ZINKDRUCKGUSSLEGIERUNGEN

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Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Zinkdruckgusslegierungen hängen nicht nur von der Zusammensetzung der Legierung ab, sondern auch von den spezifischen Gießbedingungen die einen direkten Einfluss auf die Erstarrung des Gefüges haben.

Gießbedingungen, die eine schnelle Erstarrung in der Druckgussform unterstützen, ermöglichen den höchsten Grad an Festigkeit und Härte.

Aus diesem Grund weisen dünnere Wandabschnitte verhältnismäßig höhere Festigkeiten auf als Bereiche mit einer relativ dicken Wandstärke.

Die Zugfestigkeitseigenschaften in der nachstehenden Tabelle „Nominelle Eigenschaften und ihre Werte“ repräsentieren typische Werte für einen fehlerfreien Guss mit einer Wandstärke von ca. 2mm.

Anhand der ebenfalls nachstehenden Tabellen können die unterschiedlichen Eigenschaften in Abhängigkeit der Wandstärke beurteilt werden.

Die nominellen Eigenschaften sind „originale“ Werte und wurden ca. fünf bis acht Wochen nach dem Gießen ermittelt.

Die mechanischen Eigenschaften verändern sich jedoch mit der Zeit.

Sie ändern sich sehr langsam bei Raumtemperatur und wesentlich schneller bei erhöhten Temperaturen (z.B. durch Tempern bzw. künstliche beschleunigte Alterung).

Für die Zinklegierungen ZP3/ZP0400, ZP5/ZP0410 und ZP8/ZP0810 verringern sich so Zugfestigkeit und Härte, während die Bruchdehnung steigt.

Die Bruchdehnung nimmt bei Legierung ZP2/ZP0430 in den ersten Wochen und Monaten des Alterungsprozesses bei Raumtemperatur ab und steigt danach langsam wieder an zurzeit.

Die jeweilige Leistungsfähigkeit der Zinklegierungen im Vergleich mit anderen, gebräuchlichen Gusswerkstoffen wird im Abschnitt “Vergleich mit alternativen Materialien“ aufgezeigt.

Die mechanischen Eigenschaften von Zinkdruckgusslegierungen in den folgenden Tabellen und Abbildungen wurden aus einer Vielzahl von Studien zusammengetragen, in denen Probstäbe mit unterschiedlichen Geometrien unter variablen Gießbedingungen gegossen wurden.

Trotz der möglichen Unterschiede hinsichtlich der Gussbedingungen die bei den Probestäben zum Tragen kamen, ist die Zugfestigkeit gleich nach dem Gießen bei Probestäben mit ähnlicher Wanddicke weitgehend konstant.

Die jeweils untersuchenden Forschungsinstitute haben dafür Sorge getragen, dass alle Probestäbe „fehlerfrei“ waren.

Praktisch alle Zinkdruckgussbauteile, wie auch alle anderen Gussbauteile, enthalten jedoch ein gewisses Maß an Porositäten, so dass „fehlerfrei“ kein absoluter Begriff sein kann.

Porosität beim Zinkdruckguss kann zwei Ursachen haben:

  1. Eingeschlossene Luft, die nicht aus dem Gießlauf und dem Formhohlraum des Druckgusswerkzeuges entweichen konnte und von der flüssigen Metallschmelze während des Füllvorganges in wenigen Millisekunden eingeschlossen wird.
  2. Die natürliche Schwindungsporosität, die entsteht, sobald das heiße, flüssige Metall in seinen festen Zustand wechselt.

Sie ist bei allen Metallen festzustellen (Volumenkontraktion).

Vorausgesetzt der Porositätsgrad liegt z.B. zwischen 1% und 5% und die einzelnen Poren sind sehr klein, muss nicht von einer bedeutsamen Schwächung des Bauteils ausgegangen werden (siehe hierzu VDG-Merkblatt  P201 „Volumendefizite von Gussstücken aus Nichteisenmetallen).

Die tatsächliche Verteilung der Porosität im Gussteil ist mindestens genau so wichtig, wie der prozentuale Anteil der Porosität.

Konstrukteure und Druckgießer sollten deshalb versuchen (z.B. durch Vermeidung von großen Wanddickenunterschieden), die höchste Qualität vor allem in denjenigen kritischen Bereichen des Bauteils zu gewährleisten, die eine direkte Bedeutung für die Festigkeit besitzen.

Der vermehrte Einsatz computergestützter Konstruktion (z.B. FEM-Simulation) hat die Nachfrage nach einer genaueren Spezifizierung der mechanischen Eigenschaften erforderlich gemacht.

Da Zink ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist, sind Zinkdruckgussteile kriechanfällig. (Das Kriechen wird definiert als die zeitabhängige Dehnung, die unter dem Einfluss einer konstanten Last stattfindet.)

In Bereichen,  in denen Zinkdruckgussteile eingesetzt werden sollen, und in denen sie einer langfristig wirkenden Belastung ausgesetzt sind – speziell bei höheren Temperaturen – müssen die Auswirkungen des Kriechens bei der Bauteilkonstruktion und –berechnung mit in Betracht gezogen werden.

Die Kriechfestigkeit der Legierungen ZP8/ZP0810 und ZP2/ZP0430 ist geringfügig höher als die Kriechfestigkeit der ZP5/ZP0410. Diese ist wiederum höher als die Kriechfestigkeit der ZP3/ZP0400.

Informationen und Angaben, die eine Einschätzung der Verformung aufgrund des Kriechens zulassen werden im Abschnitt Kriecheigenschaften behandelt.

Referenz 2

Nominelle mechanische Eigenschaften und ihre Werte

Druckgegossen, getestet bei 20°C. Die Werte zu den Eigenschaften, die unter nachvollziehbar definierten Bedingungen ermittelt wurden, sind in fett gedruckter Schrift dargestellt.

Legierung

Sonstige name

ZP3Alloy 3, Zamak3, ZP0400, ZnAL4 ZP5Alloy 5, Zamak5, ZP0410, ZnAl4Cu1 ZP2Alloy 2, Zamak2, ZP0430, ZnAl4Cu3 ZP8ZA8, ZP0810, ZnAl8Cu1 GDSLZP0730, ZnAl7Cu3 Acuzinc5ZP0350, ZnAl3Cu5 EZAC HF alloy
Mechanische Eigenschaften
   Zugfestigkeit  (MPa) (1) (6) 315 331 397 386,8 387 407,79 414 276
   Streckgrenze – 0.2% Versatz: (MPa) (1) (6) 276 295 360 318,6 315 337,84 393 234
   Dehnung: % in 70mm (1) (2) (6)
    ε bei Zugfestigkeit 2,37 3,09 2,21 2,53 1,4
    Bruchdehnung ε 7,73 3,43 5,99 3,41 1,5 6 1 5,3
   Elasticitäts Modul (Young): (GPa) (1)(4)(6) 84,3 84,5 84,4 82,7 84 85 84,3
   Scherfestigkeit: (MPa) (7) 214 262 317 275 245 280
   Poison Koeffizient (8) 0,27 0,27 0,27 0,29
   Härte: Brinell (1) (6) 97 114 130 95-110 119 115 140 93
   Schlagfestigkeit
      Charpy Ungekerbt 20°C: J/cm2 (6) 116 131 96 162,5 95
      Charpy Gekerbt 20°C: J/cm2 (6) 4 5 9
   Ermüdungsfestigkeit “Rotary Bend” (MPa) (3) (7)
      5×108 Zyklen 48 57 59 103
      1×107 Zyklen 81 86 104 63 139
   Druckfestigkeit Streckgrenze: MPa (5)
      0.2% Versatz: MPa 274 199 257 233

Fußnoten:
(1) Randbedingungen Zugfestigkeitsprüfung: Flache Proben, Probendicke 1.5 mm, an Luft abgekühlt, 8 Wochen geältert, Lo 70 mm. Testzuggeschwindigkeit 10mm/min, Temperatur : 20°C, Durchschnittswert aus 10 Zugversuchen
(2) Dehnung gemessen mit Extensometer. L0 =70 für Legierung  2, 3, 5, ZA8 und GDSL. L0=50mm für sonstige Legierungen.
(3) Ermudungsversuch Probe Durchmesser = 5,55mm. Ermüdungsgrenze nach Treppenmethode bestimmt
(4) Young Elasticitäts Modulus berechnet vom Spannung –Dehnung Grafik..
(5) Die Versuchsprobe ist ein Zylinder mit 0.24” Durchmesser and 0.48” Höhe. Die Zylinders sind gemacht von Druckguss Stoß Proben. Versuchsgeschwindigkeit: 1,1 MPa/sec. Dehnung von Kreuzkopfverschiebung.
(6) Umicore R&D (ref.5)
(7) ILZRO (ref.3)
(8) Umicore R&D/Brescia Univ. (ref. 6)

Spannung-Dehnung Grafiken

ima01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 5

Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von Versuchstemperaturen

Zugfestigkeit (MPa) in Abhängigkeit der Versuchstemperatur
Wanddicke 1,5 mm, Alterung während 8 Wochen, Lo 70mm,
Testzuggeschwindigkeit 10mm/min, Probestück an Luft gekühlt

TemperatureoCelsius ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
80 218 232 296 260
60 260 277 338 308
40 293 317 376 356
20 308 331 397 387
0 340 347 431 406
-20 345 365 449 412
-40 360 368 443 422

Die obere Tabelle wird nachfolgend grafisch dargestellt.

ima02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 5

Der Einfluss der Versuchstemperatur auf die mechanischen Eigenschaften der Legierungen ZP3/ZP0400 und ZP5/ZP0410.

Eigenschaft
TemperatureoCelsius
ZP3
ZP5
Zugfestigkeit MPa
95
200
250
40
250
300
20
280
340
0
300
380
-40
320
380
Bruch Dehnung %
95
15
12
40
8
6
20
5
4
0
4.5
4
-40
2.5
1.5
Schlagfestigkeit
J/cm26.18mm Vierkantprobe Ungekerbt
95
135
143
40
140
150
20
140
145
10
100
135
0
25
130
-10
11
60
-20
8
12
-40
7
8
Schlagfestigkeit J/cm26.18mm Vierkantprobe mit 2mm 45o V notch
70
11
12
20
2.9
4.1
0
1.7
2.2
-25
1.4
1.5
-55
1.2
1.1
Vickers Härte VPN
95
43
62
40
68
89
20
82
90
0
82
100
-20
87
105
-40
91
107

Referenz 7

Der Einfluss der Versuchstemperatur auf die Schlagfestigkeit der Legierungen ZP3/ZP0400, ZP5/ZP0410 und ZP2/ZP0430

Eigenschaft
TemperatureoCelsius
ZP3
ZP5
ZP2
Schlagfestigkeit J/cm2
6.35mm Vierkantprobe Ungekerbt (Querschnitt 0.40cm2)
80
112
103
116
40
106
111
104
20
116
131
96
0
44
130
55
-10
25
-20
11
13
13
-40
6
6
5
Schlagfestigkeit J/cm2
6.35mm Vierkantprobe
2mm 45o V Kerbe
80
13.3
13.6
12
40
11.5
10.9
8.2
20
5.1
6.9
4.2
0
2.4
2.4
3.2
-20
2.1
1.6
1.75
-40
1.6
1.1
1.5

Der Einfluss der Versuchstemperatur auf die Schlagfestigkeit der Legierungen ZP3/ZP0400, ZP5/ZP0410 und ZP2/ZP0430

6.35mm Vierkantprobe ungekerbt (0,40cm2)

ima03

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.35mm Vierkantprobe, 45o V-Kerbe (2mm)

ima04

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 5

Zugfestigkeit in Abhängigkeit der Wandstärke

Zugfestigkeit (MPa) in Abhängigkeit der Wandstärke

ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
0.76mm As Cast 333 374 416 421
Aged 296 327 345 394
1.52mm As Cast 301 337 387 374
Aged 274 301 356 360
2.14mm As Cast 276 312 353 369
Aged 251 275 329 353

Gealtert = 4 Stunden bei 100oC

Referenz 3

Zinklegierung ZP3/ZP0400, Zugfestigkeitseigenschaften in Abhängigkeit der Wanddicke.

Probesstäbe an Luft gekühlt, 8 Wochen gealtert, Lo 70 mm, Versuchszuggeschwindigkeit 10 mm/min, Durchschnittswert aus 10 Zugversuchen Underschiedliche Wanddicke

Wanddicke
0.2% Streckgrenze MPa
σ
Zugfestigkeit
MPa
σ
Bruchdehnung
% F break
σ
Dehnung % bei F max
σ
0.75mm (200C)
max
295
6.22
337
5.74
10.4
1.53
2.72
0.24
min
276
317
6.36
2.01
1.5mm (200C)
max
272
5.65
312
4.37
8.15
1.59
2.40
0.1
min
253
296
4.22
2.16
3mm (200C)
max
225
2.8
292
5.9
8.75
2.2
4.7
0.8
min
216
270
2.23
2.1

σ = Standardabweichung

Zinklegierung ZP8/ZP0810, Zugfestigkeitseigenschaften in Abhängigkeit der Wanddicke
Probestäbe an Luft gekühlt, 8 Wochen gealtert, Lo 70 mm, Versuchszuggeschwindigkeit 10 mm/min, Durchschnittswert aus 10 Zugversuchen

Wanddicke 0.2% Streckgrenze MPa σ Zugfestigkeit
MPa
σ Bruchdehnung % F break σ Dehnung % bei F max σ
0.75mm (200C)
max
342
4.6
387
4.7
4.4
0.7
2.4
0.2
min
327
371
2.0
1.7
1.5mm (200C)
max
303
7.0
336
3.1
5.05
1.05
4.46
0.88
min
288
317
2.17
2.07
3mm (200C)
max
280
2.9
333
8.2
7.1
1.6
6.5
1.4
min
272
311
1.8
1.7

σ = Standardabweichung

Referenz 5

Die Festigkeitswerte der vier oberen Tabellen werden im Folgenden grafisch dargestellt

ima05ima06

Alterung bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen

Der Einfluss der Alterung auf die Zugfestigkeit (MPa) bei Raumtemperatur
1,5 mm Wanddicke, Lo 70 mm, Versuchszuggeschwindigkeit 10mm/min

Alterungszeit
ZP3
ZP5
ZP2
ZP8
8 Woche
308
331
397
387
3 Jahre
281
314
471
 
4 Jahre
281
320
477
 
5 Jahre
282
314
474
 
10 Jahre
 
293
 
 
12 Jahre
 
 
 
314
13 Jahre
 
 
356
 
14 Jahre
274
 
 
 

Referenz 5

Die Daten der oberen Tabelle werden unten grafisch dargestellt.

ima07

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Einfluss der Alterung bei erhöhten Temperaturen

Eigenschaften nach 10 Tagen Alterung bei 95°C, getestet bei 20°C
Lo 70 mm, Versuchszugsgeschwindigkeit 10mm/min, Wanddicke der Probestäbe 1,5mm

Legierung
ZP3
ZP5
ZP2
ZP8
Zugfestigkeit MPa
271
291
326
303
Streckgrenze (0.2% offset)
218
241
249
230
Bruchdehnung % F break
8.6
7
1.5
6.1
Dehnung % beiu F max
2.6
3.8
1.5
2.4
Härte Brinell (500-10-15)
74
83
97
 

Referenz 5

Die Werte der oberen Tabelle werden unten grafisch dargestellt.

ima08 ima09

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ima10

ima11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ima12

ima13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Der Einfluss der Alterung bei Raumtemperatur auf die Zugfestigkeit (MPa) in Abhängigkeit der Versuchstemperatur bei ZP3/ZP0400 und ZP5/ZP0410 im Vergleich

Versuchs-Temperatur

oC
ZP3
ZP5
6 Monate Alterung 3 Jahre Alterung 6 Monate Alterung 3 Jahre Alterung
70
207.5
205.5
255.1
246.8
20
268.9
261.3
316.5
304.1
0
290.3
284.1
338.5
330.3
-25
310.3
302.7
356.5
347.5
-55
330.3
324.1
358.5
355.1

Referenz 3

Die Vickers-Härte (HV) der aufgeführten Legierungen in Funktion der Alterungsdauer bei 100°C für drei unterschiedliche Wandstärken (0,76mm; 1,52mm und 2.54mm)

ima14 ima15 ima16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 3

ima17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 8

ima18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 8

Kriecheigenschaften

Das Kriechen wird definiert als die zeitabhängige Dehnung, die unter einer gegebenen konstant wirkenden Last auftritt. Drei Phasen des Kriechens können voneinander unterschieden werden. ima19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Primäres Kriechen – die Kriechdehnung verläuft degressiv.
    2. Sekundäres Kriechen – die Kriechdehnung, die einen minimalen und zugleich konstanten Grad aufweist.
    3. Tertiäres Kriechen – die Kriechdehnung verläuft progressiv und führt üblicherweise zum Bruch des Prüfmusters.

Das Dehnungsverhalten von Zinklegierungen ist eine nichtlineare Funktion in Abhängigkeit der  mechanischer Spannung, Betriebstemperatur und Belastungsdauer (wie auch bei anderen metallischen Werkstoffen).

Wenn Zinklegierungen fortlaufend einer Last ausgesetzt sind, müssen entweder Versuche oder empirisch-mathematische Zusammenhänge zwischen Dehnung, mechanischer Spannung, Dauer der gegebenen Last und dem Einfluss der Betriebstemperatur genutzt werden, um das Dehnungsverhalten jeder Legierung vorhersagen zu können.

Der Elastizitätsmodul einer technischen Legierung, definiert als mechanische Spannung geteilt durch Dehnung, wird zur Konstruktionsberechnung genutzt.

Bei den Zinklegierungen hängt der Wert des E-Moduls von der mechanischer Spannung, der Verformungsgeschwindigkeit und der Temperatur ab und wird anhand von Kurzzeitzugversuchen bestimmt.

Der Wert des Elastizitätsmoduls hat nur Gültigkeit für die Bedingungen, unter denen er ermittelt wurde.

Wenn Kurzzeitspannungs-/ dehnungskurven zur Verfügung stehen, können der Elastizitätsmodul sowie die elastische Dehnung einfach bestimmt werden.

Allerdings erfahren Zinklegierungen bei einer nachhaltigen und lang anhaltenden Last irreversible Längenausdehnungen (plastische Verformung), so dass die in diesem Abschnitt angegebene Formel erforderlich ist, um etwaige Dehnungen je nach gegebener mechanischer Spannung zu berechnen.

Das Kriechverhalten von Druckguss aus den Legierungen ZP3/ZP0400- und ZP8/ZP0810, mit einer Wandstärke von 2 mm kann anhand der nachstehenden Gleichung abgeschätzt werden.

Die Gleichung ist für diese Zinklegierungen in einem Temperaturbereich zwischen 25°C und 120°C gültig.

Die Formel, die den Zusammenhang der maximalen mechanischen Spannung s (MPa) mit der Temperatur T (°K), der Betriebsdauer t (Zeit, Sekunden) und der Kriechdehnung beschreibt, lautet:

Ln σ = C’+Q/RT – Ln t
n

Hier steht

n  : Spannungsexponent = 3,5
Q : Aktivierungsenergie = 106kJ/mol
R : Gaskonstante = 8,3143 x 10-3 kJ/mol °K
C’: Konstante für die gegebene zulässige Belastung (variiert je nach Belastung für jede Legierung, wie unten gezeigt wird)

Anhand dieser mathematischen Gleichung ist es möglich, die zulässigen Kombinationen aus mechanischer Spannung, Temperatur und Kriechzeit für jede Kriechdehnung zwischen 0,2 und 1% zu berechnen.

ima20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Gleichung ist gültig für mechanische Spannungen bis zu 50 MPa und für Temperaturen bis zu 120°C. (Ergebnisse der Gleichung wurden durch entsprechende Experimente bestätigt.)

Die Kriechdehnung kann in den meisten Legierungssystemen unbeständig und ungleich sein.

Zink und seine Zinklegierungen stellen hier keine Ausnahme dar.

Identische Musterbauteile können vom Mittelwert der Kriechfestigkeit  (bzw. –Dehnung) um den Faktor 2 abweichen.

Aus diesem Grund und unabhängig davon, ob die Kriechfestigkeit gegenüber einer festgelegten Belastung aufgrund effektiver Versuche bestimmt wird oder anhand der oben beschriebenen Formel, sollte ein zusätzlicher Faktor von mindestens 2, hinsichtlich Kriechlebensdauer oder -dehnung angewandt werden.

Der Einsatz bei erhöhten Temperaturen beschleunigt einen Alterungsprozess bei allen Zinklegierungen.

Neuere Untersuchungen bezüglich der Auswirkung der Alterung bei Raumtemperatur auf die Kriechfestigkeit der Legierung ZP3/ZP0400 haben aufgezeigt dass die Kriechfestigkeit unter diesen Bedingungen abnahm.

Versuche unter hohen Lasten zeigten, dass die Kriechfestigkeit für eine Abnahme um 16% bei Raumtemperatur einen zweijährigen Alterungsprozesses durchlaufen musste, während sie bei einer Erwärmung im Bereich von  75°C bis 95°C für den gleichen Verlust der Kriechfestigkeit lediglich drei Tage benötigte.

Deshalb sollte ein Faktor von 2,0 auf die oben angegebene Formel angewendet werden, um die zulässigen Belastungswerte zu bestimmen

Um die Kriechdehnungsraten für die Legierung ZP5/ZP0410 bei Temperaturen bis zu 100°C zu ermitteln können die hier vermerkten Werte der Legierung ZP3/ZP0400 verwendet werden, indem man zu den hier vorgegebenen Temperaturangaben nochmals 10°C hinzuaddiert.

Das heißt konkret, die ZP5/ZP0410-Legierung weist bei Temperaturen, die um 10°C höher sind als bei der Legierung ZP3/ZP0400 ein vergleichbares Kriechverhalten auf.

Eine Anzahl von Versuchen mit der Legierung ZP2/ZP0430 hat aufgezeigt, dass die Kriecheigenschaften der Legierung ZP2/ZP0430 mit denen der Legierung ZP8/ZP0810 vergleichbar sind.

Momentan laufende Forschungsarbeiten befassen sich mit der Ermittlung von weiteren Kriechdehnungskurven und des Faktor C’ der Zinklegierungen ZP5/ZP0410 und ZP2/ZP0430.

Die Ergebnisse dieser Studie werden an dieser Stelle publiziert.

Referenz 3 und Referenz 2

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