Bekijk deze pagina en français
en español
Metaaleigenschappen en samenstelling voor gietontwerp
Alle vaste metalen die kunnen worden gesmolten, kunnen worden gegoten. Gieterijen zijn de fabrieken die dit gietwerk doen, expertise ontwikkelen met een handvol metalen en methoden, en standaardproducten ontwerpen om de waarde en efficiëntie in de productie te maximaliseren.
Metalen en gietmethoden beïnvloeden elkaar: de beste gietkeuze voor een product wordt beïnvloed door hoe het metaal zich zal gedragen in gesmolten, afgekoelde, en vaste toestand. Voor deze afhankelijkheden bepalen de specialiteiten van een gieterij mede wat voor soort producten zij maken. De gieterij die gietvormkinderspeelgoed maakt, is over het algemeen niet dezelfde gieterij die hoogwaardige motoronderdelen vervaardigt.
Ferrometalen worden gedefinieerd als de metalen die ijzer bevatten. Een van de belangrijkste verschillen in specialisatie is of gieterijen werken met ferrometalen, non-ferrometalen, of beide. De definitie van een ferrometaal is elk metaal dat ijzer bevat; non-ferrometalen doen dat niet. Ferrometallurgie vertegenwoordigt ruwweg 90% van de wereldwijde metaalproductie. Grijs ijzer is het meest voorkomende metaal dat in gieterijen wordt gegoten. Buiten de gieterij is staal de ijzerlegering die het meest wordt gebruikt in de industrie, de bouw en het vervoer.
Gieterijen die zich specialiseren in gangbare gietmethoden zoals zandgieten, werken meestal met metalen die zijn gekozen vanwege specifieke kwaliteiten, zoals het gemak van smelten en gieten, het vastleggen van details in de gietvorm, voorspelbaar gedrag tijdens het afkoelen, en gereedheid voor machinale bewerking of afwerking.
Ferrometalen en hun eigenschappen
Izer heeft de volgende eigenschappen: het is dicht, sterk als het wordt gemengd met koolstof, overvloedig en gemakkelijk te raffineren, zeer corrosiegevoelig en magnetisch. Legering van ijzer met andere elementen in verschillende verhoudingen kan een of meer van deze factoren verminderen of elimineren.
Honderden ijzerlegeringen zijn bekend. Zij worden gespecificeerd door de verhoudingen van elk element in hun samenstelling, alsmede door aanwijzingen voor het smelten en afwerken ervan. Ferro-legeringen met koolstof worden gewoonlijk ijzer of staal genoemd, en kunnen een willekeurig aantal andere elementen bevatten, van aluminium tot vanadium, op basis van hun specificatie. Deze metalen worden gewoonlijk gekozen om hun mechanische eigenschappen. Ingenieurs en ontwerpers kunnen geïnteresseerd zijn in hun vloeigrens, taaiheid, vervormbaarheid, lasbaarheid, elasticiteit, afschuiving, en thermische uitzetting, die allemaal beschrijven hoe een materiaal zich zal gedragen onder specifieke stressoren.
Deze onderscheidende aspecten van ijzer kunnen worden veranderd in legeringen, die ijzer mengen met andere elementen. Roestvrij staal is een goed voorbeeld, waarbij sommige legeringen van roestvrij staal zowel niet-magnetisch als niet-corrosief zijn. Een gebruikelijke manier om te weten of een metaal van staal is, is er een magneet tegenaan te zetten, omdat het ijzer in de legering ervoor zorgt dat de magneet blijft plakken; maar mensen die wel eens geprobeerd hebben magneten op hun roestvrijstalen koelkast te plakken, weten dat dit geen onfeilbare test is. Hoewel het ijzer nog steeds aanwezig is in deze ijzerhoudende legering, verandert een hoog percentage nikkel de microstructuur van het staal voldoende om een magnetische reactie te voorkomen. Roestvast staal kan roesten, hoewel het veel corrosiebestendiger is dan andere soorten ijzerlegeringen. Dit is te danken aan de toevoeging van chroom. Chroom beschermt tegen roest door een proces dat passivering wordt genoemd, waarbij de bovenste moleculen van het metaal oxideren, maar sterk gebonden blijven aan het metaal eronder, waardoor een ondoordringbare schil wordt gevormd.
In ferrometalen zijn ijzer en staal de meest voorkomende gietmaterialen.
Izer
Gietijzers zijn een categorie ijzerlegeringen met een koolstofgehalte van meer dan 2%. Het zijn relatief goedkope, dichte ijzers. Wanneer ze worden verhit en gegoten, hebben ze een veel grotere vloeibaarheid bij lagere temperaturen dan staal, wat betekent dat ze efficiënter in een complexe mal kunnen vloeien en delen vullen. Gietijzer krimpt tijdens het afkoelen ook half zo snel als staal.
Basisgietijzers hebben goede compressie-eigenschappen, maar ze zijn bros: ze zullen breken voordat ze buigen of vervormen. Deze kwetsbaarheid kan betekenen dat brosse soorten gietijzer niet worden gebruikt voor ontwerpen met extrusie of uitgebreide details, of met zeer scherpe randen, omdat deze kenmerken kunnen afbrokkelen.
Grijs gietijzer is het meest voorkomende type gietijzer dat momenteel wordt geproduceerd. Het wordt gebruikt in alles van putdeksels tot schijfremmen op auto’s. Het dankt zijn naam aan de kleur die het krijgt bij breuk, die grijs is door de aanwezigheid van grafiet als koolstofadditief. Grijs ijzer bestaat uit 2,5-4% koolstof in gewicht en bevat daarnaast 1-3% silicium, dat het grafiet stabiliseert. Het heeft veel van de eigenschappen van basisgietijzer, in die zin dat het goedkoop is en in gesmolten toestand beter stroomt dan staal, maar door de aanwezigheid van grafiet is het ijzer iets minder bros, waardoor het gemakkelijker te bewerken is. Grijs gietijzer is nog steeds onbuigzaam: het buigt zeer weinig voor het breekt.
Ductiel gietijzer is een vorm van gietijzer waarbij de toegevoegde koolstof bolvormig (nodulair) grafiet is. Nodulair gietijzer bestaat meestal uit 3,2-3,6% koolstof in gewicht, en bevat silicium en andere elementen. Een hoger ferrietgehalte betekent dat het zich tijdens de bewerking op snijgereedschap ophoopt, zodat het vaak wordt gebruikt voor hoofdzakelijk gietwerk, waar het door zijn zeer hoge vloeibaarheid een uitstekende keuze is voor fijn gedetailleerd werk. Door de sferoïde vorm van het grafiet heeft nodulair gietijzer een hogere slagvastheid en treksterkte dan gietijzer of grijs gietijzer, waardoor gedetailleerde ontwerpen of ontwerpen met randen mogelijk zijn. Nodulair gietijzer is een relatieve nieuwkomer in de specificatie van ijzers, aangezien het pas in 1943 voor het eerst werd ontdekt.
Staal
Staal van allerlei soort wordt ook wel gegoten. In het algemeen heeft staal een koolstofgehalte van minder dan 2,14 gewichtspercenten, en wordt het vaak gelegeerd met andere elementen. Staal heeft sterkere mechanische eigenschappen dan gietijzer, maar wat aan taaiheid gewonnen wordt, gaat verloren aan vloeibaarheid. Gesmolten staal moet veel heter zijn dan gesmolten ijzer om in gedetailleerde mallen te vloeien, en de hoge temperaturen die nodig zijn om met staal te werken zijn een uitdaging om te beheersen en kunnen een handicap vormen voor het ontwerp en de afwerking van het voorwerp dat uit de mal komt. Zoals bij alle gietstukken kunnen verschillende delen van een stuk met verschillende snelheden afkoelen, en dit verschil veroorzaakt spanningen in het product: omdat staal sterker en sneller krimpt dan gietijzer, moeten deze spanningen bij gietstaal beter worden beheerst.
Deze uitdagingen betekenen dat staal veel arbeidsintensiever kan zijn om goed te gieten. Het vereist deskundige aandacht in alle stadia van de productie. Toch kan de hoge mechanische sterkte van het eindproduct een staallegering tot een duidelijke keuze maken voor sommige toepassingen, waarbij machinale bewerking voor de eindafwerking zorgt.
Andere ijzerlegeringen
Andere ijzerlegeringen bestaan buiten deze gangbare typen, en worden gebruikt in specifieke toepassingen waar hun mechanische gedrag nuttig is. Zo is elinvar een nikkel-ijzerlegering die niet uitzet en krimpt onder invloed van warmte, en wordt gebruikt in zeer kleine onderdelen in klokken en andere precisieapparaten.
Niet-ferrometalen en hun toepassingen
Deze metalen omvatten elk metaal en elke legering die geen ijzer bevat. Een korte lijst van veel voorkomende non-ferrometalen omvat:
- Eerfelijke metalen zoals zilver, platina, en goud
- Koper en zijn legeringen zoals brons en messing
- Nikkel, Palladium, Platina
- Titanium
- Aluminium
- Tin, Lood
- Zink
Met zo’n breed scala aan materialen in deze groepering, kunnen veel van de mechanische eigenschappen die ijzer aanbeveelt, worden ontdekt in non-ferrometalen. Aluminium- of titaanlegeringen zouden bijvoorbeeld in veel gevallen staal kunnen vervangen, als de kosten daarvoor niet te hoog zouden zijn. De magnetische eigenschappen van ijzer zouden kunnen worden geëvenaard met nikkel, kobalt of zeldzame aardmetalen die met andere metalen zijn gelegeerd.
Maar omdat non-ferrometalen vaak duurder zijn, worden ze meestal gekozen vanwege hun unieke eigenschappen, in plaats van vanwege de manieren waarop ze zich als staal kunnen gedragen. Lichter gewicht, geleiding, corrosiebestendigheid, niet-magnetische eigenschappen, traditie of decoratieve waarde zijn enkele van de redenen om voor een non-ferrometaal te kiezen. Sommige metalen worden juist gewaardeerd omdat ze zeldzaam zijn: voordat de productie van aluminium op grote schaal mogelijk was, was aluminium een luxemetaal dat werd gebruikt in serviesgoed van hoge kwaliteit.
Alle soorten gespecialiseerde materialen worden gegoten. In traditionele zandgieterijen zijn er echter drie noemenswaardige non-ferro gietmetalen.
Brons en messing
Brons en messing waren de eerste metalen die door de mensheid in de Bronstijd werden gegoten, en deze koperlegeringen worden vandaag de dag nog steeds met zand gegoten. Ze worden bij veel lagere temperaturen gesmolten dan ijzerhoudende materialen, en ze kunnen goed in detail worden gegoten, zodat ze vaak worden gebruikt voor decoratieve toepassingen zoals beeldhouwwerk. Brons en messing zijn zachter dan staal, maar ze zijn corrosiebestendig, zelfs in de aanwezigheid van zout, zodat deze metalen worden gebruikt in standaard scheepstoepassingen zoals fittings op boten. Messing is ook bestand tegen “vreten”, d.w.z. de slijtage van metaal tegen zichzelf, en daarom wordt messing soms gegoten voor mechanische onderdelen, zoals scheepsschroeven, of machinaal bewerkt voor lagers en ritssluitingen. Beide legeringen zijn vrij duur omdat ze afhankelijk zijn van koper, een metaal waar ook vraag naar is vanwege zijn elektrische eigenschappen.
Aluminium
Aluminium is een metaal met een veel lagere dichtheid dan ijzer, waardoor het een essentieel materiaal is voor toepassingen waarbij sterkte zonder gewicht nodig is, zoals de lucht- en ruimtevaartindustrie. Het is corrosiebestendig omdat aluminium, zoals roestvrij staal, op oxydatie reageert door een metaaloxideschild te creëren dat het beschermt.
Aluminium heeft ook een lager smeltpunt dan veel van het staal of het ijzer dat het zou kunnen vervangen, wat het gemakkelijker maakt om te gieten dan staal, dat minder overzicht voor complexe vormen nodig heeft. Het grootste nadeel van aluminium is de kostprijs.
Het overwegen van gietmaterialen
Bij het ontwerpen van een gietstuk, is het vinden van het perfecte metaal om waarde en vorm in evenwicht te brengen een kunst en wetenschap. Het juiste metaal voor een opdracht zal zowel aan de esthetische als de mechanische vereisten van de toepassing voldoen, en dit zal de productiemethoden beïnvloeden die nodig zijn om een prototype tot eindproduct te brengen.
Ferrometalen zijn de meest voorkomende keuze voor gietstukken, vaak gekozen vanwege hun kostenefficiëntie en hun mechanische eigenschappen. Soms is het niet de sterkte van een metaal dat de keuze dicteert, maar eigenschappen zoals gewicht, corrosiebestendigheid, of niet-magnetisme. Non-ferro legeringen zoals brons en messing kunnen ook worden gekozen voor traditie of voor hun schoonheid.
Overleg met een ingenieur kan een ontwerper helpen harmonie te vinden tussen de verschillende aspecten van hun project, en het perfecte metaal te kiezen om zowel de toepassing als het budget te honoreren.
Voor meer informatie over metalen, of om een offerte aan te vragen voor een project op maat, kunt u contact met ons opnemen.