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Die Erfindung betrifft eine ZinkguBlegierung, insbesondere ZinkdruckguBlegierung,
hoher Kaltzähig-
keit.
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Es ist bekannt, daB Zinklegierungen bei tieferen Temperaturen stark
versprüden. Als Maß der Zähigkeit dient die Schlagbiegezähigkeit; man vergleicht
z. B. die schlagbiegezähigkeit (mkg/em2) bei Raumtemperatur mit den Werten bei 0
und -20°C. Es ist weiter bekannt, daB die Kaltzähigkeit von Zinklegierungen mit
steigendem Aluminiumgehalt (10% Aluminium und mehr) zunimmt. Damit erhöhen sich
aber auch der Schmelzpunkt und die Gießtemperatursowie das Erstarrungsintervall.
Eine höhere Kaltzähigkeit durch höhere Aluminiumgehalte muB also durch die genannten,
für den Druckgußbetrieb unangenehmen Eigenschaften erkauft werden.
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Die im nachfolgenden geschilderten Untersuchungen beschränkten sich
daher auf Zinklegierungen auf Basis Feinzink 99,99 bis 99,995 mit Aluminiumgehalten
von 1 bis 10% bei Verwendung von Aluminium der Reinheit 99,5 bis 99,8%, Kupfergehalten
von 0,1 bis 5% unter Benutzung von Elektrolytkupfer und Magnesiumgehalten von mehr
als 0,005 bis zu 0,05% bei Verwendung eines Magnesiums der Reinheit 99,5%. Besonders
typisch hinsichtlich der folgenden Versuchsergebnisse verhielten sich Legierungen,
bestehend aus 3,5 bis 4,3% Aluminium, 0,6 bis 1% Kupfer, 0,02 bis 0,05%
Magnesium, Rest
Feinzink 99,995, im folgenden Z410 genannt, und Legierungen,
bestehend aus 1,7 bis 2,5% Aluminium, 0,8 bis 1,2010 Kupfer, 0,02 bis 0,05%
Magnesium, Rest Feinzink 99,995, im folgenden Z 210 genannt. In beiden
Fällen betrugen die Gehalte an -den Verunreinigungen Blei und
Cadmium weniger als 0,01101o, an Zinn weniger als 0,001% und an Eisen weniger
als 0,075%. Die Schlagbiegewerte wurden an Druckgußstäben
von 6,35 x 6,35 mm gemessen. Bei allen Reihenuntersuchungen mit
einer Vielzahl von Stäben fiel auf, daß die ermittelten Schlagbiegewer%
bei
allen Prüftemperaturen außerordentlich streuten, und zwar derart;
daß man auch bei tieferen Temperaturen oft gute, den praktischen Anforderungen
noch genügende Werte erhält.
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- Die Formfüllung beim DrackguB geht, wie ältere Untersuchungen gezeigt
haben, im Bruchteil einer Sekunde so vor sich, daß die emgodräckte Schmelze
zuerst verdöst wird und sich dann mit dem nachströmenden Metall wieder
zu einer rasch erstarrenden Schmelze vereinigt. Die Folge dieses Vorganges
ist eine dem Druckguß eigene Mi7croporosität, die
- wenn man
vom Vakuum-Druckguß absieht -durch die Oxydation der verdösten Schmelze
zusätzlich beeinflußt wird.
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Mit zunehmenden Oxydanteilen sinkt die Schlagbiegezähigkeit
des Gullstfickes; auch das Korrosionsverhalten wird ungünstiger.
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Es war
nun die Frage zu untersuchen,
ob die
Oxydation
der Schmelze
in der kurzen Zeit des Einspritzens
in die Form. verringert
werden kann.
An
sich ist es bekannt, daß man
die Krätaebddung
bei
Legerungen
auf der Basis Feinzink
von 99,99%,
vorzugsweise
99,995% Zin14 bestehend aus
0,1 bis
10% Aluminium; 0,05
bis 1% Kupfer
und 0,001
bis
0,1010 Beryllium, das ganz oder. teilweise durch Z'nkoniom und/oder
Hafnium ersetzt sein kann, dadurch vermeiden kann, daß
man die Legierung
praktisch
frei hält von Cadmium, Alkali-
und Erdalkalimerallen; insbesondere
Magnesium, ferner
Me-
tallen der Arsen-, Antimon- und Zinngruppe sowie der
Eisengruppe und Silizium, Phosphor, Kohlenstoff, Bor, wobei der maximale Gehalt
der Verunreinigungen, besonders an Magnesium, einzeln oder zusammen 0,005% nicht
überschreiten darf. Es wurde nun untersucht, in welchem Ausmaß dies insbesondere
beim DruckguBvorgang mit Zink-Aluminiiun-Kupfer-Magnesium-Legierungen der Fall ist
und welche Beziehung sich zwischen den gegebenen Komponenten und bestimmten Berylliumgehalten
hinsichtlich der Schlagbiegezähigkeit ergibt. Für die aus der Reihe der Legierungen
mit 1 bis 10% Aluminium, 0,1 bis 5% Kupfer, mehr als 0,005 bis zu 0,050% Magnesium
besonders typischen Legierungen Z 410 und Z 210 wurden die Schlagbiegewerte an je
100 Prüfstäben ermittelt, und im folgenden werden die Minimalwerte, Maximalwerte
und Mittelwerte angegeben:
| Legierung Z 410 |
| Schlagbiegerähigkeit (_g/C_2) |
| temperatur |
| °c Minimalwert Mazimalwcrt Mittelwert |
| 40 4,5 8,5 7 |
| 20 4 8 6 |
| 0 1,5 7 4 |
| -20 0,8 1,8 1,10 |
Schon bei 0°C fallen die Minimalwerte
stark ab,
obzwar
die Maximalwerte
noch keine Versprödung
erkennen lassen.
Die Tiefstwerte bei -20°C
sind
schon
sehr kritisch.
| Legierung Z 210 |
| rruf- x ama (ndwcno) |
| "C Minimalwert Mazimtwrit Afindwiert |
| 40 4 10 6 |
| 20 2 9 5,5 |
| 0 1,5 8,5 5 |
| -20 1,3 2,5 1,8 |
Die Legierung muß heißer vergossen werden (höherer Schmelzpunkt),
die Tiefstwerte
liegen niedriger als
bei Z410-
Die Legierung ist aber
etwas
weniger
kaltspröde.
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Für die Untersuchung des Berylliumeinflusses waren
bei jeder Zmk-Alarnmium-Kupfer-Legerumg Kombinationen mit verschiedenen
Beryllium- und
Magnesiumgehalten zweckmäßig. Aus diesen Untersuchungen läßt
sich zusammenfassen: Beryllmmgehalte unter 0,0001% (1 g/t) sind
ohne
verbessernden Einfluß auf die Schlagbiegelähigkeit beim Druckguß.
Wirksam werden erst Gehalte von
mindestens 0,0003% (31/t) - Beryviumgehalte
über 0;01% (100 g/t) vermindern die Schlag biegezähigkeit
infolge des Antifis von Beryllium oder berylüumhaltigen Phasen
im Gefüge.
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Gegenstand der Erfindung ist demzufolge eine Zinkgußlegerun&
insbesondere ZiakdruckguBlegierung, hoher Kauzähigkeit, bestehend aus
1 bis 10% Aluminium, 0,1 bis 5% Kupfer, mehr als 0,005
bis
zu 0,05% Magnesium, Rest Feinzink mit 99,99 bis
99,995% Zink, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt von mindestens 0,0003%
bis zu weniger als 0,01% Beryllium. Dabei wird unter »Feinzink mit 99,99 bis 99,995%
Zink« ein solches verstanden, das Sauerstoffgehalte von 0,0001 bis 0,0003% aufweist.
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Aus der USA: Patentschrift 2 467 956 sind bereits Zinkgußlegierungen
bekannt, die aus 2 bis 10% Aluminium, 0,03 bis 3,50% Kupfer, 0,01 bis 0,30% Magnesium,
etwa 0,00001 bis 0,00010% Beryllium, Rest Feinzink (99,990%) bestehen, wöbet
der Berylliumgehalt auch geringfügig über 0,0001% liegen kann. Bei diesen Legierungen
werden durch den geringen Berylliumgehalt zwar die Zugfestigkeitseigenschaften verbessert,
die Schlagbiegezähigkeit beim Druckguß jedoch nicht (vgl. in diesem Zusammenhang
die Ausführungen im vorvorigen Absatz).
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Zum Stand der Technik (französische Patentschrift 1248 301)
gehören auch magnesiumfreie Zink-Aluminium - Kupfer - Beryllium - Legierungen, bestehend
aus 0,1 bis 100% Aluminium, 0,05 bis 1% Kupfer, 0,001 bis 0,1% Beryllium, Rest Feinzink
(mindestens 99,99%). Dazu ist allerdings zu sagen, daß im praktischen Betrieb Magnesiumgehalte
der Legierungen nicht immer vermeidbar sind, und zwar im Hinblick auf steigende
Verunreinigungen an Blei. Hiermit ist indessen die Gefahr der interkristallinen
Korrosion gegeben, die durch einen Magnesiumgehalt der Legierungen behoben werden
kann. Zwar liegen die Schlagbiegezähigkeiten dieser bekannten Legierung größenordnungsmäßig
etwa im Bereich der erfindungsgemäßen Legierung, jedoch hat diese den Vorzug, daß
sie gegen interkristalline Korrosion unempfindlich ist.
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Für die Erreichung größter Häufigkeit maximaler Schlagbiegewerte der
erfindungsgemäßen Legierung empfiehlt sich die Abstimmung des Magnesium- und Berylliumgehaltes
wie folgt:
| Magnesinmgeehalt Mindest-Beryliium- |
| ' in % Behalt in 0/0 |
| 0,005 bis 0,010 0,0005 bis 0,0015 |
| 0,010 bis 0,020 0,0010 bis 0,0030 |
| 0,02 bis 0,030 0,0020 bis 0,0040 |
| 0,03 bis 0,040 0,0030_ bis 0,0050 |
| 0,04 bis 0,050 0,0040 bis etwa 0,0080 |
Die
auf dieser Basis geprüften Legierungen
mit
erfindungsgemäßen Berylliumgehalten,
im folgenden
Z 410 Be
und Z 210 Be genannt, ergeben:
Z 410 Be (bestehend
aus 3,5 bis 4,3% Aluminium,
0,6 bis
1,0%
Kupfer, 0,02 bis 0,05% Magnesium,
0,003 bis 0,005% Beryllium,
Rest Feinzink
99,995)
| Schhigkeit (mkg(cW) |
| tempetatur |
| "c Mioimstwert Maxmtalwert Mittelwert |
| 40i 6,5 12 9,5 |
| 20 6 . 11,5 9 |
| 0 5 11,5 8 |
| -20 2;5 3,5 2,8 |
Z
210 Be (bestehend aus 1,7 bis 2,5% Aluminium, 0,8 bis 1,20/0 Kupfer, 0,02
bis 0,050% Magnesium, 0,003 bis 0,005% Beryllium, Rest Feinzink 99,995)
| Prüf- Schlagbiegezähigkeit (mkg(cm2) |
| temperatur |
| Minimalwert Maximalwert Mittelwert |
| 40 7,5 13 10 |
| 20 7 12,5 10 |
| 0 6,5 11,5 9,5 |
| -20 3 4,5 3,8 |
Beide Legierungen zeigen höhere Schlagbiegewerte bei allen Temperaturen, und zwar
sowohl beim Minimal-, Maximal- und Mittelwert. Dies geht aus den Diagrammen hervor,
die in F i g. 1 die Schlagbiegezähigkeit (mkg/cmz) der Legierungsgruppe Z 410 und
Z 410 Be und in F i g. 2 die Schlagbiegezähigkeit der Legierungsgruppe Z 210 und
Z 210 Be zeigen, wobei der Zusatz »Be« bedeutet, daß diese Legierungen die erfindungsgemäß
vorgesehenen Berylliumgehalte aufweisen. Die Mittelwerte dieser Legierungen liegen
bei oder über den Maximalwerten der berylliumfreien Legierungen, die Minimalwerte
dieser Legierungen liegen bei oder über den Mittelwerten der berylliumfreien Legierungen.
In keinem Fall wurde ein Wert unter dem kritischen Wert von 1,5 mkg/cmz gefunden.
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Der verbesserte Korrosionswiderstand kommt vergleichsweise zum Ausdruck
bei der Prüfung der Schlagbiegezähigkeit nach einer 10tägigen Dampfbehandlung bei
95°C. Die Legierungen ergaben folgende Schlagbiegewerte:
| Schlagbiegezähigkeit mkg/cmz nach 10tägiger |
| Dampfbehandlung bei 95- C |
| Z410 Z410Be Z210 Z210Be |
| Minimalwert ..... 1,10 2,40 2,0 3,8 |
| Maximalwert-..... 2,50 4,20 5,4 9,0 |
| Mittelwert ....... 1,60 3,30 3,5 6,8 |
Es hat sich als zweckmäßig
erwiesen, das Beryllium
in Form
einer Vorlegierung
in die Schmelze einzubringen.
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Diese kann eine Aluminium-Magnesium-Beryllium Vorlegierung
sein, die z. B. aus 90 bis 95%
Aluminium, 5 bis 3% Beryllium
und 5 bis 2%
Magnesium, gegebenenfalls weiter verdünnt mit
Feinzink,
besteht.
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Man kann aber auch - das Beryllium als Aluminium-Kupfer-Beryllium-Vorlegierung,
bestehend aus 50% Aluminium, 49,8% Kupfer und -0,2% Beryllium, gegebenenfalls
weiter verdünnt mit Feinzink, in die Schmelze eintragen. '
Auch sind zu diesem Zweck Aluminium-Kupfer-Magnesium-Beryllium-Vorlegierungen,
bestehend aus
50% Aluminium, 48,8% Kupfer, 10% Magnesium
und 0,2% Beryllium, gegebenenfalls verdünnt mit
Feinzink, geeignet.