-
Superplastische Zinklegierung Die Erfindung betrifft eine superplatische
Zinklegierung, der Aluminium und Magnesium zulegiert sind.
-
Während der letzten Jahre wurden dauerstandfeste und bis zu einem
gewissen Grad duktile Zinkknetlegierungen, die eine problemlose Herstellung von
Zinkblechen und -bändern hoher Qualität durch Walzen ermöglichen, entwickelt. Der
Weiterverarbeitung derartiger Halhzeuge durch Tiefziehen sind jedoch Grenzen gesetzt.
-
Bekannt sind ferner sogenannte superplastische Zinklegierungen, die
sich mit geringem Kraftaufwand weitgehend und ohne Rißbildung weiterverarbeiten
lassen. Im superplastischen Zustand ist der Widerstand cierartiger Zinklegierungen
gegen Verformung gering, so daß bei Anwendung von Zug Dehnungen von mehreren 100
% sogar von 1000 bis 2 000 % der ursprünglichen Länge erreicht werden können. Ein
solches Verhalten ernöglicht die Anwendung von Umformverfahren der Knnststoff verarbeitenden
Industrie, so daß dadurch eine Wandlung der herkönrmlichen Weiterverarbeitung von
solchen Zinklegierungen möglich ist.
-
Supouplasüzität liegt bei solchen Zinlilegierungell vor, die bei einer
thermomechanischen Behandlung, die über der Hälfte ihrer absoluten Schmelztemperatur
liegt, ein außergewöhnlich feinkörniges Gefüge hilden und beibehalten.
-
Wenn binäre Zink-Aluminium- Legierungen mit etwa 1 bis 63 % Alumimum
und 99 bis 37 % Zink aus dem über 2750C liegenden homogenen Mischkristallgebiet
auf Temperaturen unterhalb 27 50C vorzugsweise auf Raumtemperatur, abgeschreckt
werden, dann zerfällt das homoge ne Gefüge eutektoid zu einem feinstkörnigen heterogenen
Gefüge und es entsteht eine Legierung hoher Duktilität, die die Fähigkeit zu starker
plastischer Verformung bei extrem niedriger mechanis eher Beanspruchung besitzt
(DL-PS 4822; Sauerwald, F.: Archiv für Metallkunde, lleft 5, 1949, S. 165).
-
Der gleiche plastische Zustand kann auch durch eine thermomechanische
Behandlung, beispielsweise durch Warmumformung bei einer Temperatur unterhalb 2750C,
erreicht werden. (Johnson, R.H., C. M. Packer, L. AndersonundO.D. Sherby : Phil.
Mag. 18, 1968, S. 1309).
-
Dem Vorteil der hohen Duktilität derartiger Legierungen steht auf
der anderen Seite jedoch der Nachteil geringer Daucrstandfestigkeit gegen über.
So beträgt beispielsweise die Dauerstandfestigkeit von Zinklegierungen des Typs
ZnAl 22 und ZnAl 5 nur etwa 0,5 kg/mm2 für 1 % bleibende Formänderung pro Jahr.
Eine geringfügige Verbesserung der Dauerstandfestigkeit kann durch eine Änderung
des Aluminiumgehaltes erreicht werden. Eine wesentliche Steigerung der Dauerstandfestigkeit
auf 6 kp/mm2 für 1 % Formänderung pro Jahr wird durch eine naehträgliche Wärmebehandlung
des zum Endprodukt verarbeiteten Halbzeugs bei einer Temperatur größer als 2750C
und anschließendem langsamen Abkühlen erzielt. Durch eine derartige Behandlung geht
jedoch die hohe Duktilität der Legierung wieder verloren. Zudem ist diese Behandlung
mit einem erheblichen Aufwand an Zeit und zusätzlichen Anlagen für dic Wärmebehandlung
verbunden. Ferner kann durch diese Behandlung die Formbeständigkeit des Fndproduktes
beeinträchtigt und die Gefahr der Korrosion gegeben sein.
-
Bekannt ist ferner, die D au er standfestigkeit von Zink -Ahlminium
- Legierungen durch solche Zusätze zu verbessern, die ein mehr oder weniger großes
Lösungsvermögen im festen Zink und im Aluminium besitzen. So ist es bekannt, Kupfer,
Mangan, Magnesium, Nickel, Titan, Chrom, Silizium und Eisen als weitere Legierungsbestandteile
einzeln oder zu mehreren der Zink-Aluminium-Legierung zuzusetzen (DL-PS 5 659>
DT-AS 1 0521 122, DT-PS 1 091 345, US-PS 1 125 072, CH-PS 312 659, DT-OS 1 934 788).
Dies gilt auch für die aus dem Zinc Development Association - Members Letter Nr.
283 bekannten superplastischen Zinklegierung der Zusammensetzung 70-82 % Zink, 0.
05 - 0. 2 % Magnesium bis 2 % Kupfer, Rest Aluminium.
-
Diese Maßnahmen beeinträchtigen Jedoch wiederum die Duktilität, so
daß beispielsweise die Dehnung bei Raumtemperatur bei Festigkeitswerten von über
40 kg/mm2 und Dauerstandfestigkeitswertenvon 2 bis 5 kp/mm² auf Werte unter 10 %
absinkt.
-
Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, bei einer superplastischen
Zink-Legierung, der Aluminium und Magnesium zulegiert sind, die Dauerstandfestigkeit
zu verbessern und gleichzeitig die gute Duktilität dieser Legierung weitgehend zu
erhalten.
-
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Zinklegierung der
Zusammensetzung 1-35 % aluminium, 0,001 bis kleiner 0, 03 %> vorzugsweise 0,
005 bis 0, 02 % Magnesium, Rest Fein zink, gelöst. Die Aluminiumgehalte betragen
vorzugsweise 3-6 % oder 20 - 23 %.
-
Ferner besteht die Möglichkeit, daß neben dem Magnesium noch 0,1 bis
1, 5 %, vorzugsweise 0, 5 bis 1,2 % Kupfer, in der Legierung enthalten sind.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Magnesium ganz
oder teilweise durch Beryllium, Chrom, Eisen, Silizium, Bor, Titan oder dergleichen
ersetzt sein.
-
Die der Zink-Aluminium-Legierung zugefügten Elemente besitzen eine
geringe Löslichkeit in Zink, meistens auch im Aluminium und steigern in ausgeschiedener
Form sowohl die Festigkeit als auch die Dauerstandfestigkeit.
-
Die Wirkung der genannten Zusätze ist optimal, wenn diese in einer
bestimmten Konzentration in der Zink-Aluminium-Legierung enthalten sind. Dadurch
wird, wie es schon von Aushärtungsvorgängen bei Duralumin her bekannt ist, eine
kritische Ausscheidungsgröße erzielt.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert: Die Ausführungsbeispiele 1-4 sind jeweils auf eine erfindungsgemäße
Legierungs zusammensetzung abgestellt, während die Ausfüiirungsb eispiele 5 bis
8 sich mit einer Legierung nach dem Stand der Technik befassen.
-
Ausführungsbeispiel 1 Nach der Erfindung setzt sich die Legierung
zusammen aus 21,0 % Aluminium 0, 025 % Magnesium Rest Feinzink Nach dem Warm- und
Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden:
Dehnung
bei 2500C > 600 % Dauerstandfestigkeit 8, 0 kp/mm2 Ausführungsbeispiel 2 Die
erfindungsgemäße Legierung setzt sich zusammen aus 3,9 %Aluminium 0, 029 % Magnesium
Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des entsprechenden Legierungsblocks
konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehnung bei 2500C > 600 % 2 Dauerstandfestigkeit
9, 0 kp/mm Ausführungsbeispiel 3 Die erfindungsgemäße Legierung setzt sich zusammen
aus 3,90 % Aluminium 0,85 %Kupfer 0, 01 % Magnesium Rest Feinzink Nach dem Warm-
und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgen de Werte ermittelt werden: Dehnung
bei 2500C > 600 % Dauerstandfestigkeit 13 kp/mm2 Au s füh run gsb ei s pi el
4 Erfindungsgemäß setzt sich die Legierung zusammen aus
4,0 % Aluminium
0, 90 Kupfer 0, 015 % Magnesium 0,002 % Beryllium Rest Feinzink Nach dem Warm- und
Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehnung
bei 2500C - > 600 % Dauerstandfestigkeit 15 kp/mm2 Ausführungsbeispiel 5 Die
zum Stand der Technik gehörende Legierung setzt sich zusammen aus 5,0 %Aluminium
Rest Feiiizink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende
Werte ermittelt werden: Dehntmg bei 250°C > 600 % Dauerstandfestigkeit < 1
kp/mm2 Ausführungsbeispiel 6 Die zum Stand der Technik gehörende Legierung setzt
sich zusammen aus 21 % Aluminium Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des
Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden:
Dehnung
bei 250°C > 600 % Dauerstandfestigkeit 4 1 kp/mm2 Ausführungsbeispiel 7 Die zum
Stand der Technik gehörende Legierung setzt sich zusammen aus 4, 1 % Aluminium 1,1
%Kupfer Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten
folgende Werte ermittelt werden: Dehnung bei 250°C > 600 % 2 Dauerstandfestigkeit
2,4 kp/mm Ausführungsbeispiel 8 Die zum Stand der Technik gehörende Legierung setzt
sich zusammen aus 4,36 % Aluminium 1,22 % Kupfer 0,051 % Magnesium 0, 0025 % Beryllium
Rest Fein zink Nach dem Warm und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende
Werte ermittelt werden: Dchnung bei 250°C > 600 % Dauerstandfestigkeit 7 kp/mm²
Die
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zink-Aluminium-Legierung erzielte Dauerstandfestigkeit
bei gleichzeitig hoher Duktilität wird bei den zum Stand der Technik gehörenden
Zink- bzw. Zink-Aluminium-Legierungn nicht erreicht. Die Zink-Aluminium-Legierung
stellt nach der Erfindung einen superplastischen Konstruktionswerkstoff dar, der
sich mit Hilfe von in der Kunststofftechnik bekannten Verfahren gut verarbeiten
läßt.
-
Auch bei RaAmtemperatur haben Bleche aus der erfindungsgemäßen Legierung
eine gute Duktilität, wie aus der Biege zahl 8 (parallel zur Walzrichtung) und 14
(senkrecht zur Walzrichtung) gesehen werden kann.
-
PATENTANSPEtÜCHE