Als Nichteisenmetalllegierung mit einer langen und traditionsreichen Geschichte nimmt Bronze einen unverzichtbaren Stellenwert in der modernen CNC-Präzisionsbearbeitung ein. Aufgrund ihrer hervorragenden Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer elektrischen Leitfähigkeit findet sie breite Anwendung in verschiedensten Bereichen der High-End-Fertigung. Je nach den verwendeten Legierungselementen lässt sich Bronze in die folgenden fünf Hauptgruppen unterteilen:
Merkmale: Die chemische Zusammensetzung umfasst 83–92 % Cu, 7–12 % Sn und 4–8 % Pb; das Material weist eine Brinellhärte (HB) von 65–90 sowie eine Zugfestigkeit von 310–415 MPa auf. Es zeichnet sich durch hervorragende Selbstschmiereigenschaften und eine hohe Beständigkeit gegen Festfressen aus; die CNC-Bearbeitbarkeit liegt bei 70 %, was eine Zerspanung mit mittleren bis hohen Geschwindigkeiten bei minimalem Werkzeugverschleiß ermöglicht. Zu den Nachteilen zählen die geringe Hochtemperaturbeständigkeit sowie die Tatsache, dass der Bleigehalt nicht den Umweltvorschriften entspricht, wodurch sich das Material nicht für Anwendungen im Lebensmittel- oder Trinkwasserbereich eignet.
Anwendungen: Geeignet für verschiedene allgemeine Komponenten von Reibungsgetrieben, wie beispielsweise Lager, Buchsen, Schneckengetriebe, Gleitführungen und Hydraulikventilblöcke.
Merkmale: Mit einem Bleigehalt von 10 % bis 14 % – einem höheren Wert als bei C93200 – weist diese Legierung eine Brinellhärte von etwa HB 75 sowie eine hervorragende Duktilität auf. Ihr besonderer Vorteil liegt in der außergewöhnlichen Einbettungsfähigkeit für Fremdpartikel wie Staub oder Verunreinigungen, die im Betrieb auftreten können; dadurch wird ein Verkratzen der Reibpaarung wirksam verhindert, was im Vergleich zu C93200 zu einer überlegenen Beständigkeit gegen Festfressen führt. Die CNC-Bearbeitbarkeit ist mit der von C93200 vergleichbar (ca. 70 %); die entstehenden Späne sind fein und lassen sich leicht abführen, wodurch sich das Material hervorragend für Hochgeschwindigkeits-Zerspanungsverfahren eignet, ohne dass spezielle Kühlmaßnahmen erforderlich sind.
Anwendungen: Wird vor allem für Hochgeschwindigkeits- und Schwerlastlager, Zapfen von Dampfturbinen, Reibungskomponenten in Bergbaumaschinen sowie Getriebekomponenten eingesetzt, die in stark staubbelasteten Umgebungen betrieben werden.
Merkmale: Mit einem Bleigehalt von ≤0,2 % gilt dieses Material als bleifreie, umweltfreundliche Legierung. Es weist eine Brinellhärte von HB 80–100 sowie eine Zugfestigkeit von 400–500 MPa auf; zudem zeichnet es sich durch eine hervorragende Beständigkeit gegen Korrosion durch Meerwasser und schwache Säuren aus, und seine Festigkeit stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber bleihaltigen Zinnbronzen dar. Allerdings ist die Zerspanbarkeit im CNC-Verfahren auf 50 % reduziert; bei der Bearbeitung neigen die Späne dazu, lang zu bleiben und am Werkzeug zu haften. Folglich erfordert die Bearbeitung scharfe Hartmetallwerkzeuge und ein Hochdruck-Kühlsystem, um den Spanbruch zu optimieren; Trockenbearbeitung ist streng untersagt.
Anwendungen: Geeignet für verschleißfeste Bauteile in Lebensmittelmaschinen, Meerwasserleitungen in der Schifffahrt, hochbelastbare Schneckengetriebe sowie verschiedene umweltfreundliche Präzisionsbauteile.
Merkmale: Die chemische Zusammensetzung umfasst 81–86 % Cu, 9–11 % Al, 2–4 % Fe und 1–3 % Ni. Das Material weist eine Brinellhärte (HB) von 150–200 sowie eine Zugfestigkeit von 550–690 MPa auf; seine mechanischen Gesamteigenschaften übertreffen jene von Zinnbronze deutlich. Es zeichnet sich durch eine hervorragende Beständigkeit gegen Korrosion durch Meerwasser, schwache Säuren und Salzsprühnebel sowie durch eine überlegene Verschleiß- und Schlagfestigkeit aus, wodurch es hohen Lasten und Wechselbeanspruchungen standhält; allerdings neigt es bei der Bearbeitung zur Kaltverfestigung. Die Zerspanbarkeit bei der CNC-Bearbeitung wird mit lediglich 20–30 % bewertet, gekennzeichnet durch hohe Schnittkräfte und schnellen Werkzeugverschleiß. Trockenbearbeitung ist streng untersagt; die Bearbeitung erfordert niedrige Spindeldrehzahlen, geringe Schnitttiefen und das Gleichlauffräsverfahren unter Einsatz von Hochdruck-Innenkühlung.
Anwendungen: Weit verbreitet in Schiffsschrauben, Gehäusen von Seewasserpumpen, Ventilen, Hochleistungsgetrieben, Nocken sowie verschleißfesten Bauteilen für Bergbaumaschinen.
Merkmale: Mit einem Aluminiumgehalt von 11–13 % und einem Eisengehalt von 3–5 % weist diese Legierung eine höhere Festigkeit sowie eine Brinellhärte von ≥190 auf. Im Vergleich zur Legierung C95400 sind Verschleiß- und Schlagfestigkeit weiter verbessert; allerdings ist die Kaltverfestigung deutlich stärker ausgeprägt. Die Zerspanbarkeit auf CNC-Maschinen ist etwas geringer (≈22 %) und der Zerspanungsprozess anspruchsvoller, weshalb der Einsatz von Hartmetallwerkzeugen mit Hochhärtebeschichtung erforderlich ist. Zudem müssen die Schnittgeschwindigkeiten reduziert, die Werkzeugwechselintervalle verkürzt, die Kühlung und Spanabfuhr optimiert sowie ein wiederholtes Schneiden an derselben Stelle vermieden werden.
Anwendungen: Geeignet für Walzwerksgleitstücke, Axiallager, hochbelastbare Schneckengetriebe und verschiedene hochbeanspruchte Reibungspaar-Komponenten.
Merkmale: Die chemische Zusammensetzung umfasst 80–85 % Cu, 8–10 % Al, 4–6 % Ni und 3–5 % Fe. Das Material weist eine Brinellhärte (HB) von 170–210 sowie eine Zugfestigkeit von ≥620 MPa auf und zeichnet sich durch eine hervorragende Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion aus. Aufgrund seiner exzellenten Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser und chloridhaltigen Medien eignet es sich hervorragend für Tiefseeanwendungen sowie für stark korrosive Umgebungen in der chemischen Verfahrenstechnik; allerdings führt die hohe Härte zu einer starken abrasiven Wirkung. Die Zerspanbarkeit (CNC) liegt bei lediglich 20 %, was kurze Werkzeugstandzeiten zur Folge hat. Daher müssen die Schnittparameter streng kontrolliert werden, wobei niedrige Schnittgeschwindigkeiten, geringe Schnitttiefen und das Gleichlauffräsverfahren zum Einsatz kommen sollten. Zudem ist die Verwendung von Hochdruck-Innenkühlsystemen ratsam; es sollten verschleißfest beschichtete Hartmetallwerkzeuge gewählt und bei nachlassender Schärfe umgehend ausgetauscht werden.
Anwendungen: Wird vor allem für Tiefseepropeller, Meerwasserentsalzungsanlagen, Pumpen und Ventile für Kernkraftwerke sowie korrosionsbeständige Präzisionskomponenten für die chemische Industrie verwendet.
Merkmale: Die chemische Zusammensetzung umfasst 94–96 % Cu, 6–7 % Sn und 0,1–0,25 % P, wobei der Phosphor sowohl als Desoxidationsmittel als auch als festigkeitssteigerndes Element wirkt. Das Material weist eine Brinellhärte (HB) von 90–120 sowie eine Zugfestigkeit von 400–500 MPa auf; zudem zeichnet es sich durch eine hervorragende Elastizitätsgrenze und Dauerfestigkeit, eine stabile elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie ausgezeichnete Kalt- und Warmumformeigenschaften aus. Während die Maßhaltigkeit gut gewährleistet werden kann, neigt der Werkstoff bei der Bearbeitung zur Kaltverfestigung. Die Zerspanbarkeit (CNC) liegt bei 55 %; da das Material zur Bildung langer Späne neigt, die leicht an den Schneidwerkzeugen haften bleiben, ist die Verwendung scharfer Werkzeuge unerlässlich. Bei der Bearbeitung sollte reichlich Hochdruck-Kühlschmiermittel eingesetzt und im Gleichlauffräsverfahren gearbeitet werden, wobei Schnittgeschwindigkeit und Vorschub sorgfältig zu kontrollieren sind, um eine verstärkte Kaltverfestigung zu vermeiden.
Anwendungen: Geeignet für die CNC-Bearbeitung von Federn, Federklammern, elektronischen Steckverbindern, Relaiskontakten, Präzisionsbauteilen für Mess- und Regeltechnik sowie verschiedenen Arten von Anschlüssen.
Merkmale: Durch die Zugabe von 3–4 % Blei zur Basislegierung C51000 werden die mechanischen Eigenschaften – insbesondere die Elastizität – zwar geringfügig reduziert, doch die Gleiteigenschaften verbessern sich erheblich. Die CNC-Bearbeitbarkeit steigt deutlich auf 70 %; beim Zerspanen brechen die Späne leicht und werden problemlos abgeführt, wodurch aufwendige Prozesssteuerungen entfallen. Das Material eignet sich hervorragend für das Präzisionsfräsen und Gewindeschneiden komplexer Strukturen; für die Bearbeitung genügen Standard-Kühlverfahren, und der Werkzeugverschleiß bleibt minimal.
Anwendungen: Wird vor allem für Präzisionsgleitlager, elektrische Gleitkontakte und verschiedene verschleißfeste, elastische Verbundbauteile verwendet.
Merkmale: Die chemische Zusammensetzung umfasst 97–98 % Cu, 1,8–2,0 % Be und 0,2–0,6 % Co. Die mechanischen Eigenschaften variieren stark je nach Bearbeitungsverfahren; im lösungsgeglühten Zustand weist das Material eine geringe Härte und eine hervorragende Zerspanbarkeit auf. Nach der Aushärtung kann die Zugfestigkeit 1030–1380 MPa erreichen, bei einer Rockwell-Härte von HRC 35–42. Zu den wesentlichen Vorteilen zählen die Elastizitätsgrenze, die Dauerfestigkeit und die Verschleißfestigkeit – Eigenschaften, bei denen das Material im Spitzenfeld der Kupferlegierungen liegt –, gepaart mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Nichtmagnetismus. Die Zerspanbarkeit mittels CNC wird jedoch nur mit 15–25 % bewertet; aufgrund der extrem hohen Härte nach der Aushärtung verursacht das Material starken Werkzeugverschleiß und neigt zu Werkzeugausbrüchen. Folglich ist eine spezifische Prozessabfolge erforderlich: „zuerst Lösungsglühen, dann Zerspanung und schließlich Aushärten“. Während der Zerspanungsphase – die erfolgt, nachdem das Material durch Lösungsglühen (Abschrecken in Wasser von 790–820 °C) weichgeglüht wurde – müssen niedrige Schnittgeschwindigkeiten, geringe Schnitttiefen und Hochdruck-Innenkühlung angewendet sowie beschichtete Hartmetallwerkzeuge eingesetzt werden, um Trockenschnitt und wiederholte Schnittdurchgänge zu vermeiden.
Anwendungen: Geeignet für Präzisionsfedern in der Luft- und Raumfahrt, Sensorkomponenten, hochwertige Formeinsätze, medizinische Sonden und explosionsgeschützte Werkzeuge.
Merkmale: Die chemische Zusammensetzung besteht aus 96 % Cu und 2–4 % Si sowie geringen Anteilen an Mn und Zn. Die mechanischen Eigenschaften sind moderat; das Material weist eine mittlere Zugfestigkeit und Härte bei gleichzeitig guter Duktilität auf. Seine Hauptstärken liegen in der hervorragenden Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie in der außergewöhnlichen Oberflächengüte, die sich durch CNC-Bearbeitung erzielen lässt. Die Zerspanbarkeit liegt bei etwa 30 %; bei der Bearbeitung entstehen lange Späne, weshalb optimierte Strategien zur Kühlung und Spanbrechung, scharfe Schneidwerkzeuge sowie eine sorgfältige Abstimmung der Schnittgeschwindigkeiten erforderlich sind, um ein Anhaften am Werkzeug zu verhindern.
Anwendungen: Wird vor allem für Baubeschläge, Befestigungselemente für den Schiffsbau, elektrische Anschlussklemmen und präzise Zierteile verwendet.
| Klasse | Material | Bewertung der Bearbeitbarkeit | Härte | Vorteile | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|
| C93200 | Zinnbronze mit hohem Bleigehalt | 70% | HB 65–90 | Leicht zu bearbeiten, selbstschmierend, kostengünstig | Allzweck-Reibungskomponenten, Getriebe für Umgebungstemperatur |
| C93700 | Zinnbronze mit hohem Bleigehalt | ≈70% | HB ≈75 | Hervorragende Einbettbarkeit, starke Anti-Seizing-Eigenschaften | Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Belastungen, staubreiche Umgebungen |
| C90300 | Bleifreie Zinnbronze | 50% | HB 80–100 | Bleifrei und umweltfreundlich, gute Korrosionsbeständigkeit | Lebensmittelverarbeitung, Kontakt mit Meerwasser und Umweltschutzszenarien |
| C95400 | Aluminiumbronze | 25% | HB 150–200 | Hohe Festigkeit, seewasserbeständig, schlagfest | Seeschiffe, schwere Maschinen und Betriebsbedingungen auf See |
| C95500 | Bronze mit hohem Eisen- und Aluminiumgehalt | ≈22% | HB 190 | Hohe Härte, verschleißfest, schlagfest | Reibungspaare unter hoher Belastung, Walzwerkskomponenten |
| C95800 | Nickel-Aluminium-Bronze | 20% | HB 170–210 | Extrem korrosionsbeständig, beständig gegen Spannungskorrosion | Tiefseeumgebungen, Kernkraft und stark korrosive Bedingungen |
| C51000 | Phosphorbronze | 55% | HB 90–120 | Hohe Elastizität, leitfähig, formstabil | Elektronische Federn, Präzisionssteckverbinder |
| C54400 | Phosphorbronze mit Bleizusatz | 70% | HB 90–120 | Leichte Bearbeitbarkeit, hervorragende reibungsmindernde Eigenschaften | Präzisionsgleitlager, elektrische Gleitkontakte |
| C17200 | Berylliumbronze | 20% | HRC 35–42 | Extrem hohe Festigkeit, hohe Elastizität, verschleißfest | Luft- und Raumfahrt, Formen und Werkzeuge, hochwertige Präzisionskomponenten |
| C65500 | Siliziumbronze | 30% | Mittlere Härte | Korrosionsbeständig, gute Schweißbarkeit, glatte Oberflächenbeschaffenheit | Baubeschläge, Schiffsbefestigungen |
| Material | Schnittgeschwindigkeit Vc (m/min) | Vorschubgeschwindigkeit (mm/min) | Schnitttiefe beim Schruppen (mm) | Schneidtiefe bei der Endbearbeitung (mm) |
| Zinnbronze | 180–280 | 0,08–0,15 | 0,5–2 | 0,05–0,2 |
| Aluminiumbronze | 120–180 | 0,06–0,12 | 0,5–1,5 | 0,05–0,15 |
| Phosphorbronze | 160–240 | 0,07–0,14 | 0,4–1,2 | 0,05–0,15 |
| Berylliumbronze | 100–160 | 0,05–0,10 | 0,3–1,0 | 0,03–0,10 |
| Siliziumbronze | 130–200 | 0,06–0,12 | 0,4–1,2 | 0,05–0,15 |
| Material | Funktion | Schneiden | Messer | Anpassungen |
| Zinnbronze | Leicht zu bearbeiten, neigt jedoch zum Festfressen des Werkzeugs und zur Späneverwicklung; bei der Kernsteuerung liegt der Schwerpunkt auf dem Festfressen des Werkzeugs und der Spanabfuhr. | Hohe Schnittgeschwindigkeit, mittlerer Vorschub und ausreichende Kühlung verhindern das Festfressen des Werkzeugs und die Bildung von Späneanhaftungen. | Ausgestattet mit Spanbrechern und polierten Schneidkanten; vorzugsweise Feinstkornhartmetall, TiN-Beschichtung optional; positiver Spanwinkel 6°–12°, großer Freiwinkel 8°–15°; Schaftfräser mit Spanbrechern, Drehwerkzeuge mit verrundeten Schneidkanten. | Geeignet für verschleißfeste Teile; Ra bis zu 0,4–1,6 μm. |
| Aluminiumbronze | Die hohe Härte und die starke Abriebfestigkeit verringern den Verschleiß des Kernwerkzeugs. | Reduzierte Schnittgeschwindigkeit, Hochdruck-Kühlung mit hohem Durchfluss sowie Schwingungsdämpfung verhindern das Ausbrechen von Spänen. | Hartmetallbeschichtung; vorzugsweise TiAlN-Beschichtung, Hartmetall mit ultrafeiner Körnung; positiver Spanwinkel 6°–12°, großer Freiwinkel 8°–15°, polierte Schneidkante, Fräser mit Spanbrechern, Drehwerkzeuge mit abgerundeten Schneidkanten. | Geeignet für hochfeste, verschleißfeste Teile. |
| Phosphorbronze | Sehr flexibel, neigt zum Verwickeln der Späne und hat eine leicht zerkratzbare Oberfläche; die Kontrolle der Späne und der Oberflächenschutz sind entscheidende Merkmale. | Hochdruckkühlung, entsprechend erhöhte Vorschubgeschwindigkeit, reduzierte Schnittkräfte zur Vermeidung von Verformungen und optimierte Parameter zur Vermeidung von Spanstau. | Werkzeuge mit Spanbrechern und positivem Spanwinkel; vorzugsweise aus ultrafeinkörnigem Hartmetall, optional mit TiN-Beschichtung; positiver Spanwinkel 6°–12°, großer Freiwinkel 8°–15°; Gewindebohrer mit spiralförmiger Schneide/Gewindefräser für Gewinde, Bohrer mit Innenkühlung für tiefe Bohrungen. | Geeignet für präzise elastische Teile. |
| Berylliumbronze | Extrem hohe Härte, schwer zu bearbeiten, giftiger Staub; zu den wichtigsten Sicherheitsmerkmalen gehören Verschleißkontrolle und Verformungsschutz. | Das Rohmaterial wird nach dem Glühen im weichen Zustand bearbeitet; nach dem Auslagern ist nur ein minimaler Bearbeitungsaufwand erforderlich. Eine geschlossene Kühlung und Staubabsaugung gewährleisten die Sicherheit. | Diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge; Hartmetall mit ultrafeiner Körnung; positiver Spanwinkel 6°–12°, großer Freiwinkel 8°–15°; Gewindebohrer mit spiralförmiger Schneide/Gewindefräser für Gewinde, Bohrer mit Innenkühlung für tiefe Bohrungen. | Geeignet für hochpräzise Teile, Toleranz ±0,01–0,03 mm. |
| Siliziumbronze | Enthält Silizium-Hartpunkte, die zu Absplitterungen und Oberflächenaufrauhungen neigen; die Kernverstärkung verbessert die Werkzeugsteifigkeit und die Schnittstabilität. | Hochsteife Maschinen, reichlich Ölkühlung, Polieren nach der Bearbeitung. | Scharfe, polierte Schneidwerkzeuge; vorzugsweise mit TiAlN-Beschichtung, aus ultrafeinkörnigem Hartmetall; positiver Spanwinkel 6°–12°, großer Freiwinkel 8°–15°; innengekühlte Bohrer für Tiefbohrungen. | Geeignet für die Bearbeitung von Bauteilen. |
CNC-Bearbeitung eines Schneckengetriebes aus Bronze
CNC-Bearbeitung von Bronzeteilen
CNC-Bearbeitung eines Schneckengetriebes aus Bronze
CNC-Bearbeitung von Bronzeteilen
A: Stark alkalische Kühlschmierstoffe können Korrosion und Verfärbungen an Bronze verursachen und somit die Oberflächenqualität sowie die Bearbeitungsgenauigkeit der Teile beeinträchtigen. Daher ist ihre Verwendung während des gesamten Bearbeitungsprozesses strengstens untersagt. Es sollten vorzugsweise ölbasierte Schneidflüssigkeiten verwendet werden.
A: Die Kernlösung umfasst zwei Punkte: erstens die Optimierung der Schnittparameter und zweitens den Einsatz von Werkzeugen mit Spanbrechern. Gleichzeitig sollte vorrangig im Aufwärtsfräsen gearbeitet werden, um die Späneabfuhr zu verbessern und ein Verwickeln der Späne zu vermeiden.
A: Bei der Bearbeitung von Berylliumbronze entsteht giftiger Staub. Trockenbearbeitung ist strengstens untersagt. Es ist ein geschlossenes Kühl- und Absaugsystem erforderlich, und das Bedienpersonal muss geeignete Schutzausrüstung tragen. Darüber hinaus muss der Rohling vor der Bearbeitung in einen weichen Zustand geglüht werden, und nach der Alterungsbehandlung sollte der Bearbeitungsumfang auf ein Minimum beschränkt werden.
A: Bei Aluminiumbronze und Siliziumbronze wird eine TiAlN-Beschichtung bevorzugt; bei Zinnbronze und Phosphorbronze ist eine TiN-Beschichtung optional; bei Berylliumbronze ist eine Diamantbeschichtung erforderlich, jeweils in Kombination mit ultrafeinkörnigem Hartmetall.
A: Verringern Sie die Spannkraft, verwenden Sie eine Mehrpunktabstützung und setzen Sie mehrstufige Schneidverfahren ein. Kontrollieren Sie die Schnittwärme streng, um eine Verformung dünnwandiger Teile aufgrund von Spannung und Hitze zu verhindern.
A: Die Alterungsbehandlung ist ein obligatorischer Schritt bei der Bearbeitung von Berylliumbronze. Bei den anderen vier Bronzesorten (Zinnbronze, Aluminiumbronze, Phosphorbronze und Siliziumbronze) kann der geeignete Schritt je nach Bearbeitungsanforderungen ausgewählt werden. Nach der Alterungsbehandlung sollte der Bearbeitungsaufwand so gering wie möglich gehalten werden.
