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Zinklegierung für Ziehwerkzeuge und andere Gußteile Die Erfindung
betrifft eine Zinklegierung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Verschleißfestigkeit
solcher Legierungen zu verbessern, so daß sie zur Herstellung von Ziehwerkzeugen
und zu ähnlichen Zwecken besser geeignet sind.
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Legierungen nach der vorliegenden Erfindung haben beträchtlich erhöhte
Verschleißfestigkeit, eine hohe Bruchfestigkeit, sie sind gut gießfähig und sehr
homogen. Diese Eigenschaften werden durch einen Zusatz von Nickel und Titan erzielt,
welche ein verschleißfestes Korn von optimaler Größe und gleichmäßiger Verteilung
bilden. Der Nickelgehalt liegt zwischen o,16 und 3 % und der von Titan zwischen
o,o4 und o,8 °/o, wobei vorzugsweise der Nickelgehalt in den Grenzen von 1 bis 2,5
% und der Gehalt an Titan in den Grenzen von o,2 bis o,6 °/o gehalten wird. Innerhalb
dieser Grenzen wiederum wird ein Nickelgehalt von vorzugsweise 1,6 0lo und- ein
Titangehalt von o,45 % gewählt.
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Eine Zinklegierung, die Aluminium und Kupfer und vorzugsweise auch
Magnesium enthält, eignet sich besonders zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit
durch einen Zusatz von Nickel und Titan innerhalb der oben angegebenen Grenzen.
Aluminium
und 'Kupfer -verbessern die Zugfestigkeit, während das
Magnesium die Korrosionsbeständigkeit erhöht.
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Zinklegierungen nach der Erfindung besitzen einen niedrigen Schmelzpunkt
und eine gleichmäßige Schwindung. Der niedrige Schmelzpunkt macht die Notwendigkeit
komplizierter Vorrichtungen beider Herstellung der Legierung überflüssig, wofür
nur ein verhältnismäßig einfacher Schmelztiegel mit Gas- oder Ölfeuerung erforderlich
ist. Die gleichmäßige Schwindung gestattet, die Masse des Gußstückes von vornherein
mit großer Genauigkeit zu bestimmen, wodurch sich große Nachbearbeitung der Stücke
erübrigt. Daher eignen sich Legierungen nach der vorliegenden .Erfindung ausgezeichnet
für die Herstellung von Ziehwerkzeugen, da der gesamte Herstellungsvorgang verhältnismäßig
einfach wird und ein Minimum an Einrichtung* und Nacharbeit erfordert.
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Die Kosten werden außerdem dadurch wesentlich gesenkt; däß diese Legierungen
viele Male umgeschmolzen werden können, so daß es möglich ist, das Material nicht
mehr gebrauchter Ziehwerkzeuge fast vollständig wieder zu verwenden. Schließlich
haben Gußstücke, die aus diesen Legierungen hergestellt sind, die Eigenschaft, daß
sie schnell kalt werden, so daß sie innerhalb kurzer Zeit für die Produktion zur
Verfügung stehen.
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Die hohe Verschleißfestigkeit verdankt die Legierung der Bildung von
harten Kristallen aus Nickel und Titan, die wahrscheinlich eine Metallverbindung
nach- der Formel Ni3Ti eingehen. Abgesehen von der chemischen Zusammensetzung dieser
Kristalle ist ihr Vorkommen in dem wesentlich weicheren Grundmetall für die bemerkenswerte
Verbesserung der Verschleißfebtigkeit verantwortlich, so daß sich die Legierung
ganz besonders für die bei Ziehwerkzeugen auftretenden Beanspruchungen eignet. Schließlich
ist zu beachten, daß diese harten Kristalle, die bezüglich ihres spezifischen Gewichtes
dem des geschmolzenen Zinks sehr nahekommen, nicht so leicht nur an der Oberfläche
schwimmen, wie es z. B. die Kristalle anderer Härtezusätze tun. Mithin ergibt .die
vorliegende Erfindung eine Legierung, die eine richtige Verteilung der Kristalle
sowie eine optimale- Korngröße aufweist, wodurch physikalische Eigenschaften erzielt
werden, die alle Anforderungen an ein vorzügliches Material für Werkzeuge erfüllen.
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Zufriedenstellende Resultate werden nach der Erfindung mit Legierungen
erzielt, die 2,o bis 5 /0 Aluminium, o,5 bis 5,o 9/o Kupfer, ö,16 bis 3 0% Nickel
und ö,o4 bis o,8 % Titan und' im übrigen im wesentlichen Zink enthalten.
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Ein weiterer Zusatz zu dieser Legierung von 0,03 bis 0,400/0 Magnesium
ist günstig, da hierdurch die Neigung der aus Blei; Kadmium und Zinn bestehenden
Verunreinigungen zur Korrosion vermindert wird. Es ist natürlich zu bemerken, daß
diese Legierungen auch andere zufällige Verunreinigungen enthalten, Wie z. B. Eisen
und Silicium.
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Besonders hervorragende Verschleißfestigkeit wurde mit Legierungen.
erzielt; die 3,0 bis 5,09/0 Aluminium, 2;o bis 3,5 9/a Kupfer, o,10 bis o,300/0
Magnesium, i,o bis 2,5 9/o Nickel; o,2 bis o,6 % Titan, Rest Zink enthalten.
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Beste Gießfähigkeit und Verschleißfähigkeit ergibt eine Legierung
von ungefähr 4,0 % Aluminium, o,25 9/o Magnesium, 3,25 9/o Kupfer, i,6 ,%' Nickel,
o,5 °/o Titan, Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, Zink.
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Die Verschleißfestigkeit ist natürlich eine Funktion der Größe und
Verteilung der harten Nickel-Titan-Kristalle. Da Korngröße und Verteilung von der
Metallviskosität, Kristallisationsgeschwindigkeit und dem Verfahren bei der Herstellung
der Legierung abhängig sind, gehört auch das Verfahren zur Herstellung der Legierung
zu der Erfindung, damit die größtmögliche Verschleißfestigkeit und der geringste
Abrieb erzielt wird. Obwohl man auch die gewünschte Zusammensetzung erhält, wenn
man Nickel und Titan für sich dem geschmolzenen Zink zusetzt, werden die besten
Resultate dann erzielt, wenn man .diese Elemente in Form einer Kupfer-Nickel-Titan-Vorlegierung
als Härtezusatz beigibt. Man nimmt an, daß der harte Zustand von Nickel und Titan
sich in dieser Vorlegierung bei ihrer Herstellung bildet: Um daher verschleißfeste
Kristalle von richtiger Größe zu erhalten, wird der Härtezusatz vorzugsweise dem
Zink als feste Legierung. zugesetzt, wobei die kupferreiche Phase, die die Bestandteile
einschließt, in dem Zink fest gelöst wird, so daß die härteren Nickel-Titan-Kristalle
in der Zinklegierung suspendiert bleiben.
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Bei der Durchführung dieses Teils der Erfindung wird :die Legierung
vorzugsweise in der Weise erhalten, indem man zuerst im wesentlichen reines Zink
schmilzt und dann nach Erhöhung der Temperatur auf 5 iobis 565° C ungefähr 50% des
gesamten zuzusetzenden Aluminiums: beigibt. Dieser Zusatz verhindert ein Verschlacken
des Zinks bei höheren Temperaturen. Nach einer weiteren Erhitzung auf 593 bis 704.°
C werden die erforderlichen Mengen Kupfer, Nickel und Titan vorzugsweise in Form
einer aus den drei Metallen bestehenden, als Härtezusatz dienenden Vorlegierung
zugegeben: Diese hohe Temperatur müß so lange erhalten werden, bis die Vorlegierung
vollständig gelöst ist; wobei die Lösungsgeschwindigkeit durch periodisches Umrühren
erhöht wird. Nachdem die vollständige Lösung erreicht ist, ist es angebracht, die
Temperatur .der Schmelze wieder auf ungefähr 477 bis 5iö° herabzusetzen und dann
die restlichen 5o °/o -Aluminium hinzuzufügen, deren Zusatz dann die Abkühlung unterstützt.
Ein geeignetes Flußmittel, z. B. Salmiak, kann dann beigegeben werden, um störende
Oxyde zu entfernen; worauf das Magnesium eingebracht wird, indem man es vorzugsweise
vollständig in das Bad eintaucht. Die nun fertige Legierung kann dann in Formen
vergossen werden.
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Wenn auch das gesamte Aluminium vor oder nach dem Zusatz des Kupfer-Nickel-Titan-Härtezusatzes
zugegeben werden kann, so ergibt doch die
oben beschriebene Reihenfolge
der Zusätze die besten Ergebnisse.
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ZufriedenstellendeResultate werden mit folgender Zusammensetzung des.Kupfer-Nickel-Titan-Zusatzes
erzielt: 8,o bis 4o °/o Nickel, 2,o bis 15 % Titan, Rest 45 bis go % Kupfer. Um
jedoch die günstigste Korngröße zu erhalten, wird vorzugsweise ein Härtezusatz verwendet,
der aus 2o bis 35 % Nickel, 4,o bis 1o °/o Titan, Rest 55 bis 70 % Kupfer bestellt.
Zu bemerken ist dabei, daß in dieser Zusammensetzung das Verhältnis des Nickelgehaltes
zum Titangehalt ungefähr der Metallverbindung Ni3Ti entspricht. Für größte Homogenität
und Verschleißfestigkeit muß also der Titangehalt ungefähr in den Grenzen von 15
bis 30 % des Gesamtgewichtes von Nickel plus Titan gehalten werden, wobei mit 22
% Titan die besten Resultate erzielt werden. Der Härtezusatz, der demnach die zufriedenstellendsten
Resultate ergibt, besteht ungefähr aus 62 % Kupfer, 30 % Nickel und 8 % Titan. Wenn
diese Zusammensetzung zu der Zinkschmelze in Mengen von 0,7 bis 8,8 % und vorzugsweise
in Mengen von 3,2 bis 6,6 % zugesetzt wird, bilden Ni3Ti-Kristalle einen Anteil
von vorzugsweise 1,o bis 3,1 % der Zinkschmelze.
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Da die harten Kristalle von Nickel und Titan schon während der Herstellung
des Härtezusatzes gebildet werden, ist das Verfahren zur Legierung dieser Zusatzlegierung
von erheblicher Bedeutung für die Erzielung günstigster Resultate. Das Schmelzen
des Hartmachers muß in der Atmosphäre eines geeigneten Schutzgases, wie z. B. Argon,
erfolgen, um den normalen kleinen Verlust von Titan infolge von Oxydation zu vermeiden.
Am besten geschieht das Schmelzen bei hoher Ausbeute an Titan in einem Induktionsofen
unter einer Schutzgasatmosphäre von Argon.
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Infolgedessen wird der Kupfer-Nickel-Titan-Zusatz in der Weise bereitet,
daß man das Kupfer schmilzt und elektrolytisches Nickel zusetzt. Daraufhin wird
die Legierung vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 1370 und 165o° erhitzt,
die Schmelze mit einer Argonatmosphäre abgedeckt und dasTitan derSchmelze entweder
als handelsübliches Nickel-Titan oder als handelsübliches reines Titan zugesetzt.
Im ersteren Fall muß der anfängliche Zusatz von Nickel entsprechend vermindert werden,
damit man im Endzustand den richtigen Nickelgehalt bekommt. Diese Zusätze werden
vorzugsweise langsam beigegeben, um eine richtige Lösung zu gestatten und die Schmelze
vor übermäßiger Abkühlung zu schützen, ehe sie vergossen wird. Die Gießtemperatur
liegt vorzugsweise im Bereich von 165o bis 175o°. Da es wünschenswert ist, das Metall
in Formen zu gießen, welche sich leicht in einer geschmolzenen Zinklegierung auflösen,
werden vorzugsweise Formen verwendet, die eine große Oberfläche im Verhältnis zu
ihrem Volumen haben, z. B. die Form flacher Platten oder dünner Bleche.
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Wenn auch die vorstehende Legierung als besonders geeignet für die
Herstellung von Ziehwerkzeugen beschrieben ist, kann sie doch auch vorteilhaft anderen
Verwendungszwecken zugeführt werden, bei denen hohe Verschleißfestigkeit, gute Gießfähigkeit
und Homogenität von Wichtigkeit sind.