Titel: Zink und Zinklegierungen.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1907, Band 322 (S. 54–57)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj322/ar322019

Zink und Zinklegierungen.

Von E. Rasch.

Die physikalisch-technologischen Eigenschaften des Zinks sind bislang keineswegs Gegenstand erschöpfender Untersuchungen geworden oder gar hinreichend geklärt.

Es ist dies um so auffälliger, als das Zink – als elektropositivstes Metall – neben dem Kupfer gerade in den verbreitetsten und hochwertigsten Metallegierungen, Messing, Durana1), Neusilber2), Nickelin3), Weißmetallen, schmiedbaren Bronzen usw., eine besondere und wichtige Rolle spielt und da man diesen Zinkabkömmlingen (z.B. dem Patronenmessing) fortgesetzt großen Untersuchungseifer und allerregstes Interesse entgegenzubringen genötigt ist.

Es möge als eine dankenswerte Aufgabe anempfohlen sein, nach dem zweiten Schritt den ersten und nächstliegenden nachzuholen und das Zink zum Gegenstande strengerer Untersuchung zu machen.

Da Deutschland überdies nahezu die halbe Weltproduktion an Zink aufbringt, so dürfte es wohl auch nicht an dem wirtschaftlichen Anlaß fehlen.

Auch vom wissenschaftlichen Standpunkte aus bietet das Zink des Merkwürdigen genug.

1. Blei und Zink.

Das Blei bildet in den Zinklegierungen, insbesondere in den Walz- und Stanzqualitäten der Kupferzinklegierungen, wohl die gefährlichste Verunreinigung, die selbst in geringfügigen Mengen Messingbrüchigkeit im Gefolge hat.

Man erinnert sich aus dem Karsten-Parkes-Prozeß der Bleientsilberung durch Zink der eigenartigen Lösungsverhältnisse, die das Zn gegenüber Silber, Gold, Kupfer und Blei zeigt.

Bei der Erstarrungstemperatur des Zinks (419,2° C) scheiden sich aus dem Blei-Zinkgemisch etwa 99 v. H. des schwereren Bleis aus und sinken zu Boden, während nur 0,9 v. H. des Bleies mit dem Zink legiert bleiben (siehe das Erstarrungsdiagramm Fig. 1) und das bei 417,7° C erstarrende Eutektikum bilden4).

Textabbildung Bd. 322, S. 54
Textabbildung Bd. 322, S. 54

Weit größer ist jedoch die Löslichkeit des Zinkes für Blei bei höheren Temperaturen, wie dies die Löslichkeitskurve (Fig. 2) erkennen läßt5). Die beiden Aeste a und b der Löslichkeitskurve werden hier bei jeder Temperatur in je einem Punkte geschnitten, d.h. das Gemisch trennt sich im flüssigen Zustande in zwei verschieden zusammengesetzte Blei-Zinklegierungen, in eine bleiärmere a und eine bleireichere b, von denen die letztere als die spezifisch schwerere zu Boden sinkt.

|55|

Die jeweilige Zusammensetzung der beiden Legierungen a und b hängt von der Temperatur des Pb-Zn-Gemisches ab. So liest man aus der Kurve (Fig. 2) beispielsweise für die Temperatur t = 600° C ab.

Zusammensetzung der Legierung a = 5,0 v. H. Pb + 95 v. H. Zn.

Zusammensetzung der Legierung b = 86 v. H. Pb + 16 v. H. Zn.

2. Kupfer und Blei.

In die Kupfer-Zinklegierungen geht das Blei in den allermeisten Fällen durch das Zink ein, da es – wie das Cadmium – einen ständigen Begleiter des schlesischen sowohl wie des Derbyshire Zinkes darstellt.

Es scheint nun für das Verhalten des Bleies in den Kupferlegierungen nicht belanglos zu sein, daß das (durch Zn eingetragene) Blei vom Kupfer leicht gelöst wird, wie dies das Erstarrungsdiagramm (Fig. 3) veranschaulicht.

Textabbildung Bd. 322, S. 55

Kupfer-Zink (Messing).

Der Vollständigkeit halber möge das Erstarrungsdiagramm6) Fig. 4 (nach Robert Austen), der Kupfer-Zinklegierungen, von denen im obigen die Sprache war, eingeschaltet werden, das über die verwickelten Lösungsverhältnisse hinreichenden Aufschluß gibt. Hervorgehoben mag nur werden, daß das durch seine große Dehnbarkeit ausgezeichnete Duranametall 40 v. H. Zn und 60 v. H. Cu neben geringen Mengen Fe enthält, somit nahezu dem Schnittpunkt der beiden Kurvenäste a und b angehört.

Textabbildung Bd. 322, S. 55

Weiter sei kurz erwähnt, daß Herschkowitz durch Potentialmessungen die Existenz einer chemischen Verbindung Zn2Cu wahrscheinlich gemacht hat.

4. Physikalisch-technologische Eigenschaften.

Eine neuere Arbeit von Oswald Meyer „Ueber die Eigenschaften von verschieden legierten Zinkblechen und deren Beeinflussung durch Aetzung und Erhitzung des Materials“7) klärt leider die gestellte Aufgabe in keiner Weise, so gut gemeint und in Einzelheiten fleißig sie auch erscheint.

Es möge nur auf einige Zahlenreihen, die wir dem umfangreichen Versuchsmaterial entnehmen, durch untenstehende Tab. 1 verwiesen werden.

Irgend welche Gesetzmäßigkeiten lassen sich aus ihnen jedoch wohl kaum bündig ableiten.

Selbst wenn man davon absieht, daß die Versuchsbleche auf verschiedene Blechdicken heruntergewalzt waren und somit einen nicht vergleichbaren Grad der mechanischen Bearbeitung besassen, so scheinen die Zahlen doch auch sonst noch durch Störungseinflüsse willkürlich beeinträchtigt: Ein schädlicher Einfluß des Bleies, den man auch beim reinen Zink zu erwarten geneigt sein könnte, wird in den Zahlen des Autors keineswegs deutlich erkennbar. Die Probe 00 (s. Tab. 1) mit 1,04 v. H. Pb weist die höchste durchschnittliche Festigkeit von 25,7 kg/qcm, und gleichzeitig beispielsweise eine größere Dehnung (17,2 v. H. gegen 16,2 v. H.) auf als die reinste Probe mit 0,07 v. H. Pb usw.

„Ein Zusatz von 0,2 v. H. Cadmium ist von deutlichem Vorteil für die Qualität des Zinkes. Seine Zähigkeitsverhältnisse und der Qualitätskoeffizient werden kräftig gehoben“. (Meyer.)

Referent hält diese Schlüsse – ohne die Möglichkeit dieser Erscheinungen prinzipiell zu bestreiten – durch die Versuche nicht hinreichend gestützt und der Nachprüfung unbedingt bedürftig. Es drängt sich der Verdacht auf, daß dem Autor etwa der Einfluß der Streckgeschwindigkeit auf die Festigkeitswerte entgangen sein könnte, der ja eingehend durch die klassischen Arbeiten von Bauschinger, Martens, Hartig, A. Le Chatelier und anderen studiert ist und der bekanntlich gerade bei den Metallen der Magnesiumgruppe (Mg, Zn, Cd) außerordentlich groß ist, wie im weiteren zu erläutern sein wird.

Ueberdies lassen die sehr eingehenden Angaben des genannten Autors über die Einzelheiten des Versuches jeden Hinweis auf diese doch wohl beachtliche Erscheinung vermissen.

Tabelle 1.

Festigkeitseigenschaften von Zinkblech.

(Mittelwerte aus Längs- und Querproben.)



Probe

Verunreinigungen durch
Dicke
des
Walz-
bleches
mm
Zugfestig-
keit
σB

kg/qmm
Quer-
schnitts-
verminde-
rung
v. H.

Dehnung
δ

v. H.

Elastizi-
tätsmodul

kg/qmm


Biegezahl


Bemerkungen
Cadmium
v. H.
Blei
v. H.
00
0
2
4
41
6
8
88
R.
0,050
0,047
0,244
0,402
0,402
0,590
0,912
0,732
0,030
1,04
0,024
0,100
0,021
0,021
0,025
0,025
0,810
0,810
1,63
2,01
1,73
3,03
2,02
3,01
3,01
2,02
2,03
25,7
23,3
20,5
25,3
24,7
23,5
22,6
23,6
22,7
17,2
16,2
38,3
18,0
16,0
24,6
12,0
3,6
20,2
27
30
56
35
23
37
29
6
25
9590
12000
9510
8860
9290
9020
8720
9780
9630
6
12
17
6
9
7
6
12
9

Ungeglühtes
Walzmaterial
Eisengehalt
rund
0,025 v. H.

Es ist ferner bekannt, daß das Zink bei etwa 155° C |56| am geschmeidigsten ist (δ = 80 – 100 v. H.) bei etwa 200° C dagegen außerordentlich spröde ist, kristallinisch wird und gepulvert werden kann.

Auch dieses Verhalten des Zinkes dürfte zu einwandsfreien Warmversuchen wohl herausfordern, zumal da bei CuZn Legierungen eigenartige und für die Praxis wohl beachtliche Erscheinungen zutage treten, die hiermit offensichtlich im Zusammenhange stehen.

So mag nur an die Warmsprödigkeit des Messings8) erinnert werden, die ihr Maximum etwa bei 375° C erreicht, und weiter an die Möglichkeit, hart gewalztes Messing durch Glühungen bei gewissen mittleren Temperaturen (etwa 280° C) erheblich zu zähen, d.h. dessen Dehnbarkeit ohne fühlbaren Rückgang der Festigkeit beträchtlich heraufzusetzen. (Veredelung.)

5. Viscose Formänderungen des Zinkes.

Das Zink zeigt, wie oben angedeutet, in ausgeprägtem Maße die merkwürdige Eigenschaft – ähnlich wie viscose (zähflüssige) Materialien (Pech usw.) – unter relativ kleinen Belastungen ständig nachzufliessen, während im Gegensatze dazu bei Stahl oder dergl. die Fließerscheinung sofort (ähnlich wie das Strecken durch mechanische Bearbeitung) eine Selbsthärtung des Materials im Gefolge hat. Allem Anscheine nach ist diese Eigenschaft des Zinkes in der Metallurgie von Wichtigkeit, da das Zink in den Legierungen gewissermaßen einen nachgiebigen, zähen Kitt bildet, in welchem härtere Gefügesubstanzen und dergleichen eingebettet sind.

Textabbildung Bd. 322, S. 56

Dem angedeuteten Verhalten entspricht es, daß der Einfluß der Zeit auf die Festigkeitswerte beim Zink eine große Rolle spielt, auf die Bauschinger (1891) allem Anscheine nach zuerst hingewiesen hat. (s. Tab. 2 u. Fig. 5.)

Tabelle 2.

Einfluß der Streckdauer auf die Festigkeitswerte bei Zink nach Bauschinger.


Dauer des
Versuchs
Festigkeit
σB

kg/qmm
Dehnung
δ

v. H.
Ver-
hältnis-
zahlen für
σB

Bemerkungen
6 Min. 13 Sek.
22 „ 32 „
37 „ 23 „
81 „ – „
20,5
17,6
16,7
16,4
16,5
9,9
11,2
20,3
100
86
81,5
80,0
Material nicht
sehr
gleichmäßig

Von neuem ist durch A. Le Chatelier (1901)9) auf diese Erscheinungen des viscosen Nachfließens, die durch folgenden Versuch trefflich veranschaulicht werden, nachdrücklichst hingewiesen worden.

A. Le Chatelier belastete statisch einen Zinkdraht mit 6 kg/qmm. Der Probedraht zeigte fortschreitende Dehnungen bis schließlich bei einer Längendehnung von 173 v. H. nach etwa zehnstündiger Belastung der Bruch erfolgte. Der Verlauf dieses Versuches wird durch die Zahlen der Tab. 3 wiedergegeben.

Tabelle 3.

Nachstrecken des Zinkes unter der statischen Balastung von 6 kg/kmm.

Belastungsdauer
Std.
Dehnung in
v. H.
0,08 1,33
0,17 6,0
2,0 20,0
6,0 61,0
9,0 102,0
10,0 126,0
10,17 173,0 Bruch

Ein ähnliches, wenn auch bei gewöhnlicher Temperatur weniger auffälliges Nachstrecken ist durch die Le Chatelierschen Versuche in gleicher Weise an anderen Materialien (Kupfer, Aluminium) studiert worden. Gemeinhin wird diese Erscheinung stets dann in den Vordergrund treten, wenn die Streckgrenze durch höhere Versuchstemperaturen ständig herabgeworfen, der härtende Einfluß des Streckens somit jeweilig beseitigt wird, wie die Le Chatelierschen umfangreicheren Warmversuche an Kupfer erweisen.

Von Interesse ist ferner die Frage nach der Abhängigkeit der Festigkeit des Zinkes von der Streck- bezw. Versuchsgeschwindigkeit, die durch Versuche von Le Chatelier gleichfalls klarer gestellt worden ist.

Wie Fig. 6 erkennen läßt, nimmt die Festigkeit (σB) des Zinkes mit wachsender Versuchsdauer sehr rasch ab und zwar ist der Einfluß bei großen Zerreißgeschwindigkeiten am auffälligsten.

Textabbildung Bd. 322, S. 56

Wie jedoch bereits der vorhin erwähnte Versuch (Tab. 3) beweist, nähert sich die Zugfestigkeit (σB) keineswegs etwa assymptotisch einem bestimmten Minimalwert, sondern es reichen sehr geringe Spannungen (dort 6 kg/qmm) hin, um das Material zu Bruch zu bringen. In Wirklichkeit nähert sich die Festigkeit (σB) mit wachsender Belastungsdauer (τ) ohne Ende dem Nullwert, ähnlich, wie dies bei viscosen Materialien (Pech und dergl.) beobachtet wird, die unter ihrem Eigengewicht strecken, einschnüren und zu Bruch kommen.

|57|

Dies wird durch Tab. 4 sehr wahrscheinlich gemacht.

Tabelle 4.

Zugfestigkeit (σB) und Versuchsdauer (τ) beim Zink.

Versuchs-
dauer τ
Minuten

Zugfestigkeit σB in
kg/qmm
Differenz Δ
beobachtet-
berechnet

Δ2
beobachtet berechnet
0
0,5
1,0
5,0
15,0
60,0

28,0
24,0
21,0
16,5
11,5
32,25
27,6
24,4
21,0
16,8
11,3

+ 0,4
– 0,4
± 0,0
– 0,3
+ 0,2

0,16
0,16
0,00
0,09
0,04
Σ Δ2 = 0,45

So weit ich dies zu übersehen vermag, gehorcht dieses Gesetz der Gleichung

. . . kg/qmm,

wobei σ0 die Spannung bedeutet, die das Material bei plötzlicher Belastung (Versuchsdauer τ = 0) zum Bruche bringt.

Aus den Le Chatelierschen Zahlen finde ich für diese maximale Festigkeit σ0 = 32,25 kg/qmm. Die Zeitkonstante berechnet sich zu m = 0,2392.

Spalte 3 gibt die berechneten σ-Werte. Die Differenzen Δ = σbeob.σberechn. (s. Spalte 4) weisen ständigen Zeichenwechsel auf, deuten somit auf einen systematischen Gang nicht hin. Der wahrscheinliche Fehler der Einzelbeobachtung

kg/qmm

liegt durchaus im Bereiche der gemeinhin zu erwartenden Versuchsfehler.

Die Uebereinstimmung darf somit eine gute genannt werden.

|54|

Durana: 60 Cu + 40 Zn + Fe.

|54|

Neusilber, Argentan: ∾ 60 Cu + 15 Ni + 25 Zn.

|54|

Nickelin: 54 Cu + 26 Ni + 20 Zn.

|54|

Jour. Chem. Soc. 1897.

|54|

Zeitschr. f. angew. Chemie 1897 (Spring u. Romanoff).

|55|

vergl. Rasch „Ueber den Erstarrungsvorgang des Kupfers“. D. p. J. 1906, 321 S. 636.

|55|

Metallurgie 1906 (2) S. 53 ff.

[Anmerkungszeichen zu dieser Fußnote fehlt im Text.] |56|

Die von Oswald Meyer im geglühten Zustande geprüften Zinkwalzbleche sind bis auf 275° C („Normaltemperatur“) erhitzt worden.

Anmerkungszeichen zu dieser Fußnote fehlt im Text.
|56|

Baumaterialienkunde 1901, S. 180 ff.

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