Kupfer-Zinn-Gusslegierung

Metallurgie

(Guss-Zinnbronze). Kupferwerkstoff mit Zinngehalten bis etwa 22 %, genormt in DIN EN 1982.

In der Technik werden hauptsächlich Legierungen mit 10 und 13 % Sn, teils als Konstruktionswerkstoffe, teils als Lagerwerkstoffe, verwendet. Legierungen mit 14 oder 20 % Sn werden nur für Sonderanwendungen wie als Glockenbronzen für Glockenguss eingesetzt.

Bild 1 zeigt das stabile Zustandsdiagramm Kupfer-Zinn, in dem sich alle Phasen im Gleichgewicht befinden. Dieser Zustand stellt sich allerdings wegen der Diffusionsträgheit des Zinns erst nach einer langdauernden homogenisierenden Glühbehandlung ein, von der in der Praxis kein Gebrauch gemacht wird. Normalerweise besteht das Gefüge dieser Werkstoffe im Gusszustand aus dem in Bild 2 schraffiert dargestellten (α + δ)-Eutektoid (Bild 3). Dies ist an sich kein Nachteil, denn die technische Bedeutung dieser Werkstoffe besteht gerade darin, dass das Gefüge den harten und korrosionsbeständigen δ-Bestandteil enthält. Zum Vergleich zeigt Bild 4 das Gefüge einer Legierung mit 10 % Sn nach Glühbehandlung und langsamer Abkühlung.

Mit zunehmender Abkühlungsgeschwindigkeit bei der Erstarrung nimmt auch die Menge des ausgeschiedenen (α + δ)-Eutektoides zu. Bei Kokillenguss, desgleichen auch bei Schleuder- und Strangguss, tritt die δ-Phase schon bei Zinngehalten von etwa 5 % auf, während für Sandguss die unterste Grenze bei ungefähr 7 % Sn liegt. Da außer dem Formstoff auch die Gießtemperatur einen wesentlichen Einfluss auf den Abkühlungsverlauf der Schmelze in der Gießform ausübt, hat es somit der Gießer in der Hand, den Mengenanteil der δ-Phase im Gefüge zu steuern. Dieser Möglichkeit kommt besondere Bedeutung zu, da bei der Verwendung der Kupfer-Zinn-Legierungen als Konstruktionswerkstoff hohe Festigkeits- und Dehnungswerte nur bei möglichst geringen δ-Gehalten erreicht werden können. Werden diese Werkstoffe für Gleitlager oder Teile, die einem Reibungsverschleiß unterliegen, eingesetzt, so ist im Gegensatz dazu ein hoher δ-Anteil erwünscht.

Auf Grund ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit werden diese Legierungen oft als Konstruktionswerkstoff für Armaturen, Pumpengehäuse, Druckzylinder, Turbinenteile und sonstige wasser- und dampfbeständige Gussteile verwendet. Gute Druckdichtheit lässt sich aber nur erzielen, wenn das Gefüge, zumindest in der Randzone, eine stengelige Kristallstruktur aufweist. Diese Bedingung lässt sich erfüllen, wenn mit hoher, aber nicht zu hoher Gießtemperatur gegossen wird (1150 bis 1160 °C für CuSn10-C). Da gleichzeitig hohe Dehnungswerte erreicht werden sollen, muss der δ-Anteil im Gefüge niedrig gehalten werden. Auch diese Bedingung ist erfüllbar, wenn mit hoher Temperatur gegossen wird, weil dann die Erstarrung langsamer verläuft als bei niedriger Gießtemperatur. Außerdem ergibt sich daraus, dass hohe Dehnungswerte nur bei Sandguss, nicht aber bei Kokillenguss erwartet werden können und dass außerdem der Zinngehalt ebenfalls niedrig sein muss, um ein δ-armes Gefüge zu erzielen. Mithin steht die Legierung CuSn10-C als Konstruktionswerkstoff im Vordergrund, wenn bei hohen Temperaturen in Sand ohne Verwendung von Kokillen oder Kühleinlagen gegossen wird.

Die höheren Zinngehalte fördern die Ausscheidung der für Gleitlagerzwecke wichtigen δ-Phase. Es kommt daher auf einen möglichst hohen δ-Anteil im Gefüge an, und diese Forderung wird nicht nur allein durch höhere Zinngehalte, sondern auch durch raschere Abkühlung (Kokillenguss, Schleuderguss, Strangguss) und durch niedrige Gießtemperaturen erfüllt. Nickelzusätze erhöhen die Verschleißbeständigkeit, Korrosions- und Kavitationsbeständigkeit und vermindern den Eutektoidanteil. Die Legierung CuSn12Ni2-C ist als Konstruktions- und Lagerwerkstoff einsetzbar.

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