Bronze
Was ist Bronze?
Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, wobei die weitaus größte Anzahl an Legierungen Zinngehalte zwischen wenigen Prozent und etwa 22 Gewichtsprozent aufweisen. Mit zunehmendem Zinngehalt steigen sowohl die Härte als auch die Sprödigkeit des Materials. Zudem variiert deren Farbe zwischen fast kupferrot bei niedrig legierten Zinnbronzen zu blass-gelb bei hohen Zingehalten. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden aber auch andere Kupferlegierungen wie z.B. Rotguss als Bronze bezeichnet. Speziell in der Archäologie werden oft alle Kupferlegierungen die nicht Messinge sind als Bronzen bezeichnet, was aufgrund ähnlicher mechanischer und physikalischer Eigenschaften durchaus verständlich, wenn auch terminologisch nicht korrekt ist.
Ist Schmiedebronze auch Bronze?
Nein, Schmiedebronze hat nichts mit Bronze zu tun. Es ist eine Kupfer-Zink-Silizium Legierung und gehört zu den Sondermessingen. Das Material hat geringere Zinkgehalte als Messing (76 Gew% Cu, 21 Gew% Zn, 3 Gew% Si, 50 ppm P). Das Material zeichnet sich durch gute Bearbeitbarkeit aus und lässt sich gut schmieden. Durch den geringeren Zinkgehalt, erhält es eine rötlichere Farbe als Messing.
Seit wann gibt es Bronze?
Bronze ist den Menschen seit gut 4500 – 5000 Jahren bekannt und kam erstmalig im vorderen Orient vor, von wo es offenbar Verbreitung durch die gesamte alte Welt erfuhr. Nach neuesten Grabungen in Serbien scheint es in der Vinča Kultur aber bereits eine eigenständige Entwicklung der Bronzemetallurige auf Balkan gegeben zu haben, die allerdings zeitgleich mit der Varna Kultur verschwand (Radivojević et al 2013).
Wann schmilzt Bronze?
Legierungen besitzen in den meisten Fällen keinen Schmelzpunkt, sondern ein Schmelzintervall. Beispielsweise beginnt eine 90/10 CuSn Legierung bei etwa 840ºC zu schmelzen und ist über 1000 ºC flüssig. Im Temperaturbereich zwischen 840 und 1000ºC liegt eine Mischung aus festen Kristallen und Schmelze vor. Das Metall erscheint im Schmelztiegel zunächst als „schwitzend“, später breiig – zäh, aber eben nicht als flüssig. Die Schmelzintervalle sind für alle Legierungszusammensetzungen unterschiedlich, können aber aus einem binären Phasen- oder Zustandsdiagramm abgelesen werden.
Das Kupfer-Zinn Zustandsschaubild
Zustandsschaubild Kupfer Zinn.
- Über 1000 ºC ist Bronze mit 10 Gewichts% Zinngehalt flüssig.
- Kühlt die Schmelze ab passiert die Schmelze den Liquiduspunkt. Ab hier beginnen sich in der Schmelze feste Kristallite auszuscheiden. Diese Kristalle sind sog. Mischkristalle, genau genommen Substitutionsmischkristalle, da sie am Liquiduspunkt aus 98 % Kupfer und 2 % Zinn bestehen. Im Verlauf der weiteren Abkühlung nimmt der Gehalt an Zinn in der Schmelze zu, ebenso nimmt der Gehalt von Zinn im festen Mischkristall zu. Es entsteht ein zonierter Dendrit.
- Bei 900 ºC besteht die noch flüssige Schmelze aus 82 % Cu und 18 % Sn.
- Am sogenannten Soliduspunkt erstarrt diese Restschmelze vollständig.
- Es hängt von der weiteren Abkühlungsgeschwindigkeit ab, ob und inwiefern das Metall durch Diffusion einen Gleichgewichtszustand erreicht. In der Praxis, also beim Guss in Lehm-, Sand- oder Metallformen ist das nahezu nie der Fall. Es entsteht ein heterogen zusammengesetztes Gefüge das durch weitere thermische Behandlung homogenisiert werden kann.
Weitere Informationen zu Phasendiagrammen finden sich auf folgenden Seiten (engl):
Dissemination of IT for the Promotion of Materials Science
Literatur
Radivojević, M., Rehren, T., Kuzmanović-Cvetković, J., Jovanović, M., Northover, P.J., 2013. Tainted ores and the rise of tin bronzes in Eurasia, c. 6500 years ago. Antiquity 87, 1030–1045.