-Knetlegie-rungen als drittes LegierungselementZink.Zinkzustze verschieben die Phasen-grenze des -Gebietes zu niedrigerenZinngehalten (Bild 4). Sie bewirkeneine Desoxidation der Schmelze, sodass Zustze von Phosphor hier nichtnotwendig sind, und erhhen die Ver-formbarkeit der Knetlegierungen.Darber hinaus bieten Zinkzustzekeine weiteren technologischen Vor-teile. Zink wird vielmehr aus wirt-schaftlichen Grnden zugegeben.

1.3 Einfluss von BeimengungenEisen, das in Kupfer-Zinn-Knetlegie-rungen bis zu 0,1 % enthalten seinkann, erhht bereits in diesen gerin-gen Mengen die Verfestigungsfhigkei-ten und kann auch eine Kornfeinungbewirken. In Gehalten ber 0,2 %

wrde es in freier Form auftreten unddie magnetischen Eigenschaften ver-ndern. Schmelzen und Gieen wirddurch Eisen erschwert, weil es einezhe Schlackenhaut bildet.

Nickel erhht die Schmelztemperatu-ren und verschiebt die Grenze derhomogenen festen Lsung zu niedri-gen Gehalten. Es verbessert die Festig-keitskennwerte, durch eine Kaltverfor-mung zwischen der Lsungsglhungund der Warmaushrtung kann dieHrte auch weiter gesteigert werden.Die in DIN V 17900 genormten Kupfer-