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Zinklegierungen – genormte Qualität aus primären und sekundären Rohstoffen
Viele Produkte, denen wir in unserem Tagesablauf begegnen beinhalten Zink. Dabei sind häufig Produkte, die durch das Zinkdruckguss-Verfahren hergestellt werden anzutreffen, meistens völlig unbewusst. Bauteile aus Zinkdruckguss sind heute Hightech-Produkte, die für vielfältige Einsatzzwecke verwendet und in vielen Bereichen des täglichen Lebens, im Automobilbau, für E-Mobilität aber auch im Maschinenbau, der Elektrotechnik und Elektronik, für SmartHome sowie im Bauwesen eingesetzt werden.
Aufgrund der nachhaltigen Eigenschaften von Zink und des Herstellungsprozesses gewinnt Zinkdruckguss weiter an Bedeutung. Zinkdruckguss ermöglicht die Umsetzung komplexer Geometrien mit dünnen Wanddicken bei hoher Reproduzierbarkeit in engen Toleranzen und mit hohen Festigkeitswerten. Die Qualität und Qualitätsüberwachung sind in der Prozesskette entscheidend – von der normgerechten Zinkdruckgusslegierung bis zu den fertigen Gussteilen. Hochwertige Produkte aus Zinkdruckguss benötigen eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung – von der Legierung über den Zinkdruckguss-Prozess, die Oberflächenbehandlung bis zum Fertigprodukt.
Zinkdruckgusslegierungen
In der Praxis durchgesetzt haben sich vor allem die Legierungen ZP0400, ZP0410, ZP0430, die bereits zu Beginn der 1930er-Jahre mit dem Zinkdruckgussverfahren entwickelt wurden. Sie bilden die Basis für die Entwicklung weiterer Zinkdruckgusslegierungen, für spezielle Einsatzgebiete wie sehr dünnwandiges Gießen oder für die Optimierung spezieller Oberflächeneigenschaften. Die Basis der Legierungen bildet Feinzink mit einer Reinheit von 99,995 Prozent Zink. Reines Aluminium, Kupfer und Magnesium sind weitere Bestandteile, die erheblich das Eigenschaftsprofil der Legierungen beeinflussen: Kupfer verbessert die Zugfestigkeit und Härte und Magnesium verhindert interkristalline Korrosion. Aluminium begünstigt die Verarbeitbarkeit des Zinks sowie die wichtigsten Gebrauchseigenschaften, also Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagbiegezähigkeit. Gleichzeitig reduziert Aluminium bei Temperaturen unterhalb von 450 Grad Celsius die Reaktivität eisenhaltiger Materialien im Kontakt mit der flüssigen Schmelze drastisch. Dadurch sind alle Zink-Aluminium-Legierungen im schnellen und hochproduktiven Warmkammer-Druckgussverfahren verarbeitbar.
Die meisten Zinkdruckgussanwendungen werden in Deutschland heute in ZP0410 ausgeführt. Die am zweithäufigsten eingesetzte Legierung ZP0430 hat durch ihren höheren Kupfergehalt eine höhere Zugfestigkeit und ist härter. Sie wird in vielen Druckgussanwendungen mit besonderer Reibungsbelastung aber auch im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt. Die Legierung ZP0400 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. Die Legierung ZP 0810 ist die alternative zu ZP0430 und wird ebenfalls häufig im englischsprachen Raum eingesetzt, wobei die mechanische Eigenschaften, mit denen der Legierung ZP0430 vergleichbar sind.
Eigenschaften von Zinkdruckguss
- Kurze Gieß-Zykluszeiten durch niedrige Schmelztemperatur (380-390°C)
- Lange Formstandzeiten
- Hohe Wirtschaftlichkeit
- Ausgezeichnetes Fließverhalten (Dünnwandgießen)
- Engste Gießtoleranzen
- Gute mechanische Werkstoffkennwerte (für ZP0410 z. B. Zugfestigkeit 330 MPa, Dehngrenze (0,2%) 295 MPa, E-Modul 84 GPa
- Ausgezeichnete Voraussetzungen für die Oberflächenveredelung
- Geringste Aushebeschrägen; endkonturnahe Fertigung
- Elektromagnetische Abschirmung
- Geringer Energieeinsatz durch vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur
- 100 % Recyclingfähigkeit
- Circular Economy-Potential End-of-Life (Sammlung, Sortierung, Recycling)
Zinkdruckguss im täglichen Leben – Stabil, Top-Design, Funktional, nachhaltig
Normen
Mit der Einführung der europäischen Normen EN 1774 (Zinklegierungen) beziehungsweise EN 12844 (Zinkdruckgussstücke) wurden die unterschiedlichen europäischen Bezeichnungen der Zinklegierungen und deren chemische Zusammensetzungen harmonisiert: „Selbstverständlich muss eine Zinkdruckgusslegierung eine Norm erfüllen, denn der Hersteller muss nachweisen, dass damit ein optimaler Zinkdruckguss sichergestellt ist. Auch der Gießprozess ist optimal und mit höchsten Anforderungen auszurichten, um eine Veränderung der Legierungszusammensetzung während des Schmelz- und Gießvorgangs zu verhindern. Dazu Didier Rollez, Vertrieb und Technische Beratung, Grillo-Werke AG: „Die Kriterien der EN 12844 geben dem Zinkdruckguss-Kunden die erforderliche Sicherheit, dass Gussteile die gewünschten Eigenschaften zuverlässig und reproduzierbar erfüllen und den Belastungen während der Nutzung über einen langen Nutzungszeitraum hinweg standhalten“.
Tabelle 1: Spezifikation der Zinkdruckguss Bauteile nach EN 12844 EN 1774 für Zinkdruckgusslegierungen (Angaben Gewichts %)Qualitätssicherung
Grundlage der Qualitätssicherung ist die Einhaltung der geforderten EN-Normen 1774 und EN 12884: 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 bereits während der Veredelung Qualitätsprobleme auftreten und Gussteile halten mechanischen Belastungen schon nach kurzer Zeit nicht mehr stand. Nebenelemente wie Nickel, Eisen und Silizium sind ebenfalls unerwünscht denn sie bringen Oberflächen- und Nachbearbeitungsprobleme mit sich. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen zur Schließung von Materialkreisläufen (Circular Economy) werden Legierungen für den Zinkdruckguss zunehmend aus Recyclingrohstoffen hergestellt. Diese Prozesse bedürfen ein besonderes Augenmerk auf die Legierungstoleranzen, weil der Recyclingrohstoff aus seiner Erstnutzungsphase bereits eine bestimmte Grundmaterialzusammensetzung/-legierung besitzt um im Herstellungsprozess an die Rezeptur der Zinkdruckgusslegierungen angepasst werden muss. Um normgerechte Legierungszusammensetzungen zu gewährleisten, setzen Hersteller auf ein transparentes Qualitätsmanagement und hohe Standards. Während der Produktion werden zu mehreren Prozessschritten Materialproben mittels Spektralanalyse geprüft. Die erforderlichen Legierungsmetalle Aluminium, Kupfer und Magnesium werden auf den gewünschten Legierungstyp abgestimmt. Eine eindeutige Produktkennzeichnung der fertigen Legierungsmassel sorgt für eine lückenlose Nachverfolgbarkeit der kundenspezifische Chargen. So werden die Anforderungen der Normung, aber auch Kundenwünsche nach Legierungen, die innerhalb von geringen Toleranzwerten abgebildet werden, erfüllt.
Innovationen
Ausgehend von den bewährten Zinkdruckgusslegierungen gibt es kontinuierliche Weiterentwicklungen der Legierungen und des Gießverfahrens. Die Reduktion des Gussteilgewichts unter Berücksichtigung der gewünschten Festigkeiten und Formgebung ist für viele Anwendungsbereiche von besonderem Interesse. Folgende Kriterien werden dabei berücksichtigt:
- Leichtbau – Reduzierung des Stückgewichtes bei gleicher Festigkeit. Hierzu wird z. B. auch Zinkschaum im Gussteilinneren eingesetzt. Eine Gewichtsersparnis von bis zu 50 % ist hierbei realisierbar. Die Außenfläche der Gussteile sind geschlossen und hochwertig und für die folgende Oberflächenbehandlung optimiert.
- Ressourcenschonung durch Dünnwandigkeit – mit Blick auf die Nachhaltigkeit und mit Hilfe von FEM-Simulation werden Gussteile konstruktiv so optimiert, dass sie mit geringem Ressourceneinsatz umgesetzt werden können, was sich wiederum positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. 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.
Ausblick
Zinkdruckguss findet breite Anwendung zum Beispiel im Automobilbau / Mobilität, im Maschinenbau, im Möbel- und im Beschlagbau. Bei Anwendungen, im Bereich der Sicherheits- und Schließtechnik, punktet Zinkdruckguss durch seine guten mechanischen Kennwerte. Dass Zinkdruckguss auch neuen Anforderungen gewachsen ist, zeigen die Innovationen der jüngsten Zeit mit dem Schwerpunkt auf konstruktiven Leichtbau, 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 die Werkstoffqualität und die Qualität im Gießprozess abgestimmt ist und höchste Priorität hat. Neben den betrieblichen Maßnahmen ist dabei die Einhaltung der europäischen Normen sowohl für Zinkdruckgusslegierungen als auch für Zinkdruckgussteile maßgeblich.
