Gieterij

 

Gietijzer, gietstaal en gietproces

 

Algemeen

Gietijzer is een legering van ijzer, koolstof en siliciumvoor in opgeloste toestand. waarin het koolstofgehalte groter is dan 2% maar lager dan 4,5% Het eigenaardige van dit materiaal is, dat de samenstelling alleen nog niet bepalend is voor de eigenschappen, maar dat bovendien de vorm waarin de koolstof erin voor komt voor die eigenschappen van groot belang is.
De koolstof kan namelijk voorkomen in a. in vrije toestand, als grafiet, en b. gebonden als ijzercarbide, z.g. cementiet (Fe3C). In gesmolten ijzer komt de koolstof voor in opgeloste toestand. Grafiet is zacht en heeft bijna geen treksterkte.
Cementiet daarentegen is zeer hard, zoals bijna alle metaalcarbiden, en bezit zeer weinig rek. Het zal echter onder bepaalde omstandigheden ontleden in ijzer en grafiet.
Voor een goed begrip van de gedragingen van gietijzer is inzicht  in het ijzer koolstofdiagram noodzakelijk zie afb. 1
Een koolstofgehalte beneden 2% het maximum aan koolstof dat door austeniet in oplossing gehouden kan worden bij 1130
°C, spreekt men van staal, daarboven van gietijzer.
Wanneer een legering mat ca. 2,5% koolstof langzaam afkoelt, ontstaan bij ca. 1350
°C de eerste austeniet kristallen.
Austeniet is de naam voor mengkristallen van ץ ijzer en koolstof,dus voor een vaste oplossing van koolstof in ijzer van de ץ structuur.
Bij verdergaande afkoeling ontstaan steeds meer austeniet kristallen, waarvan het koolstofgehalte, overeenkomend met het verloop van lijn A-E echter steeds groter wordt, terwijl ook de reeds afgescheiden kristallen gedurende de verdere afkoeling nog meer koolstof opnemen.
De overblijvende vloeistof wordt daardoor steeds armer aan ijzer en veranderd in samenstelling volgens de liquidus ABC.
Bij 1130° hebben we derhalve austeniet met 2% C en het eurect ,,C" met ca. 4,3 % C. Dit eutect noemt men leburiet. Bij voortgaande afkoeling kan het austeniet niet alle koolstof meer in ( vaste ) oplossing houden en staat deze dus af in de vorm van cementiet.
Het leburiet is reeds een fijn mengsel van austeniet en cementiet waarin nu echter de austeniet zich ook wijzigt, doordat de z.g. secundaire cementiet wordt afgestoten.
Beneden 723
° C is austeniet onbestaanbaar ( tenzij bijzondere maatregelen worden genomen ) en veranderd het in een eutectoide mengsel van ferriet ( α-IJzer ) en cementiet, het z.g. perliet.
De samenstelling daarvan komt overeen met punt S; het bevat ca. 0,8% C en bestaat uit een fijn mengsel van α-IJzer kristallen en cementiet kristallen. dit alles geldt wanneer cementiet gevormd wordt.
In de regel vindt men echter tevens grafiet afscheiding of zelfs alleen grafiet.
Men noemt de stolling onder vorming van cementiet metastabiel, die waarbij grafiet gevormd wordt  stabiel, omdat cementiet de neiging heft om bij gunstige omstandigheden ( hoge temperatuur ) te ontleden in grafiet en ijzer.
Bij de stabiele stolling liggen de temperaturen en percentages iets anders dan bij metastabiele stolling., zie stippellijnen in afb. 1. Hoeveel grafiet gevormd wordt, hangt af van de snelheid van afkoeling, van de hoogte van het koolstofgehalte en van de hoeveelheid bijmengsels, vooral van silicium en mangaan. Meer grafiet wordt gevormd bij langzamer afkoeling, hoger koolstofgehalte, meer silicium en minder mangaan.
 
Afb. 1  IJzer koolstof diagram
 
Invloed van bijmengsels

a. Silicium.

Het silicium, dat naar zijn chemische aard overeenkomt met koolstof, tracht zich in de plaats van de koolstof te stelle, waardoor deze in de vorm van grafiet vrijkomt. Silicium drijft dus de koolstof uit het cementiet, waardoor ferriet en grafiet ontstaan.
Is er veel silicium in het ijzer, dan wordt vrijwel alle cementiet ontleed en blijft er tenslotte alleen ferriet en grafiet over. men spreekt dan van ferritisch gietijzer.
Bij afnemend siliciumgehalte zal eerst nog wat perliet onaangetast blijven; men heeft dan hypo of onderperlietisch  gietijzer; daarna bij een bepaalde samenstelling zal de grondmassa naast grafiet juist geheel uit perliet bestaan.
Men spreekt dan van perlitisch gietijzer. Bij nog minder vergaande ontleding blijft een deel van de cementiet bestaan en ontstaat gemeleerd, en nog verder gaande wit gietijzer, dat hard en nagenoeg onbewerkbaar is.
Hoe meer grafiet hoe zachter, hoe meer cementiet hoe harder het ijzer wordt.
Gietijzer met grafiet en zonder cementiet kan beschouwd worden als staal waar grafietaders doorlopen. In afb. 2 ( het Weichelt diagram ) zien we duidelijk hoe de uiteindelijke structuur van gietijzer afhangt van het gehalte aan koolstof in het silicium. Bij 2,8% C bijv. zal men met 5% Silicium een geheel ferritisch gietijzer krijgen; met 1,5 tot 3% Silicium een perlitisch , en beneden 0,8% Silicium  wit gietijzer. Daar de sterkte afneemt met toenemend grafietgehalte, zal men voor stukken die zwaar belast worden juist zoveel silicium toepassen dat het materiaal nog goed bewerkbaar blijft; men tracht dan wel de harde cementiet te ontlede, maar de perliet in takt te laten.
Het siliciumgehalte zal men door dunwandige stukkenhoger moeten nemen dan voor dikwandige om de vorming van "hartguss" door te snelle afkoeling te vermijden.
De invloed van silicium op het IJzer koolstofdiagram doet zich in hoofdzaak gevoelen in een verplaatsing van punt C naar de Y-as toe en wel met ca. 0,3% C per procent silicium dat wordt toegevoegd.
Ook het punt S verplaatst zich in de richting van de Y-as, doch slechts met 0,07% per procent silicium zie afb. 3 , men kan dus zeggen dat in het algemeen toevoeging van silicium de smelttemperatuur verlaagt, evenals de treksterkte. De verplaatsing van het eutectische punt naar links bij toenemend siliciumgehalte komt in het Weichelt-diagram tot uitdrukking in de bovenste begrenzinglijn, die feitelijk de meetkundige plaats is van de eutectische punten bij verschillend silicium gehalte.

b. Mangaan.

Mangaan komt in chemische eigenschappen overeen met ijzer en helpt daardoor koolstof te binden als carbide, zodat het de vorming van grafiet tegen gaat. Het verhoogt de treksterkte, het smeltpunt en de krimp.
Gewoonlijk bevat gietijzer 0,5 tot 0,8% mangaan. Mangaan dient in hoofdzaak voor het binden van de in het ijzer aanwezige zwavel.

c. Zwavel

Zwavel maakt ijzer dikvloeibaar. Het effect wordt echter door aanwezigheid van mangaan ten dele opgeheven, doordat dan mangaansulfide wordt gevormd.

d. Phosfor.

Phosfor maakt ijze dunvloeibaar. Het komt meestal voor als phosphide eutecticum.
Toevoeging van phosfor verhoogt de trekvastheid van gietijzer, doch de kerfslagwaarde ( taaiheid ) van het ijzer neemt sterk af met toenemend phosfor gehalte.
In het algemeen zal men daarom liever de giettemperatuur verhogenom een goede dunvloeibaarheid te bereiken, dan het phosfor gehalte op te voeren.
 

 

Afb. 2 Weichelt diagram   I. Wit gietijzer  
 II. Perlitisch gietijzer
III. Ferritisch gietijzer
 

Afb. 3 Vereenvoudigd toestandsdiagram

Soorten gietijzer

a. Ferritisch gietijzer afb. 4.

Hierin is nagenoeg alle koolstof afgescheiden in de vorm van grove lamellen grafiet. de grondmassa ferriet ( α- ijzer ).
Door de grove lamellen wordt de treksterkte ongunstig beïnvloed.
Het materiaal is zacht en zeer goed bewerkbaar. Hetwordt gebruikt voor gietwerk waaraan geen hoge eisen gesteld worden.


 

 
Afb. 4 Nodulair gietijzer Afb. 5 Perlitisch gietijzer  
b. Perlitisch gietijzer

Dit bestaat uit lamellair perliet  met grafietlamellen, ventueel is er nog steadiet aanwezig afb. 5. het kan verkregen worden bij de juiste keuze van koolstof en silicium gehalte, maar de juiste keuze is nog niet voldoende om het ontstaan van een sterk ijzer te verzekeren, omdat de grootte en de vorm van grafietaders daarop een grote invloed heeft. men zal in het algemeen het koolstof en silicium gehalte zo laag mogelijk moeten nemen en moeten proberen de koolstof fijn verdeeld afgezet te krijgen.
Dit lukt het bestdoor het ijzer sterk te verhitten, tot 1400 tot 1500 °C, om zodoende alle kernen, waaromheen zich grafietafzettingen zouden kunnen vormen, op te lossen. om de vorming van wit gietijzer bij deze lage siliciumgehalten te voorkomen, moet men tevens de gietvormen voorwarmen, zodat de afkoelsnelheid niet te groot wordt.

Meehanite ( genoemd naar de houder van de eerste patenten op dat gebied ) is een verzamelnaam voor een 24 tal merendeels perlitische gietijzers, welke zo gekozen zijn, dat voor nagenoeg ieder toepassingsgebied een speciaal geëigend type ter beschikking staat, terwijl in speciale gevallen een bepaald type in overleg met de gieterij nog verder aan het doel kan worden aangepast.
Meehanite wordt in de over de hele wereld verspreide, gieterijen vervaardigd en overal met dezelfde gegarandeerde mechanische eigenschappen geleverd.
De gunstige mechanische, chemische en fysische eigenschappen worden verkregen door een zeer nauwgezette beheersing van het smelt- en gietproces, welke wordt mogelijk gemaakt door een speciaal hiervoor ontwikkeld en zich over alle onderdelen van de gieterij uitstrekkend controlesysteem.
Bij vervaardiging van Meehanite wordt in de meeste gevallen veel staalschroot verwerkt, terwijl het ijzer evenals boven aangegeven methode sterk oververhit.
Er wordt calcium-silicium in de gietpan of in de loop van de koepeloven toegevoegd; dit bevordert ondermeer een fijn verdeelde  grafietafscheiding. Als voordelen van de meehanite ijzers t.o.v. normaal grijs gietijzer en sommige gietijzers die onder de naam perlitisch in de handel worden gebracht, worden ondermeer opgegeven de geringe afhankelijkheid van de structuur van de wanddikte van het gietstuk en de geringe groei ven het ijzer bij langdurig verhitten.

c. Wit gietijzer ( "hartguss" )

Dit is gietijzer waarin alle of een groot deel van de koolstof als cementiet gebonden aanwezig is, terwijl in het laatste geval de overige koolstof in de vorm van perliet wordt aangetroffen.
Het ontstaat bij snelle afkoeling, waardoor de tijd, nodig voor het ontleden van de cementiet, ontbreekt. Het is zeer hard, vrijwel onbewerkbaar en bros.
Na het afkoelen is een laag silicium zoals boven reeds bleek noodzakelijk voor de vorming van wit gietijzer. Toevoeging van chroom heeft hetzelfde effect.
De eindbewerking van wit gietijzerkan slechts slijpen of hard draaien zijn.
Gietstukken geheel van wit gietijzer worden weinig gevraagd, omdat ze vaak te bros zijn, vaker komt het voor dat men gedeelten van een gietstuk hard en bestand tegen slijtage wenst te maken.
Dit kan vaak het best bereikt worden door in de vorm schrikplaten of coquilles te plaatsen, waardoor plaatselijk snelle afkoeling wordt bereikt.

d. Austenitisch gietijzer

Dit is grijs gietijzer, waaraan legerings bestanddelen zijn toegevoegd , waardoor de omzetting naar austeniet zover beneden de 723 °C komt te liggen, dat de austeniet nog bij kamertemperatuur aanwezig is.
Een van de daarvoor het meest gebruikte legeringselementen is nikkel.
Het verkregen materiaal heeft een grote treksterkte en grote weerstand  tegen corrosie. Austenitisch gietijzer is evenals austenitisch staal niet  magnetisch.

e. gelegeerde gietijzersoorten

Verschillende elementen worden als legeringbestanddelen in gietijzer toegepast.

1. Chroom.

Dit helpt, evenals mangaan, mee aan de vorming van wit gietijzer onder vorming van chroom-ijzercarbiden.
Kleine toevoegingen verhogen de treksterkte en de hardheid ( 0,15 tot 1%  chroom ). Tegen sterke corrosie worden soms hoge percentages chroom toegevoegd.

2. Koper

Dit materiaal maakt ijzer iets steviger,hoewel het de neiging om grijs gietijzer te vormen vergroot. Men neemt 0,25 - 2,5%, doch past het meestal toe in combinatie met chroom of molybdeen.

3. Molybdeen.

Het met molybdeen gelegeerde gietijzer behoud zijn sterkte bij hoge temperatuur. Molybdeen geeft echter ook bij gewone temperatuur een grotere treksterkte aan gietijzer en bevordert een uniforme structuur.

4. Nikkel.

Dit bevordert de afscheiding van grafiet. Kleine toevoegingen ( 0,1 - 1% ) geven een fijnkorrelige structuur. Voor slijtvast gietijzer past men 4,5% Nikkel toe; voor austenitisch gietijzer nog hogere percentages ( 10% ).

5. Vanadium.

Bevorderd de vorming van de zeer gelijkmatige en fijne sorbietische structuur. Het heeft overigens dezelfde tendens als mangaan en wordt van 0,1 tot 0,25% toegepast.

6. Magnesium.

Toevoeging van dit materiaal, dat vroeger voor onmogelijk werd gehouden, is gebleken zeer wel mogelijk te zijn, mits het niet als zuiver magnesium, maar in de vorm van een nikkel-magnesium-legering  wordt toegevoegd, men verkrijgt dan grijs gietijzer met bolvormige Het z.g. nodulaire gietijzer. grafietafzetting. zie afb. 6 en 7. De grondmassa bestaat uit ferriet en/of perliet. de gemiddelde chemische samenstelling is 3,5% C, 1% Silicium en 0,1% Mangaan.
De elasticiteitsmodulus is bijna twee maat zo groot als van grijs gietijzer, de 0,2% rekgrens is ca. 70%van de treksterkte.
De bewerkbaarheid van dit materiaal is goed. het dempend vermogen is minder dan van gewoon gietijzer dus daarom wat minder geschikt voor machineframes.
Het materiaal is beter lasbaar dan gewoon gietijzer en groeit niet bij verhitting, in tegenstelling tot gewoon gietijzer. Het is ook mogelijk om nodulair gietijzer op ander wijze te vervaardigen( met Si, Ce, of Ca ).
 

 
Afb. 6 Nodulite fb. 7 Bolvormige grafiet uit nodulite A
f. Smeedbaar gietijzer

Dit materiaal noemt men ook wel temperijzer, temperijzer is beter, omdat de aanduiding "smeedbaar" minder juist is.
De rek blijft n.l. ver beneden die van goed smeedbaar materiaal. Wel is het materiaal vervormbaar, zodat kleine correcties mogelijk zijn. Het wordt toegepast voor klein werk, waaraan hogere eisen gesteld worden dan waaraan gewoon gietijzer kan voldoen. men kent twee principieel verschillende soorten: het zwarte temperijzer en het witte.

1. Zwart temperijzer.

Dit wordt verkregen door wit gietijzer een speciale warmtebehandeling te laten ondergaan, waarbij de cementiet ontleed in ferriet en grafiet. doordat de grafiet nu in vaste toestand wordt gevormd, vindt geen groei plaats, zodat geen langgerekte lamellen gevormd worden, maar gelokaliseerde opeenhopingen, die men temperkool noemt.
Toch is er een duidelijk verschil te zien tussen deze temperkool en de nodulen van de bovengenoemde nodulaire grafiet.
De temperkool is niet scherp begrenst, de nodulen wel Vergelijk de afbeeldingen 8 en 9. ,het is daardoor ook begrijpelijk dat nodulair gietijzer nog sterker is dan temperijzer.
Het zwarte temperijzer ontstaat wanneer men wit gietijzer gloeit zonder toetreding van lucht., het materiaal is daarna gelijkmatig van samenstelling.

2. Wit Temperijzer.

Om dit materiaal te vervaardigen wordt wit gietijzer in een oxiderende omgeving gegloeid, waardoor lucht aan de buitenkant ontkoold wordt. De dikte van deze ontkoolde laag is natuurlijk afhankelijk van de duur van het gloeien.  

 
Afb. 8 Wit temperijzer met een zwarte kern Afb.9 Zwart temperijzer ( smeedbaar gietijzer )  
Algemeen:

Bij gieten van gietijzer wordt gebruik gemaakt van het feit dat het materiaal bij voldoende verhitting vloeibaar wordt. Het smeltpunt dus de temperatuur waarbij het metaal vloeibaar wordt is voor het gieten van groot belang.
Hoe hoger het smeltpunt hoe moeilijker het metaal smeltbaar wordt dus hoe duurder hierdoor het proces.
Niet alleen het smeltpunt maar ook de mate van vloeibaarheid is van belang. wanneer het materiaal makkelijk vloeit dan zal het vloeibare metaal de vormen makkelijker vullen dit noemt men dun vloeibaar, stroomt het materiaal traag dan noemt men dat traag vloeibaar hierdoor zal de vorm minder goed te vullen zijn hierdoor zal het gietstuk na afkoeling minder scherp van vorm geworden zijn of zijn er open ruimtes ontstaan z.g. gietgallen.
Wanneer het materiaal na de gieting te snel afkoelt heeft dit nadelige invloed op de hardheid van het materiaal het gietstuk zal hard en daardoor moeilijk te bewerken zijn.
Het gesmolten materiaal wordt over het algemeen in vormen gegoten die van te voren zijn gemaakt met speciaal vormzand.
De vorm wordt gemaakt volgens een houten of aluminium model in de vorm van het werkstuk waarmee in een speciaal frame de z.g. vormkast ( een soort doos zonder bodem met bolle wanden om te voorkomen dat het samengeperste vormzand uit het frame zakt ) een negatief van het te vormen werkstuk gemaakt.
Het frame wordt om het model geplaatst en gevuld met zand waarna het zand met hoge druk wordt samengeperst waarna het frame inclusief het zand van het model wordt getild, omdat het frame een bolle vorm heeft zal het zand niet zo snel uit het frame zakken. Vervolgens vindt de gieting plaats waarna na het afkoelen het gietstuk uit het model wordt geklopt waarna het werkstuk verder wordt afgekoeld in een koeltunnel dit om te voorkomen dat het gietstuk te snel afkoelt en hierdoor een verharde structuur krijgt. 
 

Gieten is nog steeds de belangrijkste methode voor het vervaardigen van metalen delen. Ingewikkelde onderdelen van allerlei afmetingen en vormen zowel groot als klein kunnen op deze manier tegen redelijke kosten worden gefabriceerd.
Vaak is door de complexheid gieten de enige manier om dergelijke delen te vervaardigen.

De gietvorm:

De gietvorm bestaat meestal uit een aluminium model wat op een z.g. grondplaat wordt bevestigd het is van belang dat het model glad en taps is, de tapsheid moet het mogelijk maken om na het vormen de kast met het samengeperste vormzand van het model te scheiden zonder dat het geheel uiteenvalt deze tapsheid noemt men de lossingshoek en bedraagt meestal afhankelijk van het model 2 tot 5 graden. We kunnen meerdere methodes van modellen onderscheiden nl. het z.g. natuurgietwerk en het gieten met een kern.

Hieronder enkele voorbeelden van verschillende gietmethoden.
 

 

BEKIJK HIERONDER EEN  FILMPJE OVER HET GIETPROCES  
     

                                                            Legenda

 
Natuur gietvorm

Stel dat er een rond massief onderdeel moet worden gegoten dan wordt het model gevormd in twee kasthelften waar in elke kasthelf de helft van het model van het te gieten gietstuk is voorgevormd zie afb. 1.

 


Afb. 1

 

Gietvorm met kern

Moet er echter een buisvormig deel worden gegoten dan maakt men gebruik van een z.g. kern deze kern wordt gevormd in een externe vorm en is qua uiterlijk een negatief van de kern. zie afb. 2. deze kern wordt aan de uiteinden in uitsparingen van van beide kasthelften geklemd zie afb. 2.



Afb. 2

Om een busvormig onderdeel te kunnen gieten wordt de kern met een soort wig tussen de beide kasthelften geklemd Afb. 3.
 

Afb. 3

Wanneer het gietdeel voldoende is afgekoeld wordt de tuit die is ontstaan door de gietopening ( Afb. 4. )  weggeslepen en wordt het gietstuk veelal verder afgebraamd door de bramen weg te slijpen
Omdat voor deze bewerking minder populair is wordt deze tegenwoordig veelal door robots uitgevoerd.
 

Afb. 4