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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referenz 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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