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Aluminiumgusslegierung hoher Festigkeit
Es sind bisher eine ganze Reihe Aluminiumgusslegierungen bekannt, bei denen hohe Festigkeit erreichbar ist. Unter hoher Festigkeit soll im folgenden eine Zugfestigkeit von etwa 30 kp/mm2 und eine Brinellhärte von etwa 100 verstanden werden.
Gemäss der Norm (DIN 1725, Vorschlag März 1957, Zeitschrift Aluminium" (Düsseldorf, April 1957) Nr. 4, Seite 274-277) haben bekannte Aluminiumgusslegierungen hoher Festigkeit folgende Zusammensetzungen und Festigkeitseigenschaften in Kokillenguss.
EMI1.1
<tb>
<tb>
Kurzzeichen <SEP> Hauptlegierungs-Zustand <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Härte
<tb> bestandteile <SEP> ausser <SEP> kp/mm2 <SEP> HB
<tb> Aluminium, <SEP> Gew.-% <SEP> kp/mm2
<tb> G-AlSil0Mg <SEP> si <SEP> 9-11 <SEP> unbehandelt <SEP> 20-26 <SEP> 65-85 <SEP>
<tb> Mg <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 4 <SEP> ausgehärtet <SEP> 24-32 <SEP> 85-115 <SEP>
<tb> G-AlSi5Mg <SEP> Si <SEP> 4, <SEP> 5-6 <SEP> unbehandelt <SEP> 16-20 <SEP> 60-75 <SEP>
<tb> Mg <SEP> 0, <SEP> 5-0, <SEP> 8 <SEP> ausgehärtet <SEP> 26-30 <SEP> 90-110 <SEP>
<tb> G-AlSi5Cul <SEP> Si <SEP> 5-6 <SEP> unbehandelt <SEP> 18-23 <SEP> 70-85 <SEP>
<tb> Cu <SEP> 1-1,5 <SEP> ausgehärtet <SEP> 23 <SEP> - <SEP> 30 <SEP> 85 <SEP> -115
<tb> Mg <SEP> 0, <SEP> 3-0, <SEP> 6 <SEP>
<tb> G-AlMg3 <SEP> Mg <SEP> 2-4 <SEP> unbehandelt <SEP> 15-20 <SEP> 50-60 <SEP>
<tb> Si <SEP> 0-1,
<SEP> 3 <SEP> ausgehärtet <SEP> 22-33 <SEP> 65-90 <SEP>
<tb> G-AlMgl0 <SEP> Mg <SEP> 9-11 <SEP> Sandguss,
<tb> homogenisie-25-32 <SEP> 80-90 <SEP>
<tb> rungsgeglüht
<tb> Für <SEP> Kokillenguss <SEP> kerne <SEP> Angaben, <SEP> da <SEP> nur
<tb> sehr <SEP> beschränkt <SEP> geeignet.
<tb>
G-AlCu4Ti <SEP> Cu <SEP> 4-5 <SEP> unbehandelt <SEP> keine <SEP> Angaben
<tb> Ti <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3 <SEP> ausgehärtet <SEP> 33 <SEP> - <SEP> 40 <SEP> 95 <SEP> -110
<tb> G-AlCu4TiMg <SEP> Cu <SEP> 4-5 <SEP> unbehandelt <SEP> keine <SEP> Angaben
<tb> Mg <SEP> 0,15-0,30 <SEP> ausgehärtet <SEP> 33 <SEP> - <SEP> 42 <SEP> 100 <SEP> -120
<tb> Ti <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3 <SEP>
<tb>
Ausserdem gibt es noch eine Aluminiumgusslegierung, die in der Norm nicht enthalten ist, trotzdem aber ausgedehnte Verwendung in der Industrie findet. Nachstehend werden die wich- tigsten Daten angeführt.
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<tb>
<tb>
Kurzzeichen <SEP> Hauptleigierungs- <SEP> Zustand <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Härte
<tb> bestandteile <SEP> ausser <SEP> kp/mm2 <SEP> HB
<tb> Aluminium, <SEP> Gew.-/o <SEP> kp/mm <SEP>
<tb> G-AlZn5Mgl <SEP> Zn <SEP> 4, <SEP> 5-6 <SEP> Kokillenguss <SEP>
<tb> Mg <SEP> 0,5-1,2 <SEP> unbehandelt <SEP> 26 <SEP> - <SEP> 30 <SEP> 60 <SEP> - <SEP> 90
<tb> nach <SEP> 30 <SEP> Tagen
<tb> Lagerung.
<tb>
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Man erkennt aus diesem Überblick, dass die Legierungen der Norm die eingangs definierte hohe Festigkeit nach einer als Aushärtung bezeichneten Wärmebehandlung erreichen. Prinzipiell besteht diese Aushärtung in einer Wärme- behandlung'bei 480-5300 C während mindestens drei Stunden mit anschliessendem Abschrecken in Wasser und einer nachfolgenden Warmauslagerung bei 150-170 C während 10-16 Stunden.
Diese Wärmebehandlung macht in der Industrie eigene Anlagen erforderlich. Die Kosten der Aushärtung betragen mindestens 15 /o vom Preis des Metalles. Ohne Aushärtung haben diese Legierungen jedoch eine wesentlich niedrigere Festigkeit.
Die zuletzt genannte Legierung G-AlZn5Mgl erreicht auch schon hohe Festigkeitswerte im Gusszustand nach einer Auslagerung bei Raumtemperatur während etwa 30 Tagen, ein Vorgang, den man als Selbstaushärtung bezeichnet.
Allerdings bereitet diese Legierung beim Giessen in Kokille erhebliche Schwierigkeiten wegen ihrer Neigung zu Warmrissen.
Für schwierigen Kokillenguss von Gussstücken mit komplizierten und verwickelten Formen ist mit Abstand vor den andern vor allem. die zuerst genannte Legierung G-AISi10Mg giesstechnisch geeignet, wobei aber ausser der notwendigen künstlichen Aushärtung noch der Nachteil einer mangelhaft spanabhebenden Bearbeitbarkeit
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schwer giessbar.
Es besteht somit der technische Bedarf an einer Aluminiumlegierung, die ebenso gut giessfähig ist wie G-AISi10Mg und hohe Festigkeitswerte gemäss oben angeführter Definition ohne künstliche Aushärtung erreicht. Dieses Problem wurde durch die nachstehend beschriebene Erfindung gelöst.
Es wurde versucht, die vorzügliche selbstaushärtende Eigenschaft der Legierung G-AlZn5Mgl mit der vorzüglichen Giessfähigkeit der Legierung G-AISi10Mg zu kombinieren. Die Festigkeitseigenschaften wurden an gesondert gegossenen Kokillen-Zerreissstäben gemessen. Die Giessfähigkeit wurde in üblicher Weise nach der Auslauflänge einer in Formmasken abgegossenen Giessspirale und hernach an Hand praktischer Giessversuche beurteilt.
Zunächst wurde festgestellt, dass eine Zugabe von Silizium zu der Legierung G-AIZn5Mg1 die Folge hat, dass die Selbstaushärtung unterdrückt wird, die Dehnung sinkt und Legierungen ent-
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gen Legierungen ohne Zink. Die Giessfähigkeit wurde durch Zink nicht beeinträchtigt und lag etwas höher als bei einer Legierung ohne Zink.
Erfindungsgemäss wurde nun festgestellt, dass hohe Festigkeiten nach einer leichten Selbstaus- härtung ohne jegliche Wärmebehandlung erreichbar sind, wenn der Zinkgehalt in siliziumhältigen Aluminiumlegierungen 8-9 Gew.- /o überschreitet. Durch systematische Versuche über den Einfluss einzelner Legierungsbestandteile wurden schliesslich folgende optimalen Zusammensetzungen gefunden.
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ausser Aluminium
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<tb>
<tb> Silizium <SEP> 6-12"/o
<tb> Zink <SEP> 8--14 <SEP> 0/o <SEP>
<tb> Magnesium <SEP> 0, <SEP> 3- <SEP> 1, <SEP> 2"/ & <SEP>
<tb>
Alle übrigen Beimengungen bzw.
Verunreinigungen liegen in etwa den gleichen Grenzen, wie
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und erlaubt sind, entsprechend den folgenden Angaben :
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<tb>
<tb> Eisen <SEP> bis <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> Gew.-%
<tb> Nickel <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> " <SEP>
<tb> Blei <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP>
<tb> Mangan <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> "
<tb> Titan <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 2
<tb> Zinn <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> " <SEP>
<tb>
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bis zu 2 Gew.- < '/oeigenschaften verbessert. Das gleiche gilt von kleinen Zusätzen von Chrom in der Grössenordnung bis 0, 3 Gew. -ofIJ, die gleichzeitig stabilisierend bei spannungskorrosionsfördernden Einflüssen wirken.
Derartige Legierungen geben bei Kokillenguss nach einer Auslagerung von etwa 8 Tagen bei Raumtemperatur ohne jegliche Wärmebehandlung, gemessen an gesondert gegossenen Kokillenstäben, folgende Festigkeitswerte.
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<tb>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> Brinellhärte
<tb> kp/mm2 <SEP> d5O/0 <SEP> HB <SEP> 10/2, <SEP> 5 <SEP>
<tb> kp/mm2
<tb> 27-35 <SEP> 1, <SEP> 5-3, <SEP> 5 <SEP> 100-130 <SEP>
<tb>
Die Giessfähigkeit, gemessen an der Auslauflänge von Giessspiralen und beurteilt an Probeabgüssen in Kokille, ist etwa gleich der der Legierung G-AlSilOMg. Werte für die Spirallängen werden bei untenstehenden Beispielen angeführt.
Diese Legierungsgattung ist obendrein dadurch ausgezeichnet, dass sie schmelztechnisch sehr unempfindlich ist und dichte Abgüsse liefert. Mitunter ist es günstig, zum Zwecke der Kornfeinung des Siliziums die Schmelze vor dem Giessen mit natriumspendenden Mitteln zu behandeln.
Le-
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ein weiterer Vorteil gegenüber der Legierung G-AlSil0Mg besteht.
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Beispiele :
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<tb>
<tb> Nr. <SEP> Hauptlegierungsbestandteile <SEP> Gew.-e/o <SEP> Festigkeitseigenschaften
<tb> 8 <SEP> Tage <SEP> nach <SEP> dem <SEP> Guss
<tb> Zugfestig-Dehnung <SEP> Härte <SEP> Spiralkeit <SEP> kp/mm2 <SEP> d5O/0 <SEP> RB <SEP> länge
<tb> kp/mm2 <SEP> cm
<tb> 1 <SEP> Si=7, <SEP> 07 <SEP> ; <SEP> Zn=10, <SEP> 5 <SEP> ; <SEP> Mg=0, <SEP> 59 <SEP> 30, <SEP> 3 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 117 <SEP> 123, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 2 <SEP> Si=8,00; <SEP> Zn=9,99; <SEP> Mg=0,61 <SEP> 30,6 <SEP> 2,2 <SEP> 115 <SEP> 128, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 3 <SEP> Si=6,55; <SEP> Zn=9,90; <SEP> Mg=0,58 <SEP> 29,1 <SEP> 2,7 <SEP> 100 <SEP> n. <SEP> b.
<tb>
4 <SEP> Si=6, <SEP> 75 <SEP> ; <SEP> Zn=14, <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> Mg=0, <SEP> 62 <SEP> 31, <SEP> 4 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 128 <SEP> 127, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 5 <SEP> Si=7, <SEP> 04 <SEP> ; <SEP> Zn=10, <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> Mg=0, <SEP> 59 <SEP> ; <SEP> Cu=0, <SEP> 48 <SEP> 33, <SEP> 2 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 120 <SEP> 135, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 6 <SEP> Si=11,0; <SEP> Zn=9,89; <SEP> Mg=0,60 <SEP> 31,0 <SEP> 2,0 <SEP> 112 <SEP> 138, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 7 <SEP> Si=8,50; <SEP> Zn=10,4; <SEP> Mg=0,55; <SEP> Cu=0,10 <SEP> 32,8 <SEP> 3,1 <SEP> 125 <SEP> n. <SEP> ib.
<tb>
Vergleichsweise werden die unter genau gleichen Bedingungen ebenfalls bei 720 C bei bekannten Legierungen erhaltenen Giessspirallängen angegeben.
Bezeichnung und Zusammensetzung Spirallänge cm
G-AlSi10Mg (10, 1% Si; 0,5% Mg) 124, 0
G-AlSi7Mg (7% Si; 0,6% Mg) 111, 0
G-AlSi6Cu3 (6,36% Si; 2,9% Cu) 115, 0
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochfeste und gut giessbare Aluminiumguss- legierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 6-12 Gew.-% Silizium, 8-14 Gew.-% Zink, 0, 3-1, 2Gew.-"/o Magnesium, Rest Aluminium und die üblichen Verunreinigungen, besteht.
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High strength cast aluminum alloy
A whole series of cast aluminum alloys are known so far in which high strength can be achieved. In the following, high strength should be understood to mean a tensile strength of around 30 kp / mm2 and a Brinell hardness of around 100.
According to the standard (DIN 1725, proposal March 1957, Journal Aluminum "(Düsseldorf, April 1957) No. 4, pages 274-277), known high-strength cast aluminum alloys have the following compositions and strength properties in chill casting.
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<tb>
<tb>
Abbreviation <SEP> main alloy state <SEP> tensile strength <SEP> hardness
<tb> components <SEP> except <SEP> kp / mm2 <SEP> HB
<tb> aluminum, <SEP>% by weight <SEP> kp / mm2
<tb> G-AlSil0Mg <SEP> si <SEP> 9-11 <SEP> untreated <SEP> 20-26 <SEP> 65-85 <SEP>
<tb> Mg <SEP> 0, <SEP> 2-0, <SEP> 4 <SEP> hardened <SEP> 24-32 <SEP> 85-115 <SEP>
<tb> G-AlSi5Mg <SEP> Si <SEP> 4, <SEP> 5-6 <SEP> untreated <SEP> 16-20 <SEP> 60-75 <SEP>
<tb> Mg <SEP> 0, <SEP> 5-0, <SEP> 8 <SEP> hardened <SEP> 26-30 <SEP> 90-110 <SEP>
<tb> G-AlSi5Cul <SEP> Si <SEP> 5-6 <SEP> untreated <SEP> 18-23 <SEP> 70-85 <SEP>
<tb> Cu <SEP> 1-1.5 <SEP> hardened <SEP> 23 <SEP> - <SEP> 30 <SEP> 85 <SEP> -115
<tb> Mg <SEP> 0, <SEP> 3-0, <SEP> 6 <SEP>
<tb> G-AlMg3 <SEP> Mg <SEP> 2-4 <SEP> untreated <SEP> 15-20 <SEP> 50-60 <SEP>
<tb> Si <SEP> 0-1,
<SEP> 3 <SEP> hardened <SEP> 22-33 <SEP> 65-90 <SEP>
<tb> G-AlMgl0 <SEP> Mg <SEP> 9-11 <SEP> sand casting,
<tb> homogenisie-25-32 <SEP> 80-90 <SEP>
<tb> annealed
<tb> For <SEP> permanent mold casting <SEP> cores <SEP> information, <SEP> because <SEP> only
<tb> very suitable <SEP> to a limited extent <SEP>.
<tb>
G-AlCu4Ti <SEP> Cu <SEP> 4-5 <SEP> untreated <SEP> no <SEP> information
<tb> Ti <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3 <SEP> hardened <SEP> 33 <SEP> - <SEP> 40 <SEP> 95 <SEP> -110
<tb> G-AlCu4TiMg <SEP> Cu <SEP> 4-5 <SEP> untreated <SEP> no <SEP> information
<tb> Mg <SEP> 0.15-0.30 <SEP> hardened <SEP> 33 <SEP> - <SEP> 42 <SEP> 100 <SEP> -120
<tb> Ti <SEP> 0, <SEP> 1-0, <SEP> 3 <SEP>
<tb>
There is also a cast aluminum alloy that is not included in the standard, but is still widely used in industry. The most important dates are given below.
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<tb>
<tb>
Abbreviation <SEP> main alloy <SEP> condition <SEP> tensile strength <SEP> hardness
<tb> components <SEP> except <SEP> kp / mm2 <SEP> HB
<tb> aluminum, <SEP> wt .- / o <SEP> kp / mm <SEP>
<tb> G-AlZn5Mgl <SEP> Zn <SEP> 4, <SEP> 5-6 <SEP> Chill casting <SEP>
<tb> Mg <SEP> 0.5-1.2 <SEP> untreated <SEP> 26 <SEP> - <SEP> 30 <SEP> 60 <SEP> - <SEP> 90
<tb> after <SEP> 30 <SEP> days
<tb> storage.
<tb>
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It can be seen from this overview that the alloys of the standard achieve the high strength defined at the beginning after a heat treatment called hardening. In principle, this hardening consists of a heat treatment at 480-5300 ° C. for at least three hours with subsequent quenching in water and subsequent artificial aging at 150-170 ° C. for 10-16 hours.
This heat treatment requires the industry to have its own systems. The cost of hardening is at least 15 / o of the price of the metal. Without age hardening, however, these alloys have a significantly lower strength.
The last-mentioned alloy G-AlZn5Mgl already achieves high strength values in the as-cast state after aging at room temperature for about 30 days, a process known as self-hardening.
However, this alloy causes considerable difficulties when it is cast in a permanent mold because of its tendency to hot cracks.
For difficult permanent mold casting of castings with complicated and intricate shapes, it is by far above the others. the first-mentioned alloy G-AISi10Mg is suitable for casting, but apart from the necessary artificial hardening, it also has the disadvantage of inadequate machinability
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difficult to pour.
There is therefore a technical need for an aluminum alloy that can be cast just as well as G-AISi10Mg and achieves high strength values according to the definition given above without artificial hardening. This problem has been solved by the invention described below.
Attempts were made to combine the excellent self-hardening properties of the alloy G-AlZn5Mgl with the excellent castability of the alloy G-AISi10Mg. The strength properties were measured on separately cast chill tensile bars. The pourability was assessed in the usual way according to the outlet length of a pouring spiral poured into molded masks and then on the basis of practical pouring tests.
First of all, it was found that adding silicon to the alloy G-AIZn5Mg1 has the consequence that self-hardening is suppressed, the elongation decreases and alloys are reduced.
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gen alloys without zinc. The castability was not impaired by zinc and was somewhat higher than that of an alloy without zinc.
According to the invention it has now been found that high strengths can be achieved after slight self-hardening without any heat treatment if the zinc content in silicon-containing aluminum alloys exceeds 8-9% by weight. Through systematic tests on the influence of individual alloy components, the following optimal compositions were finally found.
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except aluminum
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<tb>
<tb> silicon <SEP> 6-12 "/ o
<tb> zinc <SEP> 8--14 <SEP> 0 / o <SEP>
<tb> Magnesium <SEP> 0, <SEP> 3- <SEP> 1, <SEP> 2 "/ & <SEP>
<tb>
All other admixtures or
Impurities are in about the same limits as
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and are allowed according to the following information:
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<tb>
<tb> Iron <SEP> to <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP>% by weight
<tb> Nickel <SEP> to <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> "<SEP>
<tb> lead <SEP> to <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP>
<tb> Manganese <SEP> to <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> "
<tb> Titan <SEP> to <SEP> 0, <SEP> 2
<tb> tin <SEP> to <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> "<SEP>
<tb>
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Up to 2% by weight properties improved. The same applies to small additions of chromium in the order of magnitude of up to 0.3% by weight, which at the same time have a stabilizing effect on stress corrosion-promoting influences.
In chill casting, alloys of this type give the following strength values after aging for about 8 days at room temperature without any heat treatment, measured on separately cast chill bars.
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<tb>
<tb> tensile strength <SEP> elongation <SEP> Brinell hardness
<tb> kp / mm2 <SEP> d5O / 0 <SEP> HB <SEP> 10/2, <SEP> 5 <SEP>
<tb> kp / mm2
<tb> 27-35 <SEP> 1, <SEP> 5-3, <SEP> 5 <SEP> 100-130 <SEP>
<tb>
The pourability, measured by the outlet length of pouring spirals and assessed on test casts in a permanent mold, is roughly the same as that of the alloy G-AlSilOMg. Values for the spiral lengths are given in the examples below.
This type of alloy is also distinguished by the fact that it is very insensitive to the melting process and provides tight castings. Sometimes it is beneficial to treat the melt with sodium-donating agents before casting in order to refine the grain of the silicon.
Le-
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there is another advantage over the alloy G-AlSil0Mg.
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Examples:
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<tb>
<tb> No. <SEP> main alloy components <SEP> weight e / o <SEP> strength properties
<tb> 8 <SEP> days <SEP> after <SEP> the <SEP> casting
<tb> tensile strength-elongation <SEP> hardness <SEP> spiral <SEP> kp / mm2 <SEP> d5O / 0 <SEP> RB <SEP> length
<tb> kp / mm2 <SEP> cm
<tb> 1 <SEP> Si = 7, <SEP> 07 <SEP>; <SEP> Zn = 10, <SEP> 5 <SEP>; <SEP> Mg = 0, <SEP> 59 <SEP> 30, <SEP> 3 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 117 <SEP> 123, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 2 <SEP> Si = 8.00; <SEP> Zn = 9.99; <SEP> Mg = 0.61 <SEP> 30.6 <SEP> 2.2 <SEP> 115 <SEP> 128, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 3 <SEP> Si = 6.55; <SEP> Zn = 9.90; <SEP> Mg = 0.58 <SEP> 29.1 <SEP> 2.7 <SEP> 100 <SEP> n. <SEP> b.
<tb>
4 <SEP> Si = 6, <SEP> 75 <SEP>; <SEP> Zn = 14, <SEP> 0 <SEP>; <SEP> Mg = 0, <SEP> 62 <SEP> 31, <SEP> 4 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 128 <SEP> 127, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 5 <SEP> Si = 7, <SEP> 04 <SEP>; <SEP> Zn = 10, <SEP> 0 <SEP>; <SEP> Mg = 0, <SEP> 59 <SEP>; <SEP> Cu = 0, <SEP> 48 <SEP> 33, <SEP> 2 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 120 <SEP> 135, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 6 <SEP> Si = 11.0; <SEP> Zn = 9.89; <SEP> Mg = 0.60 <SEP> 31.0 <SEP> 2.0 <SEP> 112 <SEP> 138, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 7 <SEP> Si = 8.50; <SEP> Zn = 10.4; <SEP> Mg = 0.55; <SEP> Cu = 0.10 <SEP> 32.8 <SEP> 3.1 <SEP> 125 <SEP> n. <SEP> ib.
<tb>
For comparison, the casting spiral lengths obtained under exactly the same conditions at 720 ° C. for known alloys are given.
Designation and composition spiral length cm
G-AlSi10Mg (10.1% Si; 0.5% Mg) 124.0
G-AlSi7Mg (7% Si; 0.6% Mg) 111.0
G-AlSi6Cu3 (6.36% Si; 2.9% Cu) 115.0
PATENT CLAIMS:
1. High-strength and easily cast aluminum casting alloy, characterized in that it consists of 6-12% by weight silicon, 8-14% by weight zinc, 0.3-1.2% by weight magnesium, the remainder being aluminum and the usual impurities.