Was ist Messing? Zusammensetzung, Sorten, Eigenschaften und industrielle Anwendungen

Messinglegierung: Zusammensetzung, Eigenschaften, Güteklassen und ihre Bearbeitung in der modernen Industrie

Als vielseitige Metalllegierung zählt Messing zu den am häufigsten verwendeten Nichteisenmetallen in der Fertigung. Es findet Anwendung in Sanitärarmaturen, elektrischen Anschlüssen, Schiffsarmaturen und Präzisionsdrehteilen – überall dort, wo Korrosionsbeständigkeit, geringe Reibung und enge Toleranzen gefragt sind. Der globale Messingmarkt hatte 2024 einen Wert von 6.83 Milliarden US-Dollar.

Viele technische Leitfäden enthalten jedoch nicht die gewünschten technischen Daten: UNS-Zusammensetzungen, tatsächliche Zugfestigkeitseinheiten und detaillierte Bearbeitungsparameter nach Güteklasse. Dieser Leitfaden liefert diese Informationen. Er beinhaltet die Messingzusammensetzung, mechanische Eigenschaften mit CDA-bezogenen Werten, eine Vergleichstabelle für sechs Güteklassen und leistungsbasierte Laserschneidparameter – speziell für Ingenieure, Zerspanungsmechaniker und Einkäufer, die Spezifikationen erstellen. Materialien, die ein Faserlaser bearbeiten kann.

Was ist Messing? – Die Kupfer-Zink-Legierung erklärt

Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Der Kupfergehalt liegt zwischen 55 % und 95 %, die restlichen 5–45 % sind Zink, wie von der CDA (Copper Development Association) festgelegt. Je nach Qualität werden geringe Mengen Blei, Zinn oder Aluminium hinzugefügt, um bestimmte Eigenschaften zu verändern.

Die so entstandene Kupferlegierung ergibt ein gelbgoldenes Metall, das leicht zu bearbeiten und korrosionsbeständig ist und eine elektrische Leitfähigkeit von 26–28 % IACS aufweist.

Historische Aufzeichnungen belegen, dass das Wort „Messing“ über 2,000 Jahre alt ist. Die Römer stellten Messing her, indem sie Kupfer- und Zinkerze mit Galmei (Zinkcarbonat) schmolzen. Encyclopaedia BritannicaBereits im ersten Jahrhundert v. Chr. wurde diese Legierung im gesamten Mittelmeerraum gehandelt.

Erst im 18. Jahrhundert wurde metallisches Zink direkt mit Kupfer legiert, wodurch das Zementationsverfahren ersetzt wurde.

Heutzutage wird Messing nach dem aktuellen UNS (Unified Numbering System) klassifiziert, mit Nummern von C20000 bis C49999. Jede Messingsorte definiert einen genauen Anteil an Kupfer, Zink und anderen Elementen. Das macht einen großen Unterschied.

Eine Änderung des Zinkgehalts um 1 % in einer Legierung verändert Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Duktilität und Härte drastisch. Patronenmessing C26000 (70Cu/30Zn) unterscheidet sich beim Drehen oder Laserschneiden deutlich von Automatenmessing C36000 (61.5Cu/35.5Zn/3Pb).

Messing ist eine Legierung, die von Bronze zu unterscheiden ist, bei der Zink durch Zinn (oder Aluminium) ersetzt wird. Beide haben eine gemeinsame Kupferbasis, unterscheiden sich jedoch in Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit. Ein direkter Vergleich mit den tatsächlichen MPa-Werten wird in Abschnitt 6 detailliert beschrieben.

Zusammensetzung und Herstellung von Messing

Alle Messinglegierungen basieren auf einer Kombination aus Kupfer und Zink, wobei das Verhältnis der beiden Elemente sorgfältig kontrolliert wird. Der Zinkanteil beeinflusst direkt die Phasenstruktur der Legierung. Bei einem Zinkgehalt von unter 37 % entsteht eine einphasige Alpha-Struktur, was zu einem sehr duktilen Werkstoff führt, der sich ideal für die Kaltumformung und das Tiefziehen eignet.

Bei einem Zinkanteil von 37%-45% wird eine gemischte Alpha-Beta-Phasenstruktur erzielt, wodurch ein härteres Material entsteht, das sich besser für die Warmumformung mittels Schmieden oder Strangpressen eignet.

Manche Messingsorten enthalten zusätzliche Bestandteile. 3 % Blei in C36000 ergeben ein Automatenmessing mit einer Zerspanbarkeit von 100 – dem Standard, an dem alle Kupferlegierungen gemessen werden. Ein Zusatz von 1 % Zinn zum Marinemessing C44300 verbessert dessen Seewasserbeständigkeit. 0.75 % Zinn in C46400 erfüllen die Anforderungen der rauen Meeresumgebung.

Herstellungsprozess

Die Produktion folgt einem fünfstufigen Ablauf:

1. Schmelzen; Kupferkathode (99.99 % rein) wird in einem Induktionsofen bei 1,085 °C (1,985 °F) geschmolzen.
2. Legieren: Zink wird heißem, flüssigem Kupfer zugesetzt. Die Temperatur beeinflusst die Qualität maßgeblich – C26000-Patronenmessing hat eine Liquidustemperatur von 955 °C (1,750 °F) und eine Solidustemperatur von 916 °C (1,680 °F). C36000-Automatenmessing weist einen engeren Temperaturbereich auf: 885–900 °C (1,630–1,650 °F).
3. Gießen: In Formen gießen oder im Stranggießverfahren zu Blöcken, Platten oder Stämmen verarbeiten.
4. Warm-/Kaltumformung: Strangpressen, Walzen oder Ziehen von Knüppeln. Alpha-Messingsorten wie C26000 lassen sich gut kaltumformen. Alpha-Beta-Messingsorten wie C36000 werden am besten warmumgeformt, und zwar bei Temperaturen über 700 °C.
5. Oberflächenbehandlung: Durch Glühen wird die Kaltverfestigung beseitigt. Zu den Oberflächenbehandlungen gehören Polieren, chemische Behandlung und Lackieren.

Der enge Schmelzbereich von C36000 – nur 15 °C zwischen Solidus und Liquidus – ermöglicht ein einfacheres Gießen mit weniger Einschlüssen und Porosität als bei anderen Legierungen. Messing aus dieser Zusammensetzung lässt sich gut auf Drehautomaten verarbeiten, was erklärt, warum C36000 in diesem Segment führend ist.

Wichtigste Eigenschaften von Messing – mechanische, thermische und chemische

Die Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Messing hängen maßgeblich von der Güteklasse und dem Härtegrad ab. Die folgende Tabelle verwendet Werte aus der CDA-Legierungsdatenbank für die beiden gebräuchlichsten Güteklassen. Die Einheiten entsprechen typischerweise der entsprechenden handelsüblichen Härte – die Angaben variieren von CU:CU/IN bis Streckgrenze: ksi.

C26000 bietet aufgrund seiner Fähigkeit zur Kaltverformung ein breiteres Anwendungsgebiet. Im geglühten Zustand dehnt es sich um über 60 % und eignet sich daher ideal für das Tiefziehen von Gehäusen, Körpern oder Kühlern. Nach erheblicher Kaltverformung hält es einer Bruchspannung von über 125 ksi stand, die Dehnung sinkt jedoch auf 3 %. Der Bleigehalt von C36000 ermöglicht zwar eine bessere Zerspanbarkeit, beeinträchtigt aber die Duktilität. Die Späne sind kurz, brechen leicht und werden beim Zerspanen aus der Schnittzone herausgeschleudert. Laserätzen auf Metalloberflächen oder CNC-Bearbeitung.

Messing zeichnet sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit aus, wenn es in Süßwasser, feuchter Atmosphäre oder den meisten Industriechemikalien eingetaucht wird – eine Eigenschaft, die Messing für vielfältige Anwendungen in der Sanitärtechnik und im maritimen Bereich bekannt macht. Hochzinkhaltiges Messing (über 15 % Zn) kann jedoch entzinken, eine Form der bevorzugten Zinkauflösung, die einen schwach durchlässigen Kupferrückstand hinterlässt. Entzinkung kann bei Temperaturen über 60 °C in chloridreichen Umgebungen beschleunigt werden, lässt sich aber durch die Verwendung einer entzinkungsbeständigen Sorte wie C35330 oder durch die Zugabe von Arseninhibitoren vermeiden.

Gängige Messingsorten und -arten

Verschiedene Messinglegierungen erhalten eine UNS-Nummer, die die zulässigen Zusammensetzungen einschränkt. Die verfügbaren Sorten reichen von Rotmessing bis Marinemessing, jede mit einem spezifischen Kupfergehalt, der für optimale Anwendungen optimiert ist. Die folgende Tabelle listet die sechs am häufigsten in der Fertigung verwendeten Sorten auf. Die Daten stammen aus dem CDA-Datenblatt – Ingenieure, die mit diesem Material arbeiten. führende CNC-Maschinenhersteller Diesen Noten begegnet man regelmäßig.

Phasenklassifizierung

Alpha-Messing enthält weniger als 37 % Zink. Es weist eine einphasige kubisch-flächenzentrierte (kfz) Gitterstruktur auf. Seine Duktilität ist hervorragend – C26000 lässt sich ziehen, drehen, stanzen und hämmern, ohne zu reißen. Es vergilbt leicht und lässt sich planpolieren.

Alpha-Beta-Messing enthält 37–45 % Zink. Die zweite Phase (Beta) besitzt eine kubisch-raumzentrierte (krz) Struktur und ist härter. Es lässt sich bei höheren Temperaturen besser verarbeiten. Gelbmessing C27200 ist Alpha-Beta mit 37 % Zink und bietet Festigkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit. Marinemessing C46400 ist ebenfalls Alpha-Beta und zeichnet sich durch höhere Streckgrenze im maritimen Konstruktionsbereich aus.

Das Automatenmessing C36000 ist technisch gesehen ein Alpha-Beta-Messing. Der 3%ige Bleizusatz beeinflusst die Zerspanbarkeit stärker als die Phasenstruktur. Bleipartikel wirken als Spanbrecher und internes Schmiermittel, minimieren den Werkzeugverschleiß und ermöglichen die Fertigung mit Hochgeschwindigkeits-Drehautomaten. C36000 gilt daher als Zerspanungsrichtwert von 100 (im Vergleich zu anderen Messingsorten), während das bleifreie Standardmessing C26000 nur einen Wert von 30 erreicht. Messing zeichnet sich über die gesamte Sortenpalette durch hervorragende Zerspanbarkeit aus.

Industrielle Anwendungen von Messing

Der globale Markt für Messing erreichte 2024 ein Volumen von 6.83 Milliarden US-Dollar. Bis 2033 wird ein Anstieg auf 10.69 Milliarden US-Dollar erwartet, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 5.1 % entspricht (SkyQuest Technology Consulting). Allein der globale Markt für Messingventile belief sich 2025 auf 14.8 Milliarden US-Dollar. Treiber dieses Wachstums sind der Ausbau der Wasserinfrastruktur und der weltweit steigende Bedarf an HLK-Systemen. Der asiatisch-pazifische Raum wird voraussichtlich den größten Anteil am Messingmarkt halten, gefolgt von Nordamerika und Europa.

Fünf große Industriezweige verbrauchen den Großteil der weltweiten Messingproduktion:

Sanitärinstallationen und Wassersysteme. Messing wird hauptsächlich für Fittings, Ventile und Rohrverbinder verwendet, die in der Sanitärinstallation von Wohn- und Gewerbegebäuden weit verbreitet sind. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit eignet es sich hervorragend für den Kontakt mit Wasser. Rotmessing C23000 bietet Vorteile bei Trinkwasserleitungen, da sein Kupferanteil von 85 % die Entzinkung hemmt. Bleifreie Sorten, die die Anforderungen der NSF/ANSI 61 in den USA und der EU erfüllen, sind mittlerweile Standard.

Elektrotechnik und Elektronik. Messingklemmen, -verbinder und -buchsenkontakte benötigen eine IACS-Leitfähigkeit von 26–28 %. Kupfer leitet zwar besser, Messing eignet sich jedoch hervorragend für die Verriegelung und trägt zur Federstabilität elektronischer Steckverbinder bei, die häufig eingesteckt werden. wie Kupfer und Messing auf die Laserbearbeitung reagieren ist bei der Herstellung dieser Teile wichtig.

Marine und Verteidigung. C44300-Messing (Admiralty-Qualität) wird zur Auskleidung von Wärmetauscherrohren in Schiffen verwendet. C46400-Messing (Navy-Qualität) dient zur Herstellung von Schiffsbeschlägen, Propellerwellen, Gussteilen und Spannschlössern. Die Zinnbeimischung in beiden Sorten gewährleistet die erhöhte Korrosionsbeständigkeit in Salzwasser.

Automobilindustrie. Die Automobilindustrie verwendet Messing aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie guten Verarbeitbarkeit für Kühlerkerne, Getriebeventilgehäuse, Thermostatgehäuse und Synchronringe. Rund 15 % des weltweiten Messingverbrauchs entfallen auf die Automobilindustrie.

Dekorative Anwendungen und Musikinstrumente. Messing wird aufgrund seines attraktiven Glanzes und seiner Haltbarkeit häufig für Scharniere, Türgriffe, Wandbeschläge und Schrankgriffe verwendet. Musikinstrumente wie Trompeten und Posaunen verwenden C26000-Patronenmessing für Schallbecher – seine Tiefzieheigenschaften machen es geeignet für die Herstellung komplexer Formen. Unterschiede zwischen Lasermarkierung und Gravur Hilft Herstellern dabei, Seriennummern und Markenzeichen an diesen Produkten anzubringen, ohne sie zu beschädigen.

Messing vs. Bronze – Die wichtigsten Unterschiede

Obwohl beide Legierungen aus Kupfer bestehen, ergeben sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung verschiedene Anwendungsgebiete. Sie beeinflussen Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und natürlich auch den Preis. Messing wird mit Zink legiert, Bronze hingegen mit Zinn, Aluminium oder Silizium. Historische Dokumente belegen, dass die Legierungen für bestimmte Zwecke verwendet wurden – Waffen und Werkzeuge aus Bronze, Münzen und Schmuck aus Messing.

Die Unterschiede in Härte und Festigkeit sind beträchtlich. Während Aluminiumbronze C95400 eine Zugfestigkeit von 550–690 MPa (und etwa 75 % davon als Streckgrenze) erreicht, liegt das entsprechende Messing nur bei 315–510 MPa (und ebenfalls 75 %). Bronze kann zudem auf der Brinell-Härteskala 170 HB erreichen, Messing hingegen nur 100 HB. Für Schiffspropeller, Hochleistungslager und Pumpenlaufräder ist Bronze daher die robustere Wahl.

Messing wird häufig dort eingesetzt, wo Bearbeitbarkeit, Kosten und Umformbarkeit entscheidend sind. Automatenmessing der Sorte C36000 erreicht eine Bewertung von 100. Selbst die besten Bronzesorten erzielen nur einen Wert von 50. Die Schmelzpunkte der meisten Messingsorten liegen zwischen 900 und 940 °C, während Bronzesorten in der Regel zwischen 950 und 1,050 °C liegen, was die Energiekosten beim Gießen reduziert. Messing eignet sich für Sanitärarmaturen, elektrische Steckverbinder und dekorative Beschläge, wenn maximale Festigkeit, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit nicht erforderlich sind.

Hinsichtlich des Korrosionsverhaltens in verschiedenen Umgebungen verhalten sich Messing und Bronze in Süßwasser und atmosphärischen Bedingungen anders als in Meerwasser. Dies ist von Bedeutung, da Messing bei Kontakt mit Meerwasser die Gefahr der Entzinkung aufweist. Aluminiumbronze und Zinnbronze zeigen ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in Salzwasser ohne Auslaugung von Metallen, während andere Bronzesorten sehr wahrscheinlich dieser Korrosionsform unterliegen. Schiffsingenieure spezifizieren daher fast immer Bronzelegierungen für Unterwasserbauteile.

Wie Messing bearbeitet wird – CNC-, Laser- und Extrusionsverfahren

CNC Dienstleister

C36000-Automatenmessing dient als Grundlage für das Bewertungssystem der Zerspanbarkeit, in dem andere Kupferlegierungen anhand ihrer relativen Leistung bewertet werden. Dieses Messing enthält 3 % Blei, das für die interne Schmierung und Spanbrechung sorgt. Typische CNC-Bearbeitungsparameter für Messing sind: Vorschubgeschwindigkeiten von 200–300 m/min beim Drehen, 50–80 m/min beim Fräsen und 6–10 m/min beim Bohren. C26000-Patronenmessing hat eine Bewertung von 30, neigt jedoch zur Bildung von Spänen und erfordert einen geringeren Vorschub, um Verstopfungen zu vermeiden.

Extrusion ist ein gängiges Fertigungsverfahren für Messingprofile wie Stangen, Profile, Rohre und komplexe Profile. Alpha-Beta-Messing (C36000, C46400) weist aufgrund des amorphen Fließverhaltens der Beta-Phase oberhalb von 700 °C eine gute Extrusionsfähigkeit auf. Die Extrusion von Gussprofilen kann mit Stempel oder Extrusionspresse bei Geschwindigkeiten von 10 bis 30 Metern pro Minute erfolgen, wobei die Größe der Profile von der Legierung, der Profilstruktur und der Profilgröße abhängt. Doppelschneckenextrudersysteme Entwickelt für die Bearbeitung von Messinggriffen bei vergleichbaren Drehzahlen.

Laserschneiden von Messing

Messing reflektiert Licht bei der von CO₂-Lasern genutzten Wellenlänge von 10.6 μm. Das Risiko von Rückreflexionen ist hoch, und der Laserresonator kann beschädigt werden. Faserlaser, die bei 1.06 μm arbeiten, absorbieren Licht in Messing deutlich effizienter und sind daher zum Standard in der Messingproduktion und -verarbeitung geworden. Stickstoff-Hilfsgase verhindern die Bildung von Oxiden an Schnittkanten beim Messingguss und der Blechbearbeitung. Die folgende Tabelle zeigt die verfügbaren Laserleistungsbereiche zur Herstellung verschiedener Blechdicken gemäß B36/B36M.

Laserbeschriftung und -gravur

Lasermarkierungs- und Schneidsysteme Mit 30–60 W starken Faserlasern lassen sich Messingplatten effektiv gravieren. Seriennummern, Logos und Datamatrix-Codes können damit deutlich schneller und einfacher als mit herkömmlichen Druckverfahren hergestellt werden, ohne dass die Substratqualität beeinträchtigt wird. Ausrüstung für die Faserlasergravur hängt davon ab, ob die Teile eine einheitliche Form haben, bei der Produktion gemischt werden oder in großen Mengen anfallen. Steuerung der Lasermarkierungstiefe auf MessingDie allgemeine Spanne liegt zwischen 0.01 mm für Oberflächenglühspuren und 0.5 mm für Tiefengravuren bei langsameren Lasergeschwindigkeiten.

Häufig gestellte Fragen zu Messing