Kupfer-Zink-Gusslegierung

Metallurgie

(Guss-Messing). Gusswerkstoffe mit mindestens 50 % Kupfer und dem Hauptlegierungsbestandteil Zink.

Kupfer-Zink-Legierungen können weitere Elemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel oder Silizium enthalten und werden fachsprachlilch auch als Guss-Sondermessinge bezeichnet. Die technisch wichtigen Werkstoffe sind in DIN EN 1982 genormt.

Die Komplexität dieser Legierungsgruppe wird in Zustandschaubildern deutlich.

Nach dem Zustandsschaubild der binären Legierung Cu-Zn (Bild  1) existieren drei Mischkristallphasen (α, β und γ) im angegebenen Legierungsbereich, die auch für die praktische Verwendbarkeit dieser Werkstoffe von Bedeutung sind. Reines α-Messing wird nur für untergeordnete Zwecke und wenig beanspruchte Teile benutzt, sofern nicht besondere Eigenschaften, wie zum Beispiel gute Lötbarkeit, im Vordergrund stehen. Mit steigendem Anteil der β-Phase ist eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften verbunden, während dagegen die γ-Phase vermieden wird, weil sie stark versprödend wirkt. Eine rasche Erstarrung (dünnwandige Gussquerschnitte, Kokillenguss, Schleuderguss und Druckguss) fördert die feinkörnige Gefügeausbildung, verbunden mit besserer Gefügedichtheit und höherer Festigkeit (Bilder 2a und 2b).

Für Sandguss wird hauptsächlich die Legierung CuZn33Pb2-C-GS verwendet, so beispielsweise für Armaturen, Beschläge und Konstruktionsteile aller Art. Ein reiner α-Werkstoff ist CuZn15As-C mit einem Arsengehalt von 0,05 bis 0,15 %, der speziell für zu lötende Teile, vor allem im Schiffbau, Verwendung findet. Für Kokillen- und Druckguss dient vorwiegend die Legierung CuZn35Pb2Al-C (-GM-GP) mit einem geringen Aluminiumgehalt zur Unterdrückung der Zinkoxidation beim Gießen. Zur Erzielung einer einheitlichen goldgelben Gussflächenfärbung werden beim Kokillenguss etwa 0,02 bis 0,05 % Mg in Form einer Kupfer-Magnesium-Vorlegierung zugesetzt. Höhere Aluminiumgehalte verbessern die Festigkeitseigenschaften durch Mischkristallhärtung der α- und β-Phase, wobei zudem der α-Bereich im ternären Zustandsschaubild stark eingeengt wird (Bild  3). Solche hochfesten Kupfer-Zink-Gusslegierungen mit Aluminiumgehalten bis 6 oder 7 % werden für Sand-, Kokillen- und Schleuderguss verwendet. Zum Teil werden noch weitere Legierungszusätze, wie Eisen und Mangan, vorgesehen (Bild  4). Zu erwähnen ist auch eine auffallende Farbänderung der aluminiumhaltigen Kupfer-Zink- Gusslegierung im (β +γ)-Mischkristallbereich, (rotfarbige Kupfer-Zink-Legierung).

Eisen ist im α- wie auch im β-Cu-Zn-Mischkristall nur wenig löslich (Bild 5). Üblicherweise liegen die Eisengehalte nur bei etwa 0,2 bis 1,2 %, es sei denn, dass gleichzeitig hohe Aluminiumgehalte bis circa 7 % vorliegen; hier können die Eisengehalte bis 4,5 % betragen. Eisen hat vor allem eine kornfeinende Wirkung.

Mangan ist ein weiterer Legierungsbestandteil, der vor allem in aluminiumhaltigen, hochfesten Kupfer-Zink-Gusslegierungen, meist zusammen mit Eisen, vorgesehen wird. Nach dem ternären Zustandsschaubild (Bild 6) ist Mangan im α- und β-Mischkristall relativ gut löslich. Es verbessert die Festigkeitseigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit.

Nickel ist in Kupfer-Zink-Gusslegierungen sehr gut und mit hohen Gehalten löslich (Bild 7). Werkstoffe mit etwa 10 bis 25 % Ni werden fachsprachlich auch als Neusilber bezeichnet, (Kupfer-Nickel-Zink-Gusslegierung).

Silizium in Kupfer-Zink-Legierungen engt den Bereich der α- und β-Phase sehr stark ein, so dass schon in hochkupferhaltigen Werkstoffen (α+ β-Gefüge) bei Gehalten von 4 % Si auftritt (Bilder 8 und 9). Die genormte Legierung CuZn16Si4-C enthält zwischen 3 und 5 % Si bei Kupfergehalten zwischen 78 und 83 %. Sie ist ein Konstruktionswerkstoff mit guter Korrosions- und Meerwasserbeständigkeit sowie ausgezeichneter Gießbarkeit, (Sand-, Kokillen-und Druckguss).

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