KONSTRUCKTION

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Spannung und Dehnung

Die für ein Druckgussteil maximal zulässige Konstruktionsspannung kann von verschiedenen funktionalen Anforderungen, die im Lastenheft definiert werden, abhängig sein.

Die maximale elastische oder plastische Dehnung unter den zu erwartenden Betriebsbedingungen sollte unterhalb der für Zink angegebenen Werte liegen.

Die Betrachtungen kritischer Betriebsbedingungen schließen die Betriebslast, gleichgültig ob statisch oder dynamisch, die Betriebstemperatur und die kalkulierte Betriebsdauer ein.

Allerdings sollten auch die Beanspruchungen, denen ein Bauteil während eines mechanischen Bearbeitungsvorganges ausgesetzt wird, nicht unberücksichtigt bleiben, da diese für das Bauteil eventuell schädigende Auswirkungen haben könnten, wie z. B. das Verursachen von Rissbildungen und Deformierungen.

In der Vergangenheit wurde für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Automobilindustrie aus Gewichtsgründen eine Optimierung des Bauteils bezüglich der mechanischen Anforderungen angestrebt. In Einsatzbereichen, in denen das Gewicht der Bauteile eine eher untergeordnete Rolle spielt (insbesondere im Bausektor) befinden sich viele überdimensionierte Bauteile. Deren effektive Spannung liegt weitaus unter der max. zulässigen Spannung.

Man ist immer mehr bestrebt, auch diese Bauteile zu optimieren.

Die niedrigeren Kosten und die größere Leistungsfähigkeit von rechnerunterstützten Systemen durch Computer sowie die wachsende Benutzerfreundlichkeit dürften den Gebrauch einer leistungsfähigen Konstruktionssoftware zur Routine werden lassen.

Sie bietet die Möglichkeit, die Kosten pro Produktionseinheit zu senken und zugleich das Vertrauen in die Beständigkeit des Bauteils zu schaffen.

Die mechanischen Eigenschaften von Zinklegierungen (so die vieler anderer Werkstoffe und Metalle) verändern sich mit der Einsatztemperatur. Eine Erhöhung der Temperatur verringert die Zugfestigkeit und Kriechfestigkeit bei gleichzeitigem Anstieg der Duktilität. Die Schlagarbeit mit ungekerbten Proben (nach Charpy gemessen), zeigt bei ca. 0°C für die meisten Zinklegierungen einen Anstieg. Dies ist nicht als eine gravierende Versprödung zu interpretieren. Die Schlagarbeit von Zinklegierungen bei Temperaturen weit unterhalb 0°C ist mit der von Druckgussteilen aus Aluminiumlegierungen bei Zimmertemperatur und Temperaturen darüber zu vergleichen.

Es wurde eine obere Grenze für die Betriebstemperatur von 100°C für Druckgussteile aus den Zinklegierungen ZP3/ZP0400 und ZP5/ZP0410 in Belastungssituationen festgelegt sowie eine Grenze von 150°C im “unbelasteten” Einsatz. Für ZP2/ZP0430 und ZP8/ZP0810 kann die Grenze für den Einsatz unter Last auf ca. 130°C angehoben werden.

Diese Richtwerte sind zur besseren Einschätzung der Machbarkeit  von Zinkdruckguss zu verstehen, nicht zur Optimierung von Bauteilen.

Die Bauteilbelastung, die für diese Betriebsbedingungen angewandt werden darf, hängt zum einen davon ab, ob die Belastung kontinuierlich, zyklisch oder stoßweise auftritt, zum anderen von der geringen Verformung, die aufgenommen  werden kann, ohne dass das Produkt seine spezifische Einsatzbereitschaft verliert.

Für Gussteile, die signifikanten kontinuierlichen Lasten unterliegen, wird ihre Anwendung von der Kriechfestigkeit des Materials bei Betriebstemperatur abhängen, aber auch von der erwünschten Betriebslebensdauer der Bauteile.

Falls das Gussteil im Einsatz derart belastet wird und die Anwendung bei Raumtemperatur stattfindet, wird die Betriebsdauer gleich der vollen gesamten Lebenserwartung der Baugruppe sein.

Sollte die Komponente jedoch während des Betriebs einer wachsenden Belastung oder steigenden Temperaturen ausgesetzt sein, ist es wahrscheinlich, dass die angenommene Betriebsdauer unter der erforderlichen Gesamtbetriebszeit liegt.

Nur wenn die Belastung oder die Temperatur während des Einsatzes einen signifikanten Anteil der eigentlichen Betriebsbelastung darstellt, müssen beide Faktoren beachtet werden.

Die maximale zulässige mechanische Spannung für Bauteile, die kontinuierlichen Belastungen ausgesetzt werden, wird anhand der Kriechgleichung berechnet.

Diese ist auf Seite 45 in “Engineering Properties of Zinc Alloys” dargestellt und von der ILZRO veröffentlicht (siehe den Abschnitt über das Kriechen im Unterkapitel über Druckgussteile aus Zinklegierungen).

Dies erfordert zusätzliche Angaben hinsichtlich der maximal zulässigen Kriechdehnung (Verformung), der Betriebstemperatur und der erwünschten Lebensdauer.

Für Bauteile, die ausschließlich reversiblen, zyklischen Belastungen unterliegen, sollte die Ermüdungsfestigkeit der Legierung, dividiert durch einen zu bestimmenden Sicherheitsfaktor, die maximale Bauteilbelastung errechnet werden.

In Fällen, bei denen der wechselnde Anteil der Belastung lediglich ein Anteil an der Gesamtlast ist, sollten sowohl die Kriechfestigkeit als auch die Ermüdungsfestigkeit in Betracht gezogen werden.

Die Extremfälle, bei denen ein Bauteil Überbeanspruchung ausgesetzt ist, sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Die Beurteilung, ob der Gusswerkstoff auch für derartige Fälle geeignet ist, kann am besten anhand seiner Werkstoffeigenschaften beurteilt werden, d. h. Zugfestigkeit, Streckgrenze und Schlagarbeit.

Fußnote 2

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