Werkstoffe

Normgerechte Legierungen als Basis für qualitativ hochwertigen Zinkdruckguss

Bauteile aus Zinkdruckguss sind Hightech-Produkte, die für unterschiedlichste Einsatzzwecke verwendet und in vielen Bereichen des täglichen Lebens, z. B. im Automobil-, Maschinen- und Apparatebau, in der Elektrotechnik und Elektronik sowie im Bauwesen eingesetzt werden. Die Produktpalette wird in den kommenden Jahren weiter wachsen, denn Zinkdruckguss ermöglicht die Umsetzung komplexer Geometrien mit dünnen Wanddicken bei hoher Reproduzierbarkeit in engen Toleranzen und mit hohen Festigkeitswerten. Qualität und Qualitätssicherung spielen hierbei eine entscheidende Rolle – von der normgerechten Zinkdruckgusslegierung bis zu den fertigen Gussteilen [6].

Zinkdruckgusslegierungen

In der Praxis haben sich vor allem die Legierungen ZL 0400, ZL 0410, ZL 0430 und ZL 0810 durchgesetzt, die bereits zu Beginn der 1930er-Jahre mit dem Zinkdruckgießverfahren entwickelt wurden. Seitdem hat sich die Zusammensetzung dieser Legierungen kaum verändert – sie wurde in den vergangenen Jahren jedoch für spezielle Einsatzgebiete wie sehr dünnwandiges Gießen oder spezielle Oberflächeneigenschaften optimiert. Ihre Basis bildet Feinzink mit einer Reinheit von 99,995 % Zink. Aluminium, Kupfer und Magnesium sind weitere Bestandteile, die erheblich das Eigenschaftsprofil der Legierungen beeinflussen.

Kupfer verbessert die Zugfestigkeit sowie Härte. Magnesium verhindert interkristalline Korrosion. Aluminium begünstigt die Verarbeitbarkeit des Zinks sowie die wichtigsten Gebrauchseigenschaften: Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagbiegezähigkeit. Gleichzeitig reduziert Aluminium bei Temperaturen unterhalb von 450 °C die Reaktivität eisenhaltiger Materialien im Kontakt mit der flüssigen Schmelze drastisch. Dadurch sind alle Zink-Aluminium-Legierungen im schnellen und hochproduktiven Warmkammer-Druckgießverfahren verarbeitbar [1, 5].

Die meisten Zinkdruckgießanwendungen werden in Deutschland heute in ZL 0410 ausgeführt. Die am zweithäufigsten eingesetzte Legierung ZL 0430 hat durch ihren höheren Kupfergehalt eine höhere Zugfestigkeit und ist härter. Sie wird in vielen Druckgießanwendungen zur Prototypenfertigung, aber auch im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt. Die Legierung ZL 0400 zeichnet sich durch gute physikalische und mechanische Eigenschaften aus. Sie kommt vor allem im englischsprachigen Raum zum Einsatz und wird bevorzugt da eingesetzt, wo es auf Maßbeständigkeit ankommt.

Normen

Mit der Einführung der europäischen Normen EN 1774 (Zinklegierungen, Bezeichnung ZL) beziehungsweise EN 12844 (Zinkdruckgussstücke, Bezeichnung ZP) wurden die unterschiedlichen europäischen Bezeichnungen der Zinklegierungen und deren chemische Zusammensetzungen harmonisiert: Eine Zinkdruckgusslegierung muss die Norm EN 1774 erfüllen. So weist der Hersteller nach, dass damit ein optimaler Zinkdruckgießprozess möglich ist. Werden beim Gießen höchste Qualitätsanforderungen nicht erfüllt, kann sich die Legierungszusammensetzung während des Einschmelz- und Gießvorgangs verändern. Die EN 12844 dient dazu, dem Abnehmer von Zinkdruckgussteilen die Sicherheit zu geben, dass das Gussteil die geforderten Eigenschaften aufweist und auch über einen langen Zeitraum hinweg seine Funktion erfüllt (Tabellen 1 und 2).

Tabelle 1 – Spezifikation der Zinkdruckgusslegierungen nach EN 1774 (in %)

Kurzbezeichnung   ZL3 ZL5 ZL2 ZL8
Nummer der Legierung   ZL0400 ZL0410 ZL0430 ZL0810
Symbol der Legierung   ZnAl4 ZnAl4Cu1 ZnAl4Cu3 ZnAl8Cu1
Aluminium % Max. 4,2 4,2 4,2 8,8
  Min. 3,8 3,8 3,8 8,2
Kupfer % Max. 0,03 1,1 3,3 1,3
  Min.   0,7 2,7 0,9
Magnesium % Max. 0,06 0,06 0,06 0,03
  Min. 0,035 0,035 0,035 0,02
Blei % Max. 0,003 0,003 0,003 0,005
Cadmium % Max. 0,003 0,003 0,003 0,005
Zinn % Max. 0,001 0,001 0,001 0,002
Eisen % Max. 0,02 0,02 0,02 0,035
Nickel % Max. 0,001 0,001 0,001 0,001
Silizium % Max. 0,02 0,02 0,02 0,035
Zink Restwert Restwert Restwert Restwert Restwert

Tabelle 2: Spezifikation der Zinkdruckgusslegierungen nach EN 12844 für Zinkdruckgussteile

Kurzbezeichnung   ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
Nummer der Legierung   ZP0400 ZP0410 ZP0430 ZP0810
Symbol der Legierung   ZnAl4 ZnAl4Cu1 ZnAl4Cu3 ZnAl8Cu1
Aluminium % Max. 4.3 4.3 4.3 8.8
  Min. 3.7 3.7 3.7 8.0
Kupfer % Max. 0.1 1.2 3.3 1.3
  Min.   0.7 2.7 0.8
Magnesium % Max. 0.05 0.05 0.05 0.03
  Min. 0.025 0.025 0.025 0.015
Blei % Max. 0.005 0.005 0.005 0.006
Cadmium % Max. 0.005 0.005 0.005 0.006
Zinn % Max. 0.002 0.002 0.002 0.003
Eisen % Max. 0.05 0.05 0.05 0.06
Nickel % Max. 0.02 0.02 0.02 0.02
Silizium % Max. 0.03 0.03 0.03 0.045
Zink Restwert Restwert Restwert Restwert

Qualitätssicherung

Grundlage der Qualitätssicherung ist die Einhaltung dieser Normen: Werden beispielsweise die vorgegebenen Toleranzwerte für Aluminium, Kupfer und Magnesium unter- oder überschritten, hat das Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und damit auf die Funktionalität der Gussteile. Bereits sehr geringe Mengen Blei, Kadmium und Zinn – sie kommen in den Erzen oft gemeinsam vor und werden bei der Zinkgewinnung abgetrennt – führen zu interkristalliner Korrosion beziehungsweise zu Korngrenzkorrosion. Dadurch können zum einen während der Veredelung Qualitätsprobleme auftreten und zum anderen halten die Gussteile mechanischen Belastungen schon nach kurzer Zeit nicht mehr stand. Nebenelemente wie Nickel, Eisen und Silizium bringen zudem Oberflächen- und Nachbearbeitungsprobleme mit sich.

Um normgerechte Legierungszusammensetzungen zu gewährleisten, setzen alle deutschen Hersteller auf zertifizierte Qualitätsmanagementstrategien [2]. Während der Produktion wird die Legierung mehrfach beprobt und präzise ausgewertet. Über zusätzliche Ringanalytik wird außerdem sichergestellt, dass die Kalibrierungskurven sich nicht verändert haben und keine Abweichungen zwischen den Messergebnissen auftreten. Die erforderlichen Legierungsmetalle Aluminium, Kupfer und Magnesium werden nach auf das jeweilige Endprodukt abgestimmten Wünschen zugesetzt. So werden Norm, aber auch Kundenwünsche nach Legierungen erfüllt, die innerhalb der Toleranzwerte beispielsweise einen höheren oder niedrigeren Legierungsmetallgehalt aufweisen, um eine größere Bandbreite für das interne Handling zu ermöglichen.

Innovationen

Ausgehend von den bewährten Zinkdruckgusslegierungen gibt es heute Weiterentwicklungen der Legierungen und des Gießverfahrens. Die Reduktion des Gussteilgewichts ohne eine wesentliche Veränderung der Werkstoffeigenschaften ist dabei vor allem für die Automobilindustrie von besonderem Interesse. Grundsätzlich werden dabei zwei Wege beschritten:

Zinkbarren
[2Bild 1: Normgerechte Zinkdruckgusslegierungen sind die Basis für qualitativ hochwertige Zinkdruckgussprodukte. [Bildquelle: Initiative Zink]
  • Beim Gießen von Zinkschaum im Zinkdruckgießverfahren kann eine Material- und damit auch eine Gewichtsersparnis von über 50 % erzielt werden. Während das Gussteilinnere gewollte Poren enthält, weist das Teil außen eine geschlossene, polier- und galvanisierbare Oberfläche auf (Bild 1) [3].
  • Durch die Anpassungen der Legierungszusammensetzung unter anderem durch die Verwendung kornfeinender Elemente wurde das Fließ- und Formfüllvermögen so optimiert, dass insbesondere bei sehr dünnwandigen Bauteilen (bis 0,3 mm) oder hohen Oberflächenansprüchen höchste Qualitätsanforderungen verwirklicht werden können [4].

Ausblick

Zinkdruckguss findet breite Anwendung zum Beispiel im Automobilbau, Maschinenbau sowie Möbel- und Beschlagbau. Bei Anwendungen, bei denen es auf Sicherheit ankommt, punktet Zinkdruckguss durch seine mechanischen Kennwerte. Dass Zinkdruckguss auch neuen Anforderungen gewachsen ist, zeigen die Innovationen der jüngsten Zeit, bei denen vor allem die Gewichtsreduktion unter Beibehaltung der Oberflächeneigenschaften und der mechanischen Eigenschaften im Vordergrund steht. Zuverlässige und reproduzierbare Qualität lässt sich jedoch nur dann erzielen, wenn bei der Herstellung die Qualität eine A-Priorität aufweist. Neben den betrieblichen Maßnahmen ist dabei die Einhaltung der europäischen Normen sowohl für Zinkdruckgusslegierungen als auch für Zinkdruckgussteile ein Schlüssel zum Erfolg.

Eigenschaften von Zinkdruckguss

  • sehr kurze Zykluszeiten durch niedrige Schmelztemperatur (380 – 390 °C)
  • sehr lange Formstandzeiten
  • hohe Wirtschaftlichkeit
  • ausgezeichnetes Fließverhalten (Dünnwandgießen)
  • engste Toleranzen Gießen (bis ca. IT 8)
  • gute mechanische Werkstoffkennwerte (für ZP0410 z. B. Zugfestigkeit 300 – 340 MPa,
  • Dehngrenze (0,2 %) 290 – 330 MPa, E-Modul 85 GPa)
  • ausgezeichnete Voraussetzungen für die Oberflächenveredelung
  • geringste Aushebeschrägen; endkonturnahe Fertigung
  • elektromagnetische Abschirmung
  • 100 % Recyclingfähigkeit

Literatur

[1] „Zinc Die Casting Engineering Data Base“, International Zinc Association (IZA), http://www.zinc.org/info/zinc_diecasting_engineering_database
[2] „Zinklegierungen: Qualität, Qualitätssicherung und Innovationen”, Peter Meyer zu Bergsten, Vortrag im Rahmen der „Oberflächentage 2013“
[3] „Zincopor – galvanisierbarer Zinkschaum“, Robert Seiler, Vortrag im Rahmen der „Oberflächentage 2013“
[4] „Ultra thin zinc die casting alloys“, Broschüre herausgegeben von der International Zinc Association IZA 2013
[5] „Handbuch Konstruktionswerkstoffe“, Abschnitt „Zink und seine Legierungen“, Carl Hanser Verlag, 2. Auflage. 2013
[6] „Normgerechte Legierungen als Basis für qualitativ hochwertigen Zinkdruckguss“, Giesserei Praxis, Ausgabe 4, 2014