DE1533221A1

DE1533221A1 - Kriechbestaendige Zinklegierungen

Info

Publication number: DE1533221A1
Application number: DE19661533221
Authority: DE
Inventors: Foerster George Stephen
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1966-04-29
Filing date: 1966-04-29
Publication date: 1969-12-18
Also published as: GB1122494A

Description

Pafenfonwölte
Dr.-Ing. HANS RUSGHKE
Dipl-Ing. HEINZ AOULAR
7, PMNuenau.rSir.2

D 1408

Gase 11 693-ί¹

THE DOW CHEMICAL "COMPANY, Midland, Michigan/Y.St.A

Krie eilte ständige Zinklegierungen

Die Erfindung befaßt sich mit Zinklegierungen und insbesondere mit Zinklegierungen mit einer speziellen Bedeutung für die Herstellung von gefertigten Gegenständen mit hoher Kriechbeständigkeit, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Gegenstände.

Bisher war die Verwendung von Zink und dessen Legierungen beim Gebrauch aufgrund der niederen Festigkeit und durch die maximal zulässige Belastung, die darauf bei Haumtemperatur und erhöhten Temperaturen ausgeübt werden kann, ohne daß ein unzulässiges Kriechen innerhalb einer bestimmten Zeitdauer eintritt, begrenzt. Zum Beispiel zeigt eine bekannte Zinklegierung, die nominal etwa 1 # Kupfer enthält, wobei der Rest aus Zink besteht, eine Zugfestigkeit von etwa

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2180 kg/cm bei Raumtemperatur. FaIIs jedoch eine Spannung von nur 844 kg/cm kontinuierlich während 1 Tages angewandt wird, kriecht die Legierung um etwa 4 $, wobei die Kriechgesehwindigkeit bei höheren Temperaturen noch höher wird.

Es wurde jetzt gefunden, und diese Feststellung bildet die Basis der vorliegenden Erfindung, daß die Ausbildung einer zweiten festen Phase in einer !lasse aus verfestigtem Zink, und insbesondere einer dispergierten zweiten festen Phase, merklich die Beständigkeit von Zinkgegenständen zum Kriechen unter Spannung verbessert. Aufgrund der Erfindung ergibt sich deshalb ein verbesserter Zinklegierungsgegenstand, der aus einer ersten festen Phase, in der ein oder mehrere metallische Zusätze gelöst sind, und aus einer zweiten festen Phase besteht, die innig innerhalb der ersten festen Phase in einem Anteil dispergiert wird, so daß die Beständigkeit der Zinklegierung zum Kriechen unter Druck verbessert wird. Die Zinklegierungsgegenstände können als Metallzusätze eines oder mehrere der folgenden Verbindungen Aluminium, Antimon, Arsen, Barium, Calcium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Eisen, Lithium, Magnesium, Mangan, Misehmetall, Ifickel, Kalium, Natrium, Thorium, Titan und Zirkon enthalten.

Die verbesserten Zinklegierungsgegenstände gemäß der Erfindung lassen sich in einfacher Weise herstellen, indem einer oder mehrere Metallzusätze in einem Anteil vermischt werden,

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so daß sich eine zweite feste Phase in der verfestigten Masse einer Schmelze von Zink ergibt, wobei die Schmelze dann in Formen gegossen und rasch abgekühlt wird. Dies stellt im wesentlichen eine Anpassung des als Abschreckgießens bekannten Verfahrens dar. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn die Schmelze des Zinks, die die Zusätze enthält, pelletisiert wird und die Pellets unter Druck bei einer unzureichenden Temperatur, um die zweite feste Phase zu lösen, ausgepreßt oder gesintert werden. .· j

Aus den bisherigen Legierungsverfahren weiß man, daß bei Steigerung des Anteiles eines Zusatzes in der Schmelze der Anteil der zweiten festen Phase in der verfestigten Masse ansteigt. Bei der Praxis der vorliegenden Erfindung ist es nur notwendig, einen ausreichenden Anteil des Zusatzes zuzugeben, der die Löslichkeit des Zusatzes oder einer intermetallischen Verbindung davon in der verfestigten Zinkmasse übersteigt, ,«enn größere Anteile der Zusätze verwendet werden, wird das verfestigte Metall brüchiger. Sowohl wirtschaftliche < Gesichtspunkte als auch physikalische Eigenschaften können Lur Bestimmung der oberen Frenze des Anteiles des angewandten Zusatzes dienen. In der folgenden Tabelle I sind die weiteren und bevorzugteren Anteile für binäre Legierungen von Zink gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengefaßt.

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..Metallzusatz
Aluminium
Antimon
Arsen
Barium
Calcium
Chrom
Kobalt
Kupfer
Eisen
Lithium
Magnesium
Mangan
Mischmetall
Nickel
Kalium
Natrium
Thorium
Titan
Zirkon

Tabelle I
(binäre Zinklegierungen)

Breitebereich

0,5 - 15,0

0,1 - 12,0

0,1 - 10,0

0,03 - 3,0

0,01 - 1,0

0,005 - 1,0

0,01 - 1,5

1,5 - 5,0

0,01 - 1,5

0,1 - 0,5

0,1 - 1,5

0,3 - 1,5

0,03 - 3,0

0,01 - 2,5

0,01 - 0,5

0,05 - 5,0

0,01 - 1,0

0,01 - 2,0

bevorzugter Bereich

2,0 - 10,0

2,0 - 6,0

1,0 - 5,0

0,2 - 2,0

0,1 - 0,6

0,05 - 0,4

0,1 - 0,8

3,0 - 4,0

0,1 - 0,8

0,2 - 0,4

0,2 - ί,Ο

0,6 - 1,3

0,2 - 2,0

0,1 - 1,5

0,1 - 0,3

0,2 - 2,0

0,1 - 0,5

0,2 - 1,0

Von den vorstehend aufgeführten Zusatzmetallen werden in den angegebenen Bereichen Titan, Chrom, Calcium, Eisen, Mangan und Kupfer bevorzugt.

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Elemente, die normalerweise in legierungen auf Zinkbasis verwendet werden, beispielsweise 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-$ Kupfer, können im Rannen der vorliegenden Erfindung angewandt werden, um z. B. die Duktilität zu steigern. .

Weiterhin wurde gefunden, daß Titan in einer Menge innerhalb des Bereiches von etwa 0,01 bis etwa 0,5 $ und vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 0,5 $> in Verbindung mit einem oder mehreren der vorstehend aufgeführten Zusatzmetalle zur Steigerung a der Kriechbeständigkeit der vorliegenden Legierungen auf Zinkbaas und der entsprechenden Gegenstände bei höheren Spannungsbelastungen verwendet werden kann« Zusätzlich können die Zusatzmetalle Magnesium oder Lithium, in Verbindung mit anderen Zusatzmetallen in kleinen Mengen zu einer ähnlichen Steigerung, wie bei Titan, der Kriechbeständigkeit der Gegenstände auf Zinkbasislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

IDa die größte Verbesserung der Kriechbeständigkeit gemäß der ' Erfindung in hier angewandten Legierungen erhalten wird, wenn die verfestigte Legierung eine einheitliche feine Dispersion von Teilchen einer zweiten Phase in der Matrix des Grundmetalles hat, wird die Legierung so rasch als möglich verfestigt. Demzufolge wird die geschmolzene Legierung vorzugsweise aus geschmolzenen Tröpfchen abgeschreckt, z. B. durch ein Verfahren des Düsen- oder Scheibenatomisierens zu Pellets. .b'alls sehr -»feine Pellets gebildet v/erden, ist ctio Dispersion der zweiten

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festen Phase noch feinen und infolgedessen wird eine noch

größere Verbesserung der Kriechbeständigkext erreicht.

Die Verarbeitung der Legierung in pelletisierter Form zu den gewünschten Formen kann durch Extrudieren, Kontaktieren, Walzen oder Schmieden erfolgen. Jedoch wird eine Verarbeitung, bei der eine so feine Dispersion als möglich beibehalten wird, bevorzugt. Temperaturen der ifermverarbeitung und Aussetzung auf erhöhte Temperaturen sollten im allgemeinen auf einem Minimum gehalten werden.

Die aufgrund des neuen Verfahrens gemäß der Erfindung erhaltenen Gegenstände zeichnen sich äußer durch eine signifikant hohe Kriechbeständigkext bei Haumtemperatur oder erhöhter Temperatur durch eine Struktur aus, die !£Η*ή eine einheitliche Dispersion von äußerst kleinen Teilchen einer zweiten festen Phase in der Metallmatrix auf Zinkbasis enthält, wobei die zweite feste Phase im allgemeinen eine intermetallische Verbindung, vorzugsweise mit einem Durchschnittsdurchmesser von 0,0025 bis 0,0013 mm, ist.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung unter Anwendung der Verfahren und Ausrüstungen, wie sie gewöhnlich auf dem Gebiet der Zinkverarbeitung angewandt werden, wird handelsübliches reines Zink bei einer Temperatur verflüssigt, die ausreicht, um das gewählte Zusatzmetall oder die Kombi-.

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nation der Zusatzmetalle aufzulösen, die hiermit entweder in Pulverform oder durch Einbringen schmaler Gußstücke oder Schnitzel derselben in das geschmolzene Zink vermischt wird, wobei die geschmolzene Masse zur Erleichterung der Auflösung gerührt wird. Die auf diese Weise hergestellte Zinklegierung wird dann rasch verfestigt, vorzugsweise durch das vorstehend aufgeführte Düsen- oder Scheibenatomisieren zu Pellets, von denen die kehrzahl eine Größe mit einem Durchschnittsdurchmesser von 0,8 mm oder weniger und vorzugsweise weniger als ä 0,15 nun haben sollen, worauf sie dann zu der gewünschten Form gefertigt werden.

Ein Fertigungsverfahren, das sich als besonders günstig ervdss, bestand im Extrudieren der pelletisieren Legierung. Bei diesem Verfahren werden die Pellets normalerweise auf eine Temperatur zwischen etwa 200 und etwa 375^ vorerhitzt und in einen Auspreßbehälter gegeben, der gewöhnlich bei einer Temperatur zwischen etwa 150¹C und etwa 315⁰G liegt, worauf sie durch Anwendung eines ausreichenden Bewegungsdruckes auf die Legierung zum Auspressen der Pellets durch eine Düse mit der gewünschten Auspreßöffnung extrudiert werden.

Eine Anzahl Legierungen auf Zinkbasis, die jeweils die in Tabelle II angegebene Zusammensetzung hatten, wurden gemäß der Erfindung hergestellt und zu Pellets unter Verwendung eines Düsenatomisators bei einer Temperatur geringfügig oberhalb des flüssigen Zustandes der Legierung zerstäubt. Im

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wesentlichen die Gesamtmenge der so hergestellten Pellets waren von einer Größe mit Durchschnittsdurchmessern von weniger als 0,8 mm. Eine Masse von Pellets jeder legierung wurde dann aus einem 7,6 cin-Auspreßbehälter bei etwa 204 bis 260⁰C und mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,53 m je Minute zu einem Streifen mit einem Querschnitt von 3,18 χ 31,8mm ausgepreßt.

Aus diesen Streifen wurden dann Versuchsstücke hergestellt und bei Raumtemperatur auf prozentuelle Dehnung (^E) unter Verwendung eines Aoschnittes von 5,1 cm, Zugfestigkeit (TS), Zugstreckgrenze ('I¹YS) bei 0,2 fo und prozentuelle Kriechausdehnung durch Anlegen einer kontinuierlichen Belastung an einem Ende des Versuchsstückes während eines bestimmten Zeitraums und bei einer gegebenen Temperatur, wie in Tabelle Il angegeben, und Aufzeichnung der erhaltenen prozentellen Kriechausdehnung nach verschiedenen Zeiträumen (Stunden). Die Kriechgeschwinuigkeit kann oerechnet werden als Unterschied zwischen dem Wert, der aen Gesaintprozentsatz aes Kriechens und aie prozentuelle Kriecimng nach einer gegebenen Zeit wMergibt. Die Ergebnisse dieser /ersuche sind in fabeile II aufgeführt.

Zusätzlich wurden su /ergleichszv/ecicen und als Kontrollen ein Teil von einigen der Legierungen zu 7,6 cu-Gußstücken gegossen und wie vorstehend beschrieben untersucht, wobei auch diese Ergebnisse in Tabelle II aufgeführt sind.

RAD

909851/0822 ^B

Tabelle II

Beispiel satz

Auspreß-'
Metallzu- temperatur

Metal
satz+

"ff

^CC

fform

Zugversuche

kg/cni (1000 psi) TYS TS

Kriechversuche

0,5 Titan 400
Kontrolle " " "

204,5 PeHßt16

0,5 Titan 450 232

260

It H

ti η

Kontrolle"

CO

O CO OO

cn

ο oo

IO

0,05 Chrom450

Kontrolle"
Kontrolle»

Guß- 24 1,7
stück (24)

Pellet12 2,0
(29)

» 7 2,1
(30)

η ti ti

1,6
(22)

^ 22
stück

Pellet 26 1,5

(21)

feine " 1,5
Pellets (21)
max.Durchschnitt sdurchm.
0,15 mm

1,3
(19)

Guß- "
stück

1,3
(19)

Span-Temper, nung

prozentuelles Kriechen

W 100 TOGO" andere

Qg ⁰C 1QQQp3i kg/cnT Std. Std. Std. (Std.) 78 26 6 420 0,03 0,04 η u η it 0,11 0,52 78 26
93

78 26
200 93

200 93 .
78 26

6
3

3
6

200 93 3
78 26 6

200 93 3

420 0,08 0,09 -

210 0,03 0,04 0,06

420 0,07 0,29 -

210 0,05 0,07 0,11

210 0,04 0,05 0,06

420 0,08 0,08 0,08

210 0,01 0,01 0,02 420 0,10 ü,46 -

210 0,20 U,55

0,07 (hei 3239 Std.)

0,15 (bei 3239 Std.)

0,08 (bei 3239 Std.)

0,04 (bei' 3239 J

cn co co

Μ Tabelle II (Portsetzung)

Zugversuche ρ Kriechversuche

ru i» Auspreß-^; 1000 kg/cm Span- prozentuelles Kriechen

es. Me tall zu- temperatur (1000 psi) Temper, nung P fO 100 1000 andere

Beispiel aatz^f "ff «β"~ Form #B TYS TS" "F ⁰C IQOOpsi kg/cr:T Std. Std. Std. (Std.)

9 ' 0,50alcium 450 232 feine 29 1,4 2,6 78 26 6 420 0,12 0,13 0,14

PeIMs (20) (38) max.
Durehm.
0,15 mm

10 " it n η 22 1,2 2,2

(17) (32) 200 93 3

Kontrolle" " " Gußstück » « " 78 26 6

Kontrolle" " " " 6 1,7 2,6

(25) (57) 200 .93 3

12 0,6 Eisen 450 232 Pellet 31 1,4 2,4 78 26 6

(20) (34)

Kontrolle" " " Gußstück 13 1,5 2,2 " " " λ . (21) (31)

13 0,7Mangan " " Pellet 24 1,4 2,7 " " "

(20) (39)

Kontrolle¹¹ » '· Gub stück 21 1,7 2,6 ·· " »

'14 3,0Kupfer 450 232 Pellet 18 ί²^ £?§^ " " 4

O ^{(22) (5Ü)}

■'■!Kontroxle" » " Gußstück 23 2,2 2,y " " " " 0,05 0,22 0,84

- to (32) (42)

P? O ' ■

,.co .^¹¹

2 ^ K)

> O K)

¹ CO —i

NJ

KJ

210	0,01	0,02	0	,03	0,03 3164	(bei Std.)
420	0,09	0,36	—		-
210	0,81		-		-
420	0,08	•0,10 *	0	,10	0,10 1393	(bei Std.)
Il	0,04	0,08	ü	,22	0,27 1393	(bei Std.)
Il	0,07	0,15	0	,38 ·	Q,42 1226	(bei Std,)
It	0,06	0,44	4	,00	-
2öO	0,10	0,20	0	,30	-

Tabelle II (Fortsetzung)

Beispiel	He tall ...u- sutz	Ti + Fe
Ί5 i ^	0,19 0,6
Kontrolle	Il	Ti + Or + Cu
16	0,09 0,06 1,0
17	Il
18	Il
19	It
Kontrolle	Il

CO

' σ to O § S

■·■] P^ > Q

Ni Ki

Auspreläteiuperatur

Zugversuche

Form

1 üou Kg/cm'* Span-(1000 psi) Temper, nung

Kriechversuche

prozentuelles Kriechen 10 100 1oo0 andere

450 232 Pellet 11 1,9 2,9

(27) (42) 78 26 6

TS OF _cc_ lOOOpst kfi/cnr Std. Std. Std. (Std.)

420

« " Gußstück 6 2,4 5,0

(34) (43)

450 232 Pellet 1b 2,2 3,4

(32) (49)

Il Il

It Il

Gußstück 22 2,5

iiest der Legierung praktisch Zink

(35) (42) H Il

Il Il

It Il

M Il

Il . It

Il Il

10
12

15

703

913

1054

420

0,04 0,06 0,06 0,06 (bei

2566 Std.)

0,03 0,07 0,19 0,24 (bei

1726 Std,)

0,01 0,02 0,02
0,06 0,08 0,10

0,03 (bei 5780 Std.)

0,14 (bei 4270 Std.)

- 0,20 (bei«

1510 Std.) «.

0,38 0,60 0,99 1,65 (bei

2350 Std.)

0,01 0,01 0,03 0,04 ('bei

'· 4438 Std.)

Aus den Werten der Tabelle II ergibt sich klar die signifikante Verbesserung der Kriechbeständigkeit der pelletisieren Legierungen gemäß der Erfindung, die nach dem neuen Verfahren gegenüber dem Gußverfahren, d. h. zu Gußstücken hergestellt sind. Insbesondere ergeben sich aus Tabelle II die äußerst niedrigen Kriechprozentsätze der vorliegenden aus Pelletform extrudierten Legierungen während langer Zeiträume, beispielsweise 1000 Stunden, bei niedrigen bis mäßigen Spannungen ™ (210 bis 420 kg/cm )« Dies beweist die verbesserte Gebrauchsfähigkeit der gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltenen Zinklegierung, insbesondere hinsichtlich langzeitiger Kriechbeständigkeit. Es ist auch zu entnehmen, daß Zusätze von Titan in Verbindung mit anderen Zusatzmetallen im allgemeinen die Spannungshöhe steigern, bei der eine gute Kriechbeständigkeit erreicht wird.

In gleicher Weise wie vorstehend wurden Natrium, Kalium, AIuminium, Antimon, Arsen, Barium, Kobalt, Lithium, Magnesium, Mischmetal, Nickel, Thor und Zirkon entweder allein oder in verschiedenen Kombinationen miteinander und mit Titan zu Zink zugegeben und rasch zu Pellets aus geschmolzenen Tröpfchen verfestigt, aus denen dann hochfeste Legierungsgegenstä'nde auf Zinkbasis hergestellt wurden.

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Claims

Patentansprüche

1.) Zinklegierungsgegenstände, bestehend aus einer ersten festen Phase, die aus Zink und darin gelöst einem oder mehreren Hetallzusätzen besteht, und einer zweiten festen P:iase, die innig in der ersten festen Phase dispergiert ist, in einem zur Verbesserung der Beständigkeit der Legierung gegen Spannungskrieeheη ausreichenden Anteil.

2.) Zinklegierungsgegenstände nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallzusatz aus Aluminium, Antimon, Arsen, Barium, Calcium, Chrom, Kobalt, tupfer, Bisen, Lithium, Magnesium, Mangan, Mischmetall, Nickel, Kalium, Natrium, Thorium, Titan ader Zirkon oder Gemischen hiervon besteht.

3.) Verfahren zur Herstellung von Zinklegierungsgegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere metallische ' Zusätze in eine Schmelze von Zink eingemischt und die Schmelze in Formen gegossen wird, wobei der Metallzusatz in einem zur Bildung einer zweiten festen Phase in der verfestigten Masse ausreichenden Menge vorhanden ist, und daß die Schmelze rasch in der Form abgekühlt wird,

4.) Verfahren zur Herstellung von Zinklegierungsgegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zinklegierung unter

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-H-

■Värme und Druck ausgepreßt wird, wobei die angewandte Zinklegierung durch Pellefcisieren einer Schmelze von Zink, die einen oder mehrere Metallzusätze in einem zur Bildung einer zweiten festen Phase in den verfestigten Pellets ausreichenden Men_;i;e enthält, erhalten wurde, und daß das .auspressen bei einer zum Auflösen der zweiten festen Phase nicht ausreichenden 'i'eniperBtur durchgeführt wird.

5.) Verfahren zur Herstellung von Zinklegierungsgegenständen, wobei die Pellets nach Anspruch 4 unter Druck bei einer zum Auflösen der zweiten festen Phase nicht ausreichenden Temperatur gesintert werden,,

BAD ORIGINAL

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