Sicherheit und Qualität von Zinkdruckguss durch gütegesicherte Legierungen und Verarbeitung: Prozesssicherheit = Produktsicherheit

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1 durch gütegesicherte Legierungen und Verarbeitung: Prozesssicherheit = Produktsicherheit Dipl.-Ing. Lothar Wenk, Krefeld 14. Internationaler Deutscher Druckgusstag Januar NürnbergMesse 1

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Hintergründe für die Gründung des Reinheitszeichen-Verband Zink-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 Prozess 1. Legierungszusammensetzung 2. Der sichere Prozess 6. Beispiele aus der Praxis 7. Schlussfolgerung 2

3 Sicherheit und Qualität von Zink-Druckguss 1. Einleitung 60 Jahre REINHEITSZEICHEN-VERBAND ZINK-DRUCKGUSS E.V. ist ein guter Anlass, sich mit dem Thema: durch gütegesicherte Legierungen und Verarbeitung: Prozesssicherheit = Produktsicherheit zu befassen. Der Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss verleiht das rechts abgebildete Gütezeichen an seine Mitglieder. Es handelt sich um ein RAL-anerkanntes Gütezeichen, das unter RAL-RG 680 registriert ist. Mit diesem Gütezeichen gewährleisten die Mitglieder des Verbandes ihren Abnehmern die strikte Einhaltung des Reinheitsgrades in den von ihnen aus Feinzinkgusslegierungen nach DIN EN Zink und Zinklegierungen Gussstücke Spezifikationen hergestellten Druckgussteilen. 3

4 Einleitung Die Gründungsversammlung des Reinheitszeichen-Verbandes Zink-Druckguss tagte am 27. Juli Der Verband wurde als Verein im Sinne des Bürgerlichen Gesetzbuches (e.v.) mit Sitz in Düsseldorf gegründet. Zweck dieses Verbandes und des von ihm verliehenen RAL-Gütezeichen Zink-Druckguss ist: 1. Gewährleistung des durch die Normen für Feinzink-Legierungen vorgeschriebenen 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 Analysen festgelegt. Am 30. Juli 1953 wurde mit der Übergabe der Verleihungsurkunde an die zwölf Gründungsmitglieder der Verband ins Leben gerufen gab es 42 Mitgliedsfirmen in der Gütevereinigung, bis heute hat sich die Zahl der Mitglieder auf 19 reduziert. 4

5 2. Anlass zur Gründung des Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss Seit 1906 wurde in Deutschland Zink-Druckguss industriell in größeren Serien von der Firma Ludwig Loewe & Co. AG., Berlin und seit 1909 von den Siemens-Schuckert-Werken AG in Nürnberg hergestellt. Weitere Firmen folgten. Für Druckguss aus Zink-Legierungen ist als Basis Zink mit einem hohen Reinheitsgrad (99,99%) erforderlich. Diesen Reinheitsgrad zu erreichen, war mit dem Reduktionsverfahren schwierig. Seit den 30er Jahren haben sich die Zink-Legierungen ZL0400, ZL0410 und ZL0430, auch unter dem Markennamen ZAMAK bekannt, durchgesetzt. Die Zusammensetzung dieser Legierungen hat sich seit damals bis heute kaum verändert. Basis dieser Legierungen bildet Feinzink mit einem Reinheitsgrad von 99,995 % Zink. Für metallische Produkte, die im letzten Weltkrieg hergestellt wurden, setzte man häufig Zink als in genügender Menge zur Verfügung stehender heimischer Werkstoff ein. Dieser Austauschwerkstoff wurde für Teile verwendet, deren Belastung zu groß war, und die Teile versagten. Nach dem Krieg wurden bei der Legierungsherstellung Abfälle verwendet. Die damit hergestellten Teile korrodierten interkristallin. Der Werkstoff Zink war in Verruf geraten, das Vertrauen in die Zink-Legierungen musste wiederhergestellt werden. 5

6 Anlass zur Gründung des Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss In den 50er Jahren setzte die deutsche Wirtschaft alles daran, die Begriffe Deutsche Qualität, Deutsches Erzeugnis und Made in Germany wieder im nationalen und internationalen Bewusstsein als Wertmaßstab zu verankern. Die Unternehmen haben sich durch garantierte Leistungen erneut Geltung verschafft. Die Gründung des Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss e.v. fällt in diese Zeit. Die bereits erwähnten wesentlichen Ziele des Verbandes: 1. Gewährleistung des durch die Normen für Feinzink-Legierungen vorgeschriebenen Reinheitsgrades 2. Schutz der Verbraucherschaft vor minderwertigem Material 3. Förderung der Verwendung von Zink-Druckguss haben wesentlich zum heute allgemein anerkannten hohen Standard der Deutsche Zink-Druckgießereien beigetragen. Die Punkte 1. und 2. haben deshalb auch heute noch eine Bedeutung, da die Kontrolle der Legierungen durch eine neutrale, unabhängige Materialprüfanstalt erfolgt, auch wenn im Gegensatz zur Zeit der Verbandsgründung heute die meisten Gießereien eigene Anlagen zum Analysieren der Werkstoffe besitzen. Das Marketing von Zink-Druckguss, wie in Punkt 3. gefordert, ist eine Aufgabe, der sich nicht nur der Verband, sondern alle deutschen Zink-Druckgießer widmen sollten. 6

7 Produktion von Zink und Zinklegierungen von 1953, 1973 und1995 bis 2012 Produktion Zink-Druckguss in der Bundesrepublik Deutschland t pro Jahr t pro Jahr Die Wichtigkeit eines guten Marketings wird in der Grafik am Einbruch der Produktion von Zink deutlich! 7

8 3. Allgemeines über Zinkdruckguss 3.1 Kriechen am Beispiel einer Kronleuchteraufhängung Auf den beiden Bildern ist ein Kronleuchter dargestellt, der mittels Ringöse aus Zinkdruckguss, galvanisch veredelt, aufgehängt wurde. Das Gewicht des Leuchters betrug etwa 35 kg, die Bruchlast der Aufhängeöse wird mit 110 kg angegeben. Aus der Ringöse wurde durch Aufflexen der Öse ein Haken erzeugt. Der so erzeugte Deckenhaken war, wie ein Gutachter richtig anmerkte, mangelhaft und folglich nicht geeignet, die Last des Kronleuchters zu tragen. Aufhänge-Öse Kronleuchter 8

9 Nach Auffassung des Gutachters hätte die Last des Kronleuchters auch ohne die Manipulation durch Aufflexen die Bruchlast der Ringöse überschritten, so dass es so oder so zum Bruch der Ringöse gekommen wäre und die Aufhängung in jedem 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 aus Zinkdruckguss. Sicherungsmutter Haken Kabel Stuckornament mit elektrischem Anschluss Es war einmal eine Ringöse 9

10 An dieser Stelle irrt der Gutachter. Er hat nicht an die Werkstoff-eigenschaft Kriechen der Zinklegierungen gedacht. Aus Unkenntnis dieser Werkstoffeigenschaft führte er das Versagen auf eine Materialermüdung zurück. Nach dem Aufhängen des Kronleuchters hat es einige Monate gedauert, bis der Leuchter auf das Mosaik gefallen ist. In dieser Zeit hat sich der Haken kriechend verformt und soweit aufgebogen, dass der Kronleuchter heruntergefallen ist. 10

11 Stahlhaken Auf die aufgetrennte Öse wirkte ein Biegemoment, durch das der Haken so stark belastet wurde, dass er sich wie im Bild auf der vorherigen Folie zu sehen ist, soweit verformte und aufweitete, dass der Lüster auf das Mosaik gefallen ist. Das Aufflexen war Ursache für den Schaden, der etwa betrug. Eine intakte Aufhängeöse hält die Belastung durch den Kronleuchter ohne weiteres aus. Der Vorschlag einen Stahlhaken, wie abgebildet, zu verwenden, ist folglich überflüssig. 11

12 3. Allgemeines über Zinkdruckguss 3.2 Nachschwinden (Volumenänderung, Gefügeumwandlung) Im Anschluss an den Gießvorgang, während der Erstarrung und Abkühlung des Gussstückes, treten verschiedene Volumenänderungen auf. Die allgemein bekannten Volumenabnahmen durch Abkühlung werden hier nicht betrachtet, obwohl ihr Ausmaß viel höher ist, als die durch Ausscheidungsvorgänge über lange Zeit hervorgerufenen Maßänderungen. Zum Beispiel bewirken Kupfergehalte ab 0,7% bei höheren Temperaturen eine Volumenzunahme. Infolge von Ausscheidungsvorgängen im Mischkristall wird bei den Legierungen ZL0400 und ZL0410 eine Schwindung beobachtet, die nach vielen Jahren einen Endwert von 0,1% einnimmt. Diese Maßänderung läuft anfangs sehr rasch ab, wie der nachfolgenden Folie zu entnehmen ist. In der ersten Woche beträgt die Schwindung etwa ¼ und in den ersten drei Wochen etwa die Hälfte der gesamten Schwindung. Nach drei Wochen Lagerung ist folglich nur noch mit einer Schwindung von maximal 0,05% zu rechnen, die innerhalb der Toleranzgrenzen liegen dürfte. 12

13 3. Allgemeines über Zinkdruckguss 3.2 Nachschwinden 13

14 3. Allgemeines über Zinkdruckguss 3.2 Nachschwinden Wird in eine extrem kalte Form gegossen und/oder in Wasser abgeschreckt, so wird der β-zerfall in einen aluminiumund einen zinkreichen Mischkristall gebremst, so dass die Gesamtschwindung größer wird (siehe Bild). Das erreichbare Endmaß ist abhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit. Bei Stapelung in Luft sind folglich in Abhängigkeit von Stückgröße, Wanddicke und Lage im Stapel Schwankungen in den Maßen durchaus möglich. 14

15 3. Allgemeines über Zinkdruckguss 3.3 Interkristalline Korrosion ( Zinkpest ) Den Bildern ist ohne weiteres die Notwendigkeit des Reinheitszeichen-Verbandes Zink-Druckguss e.v. zu entnehmen. Die abgebildeten Teile sind alle vor 1950 produziert worden. Zinkdruckgussteile, die mit nicht der Norm entsprechenden verunreinigten Legierungen hergestellt wurden, neigen zur interkristallinen Korrosion. Durch die daraus resultierende Volumenvergrößerung kommt es zu Zersetzungserscheinungen des Metallgefüges und folglich zu Rissbildungen, Brüchen bis hin zur vollständigen Zerstörung des Produktes. 15

16 3. Allgemeines über Zinkdruckguss 3.3 Zinkpest Der hier abgebildete Rahmen aus einer nicht definierten Zink-Druckgusslegierung liegt sowohl als gut erhaltenes Bauteil als auch in einem durch interkristalline Korrosion zerstörten Zustand vor. Die nachfolgenden Folien zeigen die Analyse der Zink-Legierung. 16

17 Analyse des Rahmens mit interkristalliner Korrosion (Z410) Din EN 12844:

18 Analyse des Rahmens mit interkristalliner Korrosion (Z430) Din EN 12844:

19 3. Allgemeines über Zinkdruckguss 3.3 Zinkpest Die Analyse der Zinklegierung der Teile, die von der Zinkpest befallen wurden, werden mit den Legierungen ZP0410 und ZP0430 DIN EN entsprechend der aktuellen Norm DIN EN verglichen. Der Vergleich mit der 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. 19

20 Lokomotive aus dem Jahr 1948 Diese Rennlok flog schon bei ¾ Die schnellste Lok der Straße Trafoleistung aus der Außenkurve 20

21 Räder der Lok nach strukturellem Versagen: Versuch des Aufschmelzens des Rads: Aufgrund der mutmaßlichen Ni-Beschichtung ließ sich das Rad bei technisch gegebener Maximaltemperatur von 650 C nicht aufschmelzen; es haben sich lediglich ZinkBläschen dort gebildet, wo die Beschichtung keine homogene Deckschicht mehr aufweist. Speziell auch an der Bruchstelle.

22 Untersuchung der Zusammensetzung der Legierung des Gehäuses mit einem Funkenspektrometer:

23 Analyse der E-Lokomotive aus dem Jahr 1948 DIN EN

24 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 der Probennahme). Die Gegenprobe des chargengleichen Gussteils war normgerecht. Berichtet wurde, dass vom MPA durchgeführte Analysen an Proben besonders aus dem asiatischen Raum in vielen Punkten nicht normgerechten Legierungen entsprachen. 24

25 5. Fehlervermeidung 5.1 Legierungszusammensetzung Ab Mitte der 1950er-Jahre wurde durch verbesserte Ausgangsmaterialien und genauere Einhaltung der Materialmischungen beim Druckguss das Problem zurückgedrängt. Teile aus dieser Zeit und danach gelten als nicht anfällig für interkristalline Korrosion. Diese in Wikipedia nachzulesende Aussage gilt für alle Produkte, für die normgerechte Zink-Legierungen verwendet werden. Mit der Einführung der europäischen Norm EN 1774 Gusslegierungen in Blockform und in flüssiger Form ist die chemische Zusammensetzung der Zinklegierungen europaweit harmonisiert. Der Legierungshersteller hat nachzuweisen, dass er diese Norm erfüllt. EN Zink und Zinklegierungen Gussstücke Spezifikationen definiert, wie der Name bereits andeutet, die Zusammensetzung der ZinkLegierungen im fertiggegossenen Bauteil. Diese Norm gibt dem Abnehmer von Zinkdruckgussteilen die Sicherheit, dass das Druckgussteil die geforderten Eigenschaften aufweist und seine Funktion erfüllt. Der Unterschied der Legierungszusammensetzungen in diesen beiden Normen berücksichtigt Veränderungen in der Legierungszusammensetzung, die beim Einschmelzen und Gießen entstehen. 25

26 5. Fehlervermeidung 5.1 Legierungszusammensetzung Deutsche Zinkhütten haben, um normgerechte Legierungszusammensetzungen zu gewährleisten, ausgefeilte Qualitätsmanagementstrategien entwickelt. Der Druckgießer kann sich im Allgemeinen darauf verlassen, normgerechte Legierungen zu erhalten. Namhafte Hersteller waren allerdings der Ansicht, durch Verlagerung in den asiatischen 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 preiswertere und 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 nach China vor einigen Jahren wieder durch Zinkpest betroffen sind. Heute produziert dieser Hersteller, so wurde mitgeteilt, seine Zink-Druckgussteile wieder in Deutschland auf sieben modernen Warmkammer-Druckgießmaschinen bis 200 t Zuhaltekraft der Firma Frech. 26

27 5. Fehlervermeidung 5.2 Der sichere Prozess Aus der Norm EN ist die Forderung abzuleiten, dass die gesamte Prozesskette vom Einkauf der Legierungen über den Schmelz- und Gießprozess bis hin zum fertigen Bauteil sorgfältig und prozesssicher abläuft. Der deutsche Druckgießer hat gegenüber seinen auswärtigen Wettbewerbern den Vorteil, dass er in der Lage ist, komplett bearbeitete Druckgussstücke zu liefern. Das Warmkammer-Druckgießverfahren für Zink-Druckguss ermöglicht einen sicheren 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 27

28 5. Fehlervermeidung 5.2 Der sichere Prozess Der Zinkdruckgießprozess ist sowohl vom Equipment wie auch vom Knowhow des Maschinenbedieners und -einstellers abhängig. Der Beitrag der Maschinenhersteller - Entwicklung und Herstellung einer zuverlässigen und leistungsfähigen Maschine. - Einfache und sichere Bedienung der Maschine - Führung bei der Findung der richtigen Gießparameter - Überwachung sowie Auswertung der eingestellten Parameter und des Gießprozesses - Führung einer Statistik über Prozesssicherheit für Nachweise - Maschinenverfügbarkeit und Maschinenfähigkeit auf hohem Niveau halten und sichern. - Schulungen von Mitarbeitern 28

29 6. Beispiele aus der Praxis Zink-Druckgussteile der Firma Druckguss Westfalen 29

30 6. Beispiele aus der Praxis Zink-Druckgussteile verschiedener Hersteller 30

31 6. Beispiele aus der Praxis Zink-Druckgussteile der Firma Drumeta 31

32 6. Beispiele aus der Praxis Zink-Druckgussteile der Firma HDO Dieser Ring mit Ø ca. 500 mm wurde aus Kostengründen weltweit, u.a. in Israel angefragt. Alle Versuche, diesen Ring außerhalb Deutschlands zu beziehen, sind an den Qualitätsanforderungen an die Oberfläche gescheitert. Bisher war nur HDO in der Lage, die Anforderungen zu erfüllen 32

33 7. Schlussfolgerung Der Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss e.v. hat sich im Laufe der 60 Jahre seines Bestehens, wie es seine Satzung verlangt, um die Qualität der Druckguss-Legierungen verdient gemacht. Der Verband hat maßgeblich zur Verbesserung des Branchenbildes beigetragen. Im Bereich Marketing war man bemüht, sich gegen den Wettbewerbswerkstoff Kunststoff durchzusetzen. Eine Aufgabe für die Zukunft könnte sich für den Reinheitszeichen-Verband Zink-Druckguss e.v. darin ergeben, dass er Regeln erstellt, mit der die Prozesssicherheit und damit die Produktsicherheit deutscher ZinkdruckgussProdukte weltweit anerkannt wird. Es könnte verdeutlicht werden, dass Outsourcing ihrer Produktionslinien z.b. nach Asien sich nicht kostensparend, sondern kostentreibend auswirkt. 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Der Versuch, Oberleitungsmasten zu schmelzen und zu analysieren, ist misslungen. 34

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