Bronze

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Mit dem Sammelbegriff Bronzen werden Legierungen mit mindestens 60 % Kupfer bezeichnet, soweit sie nicht durch den Hauptlegierungszusatz Zink den Messingen zuzuordnen sind.
Metallurgisch wird der Begriff heute nur zusammen mit dem vorangestellten Hauptlegierungszusatz verwendet; man spricht dann korrekt etwa von einer Antimon- und Arsenbronze, Aluminiumbronze, Bleibronze oder Manganbronze.
In historischen Kontexten, etwa zu Bronzezeit und Bronzebildwerken, wird "Bronze" (in Österreich teilweise ohne endendes -e gesprochen) alleinstehend und meist für eine Zinnbronze verwendet.
Auch bei der Phosphorbronze handelt es sich um eine Zinnbronze, der Phosphoranteil im Metall ist gering.
== Etymologie
Die heutige Bezeichnung für die Legierung wurde im 17. Jahrhundert zuerst aus dem italienischen bronzo, später auch über das französische bronze erneut entlehnt.
Die Vorgeschichte ist etymologisch unklar.
Das Wort wurde aber zuerst im 14. Jahrhundert aus dem Orient ins Italienische übernommen.
Nicht auszuschließen ist ein Zusammenhang mit dem persischen Wort birindsch (piring bzw. biring) für Kupfer, woraus mittellateinisch bronzium und italienisch bronzo ableitbar wären.
== Mineralische Grundlagen
Zu den in Mitteleuropa frühzeitlich entdeckten Kupfererzvorkommen gehören die Fahlerze: Tetraedrit (Antimonfahlerz), Tennantit (Arsenfahlerz), Freibergit, Germanit, Colusit, Schwazit (Quecksilberfahlerz), Hermesit, Annivit; oder Wolfsbergit (Kupferantimonglanz) - bei denen das enthaltene Kupfer von Antimon, Arsen, Schwefel, Blei und Eisen begleitet wird, Elemente, deren saubere Abtrennung grundlegende metallurgische Fähigkeiten voraussetzt.
Zinnerze wurden insbesondere als Kassiterit (Zinnstein) und als Stannit (Zinnkies) gefunden.
== Zusammensetzung/Eigenschaften
=== Zinnbronzen
Im Bronzebereich des Systems Kupfer-Zinn bilden sich aus der Schmelze bei unterschiedlicher Zusammensetzung drei verschiedene Mischkristalle:
Der a-Mischkristall entspricht dem des Reinkupfers, das ein kubisch flächenzentriertes Gitter ausbildet.
Der Schmelzpunkt des Reinkupfers ist 1083 °C.
Bei etwa 24 % Zinn liegt der -Mischkristall vor, der ein kubisch raumzentriertes Gitter besitzt, bei circa 30 % Zinn und darüber der ebenfalls kubisch raumzentrierte -Mischkristall.
Zwischen den Mischkristallen a und  und zwischen  und  bildet sich je ein peritektisches Teilsystem.
Das technisch relevante Peritektikum a/ liegt bei 22 % Zinn und 798 °C.
Bei 586 °C findet ein eutektoider Zerfall der -Mischkristalle in a- und -Mischkristalle statt.
Aus den -Mischkristallen können sich je nach Legierungszusammensetzung bei Abkühlung zwei intermetallische Verbindungen bilden:
Die -Phase entspricht Cu31Sn8 und damit circa 32,5 % Zinn.
Sie bildet eine enorm große kubisch flächenzentrierte Elementarzelle mit 416 Atomen und weist eine sehr große Härte auf.
Die orthorhombische -Phase entspricht Cu3Sn und liegt damit bei circa 38,4 % Zinn vor.
Im technisch relevanten Bereich entsteht die -Phase bei 520 °C beim Zerfall der -Mischkristalle in ein eutektoides Gefüge aus a- und -Mischkristallen mit 27 % Zinn.
Ein weiterer eutektoider Zerfall der -Mischkristalle in a- und -Mischkristalle bei circa 350 °C findet unter realen technischen Verhältnissen nicht mehr statt, da die Diffusion zu stark behindert ist.
Zur Herstellung des Gleichgewichts wären hier Kaltumformung und ein mehrmonatiges Glühen erforderlich.
Die tatsächlich entstehenden Gefüge sind vor allem bestimmt durch die große Diffusionsträgheit des Zinns, die bereits bei der Kristallisation aus der Schmelze die Einstellung des Gleichgewichts verhindert.
Damit liegt in Zinnbronze nur bei Zinngehalten unter 5-6 % ein Gefüge ausschließlich aus a-Mischkristallen vor, bei höheren Gehalten besteht es aus weichen a-Mischkristallen und dem harten a/-Eutektoid.
Durch den Zinnzusatz nimmt die Festigkeit der Legierung zu und erreicht zwischen 10 und 15 % Zinn ein Maximum.
Die Dehngrenze nimmt annähernd linear zu, wobei sie sich gegenüber dem Reinkupfer vervielfacht, und erreicht bei etwa 20 Prozent ein Maximum.
Die Bruchdehnung beginnt, ausgehend von den hohen Werten des Kupfers, jenseits von 5 % Zinn rapide abzunehmen und nähert sich annähernd exponentiell der Nulllinie, die zwischen 20 und 25 % praktisch erreicht ist.
Die Härte nimmt stetig zu, was sich bei höherem Zinngehalt nochmals verstärkt.
Die Dichte nimmt pro 6 % Zinnzusatz um 0,1 g/cm^3 ab.
Sie liegt bei 8 % Zinn bei 8,79 g/ cm^3.
=== Legierungen und Legierungszusätze
Zinnbronzen sind als Kupfer-Zinn-Legierungen genormt und werden aufgrund der grundsätzlich unterschiedlichen Anforderungen und Eigenschaften in Knetlegierungen (max. 9 % Zinn), die für die umformende Verarbeitung geeignet sind, und Gusslegierungen (9 % bis 13 % Zinn) gegliedert.
Darüber hinaus kommen noch sogenannte Glockenbronzen mit etwa 20 %, max. jedoch 22 % Zinn zur Anwendung.
Eigener Normierung unterliegen die Schweißzusätze und Hartlote auf Kupfer-Zinn-Basis.
=== Weitere Bronzen
Enthalten Legierungen nur wenig oder kein Zinn, werden sie häufig "Sonderbronzen" genannt.
Ihre Bezeichnungen werden vom Legierungszusatz abgeleitet:
Aluminiumbronze, Manganbronze, Nickelbronze etc. (siehe Übersichtstabelle unten).
Berylliumbronze ist ein spezieller Kupferwerkstoff für funkenfreie Werkzeuge, der lediglich 2-3 % Beryllium und eine geringe Menge Cobalt enthält.
Bleibronze (auch Kupfer-Zinn-Blei-Bronze) ist eine Lagerlegierung mit 5-22 % Blei.
Rotguss zählt nicht zu den Zinnbronzen, ist damit auch nicht "Bronze" im engeren Sinne, obwohl gelegentlich als "Maschinenbronze", "Kanonenbronze" und ähnlich bezeichnet.
Es ist eine Legierung auf Kupferbasis, deren Eigenschaften weniger vom Zusatz an Zinn als von Zink, Blei und Nickel bestimmt werden.
=== Statuenbronze
Der Meyers von 1905 benannte für die Legierung einer der Witterung widerstehenden Bronze 89 % Kupfer, 8,2 % Zinn und 1,5 % Blei.
Als Zusammensetzung moderner Statuenbronze wurden 1905 genannt:
Schöne grüne Patina besaßen laut Meyers 1905:
== Geschichte
Zinnbronze ist ab der Mitte des 4. Jahrtausends v. Chr. sowohl zwischen mittlerer Donau und Kaspischem Meer belegt, z. B. ab dem 3. Jahrtausend v. Chr. auf dem Balkan, als auch für die Kura-Araxes-Kultur (Transkaukasien).
Der bereits im griechischen bekannte Begriff wird auch mit Brundisium in Verbindung gebracht, dem lateinischen Namen des heutigen süditalienischen Brindisi, das in der Antike, zu Neugriechenland gehörend, eine Art Zentrum der Bronzeverarbeitung und des Bronzehandels war.
Die gewerbsmäßige Herstellung von Bronze dürfte zwischen 2500 und 2000 v. Chr. in Vorderasien begonnen haben; in Mohenjo-Daro wurde die kleine Figur eines Mädchens (Tänzerin) gefunden.
In China ist ebenfalls die Verwendung im 3. Jahrtausend v. Chr., spätestens während der Xia-Zeit dokumentiert.
Bronze gilt als eine der ersten von Menschen hergestellten und genutzten Legierungen.
Sie ist härter als reines Kupfer.
Reines Kupfer schmilzt bei 1084,62 °C; Bronze mit 20 Masseprozent Zinn schon bei 900 °C (Diagramm hier).
Die Zusammensetzung der frühesten Bronzen war oft noch von den eingesetzten Erzen abhängig; es entstanden Legierungen mit Arsen, dessen negativer Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften heute bekannt ist.
Auch bleihaltige Bronzen und - durch das verarbeitete Erz bedingt - solche mit Antimon entstanden und wurden verarbeitet.
Die Bronzezeit, als Nachfolgerin der Kupferzeit, die ihrerseits die Jungsteinzeit ablöste, brachte Bronzewaffen, Gerätschaften und Schmuck (Bronzefibeln) in der Aunjetitzer Kultur und der alpinen Bronzezeit.
Abgelöst wurde sie allmählich von der frühen Eisenzeit (Urnenfelderkultur, Lausitzer Kultur), und schließlich wird mit der Hallstatt-Kultur die Antike eingeleitet.
Bronze und Eisen wurden je nach Aufgabenstellung noch nebeneinander verwendet.
Durch Versuch und Irrtum gelangte man zu kohlenstoffarmem Schmiedeeisen.
Damit verlor die Bronze zunehmend an Bedeutung für die Herstellung von Handwaffen.
Mit den Griechen und Römern erlebte die Waffentechnik eine bis dato nie gesehene Güte und entwickelte sich im Bauwesen.
Auch Denkmäler aus Bronze belegen die großen Erfahrungen in der Antike.
Das frühe Mittelalter verlieh neuen Auftrieb; Glockengießer und Stückgießer unterstützten die kirchliche und weltliche Herrschaft für einige Jahrhunderte, bis die Eisenverhüttung und der Eisenguss die Bronze ablösten.
== Nutzung
=== Bronzen und Bronzelegierungen als Teil moderner Techniken
Kupfer-Zinn-Legierungen für unterschiedliche Techniken werden auch mit ebenso unterschiedlichen Legierungselementen den gestellten Forderungen angepasst.
Der Zusatz von Nickel erhöht bei Gusslegierungen die Zähigkeit, bei Knetlegierungen die Festigkeit, Blei ist unverzichtbarer Bestandteil aller Lagerlegierungen, im Gefüge als metallisches Blei ausgeschieden, stützt es die für Lager wichtige Notlaufeigenschaft.
Ein weites Einsatzgebiet für Kupfer-Zinn-Legierungen ist der Maschinen- und Werkzeugbau, aber auch für Feder- und Kontaktelemente in der Elektrotechnik und Elektronik, z. B. in Schaltkreisfassungen mit vergoldeter Federbronze.
Chemische und Nahrungsmittelindustrie nutzen die Korrosions- und Verschleißfestigkeit.
Zur Herstellung von Propellern für Seeschiffe sind klassische Zinnbronzen nicht geeignet, man setzt an ihrer Stelle Aluminium-Mehrstoffbronzen ein, die sich im Kontakt mit Seewasser kavitations- und korrosionsbeständig zeigen.
Ebenso, wie aus anderen Metallen und Legierungen Fein- und Feinstgranulate hergestellt werden - verbreitet als "Metallpulver" bezeichnet (Kupferpulver, Aluminiumpulver) - so auch aus Bronze.
Pyrophore Eigenschaften machen alle Metallpulver zum Bestandteil von Feuerwerkskörpern, wichtiger ist aber, dass sie die Technik des Pulverflammspritzens zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände ermöglichen.
Durch zusätzliches heißisostatisches Verpressen (Sintern) werden hierbei Eigenschaften eines Metallmodells erzielt und damit bei der Fertigung von Prototypen und Kleinserien Zeit und Kosten eingespart.
=== Bronzeimitat
Durch Vermischen von Bronzepulver mit flüssigem Kunstharz wie bei der Kaltgussbronze werden billige Bronzeimitate hergestellt.
== Weblinks
Deutsches Kupferinstitut (DKI):

Klexikon (einfache Sprache):
Bronze ist eine bestimmte Mischung von Kupfer mit einem anderen Metall.
Eine solche Mischung zweier Metalle heißt Legierung.
Gemeint ist meistens eine Mischung von Kupfer und Zinn.
Man nimmt dazu üblicherweise ein Zehntel Zinn.
Bronze ist härter als Kupfer und verbiegt sich nicht so schnell.
Außerdem muss man sie nicht so stark erhitzen, wenn man sie gießen will.
Bronze ist jedoch viel weicher als Eisen.
Werkzeuge aus Bronze stumpfen deshalb schneller ab.
Es gab einen Abschnitt in der Urgeschichte, da war Bronze das beste Metall, das die Menschen bearbeiten konnten.
Aus diesem Grund stellten sie viele Gegenstände aus Bronze her.
Man nennt diesen Abschnitt deshalb die Bronzezeit.
Sie dauerte in Europa etwa von 2200 - 800 vor Christus.
Bronze verwendet man heute oft, wenn ein Gegenstand aus Metall nicht rosten soll.
Sie nutzt sich auch nicht so schnell ab.
Fast alle Glocken für Kirchen werden aus Bronze gegossen.
Ebenso ist es mit Standbildern.
Dagegen verwendet man Eisen und Stahl für Werkzeuge, die sonst zu zerbrechlich wären.
Es gibt verschiedene Arten von Bronze.
Ohne nähere Bezeichnung ist eine Legierung aus neun Teilen Kupfer mit einem Teil Zinn gemeint.
Es gibt aber auch noch die Aluminiumbronze, das ist Kupfer mit Aluminium.
Oder Bleibronze, Phosphorbronze und einige andere mehr.
== Wie entsteht ein Gegenstand aus Bronze?
Es gibt drei verschiedene Techniken:
Man kann einen Gegenstand zurechthämmern, so ähnlich wie der Schmied es macht.
Diese Technik nennt man "treiben".
Sie ist geeignet beispielsweise für Gürtelschnallen.
Oder man wendet eine der beiden Gusstechniken an, für Messer, Glocken und ähnliche Gegenstände.
Am einfachsten ist das Treiben eines Bronzeblechs.
Man kann so beispielsweise eine Gürtelschnalle oder eine flache Schale formen.
Man braucht dazu eine hohle Form aus Holz.
Dort hinein legt man das Bronzeblech und hämmert so lange vorsichtig mit einem runden Hammer drauf, bis sich das Bronzeblech der Holzform angeschmiegt hat.
Dazu muss man das Bronzeblech nicht einmal erhitzen.
Noch besser geht das mit Goldblech oder mit Silberblech.
Man hat zahlreiche Grabbeigaben gefunden, die so hergestellt wurden.
Dickere Gegenstände werden gegossen.
Dabei gibt es zwei verschiedene Techniken.
Die einfachere geht so:
Aus einem Block Bienenwachs schnitzt man den fertigen Gegenstand, beispielsweise ein Messer oder einen Kerzenständer.
Das packt man dann vorsichtig in Lehm ein.
Wenn nun die flüssige Bronze in die Form gegossen wird, schmilzt das Wachs.
Die Bronze ist schwerer und füllt die Form von unten her.
Das Wachs fließt oben heraus.
Nach dem Abkühlen muss die Lehmform zerstört werden, und das Messer oder der Kerzenständer kommt zum Vorschein.
In der Schule macht man das manchmal mit Zinn, das muss man weniger heiß machen.
Für Glocken braucht es aufwendigere Gussformen.
Sie wurden schon in der Bronzezeit aus weicherem Stein gemeißelt, beispielsweise aus Sandstein oder aus Speckstein.
Man kann dann seinen Gegenstand in eine offene Form gießen oder zwei Steine zu einer Form zusammenbinden.
Diese Formen gehen nicht verloren.
Man kann darin fast beliebig oft denselben Gegenstand abgießen.
Diese Technik verwendet man heute noch, nur sind die Gussformen aus Stahl oder hochwertigem Kunststoff, der selber nicht schmilzt.