DE1215375B - Zinklegierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Zinklegierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE1215375B
DE1215375B DEA42839A DEA0042839A DE1215375B DE 1215375 B DE1215375 B DE 1215375B DE A42839 A DEA42839 A DE A42839A DE A0042839 A DEA0042839 A DE A0042839A DE 1215375 B DE1215375 B DE 1215375B
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DE
Germany
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alloy
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zinc
creep
chromium
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DEA42839A
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Matti Johannes Saarivirta
Pierre William Taubenblat
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Cyprus Amax Minerals Co
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American Metal Climax Inc
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C18/00Alloys based on zinc
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
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    • C22C18/02Alloys based on zinc with copper as the next major constituent

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  • Metallurgy (AREA)
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Description

  • Zinklegierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft Zinklegierungen und ein Verfahren zu deren Herstellung. Sie befaßt sich mit Zinklegierungen, die verhältnismäßig kleine Mengen Kupfer, Titan und Magnesium sowie Chrom enthalten. Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen in verarbeiteter Form (Hämmern, Schmieden u. dgl.) außer anderen erwünschten Eigenschaften verbesserte Zugfestigkeit und hohe Zeitstandfestigkeit, so daß sich das Material insbesondere in Form von gewalzten Bändern, Blechen oder Platten für die verschiedensten Zwecke, wie für Bauzwecke; z. B. zur Herstellung von Dachrinnen, Abfallrohren, Dachbedeckungen, Wandverkleidungen, Schutzblechen, Wellblechen u. dgl., eignet. Die Legierungen können aber auch für andere Zwecke, für die Metallbleche verwendet werden, benutzt werden oder auch zur Herstellung gepreßter oder gezogener Produkte, wie von Rohren, Stäben, Bändern, Draht, rostfreien Nägeln u. dgl.
  • In den vergangenen Jahren ist vielfach versucht worden, die verschiedenen Eigenschaften der Zinklegierungen zu verbessern und insbesondere deren Festigkeit zu erhöhen und ihre Kriechfestigkeit zu verbessern, ohne die erwünschten Verarbeitungseigenschaften des Werkstoffs zu beeinträchtigen. Obgleich in der Verbesserung der Eigenschaften auch wesentliche Fortschritte erzielt wurden und in verschiedenen Zinklegierungen einzelne oder mehrere Eigenschaften nunmehr als gut oder sogar sehr gut bezeichnet werden können, so hat es sich als außerordentlich schwierig erwiesen, die unzulänglichen Eigenschaften in bezug auf Kriech- und Zeitstandfestigkeit, die praktisch allen bisher bekannten Zinklegierungen eigen sind, zu verbessern. Soweit bekannt, konnte bisher noch keine Zinklegierung hergestellt werden, die außer guter Zugfestigkeit, Härte und ausreichender Biegsamkeit auch eine so hohe Zeitstandfestigkeit aufweist, daß sie eine statische Belastung von beispielsweise etwa 18,00 kg/mm2 auch nur 20 Stunden ohne Bruch aushält.
  • Die Erfindung bezweckt daher, Zinklegierungen zu schaffen, die in verarbeiteter Form höhere Zug- und Zeitstandfestigkeiten besitzen als die bisher bekannten Zinklegierungen sowie auch ausreichende Biegsamkeit und andere erwünschte Eigenschaften, so daß sie für viele Zwecke Verwendung finden können.
  • Die Erfindung bezweckt ferner, Zinklegierungen zu schaffen, die bei Zimmertemperatur und mäßig erhöhten Temperaturen eine wesentlich verbesserte Kriechfestigkeit besitzen.
  • Die Erfindung bezweckt ferner, Zinklegierungen zu schaffen, die in verarbeiteter Form eine bessere Kombination von Zugfestigkeit, Härte, Dehnung und Kriechfestigkeit aufweisen, als sie bisher bei Zinklegierungen erzielt werden konnte.
  • Endlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Zinklegierungen, die leicht zu gewalzten Bändern oder Blechen und Platten verarbeitet werden können und wesentlich bessere Festigkeit, Stabilität und Korrosionsfestigkeit besitzen.
  • Erfindungsgemäß bestehen die Zinklegierungen aus 0,5 bis 2 Gewichtsprozent Kupfer, 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Titan, 0,03 bis 0,2 Gewichtsprozent Magnesium, Rest Zink. Obgleich die quaternären Legierungen obiger Zusammensetzung außer anderen erwünschten Eigenschaften wesentlich verbesserte Kriech- und Zeitstandfestigkeiten aufweisen, so hat es sich doch als sehr vorteilhaft erwiesen, der Legierung noch 0,005 bis 0,2 Gewichtsprozent Chrom zuzusetzen, wodurch quinäre Legierungen erhalten werden, die eine noch bessere Kriech- und Zeitstandfestigkeit besitzen, ohne daß die anderen erwünschten Eigenschaften beeinträchtigt werden: Der bevorzugte Bereich für die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Zinklegierungen beträgt 0,8 bis 1,2 Gewichtsprozent Kupfer, 0,15 bis 0,25 Gewichtsprozent Titan, 0,04 bis 0,08 Gewichtsprozent Magnesium, gegebenenfalls 0,03 bis 0;06 Gewichtsprozent. Chrom, während der Rest aus Zink hoher Reinheit besteht. Die bevorzugte Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung besteht aus 1 Gewichtsprozent Kupfer, 0,2 Gewichtsprozent Titan und 0,06 Gewichtsprozent Magnesium, gegebenenfalls zusätzlich noch 0,05 Gewichtsprozent Chrom, Rest sehr reines Zink.
  • Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäß hergestellten Zinklegierungen gute mechanische Verarbeitungseigenschaften und wesentlich verbesserte Kriech-und Zeitstandfestigkeiten aufweisen. Beispielsweise ergaben Versuche, die mit Legierungsproben unter Anwendung üblicher Prüfverfahren durchgeführt wurden, -daß die quaternäre Zn-Cu-Ti-Mg-Legierung eine statische Belastung bis zu etwa 18,20 kg/mm2 mehr als 70 Stunden ohne Bruch aushielt. Bei Zugabe von Chrom wurde die Bruchzeit unter der gleichen Belastung auf über 240 Stunden verlängert. Die Zeitstandfestigkeitswerte sind den bei anderen bekannten Zinklegierungen erzielbaren Werten wesentlich überlegen. Durch die Zugabe von Chrom wird- auch die Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen Zinklegierungen wesentlich verbessert, d. h., die chromhaltige Legierung besitzt eine noch bessere Kriechfestigkeit als die quatemäre Legierung.
  • Die Legierung der gewünschten Zusammensetzung wird zweckmäßig hergestellt, indem vorzugsweise Zink hoher Reinheit mit Kupfer zusammengeschmolzen wird;, wobei letzteres gegebenenfalls auch in Form einer Zink-Kupfer-Vorlegierung zugegeben werden kann. Wenn die Schmelze eine Temperatur von etwa 500°C erreicht hat, wird die erwünschte Menge Magnesium zugegeben, worauf die Temperatur der Schmelze auf etwa 750°C erhöht und dann das Titan zweckmäßigerweise als ScbwammetR11 zugesetzt wird. Die wahlweise Zugabe von Chrom kann mit der Titanzugabe erfolgen, wobei vorzugsweise das Chrom in Form einer Kupfer-Chrom-Vorlegierung zugesetzt und hierbei das mit eingesetzte Kupfer in Anrechnung zu bringen ist. Die Schmelze wird dann gegebenenfalls unter gelegentlichem Umrühren 10 bis 20 Minuten auf etwa 750°C gehalten, worauf die Legierung in geeignete Formen gegossen wird. Die Herstellung der quaternären oder der chromhaltigen quinären Legierungen macht keinerlei Schwierigkeiten, wenn das oben beschriebene Legierungsverfahren abgewendet wird; die Verwendung der obengenannten Vor-Legierungen oder die Einhaltung der erwähnten Legierungsfolge ist jedoch ohne Bedeutung, und die verschiedenen Legierungsbestandteile können auch auf andere Weise, und zwar als elementare Metalle oder in Form anderer geeigneter Vorlegierungen; zugesetzt werden. Vorzugsweise wird das Legieren unter einer schützenden Atmosphäre von Argon oder eines anderen geeigneten inerten Gases durchgeführt.
  • Das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen verwendete Zink soll wenigstens eine 99,9o/oige Reinheit besitzen. Die Verwendung der handelsüblichen hochwertigen Zinksorten führt zu vollständig befriedigenden Ergebnissen.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen können sowohl kalt als auch: warm verarbeitet werden. Sie können z. B. durch Walzen warm bei Temperaturen des Werkstoffes von etwa 160 bis 250°C verarbeitet werden, wobei bei einer Temperatur des Werkstoffes von etwa 200°C sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Zur Herstellung von Blechen u. dgl. wird die vorerhitzte Legierung vorzugsweise in einer entsprechenden Anzahl von Durchgängen warm ausgewalzt, das warmgewalzte Material bei Temperaturen von 150 bis 325°C, vorzugsweise 200 bis 300°C, etwa 1 Stunde einer Wärmebehandlung unterworfen und dann bis zur gewünschten Dicke kalt gewalzt, wobei gegebenenfalls Wärmebehandlungen zwischengesellaltet werden können, Für ,gewisse Verwendungszwecke der Legierung kann das Material nach, dem Warmwalzen auch ohne zwischenzeitliche Wärmebehandlung kalt gewalzt werden.
  • Wird.. die Legierung während der Warm- und Kaltwalzstufen Längs, und Querwalzungen unterworfen, so wird die Gefügeausrichtung herabgesetzt, so daß das Material ohne Bruch in scharfen Winkeln gebogen und gefaltet werden kann. Durch eine Wärmebehandlung bei Temperaturen von etwa 200°C vor der abschließenden Kaltwalzung werden die Falt-und Biegeeigenschaften der Legierung weiter verbessert. Das Material kann leicht bis zu Dickenverminderung von 75 °/o oder-sogar mehr kalt gewalzt werden. Es hat sich gezeigt, däß -eine- abschließende Dickenverminderung von wenigstens 30 p/o durch Kaltverformung zu einer Verbesserung verschiedener Eigenschaften: der Legierung führt. Im kaltverformten Zustand besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen außer den obengenannten überlegenen Festigkeits- und Kriechfestigkeitseigenschaften nicht nur eine gute Verformbarkeit, sondern auch eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit.
  • Zur Veranschaulichung der hervorragenden Kombination von Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen wird auf Tabelle I verwiesen, in der ver, sehiedene Eigenschaften einer erfindungsgemäßen quaternären (I) und quinären Legierung (J), die durch übliche Verfahren. ermittelt wurden, mit denen von: Zink und einigen anderen Zinklegierungen, die einen oder mehrere der in den erfindungsgemäßen Legierungen benutzten Bestandteile enthalten, verglichen: werden. Die Proben wurden alle aus 1,25 cm dicken Gußstücken hergestellt, die 1 Stunde auf 200°C vorerhitzt, warm bis zu einer Dicke von. 0,6 cm (50°/oige Reduzierung) ausgewalzt, 1. Stunde bei 300°C warm behandelt, kalt gewalzt (75°/oige Reduzierung), erneut 1 Stunde auf 300"C erhitzt und kalt bis zu einer endgültigen Dicke von etwa 1,0 mm (30°/oige Reduzierung) gewalzt wurden.
    Tabelle
    Dehnung . Zeitstandfestigkeit
    Zug- Streck- (Meß- Vickers- Elektrische
    Zusammensetzung festigkeit grenze länge Zeit bis zum Bruch Härte Leitfähigkeit
    5,0 cm) (Stunden)
    (kglmma) (kglmma) (°/o) 14,70 kg/mmz I18,20 kg/mm$ kg/mm$ (0/a IACS)
    (A) Reines Zn . . . . . . . . . . . . . . . . . 10,29 2,80 ' 33 0 0 35 30,8
    (B) Zn + 0;98 °/o Cu . . . . . . . . . . . . 21,28-
    7,70 32 - <l 86 29,8
    (Fortsetzung)
    Dehnung Zeitstandfestigkeit
    Zug- Streck- (Meß- Vickers- Elektrische
    Zusammensetzung festigkeit grenze länge Zeit bis zum Bruch Härte Leitfähigkeit
    5,0 cm) (Stunden)
    (kg/-ml) (kg/mm2) (°/o) 14,70 kg/mm2 118,20 kg/mm2 (kg/mm2) (°/ö) IACS)
    (C) Zn -I- 0,17°/o Ti .. .. . . . . . . . . . 12,60 3,85 48 - 0 54 29,6
    (D) Zn -I- 0,069 °/Q Mg . . . . . . . . . . . 30,10 - 2 - 6. 105 30,1
    (E) Zn -E- 0,98 0/0 Cu + 0,210/0 Ti 23,80 11,90 29 - <1 87 28,6
    (F) Zu + 1,0 0/0 Cu -I- 0,059 0/0 Mg 32,76 14,70 14 - 13 113 29,6
    (G) Zu -I- 0,18 0/0 Ti + 0,05 % Mg 29,82 13,30 17 - 1 104 28;8
    (11) Zn + 0,42l)/, Cu -I-- 0,15010 Ti 21,70 9,80 34 - <1 71 27,8
    0,005 0/0 Cr -f- 0,007 % Mn
    (I) Zn. -I- 0,96 °/0 Cu + 0,25 % Ti 39,48 16,10 14 - 380 76 131 28,5
    -I- 0,065 % Mg
    (J) Zn -f- 0,95 % Cu + 0,210/0 Ti 40,60 17,50 12 >1700 242 149 27,0
    -I- 0,07 0/0 Mg -h 0,05 0/0 Cr
    * Prüfversuch wurde zu dieser Zeit noch fortgesetzt.
    Die Werte der Tabelle I zeigen, daß die erfindungsgemäßen Legierungen (I) und (J) eine sehr erwünschte Kombination von Eigenschaften aufweisen, einschließlich hoher Zugfestigkeit, guter Streckgrenze und Härte und zufriedenstellender Dehnung. Die Überlegenheit dieser Legierungen in bezug auf ihre Zeitstandfestigkeit gegenüber anderen Zinklegierungen, die einen oder mehrere, jedoch nicht alle der erfindungsgemäßen Legierungsbestandteile enthalten, ist außergewöhnlich. Die bei Zimmertemperatur unter statischen Belastungen von 14,70 bzw. 18,20 kg/mm', durchgeführten Zeitstanclversuche zeigen, daß die erfindungsgemäßen quaternären und quinären Legierungen sich in den Zeitstandfestigkeiten von denen anderer Legierungen um solche Größenordnungen unterscheiden, daß die Überlegenheit dieser Legierungen hauptsächlich auf ihre Zusammensetzung und nicht auf die Art ihrer Behandlung zurückzuführen ist. Obgleich die erfindungsgemäßen Legierungen bereits in mechanisch verarbeitetem Zustand solche Eigenschaften aufweisen, daß sie leicht zu Metallprodukten weiterverarbeitet werden können, ohne daß das Auftreten von Rissen an den Kanten oder unerwünschte Brüchigkeiten zu befürchten sind, so kann doch die Biegsamkeit der quaternären und quinären Legierungen gegebenenfalls noch weiter verbessert werden, indem das Material nach der abschließenden Kaltverarbeitung etwa 1 Stunde leicht auf Temperaturen von 75 bis 125°C od. dgl., vorzugsweise auf etwa 100°C, erhitzt wird. Diese einfache Wärmebehandlung führt zu einer merklichen Verbesserung des Dehnungswertes der Legierungen, ohne daß der Wert für die Streckgrenze wesentlich herabgesetzt wird, wie es aus den Werten der Tabelle II hervorgeht.
    Tabelle II
    Zug- Streck- Dehnung Vckers- Elektrische
    Legierung Zustand Festigkeit grenze (MS Bern ge Härte Leitfähigkeit
    (kg/mm2) (kg/MM2) (°/o) (kg/mm2) (°/o IACS)
    Zn + 0,96 °/o Cu + 0,25 °/o Ti + kalt verformt 36;40 15,19 24 121 27
    0,065 °/o Mg
    desgl. wie oben und 29,40 13,30 34 108 26
    erhitzt auf
    100°C für
    1 Stunde
    Zn + 0,95 0/0 Cu -E- 0,210/0 Ti -f- kalt verformt 37,45 16,31 17 128 25
    0,07 0/0 Mg -E- 0,05 11/0 Cr
    desgl. wie oben und 30,80 14,70 38 121 25
    erhitzt auf
    100°C für
    1 Stunde
    Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen ferner wesentlich bessere Kriechfestigkeitseigenschaften als alle bisher bekannten Zinklegierungen. Die Zeichnung veranschaulicht eine halblogarithmische Darstellung der umgekehrten Kriechgeschwindigkeit, gemessen bei Zimmertemperatur und ausgedrückt in der Zahl der Tage, die benötigt wurden, um ein 1°/oiges Dehnen oder Kriechen der Prüfstreifen, die verschiedenen statischen Belastungen ausgesetzt wurden, zu erzielen. Die Probestücke der erfindungsgemäßen quaternären und quinären Legierungen der auf der Zeichnung angegebenen Zusammensetzung wurden hergestellt, indem 1,35 mm dickes Blech 1 Stunde bei 300°C geglüht und dann kalt zu einer Dicke von 0,97 mm (300/0ige Reduzierung) ausgewalzt wurde. Zu Vergleichszwecken wurde eine handelsübliche Zinklegierung herangezogen, deren Zusammensetzung ebenfalls auf der Zeichnung angegeben ist und die angeblich ebenfalls eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit besitzen soll. Auch diese Proben waren kalt verformt worden und 0,97 mm dick.
  • Aus den in der Zeichnung angegebenen reziproken Kriech- oder Dehngeschwindigkeitswerten geht hervor, daß die benutzten erfindungsgemäßen quatemären und quinären Legierungen wesentlich bessere Kriechwiderstandseigenschaften besitzen als die manganhaltige quinäre Zinklegierung. Es ist außerdem ersichtlich, daß durch Zugabe von Chrom zu der Magnesium enthaltenden quaternären Legierung die erzielte verbesserte Kriechfestigkeit der Zn-Cu-Ti-Mg-Legierung noch weiter verbessert wird. Die Auswertung der Kriech- oder Dehnwerte läßt erkennen, daß die erfindungsgemäße quinäre Legierung bei einer Belastung von 7,0 kg/mm2 erst nach mehr als ,10 Jahren eine 10/0ige. Dehnung zeigen würde.
  • Aus den obigen Ausführungen geht somit hervor @daß durch den Zusatz jeder der Legierungsbestandteile Kupfer, Titan und Magnesium in den genannten Mengen zu Zink eine Zinklegierung erhalten wird, die eine Kombination von Eigenschaften aufweist, durch die sie sich, besonders in geschmiedeter Form, ausgezeichnet für solche Verwendungszwecke eignet, bei denen gute mechanische Festigkeit und gute Kriechfestigkeit erwünscht sind. Durch weiteren Zusatz von Chrom werden diese ausgezeichneten Eigenschaften, nämlich die bei keinen Zinklegierungen bisher erzielte Zeitstandfestigkeit und hohe Kriechfestigkeit in Kombination mit verbesserter Härte, Zugfestigkeit und befriedigender Dehnbarkeit, noch weiter verbessert, so daß sich diese Legierungen noch besser für Anwendungszwecke eignen, bei denen die Zeitstandfestigkeit und die Kriechfestigkeit von besonderer Bedeutung sind.
  • Anstatt, wie vorstehend beschrieben, die erfindungsgemäßen Legierungen in Form von Blechen oder Platten zu verwenden, können sie mit Vorteil natürlich auch in anderer Form benutzt werden, wie z. B. in Form von Gußstücken, stranggepreßten Gegenständen, Stäben, Drähten, Rohren und auch als Metallpulver zur Verwendung in der Pulvermetallurgie.

Claims (7)

  1. Patentansprüche: 1. Zinklegierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und erhöhter Kriechfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,5 bis 2°/0 Kupfer, 0,1 bis 0,4°/o Titan, 0,03 bis 0,2°/o Magnesium, gegebenenfalls 0,005 bis 0,2°/0 Chrom, Rest Zink besonders sehr hoher Reinheit, bestehen.
  2. 2. Legierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,8 bis 1,20/0 Kupfer, 0,15 bis 0,25 0/0 Titan, 0,04 bis 0,08 0/0 Magnesium, gegebenenfalls 0,03 bis 0,060/0 Chrom, Rest Zink hoher Reinheit bestehen.
  3. 3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 10/0 Kupfer, 0,20/0 Titan, 0,06 0/0 Magnesium, Rest sehr reines Zink, besteht.
  4. 4. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,05 0/0 Chrom enthält.
  5. 5. Verwendung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zusammengesetzten Legierung zur Herstellung von geschmiedeten Teilen.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung der Legierung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile miteinander legierend erschmolzen und die erhaltene Legierung in eine Form gegossen, das Gußstück erhitzt und anschließend warm gewalzt, die warmgewalzte Legierung etwa 1 Stunde bei einer Temperatur von etwa 300°C geglüht und anschließend kalt auf die gewünschte Dicke ausgewalzt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geglühte und kaltgewalzte Legierung zusätzlich etwa 1 Stunde auf etwa 100'C erwärmt wird.
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