16.01.2014 EUROGUSS Nürnberg Sicherheit und Qualität von Zinkdruckguss
Sicherheit und Qualität von Zinkdruckgussdurch gütegesicherte Legierungen und
Verarbeitung:Prozesssicherheit = Produktsicherheit
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14. Internationaler Deutscher Druckgusstag 201414. - 16. Januar 2014 - NürnbergMesse
Dipl.-Ing. Lothar Wenk, Krefeld
Inhalt
1. Einleitung
2. Hintergründe für die Gründung des Reinheitszeichen-VerbandZink-Druckguss e.V. und erreichte Verbesserungen
3. Allgemeines über Zinkdruckguss (Eigenschaften)1. Kriechen
2. Nachschwinden
3. Zinkpest
4. Ergebnisse der Zink-Analysenproben
5. Fehlervermeidung aus Metall und Prozess1. Legierungszusammensetzung
2. Der sichere Prozess
6. Beispiele aus der Praxis
7. Schlussfolgerung
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Sicherheit und Qualität von Zink-Druckguss1. Einleitung
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60 Jahre REINHEITSZEICHEN-VERBAND ZINK-DRUCKGUSS E.V. ist einguter Anlass, sich mit dem Thema:
„Sicherheit und Qualität von Zinkdruckguss durch gütegesicherteLegierungen und Verarbeitung:
Prozesssicherheit = Produktsicherheit“
zu befassen.Der Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss verleiht dasrechts abgebildete Gütezeichen an seine Mitglieder. Eshandelt sich um ein RAL-anerkanntes Gütezeichen, dasunter RAL-RG 680 registriert ist. Mit diesem Gütezeichengewährleisten die Mitglieder des Verbandes ihrenAbnehmern die strikte Einhaltung des Reinheitsgrades inden von ihnen aus Feinzinkgusslegierungen nach
DIN EN 12884 Zink und Zinklegierungen – Gussstücke –Spezifikationen
hergestellten Druckgussteilen.
Die Gründungsversammlung des Reinheitszeichen-Verbandes Zink-Druckgusstagte am 27. Juli 1953. Der Verband wurde als Verein im Sinne des BürgerlichenGesetzbuches (e.V.) mit Sitz in Düsseldorf gegründet. Zweck dieses Verbandesund des von ihm verliehenen RAL-Gütezeichen Zink-Druckguss ist:
1. Gewährleistung des durch die Normen für Feinzink-Legierungenvorgeschriebenen Reinheitsgrades
2. Schutz der Verbraucherschaft vor minderwertigem Material
3. Förderung der Verwendung von Zink-Druckguss
Um die Ziele zu erreichen, wurden Regeln für Probenahmen und Analysenfestgelegt.
Am 30. Juli 1953 wurde mit der Übergabe der Verleihungsurkunde an die zwölfGründungsmitglieder der Verband ins Leben gerufen.
1980 gab es 42 Mitgliedsfirmen in der Gütevereinigung, bis heute hat sich dieZahl der Mitglieder auf 19 reduziert.
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Einleitung
2. Anlass zur Gründung des Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss
Seit 1906 wurde in Deutschland Zink-Druckguss industriell in größeren Serienvon der Firma Ludwig Loewe & Co. AG., Berlin und seit 1909 von denSiemens-Schuckert-Werken AG in Nürnberg hergestellt. Weitere Firmenfolgten. Für Druckguss aus Zink-Legierungen ist als Basis Zink mit einemhohen Reinheitsgrad (99,99%) erforderlich. Diesen Reinheitsgrad zu erreichen,war mit dem Reduktionsverfahren schwierig.
Seit den 30er Jahren haben sich die Zink-Legierungen ZL0400, ZL0410 undZL0430, auch unter dem Markennamen ZAMAK bekannt, durchgesetzt. DieZusammensetzung dieser Legierungen hat sich seit damals bis heute kaumverändert. Basis dieser Legierungen bildet Feinzink mit einem Reinheitsgradvon 99,995 % Zink.
Für metallische Produkte, die im letzten Weltkrieg hergestellt wurden, setzteman häufig Zink als in genügender Menge zur Verfügung stehender heimischerWerkstoff ein. Dieser “Austauschwerkstoff“ wurde für Teile verwendet, derenBelastung zu groß war, und die Teile versagten. Nach dem Krieg wurden beider Legierungsherstellung Abfälle verwendet. Die damit hergestellten Teilekorrodierten interkristallin. Der Werkstoff Zink war in Verruf geraten, dasVertrauen in die Zink-Legierungen musste wiederhergestellt werden.
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In den 50er Jahren setzte die deutsche Wirtschaft alles daran, die Begriffe„Deutsche Qualität“, „Deutsches Erzeugnis“ und „Made in Germany“ wieder imnationalen und internationalen Bewusstsein als Wertmaßstab zu verankern.Die Unternehmen haben sich durch garantierte Leistungen erneut Geltungverschafft.
Die Gründung des Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss e.V. fällt in dieseZeit. Die bereits erwähnten wesentlichen Ziele des Verbandes:
1. Gewährleistung des durch die Normen für Feinzink-Legierungenvorgeschriebenen Reinheitsgrades
2. Schutz der Verbraucherschaft vor minderwertigem Material
3. Förderung der Verwendung von Zink-Druckguss
haben wesentlich zum heute allgemein anerkannten hohen Standard derDeutsche Zink-Druckgießereien beigetragen. Die Punkte 1. und 2. habendeshalb auch heute noch eine Bedeutung, da die Kontrolle der Legierungendurch eine neutrale, unabhängige Materialprüfanstalt erfolgt, auch wenn imGegensatz zur Zeit der Verbandsgründung heute die meisten Gießereieneigene Anlagen zum Analysieren der Werkstoffe besitzen. Das Marketing vonZink-Druckguss, wie in Punkt 3. gefordert, ist eine Aufgabe, der sich nicht nurder Verband, sondern alle deutschen Zink-Druckgießer widmen sollten.
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Anlass zur Gründung des Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss
Produktion von Zink und Zinklegierungenvon 1953, 1973 und1995 bis 2012
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1995 71.759
1996 66.317
1997 71.721
1998 74.570
1999 73.122
2000 78.841
2001 71.329
2002 65.862
2003 65.309
2004 62.020
2005 56.227
2006 63.986
2007 72.048
2008 72.320
2009 51.859
2010 40.187
2011 37.751
2012 34.536
Produktion Zink-Druckguss in der Bundesrepublik Deutschland1953 5000 t pro Jahr1973 65000 t pro Jahr
Die Wichtigkeit eines guten Marketings wird in der Grafik amEinbruch der Produktion von Zink deutlich!
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Aufhänge-ÖseKronleuchter
Auf den beiden Bildern ist ein Kronleuchter dargestellt, der mittels Ringöse ausZinkdruckguss, galvanisch veredelt, aufgehängt wurde. Das Gewicht des Leuchtersbetrug etwa 35 kg, die Bruchlast der Aufhängeöse wird mit 110 kg angegeben. Ausder Ringöse wurde durch Aufflexen der Öse ein Haken erzeugt. Der so erzeugteDeckenhaken war, wie ein Gutachter richtig anmerkte, mangelhaft und folglich nichtgeeignet, die Last des Kronleuchters zu tragen.
3. Allgemeines über Zinkdruckguss3.1 Kriechen am Beispiel einer Kronleuchteraufhängung
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Kabel
Haken
Sicherungsmutter
Stuckornament mit elektrischem Anschluss Es war einmal eine Ringöse
Nach Auffassung des Gutachters hätte die Last des Kronleuchters auch ohne dieManipulation durch Aufflexen die Bruchlast der Ringöse überschritten, so dasses so oder so zum Bruch der Ringöse gekommen wäre und die Aufhängung injedem Fall gebrochen wäre und versagt hätte.Nach seiner Auffassung war nicht der Monteur, der die Ringöse aufgesägt hat,für den Schaden verantwortlich, sondern der Hersteller der Öse ausZinkdruckguss.
An dieser Stelle irrt der Gutachter. Er hat nicht an die Werkstoff-eigenschaft„Kriechen“ der Zinklegierungen gedacht. Aus Unkenntnis dieserWerkstoffeigenschaft führte er das Versagen auf eine Materialermüdungzurück. Nach dem Aufhängen des Kronleuchters hat es einige Monategedauert, bis der Leuchter auf das Mosaik gefallen ist. In dieser Zeit hat sichder Haken kriechend verformt und soweit aufgebogen, dass der Kronleuchterheruntergefallen ist.
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Stahlhaken
Auf die aufgetrennte Öse wirkte ein Biegemoment, durch das der „Haken“ sostark belastet wurde, dass er sich wie im Bild auf der vorherigen Folie zu sehenist, soweit verformte und aufweitete, dass der Lüster auf das Mosaik gefallenist. Das Aufflexen war Ursache für den Schaden, der etwa 13 000 € betrug.
Eine intakte Aufhängeöse hält die Belastung durch den Kronleuchter ohneweiteres aus. Der Vorschlag einen Stahlhaken, wie abgebildet, zu verwenden,ist folglich überflüssig.
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3. Allgemeines über Zinkdruckguss3.2 Nachschwinden (Volumenänderung, Gefügeumwandlung)
Im Anschluss an den Gießvorgang, während der Erstarrung und Abkühlungdes Gussstückes, treten verschiedene Volumenänderungen auf. Die allgemeinbekannten Volumenabnahmen durch Abkühlung werden hier nicht betrachtet,obwohl ihr Ausmaß viel höher ist, als die durch Ausscheidungsvorgänge überlange Zeit hervorgerufenen Maßänderungen.
Zum Beispiel bewirken Kupfergehalte ab 0,7% bei höheren Temperaturen eineVolumenzunahme. Infolge von Ausscheidungsvorgängen im Mischkristall wirdbei den Legierungen ZL0400 und ZL0410 eine Schwindung beobachtet, dienach vielen Jahren einen Endwert von 0,1% einnimmt. Diese Maßänderungläuft anfangs sehr rasch ab, wie der nachfolgenden Folie zu entnehmen ist. Inder ersten Woche beträgt die Schwindung etwa ¼ und in den ersten dreiWochen etwa die Hälfte der gesamten Schwindung. Nach drei WochenLagerung ist folglich nur noch mit einer Schwindung von maximal 0,05% zurechnen, die innerhalb der Toleranzgrenzen liegen dürfte.
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3. Allgemeines über Zinkdruckguss3.2 Nachschwinden
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3. Allgemeines über Zinkdruckguss3.2 Nachschwinden
Wird in eine extrem kalte Formgegossen und/oder in Wasserabgeschreckt, so wird der β-Zerfall ineinen aluminium- und einenzinkreichen Mischkristall gebremst, sodass die Gesamtschwindung größerwird (siehe Bild). Das erreichbareEndmaß ist abhängig von derAbkühlungsgeschwindigkeit. BeiStapelung in Luft sind folglich inAbhängigkeit von Stückgröße,Wanddicke und Lage im StapelSchwankungen in den Maßendurchaus möglich.
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Den Bildern ist ohne weiteres die Notwendigkeit des Reinheitszeichen-VerbandesZink-Druckguss e.V. zu entnehmen. Die abgebildeten Teile sind alle vor 1950produziert worden. Zinkdruckgussteile, die mit nicht der Norm entsprechendenverunreinigten Legierungen hergestellt wurden, neigen
3. Allgemeines über Zinkdruckguss3.3 Interkristalline Korrosion („Zinkpest“)
zur interkristallinen Korrosion. Durch die darausresultierende Volumenvergrößerung kommt es zuZersetzungserscheinungen des Metallgefüges undfolglich zu Rissbildungen, Brüchen bis hin zurvollständigen Zerstörung des Produktes.
3. Allgemeines über Zinkdruckguss3.3 „Zinkpest“
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Der hier abgebildete Rahmen aus einer nichtdefinierten Zink-Druckgusslegierung liegtsowohl als gut erhaltenes Bauteil als auch ineinem durch interkristalline Korrosionzerstörten Zustand vor. Die nachfolgendenFolien zeigen die Analyse der Zink-Legierung.
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Din EN 12844: 1998
Analyse des Rahmens mit interkristalliner Korrosion (Z410)
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Din EN 12844: 1998
Analyse des Rahmens mit interkristalliner Korrosion (Z430)
Die Analyse der Zinklegierung der Teile, die von der Zinkpest befallen wurden,werden mit den Legierungen ZP0410 und ZP0430 DIN EN 12844entsprechend der aktuellen Norm DIN EN 12844 verglichen. Der Vergleich mitder Legierung ZP0410 ergibt folgende Abweichungen:
Überschritten wurden die Elemente Cu, Sn, Mg
Grenzwertig ist der Wert von Pb
Die Abweichungen zur ZP0430 betreffen die Elemente:
Überschreitung Cu, Sn, Mg
Folgende Elemente wurden analysiert, sind aber nicht in der Norm enthalten:
o Indium(In), Thallium (Tl), Mangan (Mn), Silber (Ag)
Obwohl die Abweichungen von der Norm nur gering erscheinen, wird deutlich,welche Auswirkungen diese Verunreinigungen auf ein Bauteil haben können.
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3. Allgemeines über Zinkdruckguss3.3 „Zinkpest“
Lokomotive aus dem Jahr 1948
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„Die schnellste Lok der Straße“„Diese Rennlok flog schon bei ¾
Trafoleistung aus der Außenkurve“
Räder der Lok nach strukturellem Versagen:
Versuch des Aufschmelzens des Rads:• Aufgrund der mutmaßlichen Ni-Beschichtung
ließ sich das Rad bei technisch gegebenerMaximaltemperatur von 650°C nichtaufschmelzen; es haben sich lediglich „Zink-Bläschen“ dort gebildet, wo die Beschichtungkeine homogene Deckschicht mehr aufweist.Speziell auch an der Bruchstelle.
Untersuchung der Zusammensetzung der Legierungdes Gehäuses mit einem Funkenspektrometer:
Analyse der E-Lokomotive aus demJahr 1948
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DIN EN 1774
4. Ergebnisse der Zink-Analysenproben
Die Analysen der Zinklegierungen wurden von einer Materialprüfanstalt (MPA)durchgeführt mit folgendem Ergebnis:
34x Über- oder Unterschreitungen bei den Proben der Pflichtselbstkontrolle
8x im Bereich Kupfer (7x Über- und 1x Unterschreitung bei ZP0430)
26x im Bereich Aluminium (22x Über- und 4x Unterschreitung, Ursache: Fehler bei derProbennahme). Die Gegenprobe des chargengleichen Gussteils war normgerecht.
Berichtet wurde, dass vom MPA durchgeführte Analysen an Proben besondersaus dem asiatischen Raum in vielen Punkten nicht normgerechten Legierungenentsprachen.
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5. Fehlervermeidung5.1 Legierungszusammensetzung
„Ab Mitte der 1950er-Jahre wurde durch verbesserte Ausgangsmaterialien undgenauere Einhaltung der Materialmischungen beim Druckguss das Problemzurückgedrängt. Teile aus dieser Zeit und danach gelten als nicht anfällig fürinterkristalline Korrosion“.
Diese in Wikipedia nachzulesende Aussage gilt für alle Produkte, für dienormgerechte Zink-Legierungen verwendet werden. Mit der Einführung dereuropäischen Norm EN 1774 Gusslegierungen in Blockform und inflüssiger Form ist die chemische Zusammensetzung der Zinklegierungeneuropaweit harmonisiert. Der Legierungshersteller hat nachzuweisen, dass erdiese Norm erfüllt.
EN 12884 Zink und Zinklegierungen – Gussstücke – Spezifikationendefiniert, wie der Name bereits andeutet, die Zusammensetzung der Zink-Legierungen im fertiggegossenen Bauteil. Diese Norm gibt dem Abnehmer vonZinkdruckgussteilen die Sicherheit, dass das Druckgussteil die gefordertenEigenschaften aufweist und seine Funktion erfüllt. Der Unterschied derLegierungszusammensetzungen in diesen beiden Normen berücksichtigtVeränderungen in der Legierungszusammensetzung, die beim Einschmelzenund Gießen entstehen.
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5. Fehlervermeidung5.1 Legierungszusammensetzung
Deutsche Zinkhütten haben, um normgerechte Legierungszusammensetzungenzu gewährleisten, ausgefeilte Qualitätsmanagementstrategien entwickelt. DerDruckgießer kann sich im Allgemeinen darauf verlassen, normgerechteLegierungen zu erhalten.
• Namhafte Hersteller waren allerdings der Ansicht, durch Verlagerung in denasiatischen Raum – durch Outsourcing ihrer Produktionslinien nach China –Kosten zu sparen und haben dabei wieder massive Probleme mit der„Zinkpest“ eingefangen. Der Kostendruck führt dazu, dass auf preiswertereund nicht den Normen entsprechende Zink-Legierungen zurückgegriffen wird.
• So hat ein deutscher Modelleisenbahnhersteller bereits einräumen müssen,dass Produkte seit der Verlagerung der Produktion von Deutschland nachChina vor einigen Jahren wieder durch Zinkpest betroffen sind.
• Heute produziert dieser Hersteller, so wurde mitgeteilt, seine Zink-Druckguss-teile wieder in Deutschland auf sieben modernen Warmkammer-Druck-gießmaschinen bis 200 t Zuhaltekraft der Firma Frech.
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5. Fehlervermeidung5.2 Der sichere Prozess
Aus der Norm EN 12844 ist die Forderung abzuleiten, dass die gesamteProzesskette vom Einkauf der Legierungen über den Schmelz- undGießprozess bis hin zum fertigen Bauteil sorgfältig und prozesssicher abläuft.
Der deutsche Druckgießer hat gegenüber seinen auswärtigen Wettbewerbernden Vorteil, dass er in der Lage ist, komplett bearbeitete Druckgussstücke zuliefern.
Das Warmkammer-Druckgießverfahren für Zink-Druckguss ermöglicht einensicheren Prozess. Dieser ist abhängig von folgenden Kriterien:
- Qualität der Druckgießform
- Formentemperatur
- Qualität und Temperatur der Zn-Schmelze (Schmelzen, Recycling)
- Richtige Gießparameter
- Peripheriegeräte (Sprühen, Entnehmen, Ofen…)
- Maschinenverfügbarkeit
- Wiederholgenauigkeit
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Der Zinkdruckgießprozess ist sowohl vom Equipment wie auch vom Know-
how des Maschinenbedieners und -einstellers abhängig.
Der Beitrag der Maschinenhersteller
- Entwicklung und Herstellung einer zuverlässigen und leistungsfähigenMaschine.
- Einfache und sichere Bedienung der Maschine
- Führung bei der Findung der richtigen Gießparameter
- Überwachung sowie Auswertung der eingestellten Parameter und desGießprozesses
- Führung einer Statistik über Prozesssicherheit für Nachweise
- Maschinenverfügbarkeit und Maschinenfähigkeit auf hohem Niveau haltenund sichern.
- Schulungen von Mitarbeitern
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5. Fehlervermeidung5.2 Der sichere Prozess
6. Beispiele aus der PraxisZink-Druckgussteile der Firma Druckguss Westfalen
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6. Beispiele aus der PraxisZink-Druckgussteile verschiedener Hersteller
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6. Beispiele aus der PraxisZink-Druckgussteile der Firma Drumeta
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6. Beispiele aus der PraxisZink-Druckgussteile der Firma HDO
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Dieser Ring mit Ø ca.500 mm wurde aus
Kostengründen weltweit,u.a. in Israel angefragt.
Alle Versuche, diesenRing außerhalb
Deutschlands zubeziehen, sind an den
Qualitätsanforderungenan die Oberfläche
gescheitert.Bisher war nur HDO in der
Lage, die Anforderungenzu erfüllen
7. Schlussfolgerung
Der Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss e.V. hat sich im Laufe der 60Jahre seines Bestehens, wie es seine Satzung verlangt, um die Qualität derDruckguss-Legierungen verdient gemacht. Der Verband hat maßgeblich zurVerbesserung des Branchenbildes beigetragen.
Im Bereich Marketing war man bemüht, sich gegen den WettbewerbswerkstoffKunststoff durchzusetzen.
Eine Aufgabe für die Zukunft könnte sich für den Reinheitszeichen-VerbandZink-Druckguss e.V. darin ergeben, dass er Regeln erstellt, mit der dieProzesssicherheit und damit die Produktsicherheit deutscher Zinkdruckguss-Produkte weltweit anerkannt wird. Es könnte verdeutlicht werden, dassOutsourcing ihrer Produktionslinien z.B. nach Asien sich nicht kostensparend,sondern kostentreibend auswirkt.
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
Der Versuch, Oberleitungsmasten zuschmelzen und zu analysieren, ist misslungen.
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