Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierung

Metallurgy
(Rotguss). Kupferwerkstoff mit Zinngehalten von rund 2 bis 10 %, Zinkgehalten von 2 bis 10 % und Bleigehalten von 0 bis 23 %. Einige Werkstoffe enthalten zusätzlich noch Nickel. Diese Legierungen sind in DIN EN 1982 als Kupfer-Zinn-Blei-Legierungen genormt.

Metallurgisch sind sie als Kupfer-Zinn-Gusslegierungen aufzufassen, bei denen ein Teil des Zinns durch Zink ersetzt wurde. Da Kupfer eine hohe Löslichkeit für Zink besitzt, nimmt auch der α-Cu-Sn-Mischkristall relativ viel Zink in Lösung (Bild 1). Somit beeinflussen Zinkgehalte in Kupfer-Zinn-Legierungen das Konstitutionsverhalten nicht wesentlich. Aus Gefügevergleichen mit Legierungen, die mehr als 80 % Cu enthalten, geht hervor, dass jeweils 1 % Zinn durch ungefähr 2 % Zink ersetzt werden kann. Durch Einführung dieses Äquivalents besteht allerdings nur Übereinstimmung hinsichtlich der Gefügeausbildung (Bild 2), nicht aber in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften.

Ähnlich wie bei Kupfer-Zinn-Gusslegierungen kann hier zwischen Konstruktions- und Lagerwerkstoffen unterschieden werden. Mit steigendem Zinngehalt nimmt der Mengenanteil des im Gefüge ausgeschiedenen (α +  δ)-Eutektoids zu, das für Lagerwerkstoffe günstig, für Konstruktionswerkstoffe jedoch abträglich ist. Dabei spielt auch die vom Gießverfahren abhängige Abkühlungsgeschwindigkeit eine wichtige Rolle. An Stelle des Zinngehaltes ist hier nur der schon erwähnte äquivalente Zinkgehalt maßgebend, wobei 2 % Zink die gleiche Wirkung haben wie 1 % Zinn.

CuSn7Zn4Pb7-C mit 6–8 % Sn, 2–5 % Zn und 5–8 % Pb hat einen äquivalenten Zinngehalt von 9 % und ist ebenfalls ein ausgesprochener Lagerwerkstoff. Bleigehalte hemmen in Rotgusslegierungen sehr wesentlich die Ausscheidungen des (α + δ)-Eutektoids. Bei Lagerwerkstoffen hat aber das Blei hauptsächlich die Aufgabe, gute Notlaufeigenschaften zu sichern. Ein Gefügebeispiel ist aus Bild 3 ersichtlich.

Die Legierung CuSn5Pb9-C ist in dieser Gruppe der eigentliche Konstruktionswerkstoff und dient vorwiegend zur Herstellung druckdichter Armaturen, Pumpengehäuse und sonstiger, mitunter auch kompliziert gestalteter Gussstücke im Maschinenbau. Blei als Legierungsbestandteil hat hier die Aufgabe, einer δ-Ausscheidung entgegenzuwirken und gleichzeitig eine Art Abdichtungsfunktion zu übernehmen. Durch Schwindungslunkerung entstehende Gefügehohlräume werden durch das erst bei 327 °C erstarrende Blei aufgefüllt. Auf diese Weise gelingt es auch, schwierig gestaltete Gussstücke besser dicht zu gießen als bei der Verwendung bleifreier Werkstoffe. Die Druckdichtheit wird durch steigende Bleigehalte verbessert. Der optimale Bleigehalt sollte etwa 6,5 % betragen, sodass sich folgende Zusammensetzung ergibt, die allerdings nicht der DIN EN-Norm 1982 entspricht: 83,5 % Cu, 5 % Sn, 5 % Zn, 6,5 % Pb. Auch Nickelgehalte verbessern die Druckdichtheit und vermindern die Wanddickenempfindlichkeit; empfohlen wird die genormte Legierung CuSn5Pb20-C nach DIN EN 1982 mit einem Nickelgehalt von 0,5 bis 2,5 %.

Bild 1: Zustandsschaubild Cu-Sn-Zn (Isothermer Schnitt bei 500 °C)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Gefüge einer Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierung mit α-Mischkristallen (hell) und (α + δ)-Eutektoid (an den Korngrenzen) (V = 150 : 1)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 3: Verteilung von Blei (dunkel) und (α + δ)-Eutektikum (helle Einschlüsse) an den Korngrenzen einer CuSn7Zn4Pb7-C Legierung (V = 150 : 1© GIESSEREI LEXIKON

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