Was ist Aluminiumbronze? Eigenschaften, Zusammensetzung und Anwendungsbereiche

Unter Aluminiumbronze versteht man eine Familie von Kupferlegierungen, deren Hauptlegierungselement Aluminium ist, das in der Regel in einem Anteil von 5 bis 12 Gewichtsprozent enthalten ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bronzen, die Zinn enthalten, verbindet Aluminiumbronze Kupfer mit Aluminium und oft mit geringen Mengen an Eisen, Nickel und Mangan, wodurch ein Werkstoff mit außergewöhnlicher mechanischer Festigkeit, bemerkenswerter Korrosionsbeständigkeit und guter Verschleißfestigkeit entsteht.

Diese Kombination macht Aluminiumbronze zu einem Material der Wahl für Bauteile, die in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden. Pumpen und Propeller in der Schifffahrt, Anlagen der Öl- und Gasindustrie, Fahrwerke in der Luft- und Raumfahrt, Bauteile in Stahlwerken sowie schwere Industriemaschinen – sie alle profitieren von dieser einzigartigen Ausgewogenheit der Eigenschaften.

AMPCO METAL ist seit 1914 ein Pionier in der Entwicklung von Aluminiumbronze-Legierungen und bringt mehr als ein Jahrhundert metallurgisches Fachwissen in die AMPCO®-Produktpalette ein. Dieser Leitfaden erklärt, was Aluminiumbronze ist, wie sie zusammengesetzt ist und in welchen Bereichen sie die beste Leistung bietet.

Was ist Aluminiumbronze ?

Aluminiumbronze  ist eine Kupferlegierung, bei der Aluminium (5 bis 12 %) Zinn als Hauptlegierungselement ersetzt. Der Aluminiumgehalt verleiht der Legierung eine charakteristische goldene Farbe und bietet ihr im Vergleich zu Standardbronzen erhebliche mechanische und chemische Vorteile. Dieser Werkstoff ist bekannt für :

• Hohe Zugfestigkeit und Streckgrenze
  
• Hervorragende Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in Meerwasser und sauren Medien
  
• Überlegene Verschleiß- und Festfressbeständigkeit
  
• Gute Eigenschaften bei hohen Temperaturen
  
• Funkenfreies und nichtmagnetisches Verhalten

Diese Eigenschaften machen Aluminiumbronze zu einer der vielseitigsten technischen Legierungen, deren Anwendungsbereiche von Präzisionsbauteilen für die Luft- und Raumfahrt über Komponenten für Stahlwerke bis hin zu großen Schiffsschrauben reichen.

Chemische Zusammensetzung

Die allgemeine Zusammensetzung von Aluminiumbronze umfasst :

Die genaue Zusammensetzung variiert je nach Legierungssorte und vorgesehenem Einsatzzweck. Ein höherer Aluminiumgehalt erhöht die Härte und die Zugfestigkeit, verringert jedoch die Duktilität. Eisen wirkt als Kornverfeinerer und erhöht die Festigkeit. Nickel verbessert die Korrosionsbeständigkeit erheblich, insbesondere gegen Lochfraß und Spannungskorrosion in marinen Umgebungen. Mangan verbessert die Gießbarkeit und erhöht die Zähigkeit.

Auch die Art des Schmelz-, Guss- und Verarbeitungsprozesses der Legierung spielt eine wichtige Rolle. Bei AMPCO METAL nutzt das patentierte MICROCAST®-Verfahren eine magnetohydrodynamische Durchmischung während des Gießvorgangs, um eine außergewöhnlich homogene, feinkörnige Mikrostruktur zu erzielen, was sich direkt in gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften und einer längeren Lebensdauer niederschlägt.

Mechanische und physikalische Eigenschaften

Aluminiumbronze bietet ein Eigenschaftenprofil, das nur wenige andere Kupferlegierungen erreichen können:

Die konkreten Werte hängen von der Legierungssorte und der Verarbeitungsart (Guss, Schmiede oder wärmebehandelt) ab. Aluminiumbronze behält ihre mechanischen Eigenschaften zudem bei Temperaturen von bis zu etwa 350 °C bei, was ihren Einsatzbereich weit über den vieler anderer Kupferlegierungen hinaus erweitert.

Warum es Aluminiumbronze in verschiedenen Sorten gibt

Es gibt nicht die eine Aluminiumbronze. Diese Kategorie umfasst zahlreiche Zusammensetzungen, von denen jede darauf optimiert ist, ein spezifisches Gleichgewicht zwischen mechanischer Festigkeit, Duktilität, Verschleißfestigkeit, Korrosionsverhalten und Zerspanbarkeit zu bieten.

Die AMPCO®-Produktpalette basiert auf diesem Prinzip :

• Allgemeinverwendbare Legierungen legen den Schwerpunkt auf Duktilität und Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen in der Schifffahrt, der Industrie und im Maschinenbau im Allgemeinen, insbesondere AMPCO® 8 und AMPCO® 18
  
• Die wärmebehandelten hochfesten Legierungen sind für Anwendungen vorgesehen, die hohen Belastungen und Stößen ausgesetzt sind, wie beispielsweise AMPCO® 18.23 und AMPCO® 18.136
  
• Harte Legierungen optimieren die Härte und Verschleißfestigkeit für Umformwerkzeuge und die Metallbearbeitung, darunter AMPCO® 21, AMPCO® 22, AMPCO® 25 und AMPCO® 26
  
• Hochwertige Hochleistungslegierungen erfüllen die anspruchsvollsten Spezifikationen der Luft- und Raumfahrt sowie sicherheitskritischer Anwendungen, darunter AMPCO® 45 und AMPCO® M4

Mehrere AMPCO®-Legierungen entsprechen den Normen der Luft- und Raumfahrt sowie den Industriestandards, wobei die geltende Spezifikation von der Produktform abhängt. AMPCO® 45 entspricht der Norm AMS 4640 und der Norm ASTM B 150 für Strangpressprofile sowie der Norm AMS 4880 für Gussteile. AMPCO® M4 entspricht der Norm AMS 4590 für Strangpressprofile und der Norm AMS 4881 für Gussteile.

Eine Unterkategorie (AMPCO® 8, AMPCO® 18, AMPCO® 22 und AMPCO® M4) ist zudem für Anwendungen im Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen.

Anwendungen von Aluminiumbronze

Die Kombination aus mechanischer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit macht Aluminiumbronze für einige der anspruchsvollsten industriellen Umgebungen geeignet.

Schifffahrt und Offshore

Seewasserpumpen, Ventile, Propeller, Wellenhülsen und Befestigungselemente. Aluminiumbronze ist beständig gegen biologische Verschmutzung und hält einer ständigen Einwirkung von Meerwasser stand, ohne dass es zu nennenswerten Beeinträchtigungen kommt. AMPCO® 8 und AMPCO® 18 sind gängige Werkstoffe für Komponenten in der Schifffahrt und in der Wasseraufbereitung.

Öl und Gas

Bohranlagen, Bohrlochwerkzeuge und Bauteile, die sauren Medien oder Hochdruckumgebungen ausgesetzt sind. Bei Anwendungen mit saurem Gas wird aufgrund ihrer Beständigkeit gegen Schwefelwasserstoff häufig Aluminiumbronze vorgeschrieben.

Luft- und Raumfahrt

Fahrwerksbuchsen, Ventilführungen und Lagerkomponenten. Das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht der Legierung und ihre Zuverlässigkeit unter zyklischen Belastungen machen sie besonders geeignet für kritische Bauteile in der Luft- und Raumfahrt. AMPCO® M4 und AMPCO® 45 werden häufig für Lager und Buchsen in der Luft- und Raumfahrt spezifiziert, wobei die geltende Norm von der Produktform abhängt. AMPCO® 45 entspricht den Normen AMS 4640 und ASTM B 150 für Strangpressprofile sowie der Norm AMS 4880 für Gussteile. AMPCO® M4 entspricht der Norm AMS 4590 für Strangpressprofile und der Norm AMS 4881 für Gussteile.

Komponenten für Stahlwerke

Gleitplatten, Schraubenmuttern und Verschleißteile, die starken Stößen ausgesetzt sind. Wärmebehandelte Sorten wie AMPCO® 18.136, sind speziell für diese Umgebungen mit hohen Belastungen und starken Stößen ausgelegt.

Rohrbiegen und Metallumformung

Rohrbiegespindeln, Umformwalzen und Ziehmatrizen. Bei der Umformung von Edelstahl verhindert Aluminiumbronze die Ansammlung von Nickel und das Festfressen, von denen Werkzeugstähle betroffen sind. Die Sorten AMPCO® 21, AMPCO® 22, AMPCO® 25 und AMPCO® 26 sind für diese Anwendungen ausgelegt.

Industriemaschinen

Lager, Zahnräder, Schneckenräder, Gleitplatten und Ventilsitze. Aluminiumbronze hält hohen Belastungen bei minimalem Festfressen stand, selbst unter trockenen oder schwach geschmierten Bedingungen.

Verteidigung und Sicherheit

Funkenfreie Werkzeuge, Herstellung von Munition, Verteidigungsausrüstung und Ausrüstung für explosionsgefährdete Bereiche. Die nichtmagnetischen und funkenfreien Eigenschaften der Aluminiumbronze sind für diese sicherheitskritischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. AMPCO® 45 und AMPCOLOY® 83 sind gängige Werkstoffe für funkenfreie Sicherheitswerkzeuge.

Kunststoffspritzguss

Formeinsätze und -kerne, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Formstabilität und Verschleißfestigkeit für lange Produktionsserien erfordern.

Vorteile von Aluminiumbronze

• Hohe Festigkeit, vergleichbar mit der von Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt
  
• Außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser, Sole und vielen Säuren
  
• Hervorragende Verschleiß- und Fressfestigkeit
  
• Behält seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen (bis ca. 350 °C) bei
  
• Nicht magnetisch und funkenfrei
  
• Gute Ermüdungsfestigkeit
  
• Vollständig recycelbar
  
• Stangen und Stäbe (rund, rechteckig, sechseckig)
  
• Platten und Rohre
  
• Knüppel und Ringe
  
• Schmiede- und Strangpressteile
  
• Strang- und Schleudergussteile
  
• Sandgussteile

Formen und Verfügbarkeit

Aluminiumbronze wird in einer Vielzahl von Formen hergestellt, um verschiedenen Fertigungsverfahren gerecht zu werden:
Die Wahl der Form hängt von der Größe des Bauteils, den erforderlichen Eigenschaften und den nachfolgenden Arbeitsschritten wie Zerspanung, Schweißen oder Wärmebehandlung ab.

Häufig gestellte Fragen

• Ist Aluminiumbronze widerstandsfähiger als Stahl?
  Bestimmte Aluminiumbronze-Legierungen erreichen Zugfestigkeiten, die denen von Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (550–900 MPa) entsprechen, bieten dabei jedoch eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit sowie ein nichtmagnetisches und funkenfreies Verhalten. Die Wahl zwischen den beiden Materialien hängt von der Umgebung und den spezifischen Anforderungen ab.
  

• Rostet Aluminiumbronze?
  Aluminiumbronze rostet nicht wie Eisenmetalle. Der Aluminiumgehalt bildet eine dünne, fest an der Oberfläche haftende Oxidschicht, die das darunterliegende Metall vor weiterer Korrosion schützt, selbst in Meerwasser.
  

• Ist Aluminiumbronze dasselbe wie Bronze?
  Nein. Herkömmliche Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Bei der Aluminiumbronze wird anstelle von Zinn Aluminium (5 bis 12 %) als Hauptlegierungselement verwendet, was ihr andere Eigenschaften verleiht, in der Regel eine höhere mechanische Festigkeit und eine bessere Korrosionsbeständigkeit.
  

• Ist Aluminiumbronze magnetisch?
  Nein. Aluminiumbronze ist nicht magnetisch, was sie für Anwendungen nützlich macht, bei denen magnetische Störungen vermieden werden müssen.
  

• Lässt sich Aluminiumbronze schweißen?
  Ja, allerdings sind dafür geeignete Verfahren erforderlich. Häufig kommen das WIG- und das MIG-Schweißen zum Einsatz. Durch Vorwärmen, sorgfältige Kontrolle der Wärmezufuhr und die Verwendung geeigneter Schweißzusätze lassen sich Heißrisse vermeiden und die mechanischen Eigenschaften erhalten.
  

• Ist Aluminiumbronze für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet?
  Bestimmte Legierungen sind dafür geeignet. Die Legierungen AMPCO® 8, AMPCO® 18, AMPCO® 22 und AMPCO® M4 sind für Anwendungen im Lebensmittelkontakt zugelassen.

Nächster Schritt: Auswahl der richtigen Legierung

Die oben beschriebenen Eigenschaften sind repräsentativ für die gesamte Familie der Aluminiumbronzen, doch die für eine bestimmte Anwendung geeignete Sorte hängt von der spezifischen Kombination aus Belastungen, Temperaturen, korrosiven Medien und der Bearbeitungsumgebung ab, in der Sie arbeiten.

Der nächste Artikel dieser Reihe – „AMPCO®-Aluminiumbronze-Legierungen: So wählen Sie die richtige aus“ – gibt einen Überblick über die AMPCO®-Produktpalette und bietet einen Entscheidungsrahmen für die Auswahl der für Ihre Anwendung geeigneten Legierungssorte.

Für eine individuelle Beratung steht Ihnen das Ingenieurteam von AMPCO METAL gerne zur Seite, um die für Ihr Projekt geeignete Legierung und Form auszuwählen.