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Zinklegierung Die Ertindung betrifft durch Ausscheidung gehärtete
Zinklegierungen, die Kupfer und Beryllium enthalten.
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Handelsübliches Zink härtet beim Kaltwalzen nur wenig, da es bei Raumtemperatur
schnell rekristallisiert. Zink besitzt ein hexagonales Gitter, das sich in die Walzrichtung
einordnet. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Werte für die Zugfestigkeit in
der Walzrichtung und senkrecht zur Walzrichtung. Die Zugfestigkeit senkrecht zur
Walzrichtung liegt gewöhnlich um 20°/o höher als die Zugfestigkeit in der Walzrichtung.
Zu Vergleichszwecken werden nur die Eigenschaften in der Walzrichtung herangezogen.
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Eine Zinklegierung mit o,o5°/o Blei, o,o1°/o Eisen und o,oo5°/o Kadmium
hat im hartgewalzten Zustand eine Zugfestigkeit von 11 kg, mm2 und eine Dehnung
von 4o bis 6o°,'o. Bestimmte handelsübliche Zinklegierungen haben nach dem Kaltwalzen
etwas bessere Eigenschaften und rekristallisieren erst bei etwas höheren Temperaturen
von 9o bis 1o5°. Diese Rekristallisationstemperaturen liegen aber noch zu niedrig,
als daB derartige Zinklegierungen mit kaltgewalzten Messing-oder Aluminiumlegierungen
zu vergleichen sind. Eine typische handelsübliche Zinklegierung mit 1% Blei, 0,02°/o
Eisen, 0,35°/o Kadmium, o,65 bis 1,25°/0 Kupfer und o,o25°/o Magnesium hat im kaltgewalzten
Zustand eine Zugfestigkeit von etwa 18 bis 25 kg/mm2 bei einer Dehnung von 2o bis
40°/o je nach dem Kaltwalzgrad.
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Bei Zugversuchen zeigen handelsübliches Zink und Zinklegierungen für
die elastische Dehnung keinen Unterschied zur bleibenden Dehnung, da die elastische
Dehnung proportional der bleibenden deformierenden
Dehnung ist und
die Legierungen somit keine wesentlichen elastischen Eigenschaften, wie sie z. B.
für Federn erforderlich sind, besitzen. Außerdem haben diese Legierungen bei niederen
Lasten so hohe Fließeigenschaften, daß, obwohl eine Standardlegierung eine Zugfestigkeit
von etwa 2o kg/mm2 hat, beim technischen Gebrauch nur mit einer maximalen Dehnung
von etwa 7 kg/mm2 gerechnet werden kann.
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Die Erfindung betrifft Zinklegierungen mit Kupfer und Beryllium, die
gute physikalische Eigenschaften aufweisen, welche mit denen von gewalzten Aluminiumlegierungen
und Messing, hinsichtlich Dehnung und Elastizität, verglichen werden können, und
die die durch Kaltbearbeiten erhaltenen Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen
beibehalten. Diese Legierungen lassen sich zur Herstellung von Sockeln für Glühlampen
und Schmelzsicherungen, Muffen, Federn und elektrisches Leitungsmaterial ebenso
wie für verschiedene Arten von Patronenhülsen, Granaten u. dgl. verwenden.
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Gemäß der Erfindung wird eine Zinklegierung verwendet, die von o,6
bis 30/0 Kupfer, von 0,03 bis 0,35°/o Beryllium, Rest Zink enthält:: Zink
-löst maximal 2,7°/o Kupfer, für die Wärmebehandlung sollte Kupfer aber im Überschuß
von 10/0 vorhanden sein. Legierungen aus Zink und Beryllium sind, wenn überhaupt,
äußerst schwierig durch gewöhnliche Legierungsverfahren herzustellen. Beryllium
schmilzt bei 128o° und oxydiert schnell an der Luft, während Zink bei 419° schmilzt
und bereits bei 9o7° siedet.
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Festes Beryllium diffundiert kaum in geschmolzenes Zink, während sich
Kupfer leicht in geschmolzenem Zink auflöst. Werden Kupfer-Beryllium-Vorlegierungen,
die gewöhnlich 3 bis 12°/a Beryllium enthalten, in geringen Mengen zu geschmolzenem
Zink gegeben, so lösen sich die Kupferatome schnell im Zink, und die Berylliumatome
gehen notgedrungen mit in Lösung. So lassen sich verschiedene Verhältnisse von Kupfer
zu Beryllium herstellen, und die Legierungen können durch die gewöhnlichen Schmelzverfahren
hergestellt werden. Bei Anwesenheit von Kupfer in Mengen von mehr als 2,70/0 und
Beryllium in Mengen von mehr als 0,31,!o bilden sich überschüssige Phasen, die bei
der Wärmebehandlung für die anschließende Aushärtung unlöslich sind und erhöhte
Kosten bei. Erschwerung der Fabrikation mit sich bringen. Eine bevorzugte Zinklegierung
hat 1,9 bis 2,1°/o Kupfer, 0,o5 bis 0,150;J0 Beryllium, Rest Zink. Eine Zinklegierung
mit 1,25°/o Kupfer, 0,07°/a Beryllium, Rest Zink hat wenig schlechtere Eigenschaften
und eine niedrigere Rekristallisationstemperatur von 15o°, obwohl die Mengenverhältnisse
noch höher liegen als die für gewöhnliche Handelslegierungen.
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Obwohl eine Zinklegierung mit Kupfer und Beryllium bevorzugt wird,
kann die Bearbeitbarkeit der Legierung ebenso wie die Dehnbarkeit bei der Kaltverformung
ohne nachteiligen Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften der Legierung verbessert
werden durch Zusatz geringer Mengen eines oder mehrerer der Elemente, von 0,2 bis
1,50j0 Blei, 0,2 bis 10,1, Mangan und 0,2 bis i0/0 Aluminium.
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Die Legierungen lassen sich auf zwei Arten herstellen: a) durch direkten
Zusatz einer Kupfer-Beryllium-Vorlegierung mit 2 bis 12,5°/(, Beryllium zu geschmolzenem
Zink oder b) durch Herstellung einer zweiten Vorlegierung aus 7o0/0 Zink und 30°/o
Kupfer-Beryllium, Die gewöhnlichen Schmelzverfahren können angewendet werden, eine
Schmelze in Wasserstoffatmosphäre setzt jedoch die normalen Verluste von o,oi bis
o,030/0 Beryllium durch Abbrand herab. Nach dem Verfahren b) läßt sich die Endzusammensetzung
besser regeln.
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Der Einsatz (30°/0) an Kupfer-Beryllium-Vorlegierung mit 2 bis 12,5°/o
Beryllium wird auf den Boden eines Tiegels gelegt und mit 7o Gewichtsprozent reinstem
Zink bedeckt. Sobald das Zink schmilzt, benetzt es die Kupfer-Beryllium-Vorlegierung,
hüllt diese ein und setzt die Oxydationsverluste auf ein Minimum herab: Wenn das
Zink geschmolzen ist, wird die Temperatur erhöht und in einem Temperaturbereich
unter dem Siedepunkt des Zinks, z. B. bei 75o bis $50°,, gehalten. Innerhalb von
2 bis 4 Stunden ist die Bildung der zweiten Vorlegierung mit 70°/0 Zink und 3o0/0
Kupfer-Beryllium beendet, die in Gießformen aus Eisen geeigneter Größe oder aber
in Graphit- oder Sandformen eingegossen wird.
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.Zur Herstellung der Endlegierung wird reines Zink geschmolzen und
die Temperatur auf 45o bis 65o° erhöht. Dann wird die erforderliche :Menge der 70°/0
Zink und 300/0 Kupfer-Beryllium enthaltenden Vorlegierung zugesetzt und schnell
mit dem Zink legiert. Die fertige Legierung wird in geeignete Formen aus Sand, erwärmtem
Graphit oder in Metallformen gegossen. Der Guß in Metallformen hat ein feineres
Korn und etwas bessere Eigenschaften, die Eigenschaften unterscheiden sich aber
nicht wesentlich nach der Wärmebehandlung und Kaltbearbeitung von den Legierungen,
.die in andere Formen gegossen wurden. Um der Legierung die gewünschten physikalischen
Eigenschaften zu geben, wird sie zur Ausscheidungshärtung einer Wärmebehandlung
und einer Kaltbearbeitung unterworfen. Zur Veranschaulichung werden nachstehend
einige Wärmebehandlungen und die dadurch erzielten Ergebnisse an vier Legierungen
beschrieben.
| Nr. i.... 2,11(/0 Cu, 0,o90/0 Be, Rest Zn |
| Nr. 2.... 1,96°/o Cu, 0,o60/0 Be, Rest Zn |
| Nr. 3.... 1,66°/o Cu, 0,07°/o Be, Rest Zn |
| Nr. 4.... 1,270/" Cu, 0,07°/" Be, Rest Zn |
Von jeder Legierung werden runde Stangen mit 25 mm Durchmesser in Graphitformen
gegossen. Von diesen Rundstangen werden 13 mm dicke Scheiben abgeschnitten, eine
Stunde auf 39o bis 4o5° erhitzt und dann mit Wasser abgeschreckt. Einzelne Stücke
werden dann zwei Stunden auf Temperaturen von ioo bis 300°, mit Intervallen von
25°, erwärmt. Maximale Ausscheidungshärtung, gemessen durch die Rockwell-B-Härte,
ergibt sich bei
| Nr. 1.... 25 B bei 200°, |
| Nr. 2.. .. 21 B bei 200°, |
| Nr. 3.... 15 B bei 200°, |
| Nr. 4.... 8 B bei 15o°. |
Eine Legierung mit 2,470/0 Kupfer, 0,13% Beryllium, Rest Zink ergibt bei gleicher
Behandlung eine Rockwell-B-Härte von 26 B, wenn sie bei 175°
gealtert
wird. Die Beob aclitung der Behandlungszeit bei der Lösungstemperatur, bis 24 Stunden
bei 39o°, und 24 Stunden für jede Alterungstemperatur von
150, 175 und 200°,
zeigte, daß die nachstehend aufgeführten Behandlungen die besten Ergebnisse liefern.
Legierungen 1, 2, 3 = i Stunde bei 39o bis 400°, Abschrecken in Wasser, 4 Stunden
Altern bei 175°; die Legierung 4 = i Stunde bei 39o bis 400°, Abschrecken in Wasser,
,4 Stunden Altern bei i50°.
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Aus gegossenen Rundstangen von 25 mm Durchmesser können Rohlinge von
Normalzugstäben von i9 mm Durchmesser (4o°,I°ige Kaltbearbeitung) hergestellt werden.
Aus den Rohlingen werden nach der Wärmebehandlung Normalzugstäbe gearbeitet. Es
werden folgende Ergebnisse gefunden Zugfestigkeit, gemessen am Standardprüfstab,
der aus einem gegossenen und kalt geschmiedeten (gehämmerten) Rundstab hergestellt
wurde.
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Die Zugfestigkeit steigt mit der Verringerung des Querschnittes des
Probekörpers. Daher geben Einheitsstreifen (io bis 15 mm dick) um 2o bis 3o°/0 höhere
Zugfestigkeiten als Einheitsstäbe mit 13 mm Durchmesser. Die Zugfestigkeit von wärmebehandelten
und kalt gehämmerten Stäben entsprechen den oder sind sogar etwas besser als die
Zugfestigkeiten von Streifen handelsüblicher Legierungen; Streifenmaterial der neuen
Legierung sollte daher wesentlich besser sein.
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Das gegossene Material, das praktisch keine Dehnung hat, kann nur
wenig kalt gewalzt werden, ohne zu reißen, obwohl es sich befriedigend kalt hämmern
läßt. Die Legierungen lassen sich bei 30o bis 35o° heiß schmieden und heiß walzen.
Der geeignete Weg, um hochwertiges Streifenmaterial zu erhalten, besteht darin,
die Struktur des gegossenen Stückes durch Heißschmieden oder Heißwalzen auf ein
geeignetes Zwischenmaß zu zerstören. Das heiß bearbeitete Material läßt sich dann
leicht vor der Endwärmebehandlung heiß oder kalt auf das gewünschte Endmaß walzen.
Die Größe der letzten Kaltbearbeitung, nach vollständiger Aushärtungsbehandlung,
bestimmt sich aus dem vor der Wärmebehandlung erforderlichen
| Le ic_ Propor- |
| tionalitäts- Zug- Bruch- |
| run" Behandlung festigkeit dehnung |
| Nr. grenze |
| kg/mm2 kg/mm2 |
| Als Guß i Std. 390e, abgeschreckt, 4 Std. 175°.......... 3,5
8,96 0 |
| Gegossen, kalt geschmiedet 4o0/0 wärmebehandelt ....... 2,6
14,28 4 |
| 1 Gegossen, 39o`, abgeschreckt, geschmiedet, gealtert 4 Std.175°
8,o 26,95 13 |
| Gegossen, wärmebehandelt, zuletzt kalt geschmiedet...... 7,7
24i5 7 |
| Als Guß i Std. 390-, abgeschreckt, 4 Std. 175°. . . . . . .
. . . 6,o 10,4 0 |
| "Gegossen, kalt geschmiedet 40°/0, wärmebehandelt ....... 5,8
19,9 2 |
| Gegossen, 39o°, abgeschreckt, geschmiedet, gealtert 4 Std.175°
8,4 27,86 23 |
| Gegossen, wärmebehandelt, zuletzt kalt geschmiedet......
10,5 27,50 18 |
| Als Guß i Std. 390", abgeschreckt, 4 Std. 175°.......... 4,5
10,71 0 |
| 3 Gegossen, kalt geschmiedet 400/a, wärmebehandelt .......
3,4 13,5i 2 |
| Gegossen, 39o`, abgeschreckt, geschmiedet, gealtert, 4 Std.
i75° 8,4 24,85 27 |
| Gegossen, wärmebehandelt, zuletzt kalt geschmiedet...... 9,5
25,48 i9 |
| Als Guß i Std. 39o", abgeschreckt, 4 Std. 15o°.......... 2,6
3.43 0 |
| Gegossen, kalt geschmiedet 4o0/0, wärmebehandelt ....... 3,5
10,78 1 |
| 4 Gegossen, 390'a abgeschreckt, geschmiedet, gealtert 4 Std.
i50° 9,5 23,94 14 |
| Gegossen, wärmebehandelt, zuletzt kalt geschmiedet
...... 9,5 24,11 13 |
Cbermaß zur Herstellung von 1,5 mm dicken Streifen. Mit einer Abnahme von 4o0/0
werden gegossene Knüppel warm bearbeitet und anschließend warm oder kalt auf 2,5
mm abgewalzt. Der Streifen wird dann vollständig ausgehärtet durch die seiner Zusammensetzung
entsprechende spezifische Wärmebehandlung; schließlich wird der 2,5 mm dicke Streifen
um 40°/° auf 1,5 mm kalt gewalzt. Auf diese Weise werden Streifen hoher Güte erzielt.
Es ist auch möglich, die letzte Kaltbearbeitung nach der Lösungsgleichung bei 390°,
und bevor die Ausscheidungshärtung bei 15o bis 175° durchgeführt wird, vorzunehmen.
Auch können gute Eigenschaften erzielt werden durch Kaltwalzen des Streifens nach
der Wärmebearbeitung und ohne weitere Warmverformung. Die höchste Elastizität, wie
sie für Federqualitäten verlangt wird, und beste Temperaturstabilität, wie auch
die wirkungsvollste Herstellungsbehandlung erhalten diese Legierungen durch eine
Kaltbearbeitung nach vollständiger Wärmebehandlung. Ähnliche Eigenschaften können
in Abhängigkeit von den Dimensionen entwickelt werden durch folgende Arbeitsweise:
Gesenkschmieden, Strangpressen, Ziehen, Hämmern u. dgl., solange nur die Endabnahme
kalt, d. h. bei Raumtemperatur, erfolgt. Unter Umständen kann ein Abkühlen in kaltem
Wasser od. dgl. zwischen den einzelnen Kaltbearbeitungsvorgängen zweckmäßig sein,
um zu hohe Temperaturen
im Material, die durch die innere Reibung
bei der Kaltbearbeitung entstehen, zu vermeiden.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt die Zugfestigkeit der behandelten und
gewalzten Streifen der als 1, 2, 3 und 4 bezeichneten Legierungen. Spalte i gibt
die Legierungsnummer an, die Spalten 2 und 3 die vor der endgültigen Kaltwalzung
nach Spalte 4 angewandte Wärmebehandlung. In Spalte 5 ist die zweite Alterungsbehandlung
nach der endgültigen Kaltbearbeitung angegeben, um die Temperaturbeständigkeit der
entwickelten Eigenschaften zu zeigen, in den Spalten 6, 7, 8 und 9 sind die Ergebnisse
des Zugversuches angegeben.
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Die Betrachtung der Zugfestigkeiten für Streifenmaterial in der Tabelle
ergibt folgendes: i. Die Legierungen i und 2 mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung
rekristallisieren nicht unter i75°. Ein Altern bei i3o oder i75° verbessert
| Zugfestigkeiten für Streifenmaterial |
| i I z 3 4 5 6 7 $ 9 |
| i Stunde Prop.- 0'5% Zug- Bruch- |
| legierung Lögungs- 4 Stunden haltwalzung i Stunde grenze Deh-
festigkeit dehnung |
| Nr. behandtung Alterung 2. Alterung nungs- |
| kg/mm2 grenze kg/mm2 °% |
| 1 I 405° 175° 40 Zimmert. 11,2 22,9 29,2 15 |
| 1750 11,2 23,O 29,1 15 |
| 3 6o Zimmert. io,o 23,8 32,5 24 |
| 4 |
| 175° |
| 8,4 |
| 23,8 29,8 |
| 20 |
| 5 2 390° 1750 40 Zimmert. 10,2 21,9 28,O 21 |
| 6 150° 11,2 23,o 27,3 30 |
| 7 175° 10,5 22,4 26,8 20 |
| 60 Zimmert. 9,2 22,O 30,4 18 |
| 150° i0,2 21,7 31,0 27 |
| io 1750 10,0 22,8 28,O 7 |
| 11 3 3903 175° 40 Zimmert. 1o,2 . 21,6 26,6 22 |
| 12 150° 1o,5 21,5 24,7 6 |
| 13 1750 7,9 20,0 24,5 20 |
| 14 6o Zimmert. 8,9 21,o 30,i 23 |
| 15 150° 8,9 18,6 26,7 33 |
| 16 1750 6,8 17,2 24,2 28 |
| 17 4 Heiß gewalzt 50 Zimmert. 6,8 17,5 259 37 |
| 18 bei 300° 1750 5,2 11,5 18,4 54 |
| i9 390' 150° 40 Zimmert. 7,7 193 245 20 |
| 20 175° 4:3 12,0 17,5 5 |
| 21 6o Zimmert. 8,7 18,7 27,o 32 |
| 22 150° 8,4 16,8 23,6 34 |
| 23 1750 5,5 11,2 17,8 40 |
etwas die Proportionalitätsgrenze und die o,5°/0 Dehnungsgrenze, durch Altern bei
i5o° wird gleichzeitig die Dehnung heraufgesetzt.
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2. Legierung 3 mit nur 1,6°/o Kupfer, gegenüber 2° /o Kupfer der Legierungen
i und 2, ist nach einer Alterung bei 15o° stabil, aber erweicht etwas nach einer
Alterung bei 175°, und der Bruch zeigt, daß sie bei 175' noch nicht rekristallisiert
ist.
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3. Legierung 4, mit 1,27°/o Kupfer, ist bis 15o° stabil, aber hat
sich bei 175° bereits rekristallisiert. 4. Legierung 4 hat nach dem Kaltwalzen ohne
Wärmebehandlung (Zeile 17) etwas bessere Eigenschaften als die handelsüblichen Legierungen.
Die Zahlen für die Legierung 4 in Zeile i9 und 21 zeigen die Verbesserung hinsichtlich
der Proportionalitätsgrenze und der o,5°,/, Elastizitätsgrenze auf Grund der Wärmebehandlung.
Die Legierung hat den niedrigsten Kupfergehalt und wird am wenigsten durch die Wärmebehandlung
beeinflußt. Sie erweicht bei i5o° und rekristallisiert unter 175°.
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5. Handelsübliche Legierungen mit entsprechenden Kupfergehalten, aber
ohne Beryllium, sind wesentlich schlechter, besonders hinsichtlich der Elastizitätseigenschaften
und der Rekristallisationstemperatur.
Die ausgezeichneten Eigenschaften
der neuen Legierungen sind auf den Berylliumgehalt, der mit dem Kupfer verbunden
ist, zurückzuführen. Das in der Tabelle für Streifen angegebene Material wurde um
40°/o kalt tierabgearbeitet zu Streifen von 1,5 mm Dicke, die wiederum um 60°/o
kalt abgearbeitet wurden zu Streifen von i mm Dicke.
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Das voll ausgehärtete Streifenmaterial läßt sich leicht um 9o° biegen,
und zwar in oder quer zur Walzrichtung und nimmt selbst eine Biegung um 18o° hin,
ohne zu reißen. Dadurch wird eine gute Formbarkeit für fabrikatorische Zwecke angezeigt.
Dieses Streifenmaterial, insbesondere aus den Legierungen i und 2, besitzt Federeigenschaften.
Eine Blattfeder von 1o cm Länge und i bis 1,5 mm Dicke, die an einem Ende eingespannt
ist, läßt sich am freien Ende 25 mm abbiegen, ohne dauernde Verformung oder ohne
Fließeigenschaften zu zeigen wie handelsübliche Legierungen. Die elektrische Leitfähigkeit
der neuen Legierung ist verhältnismäßig hoch, beträgt z. B. 2o bis 28°/o der des
Kupfers und ist mit der von 70/30 Messing zu vergleichen. Die Kosten für das Gießen,
Wärmebehandeln und Walzen der neuen Legierungen entsprechen etwa den für das Gießen,
Glühen, Walzen von Messing erforderlichen.