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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung bezweckt ferner, Zinklegierungen zu schaffen, die bei
Zimmertemperatur und mäßig erhöhten Temperaturen eine wesentlich verbesserte Kriechfestigkeit
besitzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.