Prototypen

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Legierungen zur Herstellung von Prototypen

Das Druckgussverfahren mit seinen Legierungen ist ein Verfahren, bei dem die Metallschmelze in einer extrem kurzen Zeit erstarrt. Dies hat ein feinkörniges metallurgisches Gefüge zur Folge, das zu den hervorragenden mechanischen Materialeigenschaften von Zinkdruckgussteilen führt. Folgerichtig haben Bauteile, die zwar aus der gleichen Legierung, jedoch anhand eines anderen Gießverfahrens (z.B. Schwerkraftgiessen wie Sand- und Kokillenguss) hergestellt wurden deutlich geringere mechanische Eigenschaften. Aufgrund der viel langsameren Abkühlung und der längeren Kristallisationszeit entsteht eine grobkörnige Struktur des Gefüges.

Prototypen, die besondere mechanische Eigenschaften aufweisen müssen, sollten deshalb aus einer anderen Zinklegierung hergestellt werden als für die Serienproduktion im Druckgussverfahren vorgesehen ist. Am häufigsten wird die Legierung ZP12/ZP1110 verwendet, weil die im Schwerkraftguss erreichte Zugfestigkeit den Werten für ZP2/ZP0430, ZP3/ZP0400 und ZP5/ZP0410 unter Druckgussbedingungen am Nächsten kommt. Doch es gibt wesentliche Unterschiede zwischen den anderen Eigenschaften der schwerkraftgegossenen ZP12/ZP1110 Prototypen und der aus druckgegossenen Bauteile in den Legierungen ZP2/ZP0430, ZP3/ZP0400 und ZP5/ZP0410.

Duktilität und Zähigkeit der aus ZP12/ZP1110 hergestellten Prototypen sind geringer. Dagegen sind Verschleißwiderstand und Kriechfestigkeit viel höher. Falls Duktilität und Zähigkeit bei Druckgussteilen in ZP2/ZP0430, ZP3/ZP0400 oder ZP5/ZP0410 entscheidend ist, kann ein Prototyp aus ZP27/ZP2720 gegossen oder maschinell hergestellt werden. Um eine Angleichung der Zugfestigkeit und der Duktilität zu erreichen, ist ein Tempern (Wärmebehandlung, 320°C) über einen Zeitraum von 3 Stunden empfehlenswert (gilt nur für die Legierung ZP27/ZP2720). Für ZP27/ZP2720 Prototypen sollte beachtet werden, dass diese Legierung aufgrund des Aluminiumsgehaltes möglichst nicht eingesetzt werden darf. Bei der mechanischen Bearbeitung (z.B. Schleifen) kann eine gefährliche Funkenbildung entstehen.

Bei der Überprüfung der physikalischen Eigenschaften, z. B. Wärmeleiteigenschaften eines Bauteils sollte die gleiche Legierung für den Prototyp verwendet werden, die auch für die Serienproduktion vorgesehen ist. Dies gilt gleichermaßen, wenn die Auswirkungen von langfristig wirkenden, moderaten Belastungen bei erhöhten Temperaturen bestimmt werden sollen (d.h. Kriechbeständigkeit).

Falls gleichzeitig neben den mechanischen Anforderungen, auch die gleiche Dichte des Druckgussteils wichtig ist, ist ein schwerkraftgegossener Prototyp in der Legierung ZP8/ZP0810 ein sinnvoller Kompromiss.

Wenn mehrere verschiedene Prüfverfahren mit unterschiedlichen Prüfkriterien am Bauteil erforderlich sind, ist eine Herstellung von Prototypen in verschiedenen Zinklegierungen und Verfahren erforderlich, um die Eignung zu überprüfen.

Falls mehr als eine Prüfung an einem Prototyp durchgeführt werden sollen, ist es zielführend, eine größere Anzahl von Komponenten aus unterschiedlichen Zinklegierungen herzustellen. Die entsprechenden unterschiedlichen Prüfbedingungen zeigen dann das richtige Prüfergebnis auf.

Die nachstehende Tabelle zeigt die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Legierungen ZP8/ZP0810, ZP12/ZP1110 und ZP27/ZP2720 im Schwerkraftguss.

Eigenschaften von sandgegossenen Zink/Aluminium/Kupfer-Legierungen, die am häufigsten für Prototypen verwendet werden

Kurzbezeichnung der Legierung ZP2/ZP430 ZP8/ZP0810 ZP12/ZP1110 ZP27/ZP2720 ZL27
HB*
Legierungsnummer ZP0430 ZP0810 ZP1110 ZP2720 ZP2720 HB
Zugfestigkeit MPa 252 240-276 276-317 400-441 310-324
Dehnung % 3 1-2 1-2 3-6 8-11
Streckgrenze (0.2%), MPa (1) 177 200 207 372 255
Querkontraktionszahl (Poisson-Koeffizient) (1) 0.3 0.32 0.32
Scherfestigkeit MPa 227 255 290 228
Härte Brinell (500-10-30) 100 80-90 92-96 110-120 90-100
Schlagarbeit,  Joule

(6,3mm x 6,3mm Vierkantprobe)

7.4 20 25 47 58
Elastizitätsmodul GPa 83.4 85 83 80 80
Druckstreckgrenze
(0.1%)
180 200 228 331 255
Ermüdungsfestigkeit, 108 Zyklen, MPa 103 172 103
Dichte bei 21oC, kg/m3 6600 6300 6030 5000 5000
Thermische Ausdehnung bei 20-100oC, µm/mm/oC 27.8 23.3 24.1 26.0 26.0
Thermische Leitfähigkeit  bei 20oC, W/m/h/m2 104.7 114.7 116.1 125.5 125.5
Spezifische Wärmekapazität J/kg/oC bei 20-100oC 418.7 435 450 525 525
Elektrische Leitfähigkeit % IACS 24.7 27.7 28.3 29.7 29.7
Elektrischer Widerstand µΩ-cm bei 20oC 6.85 6.2 6.1 5.8 5.8
Schmelztemperaturbereich, oC 379-390 375-404 377-432 376-484 376-484

*HB = wärmebehandelt, 3 Stunden lang bei 320°C

Fußnote 3

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