Messing

Eigenschaften von Messing
Gefügeschliffbild von gewalztem und geglühtem Messing
chemische Zusammensetzung	CuxZnx Technisch: CuZnX, wobei X= Angabe des Zinkgehalts in Prozent)
Farbe	Goldgelb; mit steigendem Zinkgehalt heller werdend
Schmelzpunkt	etwa 900–925 °C; mit steigendem Zinkgehalt sinkend
Dichte	8,86 g/cm³ (CuZn5) bis 8,41 g/cm³ (CuZn40)
elektrische Leitfähigkeit	etwa 15 MS/m; mit steigendem Zinkgehalt stark sinkend (bei 10 % Zn um 60 %, bei 40 % Zn um 75 %) σ(CuZn5) = 56 bis σ(CuZn20) = 32 S/m [1]
Spezifische Wärmekapazität	etwa 377 J/(kg·K) (Legierungsabhängig)
Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient	18,5·10−6/K bei 20 °C (CuZn30)[2]
Mechanisch
Zugfestigkeit	310 bis 460 MPa (N/mm²)
Dehngrenze	120 bis 420 MPa (N/mm²)
Elastizitätsmodul	78 bis 123 GPa (kN/mm²)
Poissonzahl	0,37
Torsionsmodul	37 GPa (kN/mm²)
Schallgeschwindigkeit	3530 m/s (bei 18 °C) [3]

Messing ist die Sammelbezeichnung für eine Gruppe von Legierungen mit den Hauptbestandteilen Kupfer und Zink. Die Farbe von Messing ist abhängig vom Zinkgehalt und schwankt meist zwischen einem helleren und dunkleren Goldgelb mit großer Farbähnlichkeit zu natürlichem Gold. Bei Zinkgehalten unter 20 % wird Messing bräunlich bis bräunlich-rötlich und bei Gehalten über 36 % hellgelb bis fast weißgelb.

Eine ähnliche Legierung aus Kupfer und Zinn wird als Bronze bezeichnet.

Eigenschaften

Messing ist etwas härter als reines Kupfer, jedoch nicht so hart wie Bronze. Die Messingschmelze ist dünnflüssig und nimmt im Gegensatz zu reiner Kupferschmelze wenig Gase auf, lässt sich daher blasenarm gießen.

Messing ist amagnetisch, wird also im Allgemeinen durch magnetische Felder nicht beeinflusst.

Im Gegensatz zu Stahl- und Aluminiumlegierungen ist Messing durch Wärmebehandlung nicht aushärtbar. Die Festigkeit kann nur durch geeignete Legierungswahl und durch mechanische Umformung (Walzen, Schmieden oder Ziehen) in kaltem Zustand gesteuert werden.

Bei Messingsorten mit hohem Zinkanteil kann unter ungünstigen Umständen die Korrosionsart Entzinkung auftreten.

Etymologie und Geschichte

Messingkrug (14. Jahrhundert) aus Ägypten

Der Ursprung des Wortes Messing konnte bisher nicht genau geklärt werden. Verschiedene Forschungen konnten jedoch die Herkunft auf das lateinische massa für Metallklumpen, das altgriechische maza und das slawische mosengju bzw. mosengjii eingrenzen.

Die Bezeichnung Tombak für eine Messinglegierung mit maximal 30 % Zink konnte dagegen relativ sicher auf das malaysische tambaga für Kupfer zurückgeführt werden.

Messing war bereits etwa 3000 v. Chr. und im Raum Palästina nachgewiesenermaßen zwischen 1400 und 1000 v. Chr. bekannt.

Schriftliche Zeugnisse vom Gebrauch des Messings lieferten unter anderem Cicero, der sich in seinem De officiis darüber beklagte, dass die Unmoral vieler Händler sie Messing anstelle von Gold verkaufen ließ. Unter anderem durch die Schriften Plinius des Älteren ist die Verwendung des Wortes Oreichalkos (Aurichalkum) für Messing im Gebrauch, der vor allem im antiken Griechenland und im römischen Reich verbreitet war, aber nach Vermutung der Wissenschaftler wohl keine bestimmte Messinglegierung bezeichnete.

Ebenfalls durch Plinius den Älteren überliefert ist die Herstellung von Messing aus den Komponenten Kupfer und Galmei (Smithsonit) sowie angefeuchtetem Kohlenstaub, die miteinander vermengt und in mehrere Schmelztiegel – meist sieben bis neun pro Brennofen – gefüllt wurden. Anschließend wurde das Gemenge bis auf Schmelztemperatur erhitzt. Durch dieses 12 Stunden dauernde „Zementations-Verfahren“ entstand Rohmessing, auch Arco genannt, das für einen zweiten Schmelzvorgang zusammengeschüttet wurde, um Menge und Qualität zu erhöhen.^[4]

Während der römischen Besetzung zwischen dem 1. und 4. Jahrhundert n.Chr. wurde dieses Verfahren der Messingherstellung auch zu den Germanen gebracht.^[4] Eine regelrechte Messingindustrie entwickelte sich allerdings erst spät im 15. bis 16. Jahrhundert.

Metallisches Zink wurde erstmals im 17. Jahrhundert in Indien zur Legierungserstellung verwendet.^[5]

Legierungsbildung

Kupfer kristallisiert im kubischen Kristallsystem mit kubisch-flächenzentrierter Struktur (Kristallklasse: hexakisoktaedrisch $4/m\ \bar{3}\ 2/m$). Sein Schmelzpunkt liegt bei 1083,62 °C (Siedepunkt: (2927 °C) und seine Dichte bei 8,96 g/cm³.

Zink kristallisiert dagegen im hexagonalen Kristallsystem mit hexagonal-dichtester Packung (Kristallklasse: dihexagonal-dipyramidal $6/m\,2/m\,2/m$) und schmilzt bereits bei 419,53 °C. Selbst sein Siedepunkt liegt mit 907 °C noch deutlich unter dem Schmelzpunkt von Kupfer. Die Dichte des Zink ist allerdings mit 7,14 g/cm³ der des Kupfers relativ ähnlich.

Trotz der großen Unterschiede in Bezug auf Schmelzverhalten und Kristallaufbau sind Kupfer und Zink in der Lage, Mischkristalle, genauer Substitutionsmischkristalle zu bilden. Da aber Zink einen etwas größeren Atomdurchmesser hat, wird die Elementarzelle des Kupfers durch die eingebauten Zinkatome verzerrt und verspannt, was die Ursache der größeren Härte des Messings gegenüber dem reinen Kupfer ist.

Auch das schmelzflüssige Legieren der beiden Metalle bereitet trotz der weit auseinanderliegenden Schmelzpunkte keine allzu großen Schwierigkeiten. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Schmelze nicht überhitzt und möglichst schnell nach Erreichen der Gießtemperatur verarbeitet wird, um unkontrollierten Zinkabbrand zu vermeiden.

Zusätzlich muss die Schmelzoberfläche abgedeckt werden, um eine übermäßige Oxidation durch Aufnahme von Luftsauerstoff zu verhindern. Geeignete Abdeckmittel sind unter anderem trockener Quarzsand, Holzkohle und gestoßenes Glas. Holzkohle hat zudem in trockenem und gut verkoktem Zustand den Vorteil, Zinkabbrand effektiv verhindern zu können.

Phasen und Strukturen

Phasendiagramm von Kupfer-Zink-Legierungen

kfz-Struktur des α-Messings

krz-Struktur des β-Messings

Zink ist in Kupfer aufgrund der unterschiedlichen Kristallsysteme nur begrenzt löslich. Technisch verwendbare Messinge enthalten zwischen 5 bis maximal 45 Prozent Zink.^[6]

Zink löst sich ohne Änderung der Struktur in festem Kupfer bis zu einem maximalen Anteil von 32,5 % und bildet mit diesem einen kubisch-flächenzentrierten (kfz) Substitutionsmischkristall, der als α-Phase oder α-Messing bezeichnet wird. Die Soliduslinie sinkt im Bereich der reinen α-Phase von 1083,62 °C (0 % Zn) bis 902 °C (32,5 % Zn).

Im Bereich zwischen 32,5 % und 36,8 % Zink entsteht neben der α-Phase auch eine β-Phase, die im kubisch-raumzentrierten (krz) Gitter erstarrt. Bis etwa 37 % Zink wandelt sich die β-Phase bei tieferen Temperaturen allerdings wieder in die α-Phase um.

Legierungen mit etwa 50 % Kupfer und 50 % Zink kristallisieren entweder in der β-Phase oder der β'-Phase: Bei Temperaturen unter 468 °C ist die β'-Phase stabil, bei der acht Kupferatome jeweils acht Zinkatome umgeben und dabei die Caesiumchlorid-Struktur einnehmen. Oberhalb 468 °C, in der β-Phase, verteilen sich die Atome statistisch auf Gitterplätze eines kubisch raumzentrierten Gitters.

Oberhalb von 50 % Zink treten weitere intermetallische Hume-Rothery-Phasen auf, die γ-, δ- und ε-Phasen. Ab einem Zinkgehalt von 97,25 % ist die hexagonale Struktur des Zinks möglich. Da die γ-Phase allerdings durch extreme Sprödigkeit auszeichnet, werden solche Legierungen technisch unbrauchbar.

Messingsorten

Die verschiedenen Messingsorten unterscheiden sich durch ihren Zinkanteil, der in der Bezeichnung in Prozent angegeben wird. Eine der am häufigsten verwendeten Legierungen ist CuZn37, die 37 Prozent Zink enthält. Früher wurde stattdessen die Bezeichnung Ms mit dem Kupferanteil verwendet, hier also Ms 63.

Messing kann bis zu drei Prozent Blei enthalten. Enthält die Legierung mehr Blei, gehört sie zur Kategorie der Sondermessinge, die auch noch andere Elemente enthalten können. In der Praxis enthalten alle Messinglegierungen mindestens 58 Prozent Kupfer, da sie unterhalb davon spröde werden und schlecht zu verarbeiten sind.

Die Legierung CuZn30 weist von allen Messingsorten die beste plastische Verformbarkeit auf. Da aus ihr in der Vergangenheit wegen ihrer hohen Bruchdehnung häufig Kartuschen für Artilleriegeschosse hergestellt wurden, nennt man diese Legierung umgangssprachlich auch Kartuschmessing.

Osmanischer Wasserkrug von 1870 aus Tombak, Museum für türkische und islamische Kunst

Als Tombak oder Goldmessing werden Messingsorten mit mehr als 70 % Kupfer bezeichnet. Tombak wird überwiegend für kunstgewerbliche Zwecke eingesetzt und je nach Kupfergehalt unter dem Handelsnamen Rottombak (90 % Cu), Gold- oder Mitteltombak (85 % Cu) und Gelbtombak (72 % Cu) geführt. Die bis 2001 geprägten 5- und 10-Pfennigmünzen der DM-Zeit bestanden aus mit Tombak plattiertem Stahl. Der zu den Sondermessingen gehörende Siliziumtombak dient aufgrund seiner hohen Festigkeit als Konstruktionswerkstoff. Das auch als Weißer Tombak bezeichnete Weißkupfer ist dagegen keine Kupfer-Zink-Legierung, sondern eine Kupfer-Arsen-Legierung und damit kein Messing.

Tafelmessing wurde in der Uhrenfabrikation für aus Blechen gestanzte Zahnräder und andere Teile verwendet. Dekorationselemente, auch klassischer militärischer Art (Helme, Brustpanzer), wurden ebenfalls aus Tafelmessing gefertigt. Vor dem Aufkommen kleinkalibriger Hochgeschwindigkeitsmunition diente es außerdem zum Plattieren der Stahlmantelgeschosse für Gewehre und Pistolen, da es in gezogenen Läufen dem Geschoss besseren Drall verlieh. In der Schmuckherstellung wurde Tafelmessing als Goldersatz benutzt, heute müssen solche Teile als „base metal“ markiert sein.

Die als Talmigold bezeichnete Legierung, ebenfalls für billigen Schmuck verwendet, ist dagegen kein Messing, sondern eine Rotgusslegierung aus Kupfer, Zink, Zinn und Blei, die zur Täuschung mit Gold plattiert wird.

Als Gelbguss wurden früher für den Guss verwendete Legierungen mit 56 bis 80 Prozent Kupfer bezeichnet.

Eine wichtige Gruppe innerhalb der zahlreichen Messinglegierungen sind die Zerspanungsmessinge (auch Automatenmessing genannt). Sie weisen eine andere Kristallgitterstruktur (krz und nicht mehr kfz) auf als Messing mit einem Zn-Gehalt von bis zu 38,95 % und können Blei in feinen Tröpfchen als Spanbrecher enthalten. Das Blei löst sich nicht im Kristallgitter, sondern liegt als fein dispergierte Phase vor. Die Bleigehalte variieren zwischen 0,5 % und 3,5 %. Je mehr Blei enthalten ist, desto besser lässt sich der Werkstoff zerspanen, desto feinere Späne fallen an. Mehr als 3,5 % Blei hat sich in der Praxis jedoch nicht bewährt, der geringfügig erhöhten Zerspanbarkeit stand eine deutlich schwierigere Herstellbarkeit des Werkstoffs entgegen. Die Zerspanungs-Messinge zählen nicht zu den Sondermessingen.

Kupfer-Zink-Basislegierungen, denen noch weitere Legierungselemente zugeführt werden (Blei > 3 %, Silicium, Eisen, Nickel, Mangan oder Aluminium), werden als Sondermessing bezeichnet. Eine bekannte Kupfer-Zink-Nickel-Legierung ist das Neusilber. Das Sondermessing mit der größten konstruktionstechnischen Relevanz ist Siliziumtombak, welches durch hohe Festigkeitswerte und eine gute Gießbarkeit gekennzeichnet ist. Durch das Vergießen im Kokillen- und Druckgussverfahren ist Siliziumtombak auch für Serien- bzw. Massenfertigung von Konstruktionsteilen geeignet.

Weitere Messingsorten siehe: Chrysorin, Cuivrepoli, Deltametall, Duranametall, Nordisches Gold, Prinzmetall, Rauschgold, Platine^[7], Muntzmetall („yellow metal“), „Potin jaune“

Messing als Mineral

Von der International Mineralogical Association (IMA) sind zur Zeit (Stand: 2011) mit Zhanghengit (β-Messing) und Danbait CuZn₂) zwei Kupfer-Zink-Legierungen als eigenständiges Mineral anerkannt. In der von der IMA verwendeten 9. Auflage der Systematik der Minerale nach Strunz gehören sie zur Mineralklasse der „Elemente“ und der Abteilung der „Metalle und intermetallische Verbindungen“ eingeordnet und gehören zusammen mit den ohne Prüfung durch die IMA veröffentlichten Mineralen (N) α-Messing, β'-Messing, γ-Messing, ε-Messing, η-Messing, Tongxinit und Zinkcopperit zur „Messing-Gruppe“ mit der System-Nr. 1.AB.10 innerhalb der „Zink-Messing-Familie“.^[8]

Verwendung

Probenehmer für die Zuckerindustrie aus Messing mit Edelstahlgriff

Solange man rein empirisch Kupfer zusammen mit Zinkspat schmelzen musste, um Messing herzustellen, waren anspruchsvolle Verwendungen nicht möglich. Man beschränkte sich vornehmlich auf Schmuck, Kult- und Kunstgegenstände. Dieser und andere Anwendungsbereiche sind dem Messing bis ins 21. Jahrhundert vornehmlich für die goldfarbigen Legierungen geblieben, also Griffe und Beschläge, auch wegen derer bakterizider Eigenschaften. Blechblasinstrumente nutzen traditionell die Goldfarbe einer Messinglegierung.

Die Einsatzmöglichkeiten von Messing sind vielfältig. Dies zumal unter Berücksichtigung der durch ihren Zinkgehalt und damit die Phasenbildung sich unterscheidenden Guss- und Knetlegierungen, von Sondermessingen hier ganz abgesehen.

Technische Bedeutung hat Messing dort, wo gleichzeitig gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Stabilität wichtig sind.^[9]

Aus Gussmessing, einer Legierung mit 39 % Zink, 3 % Blei, Rest Kupfer, dem sogenannten Armaturenmessing, werden in der Sanitärinstallation Armaturen und Formstücke hergestellt; wegen der guten Zerspanbarkeit wird es auch Automatenmessing genannt. Die gegenüber einem reinen Alpha-Messing geringere Korrosionsfestigkeit, selbst gegenüber chloridfreiem Leitungswasser, nimmt man dabei in Kauf.

Messinglegierungen zählen auch zu den für Lager geeigneten Werkstoffen. Verwendet werden die zinkreichen Legierungen CuZn37Al1 und CuZn40Al2, also mit 2 % Aluminiumzusatz.

Hochfeste Messinglegierungen mit mehr als 32,5 % Zink und resultierender Ausbildung einer Betaphase können als gegossene Propeller für Sportboote in Binnengewässern verwendet werden, für Betrieb in Seewasser als korrodierendem Medium sind sie ungeeignet.

Vielfältig eingesetzt werden in reiner Alphaphase erstarrende Messing-Knetlegierungen mit max. 58 Teilen Kupfer, Rest Zink einschließlich zwei Prozent Blei (zu genormten Messing-Guss- und Knetlegierungen siehe Einzelheiten in DIN EN 17660 und DKI – Schrift i.5 Tab 14 und 15)^[10]. Die Einsatzmöglichkeiten für Guss- wie Knetlegierungen erweitern sich erheblich, wenn außer 1–2 % Blei noch weitere Elemente legiert werden. Insbesondere Aluminium (erhöhte Verschleißfestigkeit) und gegebenenfalls zusätzliche 5 % Nickel (Schiffspropeller) erweitern den Einsatzbereich von Messingen erheblich. Auch Silizium und Mangan zählen hierzu.

Zinkhaltige Schweißzusätze mit Zusätzen an Silizium, Silber oder Zinn werden (außer für das MIG-Schweißen, das zinkfreie Legierungen verlangt) empfohlen (s. DIN 1733). Der Bleianteil sollte ein Prozent nicht übersteigen.

Problematisch ist der Zusatz von Aluminium wegen dessen leichter Oxidierbarkeit, die zu Oxideinschlüssen im Guss führt. Eine dem vorbeugende Schmelzebehandlung ist daher unerlässlich.

Vorsichtsmaßnahmen

Da es beim Schmelzen von Messing schon ab 900 °C, also nahe der Gießtemperatur, zur Bildung von gefährlichen Zinkdämpfen mit sofortiger Oxidation an der Raumluft kommt, muss auf eine ausreichende Dampfabsaugung geachtet werden. Durch Einatmen dieser Dämpfe kommt es sonst zu dem unter Gießern bekannten und gefürchteten „Gießfieber“ oder auch Metalldampffieber.

Siehe auch

• Metallurgie
• Neusilber
• Rotguss
• Afrikanischer Gelbguss

Literatur

• Deutsches Kupferinstitut (Hrsg.): Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing). Berlin 1966.
• Informationsdruck i5, Kupfer-Zink-Legierungen, Messing und Sondermessing. (DKI Schriftenreihe) Düsseldorf, ohne Jahrgang.
• Lexikon der Metalltechnik, Handbuch für alle Gewerbetreibenden und Künstler auf metallurgischem Gebiete. redigirt von Josef Bersch, A. Hartlebens Verlag, Wien/Budapest/Leipzig, ohne Jahrgang. Speziell Abschnitt „Messing“ auf S. 390 f.
• Ernst Brunhuber (Übersetzer): Guss aus Kupferlegierungen (Casting copper base alloys). Schiele und Schön, Berlin 1986, ISBN 3-7949-0444-3 (Aus dem Amerikanischen übersetzt).
• Carl Johann Bernhard Karsten: System der metallurgie: geschichtlich, statistisch, theoretisch und technisch. G. Reimer, Berlin 1831, S. 492 (Volltext in der Google Buchsuche).

Weblinks

 Commons: Messing (engl.: Brass) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Messing – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Deutsches Kupferinstitut - Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing)
• Videos zur Herstellung von Messing auf brass-circle.de

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.cuivre.org/contenu/docs/doc/pdf/metallurgie/03_laitons.pdf (S. 5)
2. ↑ Friedrich Tabellenbuch – Metall- und Maschinentechnik (S. 3-3). 168. Auflage. Bildungsverlag EINS, Troisdorf 2008, ISBN 978-3-427-51033-8.
3. ↑ Mechanik/Akustik – Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit (PDF, S. 3)
4. ↑ ^{a b} stolberg-abc.de - Römisches Messing
5. ↑ NZZ online - Frühe Herstellung von Messing in Indien
6. ↑ Deutsches Kupferinstitut – Messing
7. ↑ Merck's Warenlexikon Artikel über Messing
8. ↑ Hugo Strunz, Ernest H. Nickel: Strunz Mineralogical Tables. 9. Auflage. E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2001, ISBN 3-510-65188-X, S. 37.
9. ↑ Antennen und Hohlleiter werden aus Messing gefertigt. Für Steckverbinder finden Pins aus Messingdraht Verwendung. Dazu können auch Messingdrähte mit galvanisierter Oberfläche eingesetzt werden. Gängige Qualitäten im Drahtsektor sind CuZn2, CuZn15, CuZn30, CuZn37.
10. ↑ herangezogene Literatur

Normdaten: SWD in der DNB: 4169517-3