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Verfahren zur Erzielung der Maßbeständigkeit von aluminium-.und kupferhaltigen
Zinklegierungen Die mangelnde. Maßbeständigkeit von alnminium- und kupferhaltigen
Zinklegierungen wurde bisher zurückgeführt auf Ausscheidungsvorgänge in dem Zinkmischkristall
sowie auf den Betazerfall der-aluminiumreichen Kristallart. Es ist deshalb vorgeschlagen
worden, zur Behebung dieses Mißstandes eine Glühung bei niederen. Temperaturen,
vorzugsweise uni i oo°, einzuführen, um die Ausscheidung vor . der Verarbeitung
und dem Gebrauch stattfinden zu lassen. Es hat sich gezeigt, daß derartige Maßnahmen
bei sehr kupferarmen Zink-Aluminium- und bei sehr aluminiumarmen Zink-Kupfer-Legierungen
einen gewissen Erfolg haben mögen. Bei ausgesprochen ternären Legierungen tritt
er dagegen nicht ein; diese Legierungen ändern ihre Abmessungen in einem für technische
Zwecke ganz untragbaren Ausmaß.
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Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß die Legierungen maßbeständig
werden, wenn sie unterhalb etwa z75°, vorzugsweise bei Zoo bis 27o°, hinreichend
lange geglüht werden. Dieser Maßnahme liegt folgender Sachverhalt zugrunde: Die
Volümänderungen der ternären Legierungen, die im technischen Bereich bis etwa i,5%
betragen können, beruhen zur Hauptsache nicht, wie bisher angenommen wurde, auf
Ausscheidungsvorgängen, die nachweislich nicht mehr als etwa .o, i % ausmachen,
sondern auf der Einstellung des Gefügegleichge= Wichts, das darin besteht, daß der
ß-Mischkristall der Zink-Aluminium-Legierung mit dem s-Mischkristall der Zink-Kupfer-Legierungen
sich umsetzt in eine ternäre Kristallart und einen Zinkmischkristall. Diese Umsetzung
kann in der Form geschrieben werden: ß+e=T-,'-i7.
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Abb. i zeigt die Lage der miteinander reagierenden Kristallarten.
il ist der Mischkristall, der geringe Beträge von Kupfer und
Aluminium
in fester Lösung enthält, bei i oo° 0,q.% Kupfer, o, i 5 % Aluminium. ß ist der
zinkreiche Aluminiumkristall mit etwas Kupfer in fester Lösung, bei 100' 0,3% Kupfer.
25,5% Aluminium, der den nach ihm benannten bekannten ß-Zerfall bei der Abkühlung
erleidet, der sich also in einen zinkaxmen Aluminiummischkristall und einen 7j-Mischkristall
aufspaltet. a ist eine aluminiumhaltige Kristallart, die ihren Ursprung im System
Kupfer-Zink hat, bei ioo" i80iö Kupfer, o,i % Aluminium. Die Kristallart T endlich
ist eine im Dreistoffsystem auftretende ternäre Phase mit rund 55% Kupfer, 3o7(,
Aluminium und 150;o Zink. .
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' Die höchste Temperatur, bei der diese Umsetzung stattfinden kann,
liegt bei etwa 275". Bei normaler Abkühlung findet die Umsetzung nicht statt. Es
liegt in dem gesamten Bereich bei Raumtemperatur ein instabiler Zustand vor. Um
das stabile Gleichgewicht herzustellen, ist es notwendig, unterhalb der Temperatur
der Vierphasenebene bei etwa 275° zu glühen. _ Zweckmäßig erfolgt die Glühung
dicht unterhalb dieser Temperatur, um die Glühdauer nicht übermäßig zu ver-
längern.
Durch extrem langsame Abkühlung nach dem Gießen bzw. einer Warmverpressung oder
Glühung oberhalb der Temperatur der Umsetzung kann man die Umwandlung, wenig stens
zu einem Teil, ebenfalls ablaufen lassen.
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Die Glühdauer richtet sich neben der Temperatur insbesondere nach
der Gefügeausbildung. Je gröber die umzuwandelnden Kristallarten vorliegen, desto
länger ist die Glühdauer zu bemessen. Eine gepreßte Legierung erreicht den Gleichgewichtszustand
weit eher als eine Gußlegierung. Bei Gußlegierungen tritt der Ablauf der Gleichgewichtseinstellung
praktisch in i bis 2 Tagen ein, bei Preßlegierungen genügen unter Umständen schon
3 bis i0 Stunden. Die vollständige Herstellung des Gefügegleichgewichts ist bei
Gußlegierungen in der Regel in 2 bis q. Tagen, bei Preßlegierungen in i01 bis 36
Stunden erreicht. Bei einer Wärmebehandlungsdauer von nur einigen Stunden ist bei
einem Gußstück das Gleichgewicht noch nicht vollständig hergestellt. Die Glühdauer
richtet sich neben der Art des Gießens und der weiterhin angeschlossenen Verarbeitung
der Legierungen auch nach ihrer Zusammensetzung. Die (.,lülidauer kann sich außerdem
nach dem Genauigkeitsanspruch bei der Verwendung der Legierungen richten. Unter
Umständen mag es genügen, wenn ein erheblicher Bruchteil, der Vbluinätrderung stattgefunden
hat.
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Bei der Glühternperatur ist der Lösungsbetrag der an der Vierpliasenumsetzung
teilnehmenden Kristallarten untereinander gröber als bei Raumtemperatur. Die Ausscheidung
der gelösten Stoffe aus den Kristallarten führt auch zu Volumänderungen, die aber
im Vergleich zu den Volumänderungen, die durch die Umsetzung bedingt sind, sehr
klein sind. Es ist möglich, auch diese Volumänderungen auszuschalten, dadurch, daß
die Legierungen im Anschluß an die erfindungsgemäß be-. srhrieben.e Wärmebehandlung
sehr langsam '.wirf Raumtemperatur abgekühlt oder kurzfristig, praktisch bei i 2o
bis i 5o', erwärmt werden. Eine Volumänderung durch Ausscheidungsvorgänge zwischen
i 2o' und Raumtemperatur findet nicht statt, da das Gleichgewicht sich bei diesen.
niedrigen Temperaturen praktisch nicht mehr verändert.
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Die Wärmebehandlung eignet sich für alriminium- und kupferhaltige
Zinklegierungen, die innerhalb des Konzentrationsbereichs der bezeichneten Umsetzung
liegen. Es werden hiervon also insbesondere die technisch gebräuchlichen Legierungen
mit mehr als 85F0 Zn getroffen, die vorzugsweise mindestens i % Cu und i % Al enthalten.
In den Anwendungsbereich der Wärmebehandlung fallen aber auch kupfer- bzw. aluminiumärmere
ternäre Legierungen, sobald die Werkstofie Konzentrationsschwankungen aufweisen,
wie sie besonders durch Seigerung beim Guß entstehen.
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An der Anwendbarkeit der Erfindung wird praktisch nichts geändert,
wenn die kupferal.uminiumhaltigen Zinklegierungen Zusätze enthalten, wie sie bei
technischen Zinklegierungen üblich sind, z. B. Magnesium, Litliium, Mangan, Nickel.
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Den Ein$uß der Wärmebehandlung auf die Volumänderungen zeigt Abb.2
beispielsweise für eine gegossene Legierung mit 7 0/01 Al, 4011o Cu, Rest Zink.
Das Volumen der unbehandelten Probe nimmt bei Erwärmung auf 95" gemäß Kurve a mit
der Zeit zu, die L egierung ist also sehr niaLitinbeständig, ihr Volumen ist nach
i4 Tagen nur i,oo'0 gewachsen. Wird die Legierung bei 2q.0° geglüht, dann stellt
sich der Gleichgewichtszustand unter der durch Kurve b gekennzeichneten Volumänderung
ein. Der Gleichgewichtszustand ist nach etwa 36 Stunden erreicht. Wird die so wärmebehandelte
Legierung wiederum bei 95' auf ihre Maßbeständigkeit hin geprüft, so ergibt sich
Kurve c. Die Volumscliwankungen liegen jetzt nur noch in der Größenordnung von 01,o30:'0.
Das entspricht einer Längenänderung von o,oioü. Wird eine kurze Glühung bei i201
bis 150" vor der Probeglühung von 95" eingeschaltet zur Aufhebung der Übersättigung
der Kristallarten, so verringert sich der Längenänderungsbetrag noch auf
etwa 0,0050/4. Die Legierung ist also maßbeständig.
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Maßbeständigkeit kann durch kürzere Glühdauer
dicht
unterhalb der Temperatur der Umsetzung oder durch längere Glühäauer bei tiefer gelegenen
Temperaturen, z. B. zwischen ioo und 200°, erzielt werden. Abgesehen davon, daß
der zweite Weg unwirtschaftlich ist, ist eine Glühung bei höheren Temperaturen,
insbesondere zwischen Zoo bis 27o°, zu bevorzugen, weil diese Glühung gleichzeitig
zu guten Festigungseigenschaften führt, während dies bei einer Glühung zwischen
ioo und 2oo" nicht der Fall ist. Abb. 3 zeigt den Einfluß einer 4ostündigen Glühung
bei verschiedenen Temperaturen. auf die Eigenschaften einer gepreßten Legierung
mit 7 0% Al und 4% Cu. a gibt den Einfluß auf die Härte, b auf' die
Zugfestigkeit, c auf die Dehnung, d auf die Schlagbiegefestigkeit wieder. Insbesondere
nimmt die Schlagbiegefestigkeit bei niederen Anlaßtemperaturen erheblich ab.' Dagegen
werden Zugfestigkeit, Härte und Dehnung von einer Wärmebehandlung dicht unterhalb
der Temperatur der Umsetzung nur in geringerem Maße verändert, die Schlagbiegefestigkeit
wird aber beträchtlich erhöht. e zeigt die zeitliche Änderung der Biegefestigkeit;
von i q. mkg/cm2 im Ausgangszustand steigt sie auf über 3o mkg/cm2 nach 48stündiger
Glühung bei 24o°. Ganz ähnlich verhalten sich auch gekerbte Stäbe von derselben
Legierung und nach derselben Wärmebehandlung. _