Sie haben Fragen zum Zinkdruckguss?

Dann sind Sie hier richtig. Hier finden Sie eine Reihe von Fragen und Antworten rund um Zinkdruckguss. Fragen, auf die Sie hier keine Antworten finden, können Sie auch direkt an das Expertennetzwerk der Initiative Zink schicken – Nachricht an das Expertennetzwerk „Zinkdruckguss“.

Viele Informationen zum Druckguss mit Zink, zu Eigenschaften von Zinkdruckguss und zur Bearbeitung von Zinkdruckguss-Bauteilen finden Sie auch in der Datensammlung (Data Base) der International Zinc Association (IZA). Zur Datensammlung der IZA gelangen Sie über diesen Link.

Alle bekannten mechanischen Bearbeitungsverfahren zur spanlosen Formgebung können angewendet werden. Da Zinkdruckgussteile mit hoher Genauigkeit gegossen werden, kann auf ein Abdrehen oder Fräsen von Außenflächen größtenteils verzichtet werden.

Eine maschinelle mechanische Bearbeitung ist nur dann erforderlich, wenn Hinterschneidungen ausgearbeitet werden müssen oder ein Gießgrat nicht anders zu entfernen ist. Auch werden kleine Löcher gebohrt, die aus wirtschaftlichen Gründen nicht als Kernlöcher vorgegossen werden.

Bei einer spanabhebenden Bearbeitung reichen Bearbeitungszugaben von nur 0,1 bis 0,5 Millimetern aus. Genaue Angaben über Bearbeitungszugaben sind der ISO-Norm 8062 zu entnehmen.

Zinkdruckgussteile haben je nach Legierung eine Härte nach Brinell HBN (500-10-309), sodass mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und einer geringen Spanabnahme die beste Oberfläche erzielt werden kann.

Zinklegierungen neigen bei der Zerspanung zu Schneidansätzen. Deshalb sind die Einhaltung der zweckmäßigen Span- und Freiwinkel, die richtige Werkzeugeinstellung und eine angemessene Einstellung des Vorschubs erforderlich. Freiwinkel, Spitzenwinkel und Spanwinkel sind abhängig von der Werkzeugart (Hartmetall oder Schnellarbeitsstahl HSS). Obwohl die meisten Zerspanungsarbeiten ohne Kühlung oder Schmierung möglich sind, können handelsübliche Emulsionen eingesetzt werden. Allerdings ist darauf zu achten, dass die anhaftende Emulsion durch Waschen bzw. Entfetten zu entfernen ist.

Im Allgemeinen versteht man unter Altern die Änderung der physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffs unter bestimmten Bedingungen.

Die natürliche Alterung ist die Änderung der Eigenschaften bei einer Lagerung des Bauteils bei Raumtemperatur, wozu meist eine sehr lange Zeit erforderlich ist. Dieser Vorgang kann durch die Erwärmung auf eine höhere Temperatur beschleunigt werden, wobei man diese Temperatur kontinuierlich hält oder aber die Bauteile regelmäßigen Temperaturschwankungen aussetzt. Diese Behandlung wird dann als künstliches Altern bezeichnet.

Die Eigenschaftsänderungen werden durch Veränderungen im Gefüge verursacht. Dabei werden aus übersättigten Mischkristallen gelöste atomare Bestandteile dem Gleichgewichtszustand entsprechend ausgeschieden.

Bei Zinkdruckgussteilen, die nach der Entformung sofort in Wasser abgekühlt werden, kommt es zu einer sogenannten Abschreckalterung, die auf Aushärtungsvorgänge während der schlagartigen Abkühlung zurückzuführen ist. Es kann zu Versprödungen kommen, wobei Härte und Festigkeit zunehmen. Von einer Reckalterung spricht man, wenn zusätzlich noch eine Kaltverformung, zum Beispiel Nietungen, Crimpen und andere Verformungsarten, vorgenommen wird. Vor einer derartigen Bearbeitung ist es immer empfehlenswert, eine gezielte künstliche Alterung – auch Tempern oder beschleunigte Alterung genannt – vorzunehmen.

Für die Zinklegierungen ZP3/ZP0400, ZP5/ZP0410 und ZP8/ZP0810 verringern sich durch Alterung Zugfestigkeit und Härte, während die Bruchdehnung steigt.

Zur Alterung von Zinklegierungen sind umfangreiche Studien namhafter Forschungsinstitute durchgeführt worden.

Zinkdruckgussteile können mit den bekannten Fügeverfahren ohne Probleme mit anderen Bauelementen aus verschiedenen Werkstoffen verbunden werden.

Dabei sind Schraubverbindungen in den meisten Fällen die beste Lösung. Die physikalischen Eigenschaften wie Härte, Kriechen und Quetschgrenze sollten jedoch beachtet und durch große Auflageflächen mittels Unterlegscheiben berücksichtigt werden. Bei häufig zu lösenden Schraubverbindungen ist es zweckmäßig, Gewindeeinsätze aus Stahl einzusetzen – beispielsweise Heli-Coil. Um Kontaktkorrosion bei Feuchtigkeitszutritt zu vermeiden, müssen die erforderlichen Konstruktionsbedingungen für Schraubverbindungen eingehalten werden. Das betrifft besonders die Verbindung verschiedener Werkstoffe, wie zum Beispiel Zinkdruckguss und Magnesiumbauteile. Unter Umständen sind verzinkte Schrauben oder solche aus Edelstahl zu verwenden. Schrauben mit Flansch am Sechskantkopf haben den Vorteil, dass der Elektrolyt abfließen kann.

Nietverbindungen sind durch das Mitgießen der Nietschäfte ein besonders wirtschaftliches Fügeverfahren. Beim Nietvorgang wird das zu verformende Metall durch einen einzelnen Schlag zu einem Nietkopf geformt. Durch eine schnelle Abfolge von Schlägen geringerer Intensität lässt sich aber der gleiche Effekt erzielen. Weitere Möglichkeiten bieten das Kreisel- oder das Taumelnieten. Dabei werden unter Temperatureinwirkung größere Umformgrade erreicht. Auch können in einem Arbeitsgang mehrere Nietungen durchgeführt werden.

Klebverbindungen ergeben eine gute kraftschlüssige Verbindung. Dem verwendeten Klebstoff entsprechend (Ein- oder Zweikomponentenkleber) lassen sich Scherzugfestigkeiten von ca. 20 N/mm erreichen. Die Klebeflächen müssen eben und völlig frei von fetthaltigen Verunreinigungen sein. Daher ist der Entfettung mit einem geeigneten Reinigungsmittel besondere Sorgfalt beizumessen.

Schweiß- und Lötverbindungen sind bei Zinklegierungen durchaus möglich und werden vorzugsweise bei Reparaturen von alten Druckgussteilen angewandt. Es ist darauf zu achten, dass nur blei- und zinnfreie Löt- und Schweißmittel eingesetzt werden, um eine spätere interkristalline Korrosion zu vermeiden.  

Weitere Fügemethoden sind zum Beispiel das Crimpen, das Verpressen, das Gesenkdrücken und das Reibschweißen. Alle Verfahren sind auf die guten Verformungs- und Wärmeeigenschaften von Zink zurückzuführen.

Die Volumenverminderung beim Erstarren nennt man Schwinden. Beim Abkühlen im festen Zustand erfolgt eine weitere Volumenabnahme im festen Zustand, die man als Schrumpfen bezeichnet.

Beim Gießen verwickelt gestalteter Teile in stählernen Druckgießformen, die nicht nachgiebig sind, kann das Schrumpfen zu Feinrissen führen.

Schrumpfen und Schwinden bestimmen das Schwindmaß. Darunter wird der Längenunterschied verstanden, den das Gussteil bei Raumtemperatur gegenüber den Abmessungen der Gießform aufweist.

Bei der Werkzeugkonstruktion sollten Werte von 0,6 bis 1,1 % berücksichtigt werden. Diese Toleranzbreite ist von der Abkühlgeschwindigkeit nach dem Gießen, der Wanddicke, der Größe sowie von weiteren teil- und werkzeugbedingten Gegebenheiten abhängig.

Ein Maßverzug, zum Beispiel bei U-förmigen Teilen (Innenmaß), wird mit dem linearen Prozentwert nicht berücksichtigt. Es bedarf der Erfahrung des Werkzeugkonstrukteurs in Zusammenarbeit mit dem Gießer, diese Maßveränderungen durch konstruktive und gießtechische Möglichkeiten zu begrenzen.

Unter Korrosion versteht man die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. Verschiedene Erscheinungsformen der Korrosion können auftreten. Um geeignete Maßnahmen zur Vermeidung treffen zu können, müssen diese genau definiert werden.

Oberflächenkorrosion: Hierbei handelt es sich um eine Oxidation der Oberfläche durch schädliche Umwelteinflüsse oder eine direkte Einwirkung chemischer Reagenzien. Unter normaler Atmosphäre verlieren ungeschützte, unbehandelte Zinkdruckgussteile relativ schnell ihre metallisch glänzende Oberfläche. Es entsteht eine kompakte, fest haftende Schicht, die als schützende Patina – auch Weißrost genannt – weiterem Korrosionsangriff widerstehen kann. Hat sich bereits eine Deckschicht – bestehend aus Zinkoxid oder Zinkcarbonat – gebildet, hält diese Einwirkungen von Wasser sowie von neutralen und schwach alkalischen Lösungen (ph-Bereich = 7 bis 12,5) stand. Die Deckschicht ist nicht beständig gegen Säuren und starke Alkalien. In sauren und stärker basischen Reagenzien löst sich die schützende Deckschicht auf und Zink wird unter Wasserstoffentwicklung abgetragen. Es entstehen bröckelige Zinkzerfallsprodukte. Zur Verhinderung bzw. Verringerung höherer Korrosionsraten unter extremen Umwelteinflüssen (zum Beispiel in industrieller und maritimer Umgebung) ist unter Umständen eine Oberflächenbeschichtung (Konversationsschicht) erforderlich.

Kontaktkorrosion: Kontaktkorrosion entsteht durch eine elektrische Potenzialdifferenz beim Zusammenbringen verschiedener metallischer Materialien unter der Einwirkung einer leitenden wässrigen Lösung (Elektrolyt). Es bildet sich eine örtliche Korrosion als trichterförmiger Krater – auch Lochfraß genannt. Eine Isolationsschicht zwischen beiden Metallen ist der beste Schutz. Bei eingegossenen Teilen aus Messing, Bronze oder anderen Edelmetallen konnte bisher kaum ein erkennbarer Korrosionsschaden festgestellt werden. Die größte Anfälligkeit besteht bei Zink-Kupfer-Verbindungen besonders unter Wasser und sollte vermieden werden.

Interkristalline Korrosion: Bei nicht zulässigen Beimengungen zur Zinklegierung – zum Beispiel Cd, Pb, Sn – entstehen besonders bei Erwärmung des Druckgussteils an den Korngrenzen Ausscheidungen. Diese führen zu Korngrenzschädigungen und schwächen das Gussteil in erheblichem Maße. Daher ist darauf zu achten, dass nur Zinklegierungen verwendet werden, die nach der Spezifikation der europäischen Norm EN 12844 hergestellt wurden. Nur diese gewährleisten, dass eine interkristalline Korrosion vermieden wird. Bei alten Zinkdruckgussteilen, besonders solchen, die vor dem Zweiten Weltkrieg und kurz danach hergestellt wurden (Oldtimer), kommt es immer wieder zu pockenartigen Ausblühungen, auch wenn diese Teile verchromt wurden. Außerdem treten derartige Fehler immer wieder bei Teilen auf, die im nichteuropäischen Raum gegossen wurden. Eine Reparatur dieser Zinkdruckgussteile ist nicht möglich, die Korrosion kommt immer wieder zum Vorschein. Es ist ratsam, dieses Bauteil – wenn möglich – aus einem Block mechanisch herzustellen.

Zinkdruckguss kann für den Leichtbau einen wertvollen Beitrag leisten!

Trotz des spezifischen Gewichts von 7,14 g/cm³ lassen sich aufgrund guter Gießeigenschaften der Zinkdruckgusslegierungen äußerst dünnwandige Gussteile herstellen. Mit 0,4-Millimeter-Wandstärken auch bei langen Fließwegen können Bauteile hergestellt werden, die bei gleicher Stabilität leichter sind als Elemente aus Stahlblech oder Leichtmetallen. Die gleichzeitige Integration verschiedener Funktionsträger in einem Gussteil reduziert das Gewicht und den Fertigungsaufwand.

Dem Leichtbau wird besonders im Automobilbau hohe Priorität eingeräumt. Eine Gewichtsreduzierung ist unabdingbar, um jenes Gewicht zu kompensieren, das zusätzlich im Automobil als luxuriöse Ausstattung und in Sicherheitsvorkehrungen eingebaut wird. Leichtere Bauteile reduzieren die Massenträgheit und damit auch Vibration, Lärm und Verschleiß.

Die erlaubten Mehrkosten, die durch ein Kilogramm Gewichtsersparnis gerechtfertigt sind, sind beispielsweise:

Lastwagen/Eisenbahn: 2–16 €/kg 
Verkehrsflugzeug: > 50 €/kg 
Automobilindustrie: < 2 €/kg 
Raumfahrt: > 40.000 €/kg

100 Kilogramm Mehrgewicht im Automobil erhöhen den Kraftstoffverbrauch um 0,5 bis 1,0 Liter pro 100 Kilometer.

Die Zinkdruckgussindustrie hat sich mit dem zunehmenden Wertewandel der Menschen intensiv auseinandergesetzt. Die Ökologie rückt mehr in den Vordergrund ihrer Betrachtungsweise.

Mithilfe von Belastungssimulationen kann die Verwirklichung einer idealen Konstruktion bei geringstem Gewicht des Zinkdruckgussteils weitgehend erreicht werden.

Bei der Erzeugung von Zinkdruckgussteilen müssen drei Verfahrensschritte betrachtet werden:

1. die Erzeugung des Zinks (Feinzink)
2. die Herstellung der Zinkdruckgusslegierung
3. der Guss des Bauteils

Feinzink wird in den Zinkhütten heute überwiegend elektrolytisch gewonnen. Ausgangsmaterial dafür sind Erzkonzentrate, also primäre Rohstoffe. In den letzten Jahren hat jedoch der Einsatz von Recyclingmaterialien zugenommen. So stammen heute von dem auf diesem Weg gewonnenen Zink bereits bis zu 35 % aus Recyclingmaterialien. Dabei variiert der exakte Anteil an Zink aus diesen sogenannten Sekundärrohstoffen je nach Verfahrensvariante und Verfügbarkeit der Rohstoffe. Das Feinzink ist in seiner Reinheit immer gleich. Es ist nicht feststellbar, ob und in welchem Umfang es aus Recyclingmaterialien stammt, da beide Rohstoffe gemeinsam verarbeitet werden.

Bei der Erzeugung der Zinkdruckguss-Legierungen verwenden die Legierungshersteller reines Zink (Feinzink oder SHG, 99,995 %). Weitere Recyclingmaterialien werden nicht eingesetzt. Reinem Zink werden dann die Legierungselemente – zum Beispiel Aluminium, Kupfer oder Magnesium – in der vorgegebenen Dosierung beigemengt. Die Zusammensetzung von Zinkdruckgusslegierungen ist in der Norm EN 1744 genau festgelegt.

Beim Gießprozess selbst fällt sogenanntes Kreislaufmetall an. Das sind zum Beispiel Angüsse, die nach dem Guss vom Bauteil abgetrennt werden. Da das Kreislaufmetall genau der Legierungszusammensetzung entspricht, wird es teilweise in der Gießerei wieder eingeschmolzen und der nächsten Gusscharge zugesetzt. Hierbei variiert das Vorgehen von Gießerei zu Gießerei. Das fertige Bauteil muss in seiner Legierungszusammensetzung immer der Norm EN 12844 genügen.

Bauteile aus Zinkdruckguss sind zu 100 % recyclingfähig.

Insgesamt kann man demnach davon ausgehen, dass von dem Zink, das im fertigen Gussteil vorhanden ist, bis zu 35 % aus sekundären Rohstoffen stammen können.

Einer der zahlreichen Vorteile des Zinkdruckgussverfahrens ist die große Bandbreite der Teilegrößen. Es können kleinste Teile mit einem Gewicht von nur 0,08 Gramm auf Spezialmaschinen gegossen werden. Große Teile von über 7 Kilogramm Gewicht können ebenso gegossen werden wie lange Teile von über 1 Meter Länge.

Ein Beispiel für ein großes und gleichzeitig langes Teil: Eine Zierleiste für ein Automobil der gehobenen Klasse hat eine Länge von 1.250 Millimetern. Ein kompaktes Gussteil hingegen ist ein Tellerfuß für dekorative Foyermöbel. Mit einem Gewicht von 7,2 Kilogramm (Schussgewicht ca. 10 Kilogramm) und einer hochwertigen galvanischen Oberflächenveredelung liegt dieses Teil am oberen Ende der im Warmkammerverfahren zu gießenden Teile.

In diesem Zusammenhang sollte aber nicht nur auf das größtmögliche zu gießende Gewicht geachtet werden. Zu den gießspezifischen Besonderheiten der Zinkdruckgusslegierungen zählt die Möglichkeit, Wanddicken von nur 0,4 Millimetern herzustellen – auch bei langen Fließwegen. Damit lässt sich mit Zinkdruckgussteilen auch der Leichtbaubereich abdecken.

Die Forderungen an das Produkt sowie die Produktionsprozesse müssen ganzheitlich im Bezug auf die Technologie gesehen werden. Als Kunde  sollte man immer das Fachgespräch mit einem kompetenten Druckgießer suchen. Die Chancen, die in einer aktiven gestalterischen Mitarbeit des Druckgießers während der Produktentwicklung liegen, sollten genutzt werden. Die entscheidende Einflussnahme der Fachleute einer Druckgießerei ist die Festlegung wichtiger Fertigungsvoraussetzungen zur Erreichung einer prozesssicheren und wirtschaftlichen Herstellungstechnik. 

Es werden vorwiegend vier Zinkdruckgusslegierungen im Warmkammer-Druckgießverfahren verarbeitet. Diese sind in der europäischen Norm EN 12844 für Zinkgussstücke („Zink und Zinklegierungen – Gussstücke – Spezifikationen“) spezifiziert.

Die physikalischen Eigenschaften beinhalten die Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, die Wärmeausdehnung, die Dichte, die Schmelztemperatur und die Wärmekapazität. Besonders die guten Schwingungseigenschaften von Zink und die Schallleitfähigkeit sind hervorzuheben. Daher werden Zinkdruckgussteile bevorzugt im Automobilbereich im Fahrgastraum eingesetzt. Diese Bauteile tragen dazu bei, ein angenehmes Fahrgeräusch zu vermitteln.

Physikalische Eigenschaften von Zinkdruckgusslegierungen (Quelle: IZA-Datensammlung)

Folgende Richtwerte gibt es für Reibungsfaktoren verschiedener Zinkdruckgusslegierungen auf unterschiedlichen Produktoberflächen:

Gleitet ein Körper vom Gewicht „G“ bei konstanter Geschwindigkeit auf einer ebenen Unterlage, so ist eine Kraft „K“ zur Überwindung des tangential zur Gleitfläche wirkenden Gleitwiderstands (Reibkraft) „W“ erforderlich (Bewegungsreibung).

Nach dem Coulombschen Reibungsgesetz ist: W = n x K

Dabei ist „n“ ein Erfahrungswert und abhängig von der Werkstoffpaarung (den Schmierverhältnissen bzw. trockene, gemischte oder Flüssigkeitsreibung), der Flächenpressung zwischen den Gleitflächen und der Gleitgeschwindigkeit.

Eine Gesetzmäßigkeit zwischen „n“ und diesen Einflüssen lässt sich allenfalls nur bei reiner Flüssigkeitsreibung aufstellen.

Es werden vorwiegend vier Zinkdruckgusslegierungen im Warmkammer-Druckgießverfahren verarbeitet. Diese sind in der europäischen Norm EN 12844 für Zinkgussstücke („Zink und Zinklegierungen – Gussstücke – Spezifikationen“) spezifiziert.

Die mechanischen Eigenschaften des Gussteils aus einer Zinkdruckgusslegierung hängen nicht nur von der Zusammensetzung und dem Reinheitsgrad der Legierung ab, sondern auch von den spezifischen Gießbedingungen. Diese haben einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Erstarrung nach der Formfüllung und damit auf die mechanischen Eigenschaften.

Die nominellen Eigenschaften sind originale Werte und wurden ca. fünf Wochen nach dem Gießen ermittelt. Diese ändern sich jedoch mit der Zeit – bei Raumtemperatur sehr langsam (Monate bis Jahre), bei höheren Temperaturen wesentlich schneller (zum Beispiel durch Tempern bzw. künstlich beschleunigte Alterung).

Nominelle mechanische Eigenschaften

Druckgegossen und getestet bei 20 °C unter nachvollziehbaren Bedingungen

(Quelle: IZA-Datensammlung)

Die Werte sind unter nachvollziehbaren Bedingungen ermittelt worden.

Einen Oberflächenschutz zum Beispiel nach VDA-Norm 235-102 erreicht man durch chemische, elektrische oder physikalische Aufbringungen von Schichten und/oder Umwandlung der Werkstückoberfläche in einen dekorativen, korrosions- und/oder verschleißbeständigen Zustand.

Hauptziel einer Oberflächenbehandlung ist neben den dekorativen Effekten ein der Beanspruchung und Anforderung (beispielsweise Verfärbungen) angepasster Korrosionsschutz. Folgende Möglichkeiten eines Oberflächenschutzes stehen zur Verfügung:

• Passivieren – Dispergieren
• Konversieren – Beizen
• Anodisieren – Versiegeln

Für die sogenannten technischen Druckgussteile liegt die Beanspruchung im atmosphärischen Bereich mit unterschiedlichen klimatischen Verhältnissen, zum Beispiel Industrieluft, Meeresluft, Tropenluft etc. Dem Belastungsfall entsprechend ist mit dem Oberflächenbeschichter der geeignete Schutz festzulegen.

Die Parameter einer Belastungsanalyse:

Nach EN 12844 ist in den Zinkdruckgusslegierungen ZnAl4 (ZP 400), ZnAl4Cu1 (ZP 410) und ZnAl4Cu3 (ZP 430) ein Bleigehalt von bis zu 0,005 Gew.% erlaubt. Nach RoHS-Richtlinie 2002/95/EG ist der Einsatz dieser Legierungen demnach eindeutig zulässig.

Die Begriffe „bleifrei“ sowie „kadmiumfrei“ der RoHS entsprechen maximal zulässigen Grenzwerten von 0,1 % bzw. 0,01 %. Da diese beiden Werte in den oberen Bereichen der Normen EN 1774 (Zinklegierungen) und EN 12844 (Zinkdruckgussteile) liegen, ist der Einsatz der Zinkdruckgusslegierungen problemlos möglich.

Die derzeit laufende Revision der RoHS-Richtlinie hält an den oben genannten Grenzwerten fest, sodass der Einsatz auch künftig gewährleistet ist.