Blog Ko Buijs: Koper gelegeerd met tin
Koper gelegeerd met tin vormt een legering dat in de praktijk brons wordt genoemd. Brons is een metaal dat al millennia lang toegepast wordt als materiaal voor beelden, ornamenten, wapens, klokken en diverse andere gebruiksvoorwerpen. Dat dit materiaal reeds lang wordt gebruikt, blijkt uit archeologische vondsten uit het bronzen tijdperk dat circa 5000 jaar geleden is. Vooral oude volkeren, zoals de Phoeniciërs, waren zeer bedreven in het gieten van brons dat toen al circa 10% tin bevatte.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Tin is in brons het belangrijkste legeringselement, maar er zijn ook bronssoorten waar naast tin, ook de metalen lood en zink aanwezig zijn. Door variaties in de chemische samenstelling, ontstaan er verschillende legeringen die in vijf hoofdgroepen ingedeeld kunnen worden. Feitelijk worden de bronssoorten primair ingedeeld op grond van het tingehalte. Dit betreffen de typen loodbrons, universeel brons, machinebrons, lagerbrons en fosforbrons. Daarnaast zijn er ook kwaliteiten zoals mangaan- en aluminiumbrons maar die worden verder niet in deze beschouwing meegenomen. Wel kan desgewenst verwezen worden naar de blogs "Aluminiumbrons" en "Fouling op Aluminiumbrons". Het koper-tin systeem kent drie soorten kristalroosters t.w. de α, β en γ configuratie. Brons met een α-kristalrooster is goed koud te vervormen en relatief zacht. Brons die uit β-kristallen bestaan, zijn daarentegen goed te deformeren bij hoge temperaturen. Brons met γ-kristallen komt niet zo vaak voor want dat betreft een bronssoort dat hard en bros is vanwege intermetallische verbindingen. Ook kunnen legeringen bestaan uit een α + β structuur en die hebben in de regel een hoger gehalte aan tin.
Brons staat bekend om zijn goede corrosiebestendigheid in allerlei corrosieve waterige oplossingen. Daarnaast beschikt het over een relatief hoge slijtbestendigheid en dat is wenselijk bij abrasieve omstandigheden. Nagenoeg alle bronssoorten zijn goed te solderen en te gieten. Bovendien is het esthetisch gezien, een fraai en aantrekkelijk materiaal om te zien. Koper gelegeerd met meer dan 12% tin is gevoelig voor segregatie (ontmenging) van het tin, waardoor de vervormbaarheid afneemt. Daarom worden dergelijke bronssoorten meestal alleen gebruikt als gietlegering, want gegoten stukken worden immers niet gedeformeerd. Deze legeringen staan ook vaak bekend als RG-kwaliteiten en dat staat voor het Duitse woord ‘Rotguss’. Bekende voorbeelden in de non-ferro gieterijen zijn RG5 en RG10.
Zoals algemeen bekend is, worden klokken gegoten van klokkenbrons. Deze legering bevat maximaal 30% tin en geringe hoeveelheden lood en zink. Hierdoor ontstaat een α-kristalfase met enig eutecticum. Het behoeft verder geen betoog dat de klanken heel mooi zijn. Een oude Japanse legende vertelt over een klok voor een boeddhistische tempel, die gegoten werd in het bijzijn van een hoogwaardigheidsbekleder. Bij deze gelegenheid was ook zijn beeldschone dochter aanwezig. Het gesmolten metaal was klaar om uitgegoten te worden in de gietmal toen zijn dochter per ongeluk struikelde en in het gesmolten metaal viel. Toch is toen uiteindelijk maar besloten het klokkenbrons uit te gieten en het resultaat was een klok die een schitterend geluid voortbracht dat volgens de overlevering nooit meer geëvenaard is. Zal dit gekomen zijn door het fosfor, calcium of zwavel dat in het menselijk lichaam aanwezig is?
Bronzen kerkklok (foto Vereniging Rembrandt)
Machinebrons is een kwaliteit die 8 tot 10% tin bevat en daarnaast ook andere elementen zoals zink. Van deze kwaliteiten machinebrons worden vooral tandwielen gemaakt en andere mechanisch zwaar belaste componenten. Wanneer brons gelegeerd wordt met lood, verkrijgt men lagerbrons. Deze legering heeft zeer goede loopeigenschappen vanwege de smering die het lood aan het metaal geeft. Wel is het belangrijk dat de mechanische druk niet te hoog wordt. Het loodgehalte kan variëren tussen de 5 en 20%. Ook zijn voeringen van dit lagerbrons beschikbaar dat als een schaal wordt aangebracht tussen as en ondersteuning.
Fosforbrons bevat naast koper en tin, ook fosfor (0,01 tot 0,35%). Tijdens het smelten functioneert het fosfor als desoxidant en het verbetert de vloeibaarheid vanwege een lagere oppervlaktespanning van het gesmolten metaal. Het fosfor zorgt ook voor een hogere taaiheid en betere mechanische eigenschappen. Dat wordt vooral bereikt door de fijne kristalstructuur. De taaiheid wordt zelfs dermate hoog dat er van deze legering ook veren gemaakt kunnen worden. Ook bepaalde munten worden van brons gemaakt met een tingehalte van 4-13%. In de praktijk wordt meestal een tingehalte aangehouden dat niet hoger is dan 6% om mogelijke verbrossing van de munten te voorkomen. Tenslotte is het zogenaamde ‘gunmetal’ beschikbaar met de chemische samenstelling CuZn5Pb5Sn5 dat qua tin- en zinkgehalte zowel bij de bronzen als bij de messingsoorten gerekend kan worden.
