Gietijzer uitgelegd: Definitie, Eigenschappen en Toepassingen

Wat is gietijzer?

Gietijzer is een groep ijzer-koolstoflegeringen met een koolstofgehalte van 2 tot 4 procent. Daarnaast bevat het wisselende hoeveelheden silicium (1 tot 3% per gewicht) en mangaan, evenals sporen van onzuiverheden zoals zwavel en fosfor. Gietijzer wordt vervaardigd door ijzererts in een hoogovens te reduceren.

Het vloeibare ijzer wordt gegoten en uitgehard tot ruwe blokken (genaamd 'pigs'), die vervolgens opnieuw worden gesmolten samen met schroot en legeringselementen in cupola-ovens en in gietvormen worden gegoten om diverse producten te produceren.

De legeringselementen bepalen de kleur bij breuk: wit gietijzer heeft carbid-onzuiverheden die scheuren gemakkelijk laten doorlopen, grijs gietijzer heeft grafietvlokken die een doorgaan scheur afbuigen en talloze nieuwe scheuren initieren, en buigzaam gietijzer heeft sferoidale grafiet 'nodules' die de scheur stoppen en verdere voortplanting voorkomen.

Met uitzondering van smeedijzer is gietijzer doorgaans bros. Door het relatief lage smeltpunt, goede vloeibaarheid, uitstekende gietbaarheid, machinabiliteit, vervormingsweerstand en slijtvasteheid, is gietijzer een veelzijdig constructiemateriaal geworden.

Gietijzer wordt gebruikt in buizen, machines en autoponderdelen zoals cilinderkoppen, cilinderblokken en tandwielkasten. Het is bestendig tegen oxidatie, maar moeilijk te lassen.

Waaruit bestaat gietijzer?

Gietijzer wordt vervaardigd uit ruw ijzer (pig iron), het product van het smelten van ijzererts in een hoogovens. Het kan direct uit het vloeibare ruw ijzer worden gegoten of door herverhitting van ruw ijzer, vaak samen met grote hoeveelheden ijzer, staal, kalksteen, koolstof (cokes), waarbij ongewenste verontreinigingen worden verwijderd.

Fosfor en zwavel kunnen uit het vloeibare ijzer worden gebrand, maar hierbij gaat ook koolstof verloren, wat opnieuw moet worden toegevoegd. Afhankelijk van de toepassing worden koolstof- en siliciumgehalte aangepast op de gewenste niveaus (respectievelijk 2–3,5% en 1–3%).

Indien gewenst, worden andere elementen toegevoegd aan het smeltvoordat de eindvorm door gieten wordt geproduceerd.

Gietijzer wordt soms gesmolten in een speciaal type hoogovens (cupola), maar in moderne toepassingen vaker in elektrische inductie- of boogovens. Na het smelten wordt het vloeibare gietijzer in een houderovens of een giethaan gegoten.

Verschil tussen gietijzer en staal

Het hoofdverschil: staal wordt geproduceerd uit ijzererts en schrootmetalen, is een legering van ijzer met gecontroleerd koolstofgehalte. Bij ongeveer 4% koolstof in ijzer ontstaat gietijzer, bij minder dan 2% staal.

Gietijzer is goedkoper dan de meeste stalen. Het smeltpunt is lager, maar het heeft hoge druksterkte, hardheid en slijtvasteheid. Belangrijk verschil: staal is duktil en smeedbaar, gietijzer is gehard en heeft hoge druksterkte.

Koolstof in staal ligt als ijzercarbide voor; in gietijzer als grafiet, ijzercarbide of beide. Daarnaast heeft gietijzer uitstekende vloeibaarheid, staal niet.

Eigenschappen van gietijzer

Enkele veelvoorkomende mechanische eigenschappen:

• Hardheid. Gietijzer is hard en kan door verwarmen en plotselinge afkoeling verder worden gehard. Dit maakt het duurzaam. Zacht staal kan gehard en angelaten worden.
• Zwaartekracht (Toughness). Vermogen van een materiaal om energie te absorberen.
• Duktiliteit. Vermogen om te vervormen zonder breuk.
• Elasticiteit. Vermogen om na vervorming terug te keren naar de oorspronkelijke afmetingen.
• Smeedbaarheid (Malleability). Vermogen om onder druk te vervormen zonder te scheuren.
• Treksterkte. De grootste lengterichtingsspanning die een materiaal kan weerstaan zonder te scheuren.
• Vermoeidheidssterkte. De hoogste spanning die een materiaal voor een gegeven aantal cycli zonder breuk kan weerstaan.
• Smeltpunt. Gietijzer heeft een lager smeltpunt (1200°C) dan zacht staal (1300–1400°C).
• Gietbaarheid (Castability). Door de extra koolstof is vloeibaar gietijzer vloeierder, wat gieten van complexe vormen vergemakkelijkt.
• Machinabiliteit. Gietijzer is vrijwel elastisch tot de uittrekkingssterkte en produceert losbrekende span, wat de snijbaarheid verbetert. Het is daarom het voorkeursmateriaal voor hoge machinabiliteit en sterkte.

Samenstelling van gietijzer

Gietijzer, een legering van ijzer met 2 tot 4% koolstof, wisselende hoeveelheden silicium en mangaan, en sporen van onzuiverheden (zwavel, fosfor, koper, nikkel, chroom). Het wordt verkregen door reduktie van ijzererts in een hoogovens.

De invloed van de onzuiverheden op de eigenschappen:

• Silicium (tot 4%): Bevordert grafietvorming, maakt het zacht en goed bewerkbaar, verhoogt verhardbaarheid en elektrische weerstand.
• Zwavel (tot 0,1%): Maakt gietijzer hard en bros.
• Mangaan (tot 0,75%): Bevordert carbidvorming, verhoogt hardheid, slijt- en abrasieweerstand.
• Chroom: Bevordert carbidvorming, verhoogt verhardbaarheid, slijtvasteheid, corrosie- en oxidatiewerstand.
• Nikkel: Verhoogt treksterkte.
• Wolfraam: Verhoogt warmtehardheid en warmtersterkte.
• Molybdeen: Verhoogt verhardbaarheid.
• Vanadium: Verhoogt verhardbaarheid en warmtehardheid.
• Aluminium & Titanium: Werken als ontzurringsmiddel in staal.
• Niobium: Vermindert verhardbaarheid, verhoogt duktiliteit en slagzwaartekracht.
• Kobalt: Vermindert verhardbaarheid, weerstandt verzachting bij hoge temperaturen.

Typen gietijzer

De vier basistypen: wit ijzer, grijs ijzer, buigzaam (ductiel) ijzer en smeedijzer (malleable). Daarnaast bestaan er varianten als marmerijzer, gekoeld gietijzer en legeringsgietijzer.

1. Grijz gietijzer

De meest voorkomende type, met een grafietmicrostructuur van veel kleine breuken. De naam komt door het grijze uiterlijk door de grafietvlokken. Grijz gietijzer is niet zo sterk als staal en absorbeert minder slag, maar biedt vergelijkbare druksterkte. Populair voor toepassingen waar druksterkte cruciaal is.

Kenmerken door grafiet in de microstructuur:

• Goede machinabiliteit
• Goede weerstand tegen slijtage en galling (kleven/afschuren)

2. Wit gietijzer

Minder gemeen, met een afwitte kleur door cementiet (ijzercarbide). Net als grijz gietijzer heeft het kleine scheuren, maar het oppervlak bevat cementiet in plaats van grafiet. Wit gietijzer is hard en biedt uitstekende abrasieweerstand.

Kenmerken door carbiden:

• Hoge druksterkte
• Hardheid
• Goede slijtvasteheid

3. Buigzaam (Ductiel) gietijzer

Ook nodulair ijzer genoemd: een zacht, duktil, hoog-koolstof ijzerlegering, meestal met sporen magnesium en cerium. Deze remmen de grafietgroei, waardoor het metaal zacht en buigbaar blijft. Uitgevonden in de vroege tot midden jaren '40.

Grijz gietijzer met magnesium en cerium nodulariseert de grafiet, resulterend in:

• Hoge sterkte
• Hoge duktiliteit

4. Smeedijzer (Malleable gietijzer)

Verkregen door warmtebehandeling van wit gietijzer (tot twee dagen verwarmen, daarna afkoelen). Hierdoor kan het gebogen en gevormd worden tot unieke vormen.

Wit gietijzer warmtebehandeld voor verbetering:

• Hogere duktiliteit

5. Marmer gietijzer (Mottled)

Gelijke hoeveelheden vrije koolstof en carbiden; intermediaire eigenschappen en kleur tussen grijz en wit gietijzer.

6. Gekoeld gietijzer (Chilled)

Als wit gietijzer snel wordt afgekoold vanuit de vloeistof, ontstaat gekoeld gietijzer.

7. Legeringsgietijzer

Geproduceerd door toevoeging van legeringselementen (nikkel, chroom, koper, etc.) aan gietijzer. Verhoogde eigenschappen afhankelijk van het toegevoegde element. Geproduceerd om gewenste eigenschappen te verkrijgen.

Toepassingen van gietijzer

• Grijz gietijzer: Motorcilinderblokken, inerwielen, tandwielkasten, machinebanken.
• Wit gietijzer: Lageroppervlakken.
• Buigzaam gietijzer: Tandwielen, nokassen, krukas, zuigersegmenten.
• Sanitaire fittingen: rioolputten, putten, waterleidingen, cisternen.
• Kolomfunderingen en metalen kolommen.
• Gietvormen voor lantaarnpalen, metalen trappen, hekken.
• Wagentjeswielen en railkrukken.
• Landbouwmachines en -gereedschappen.
• Diverse machineonderdelen.
• Autoponderdelen.
• Pannen, bakpannen en keukengereedschap.
• Ankers voor schepen.

Voordelen van gietijzer

• Goede gieteienschappen
• Goede gevoeligheid (sensibility)
• Uitstekende slijtvasteheid
• Goede machinabiliteit
• Zeer lage kerfgevoeligheid (notch sensitivity)
• Lage spanningsconcentratie
• Lage kosten
• Duurzaamheid
• Vervormingsweerstand
• Drie tot vijf keer hogere druksterkte dan staal
• Uitstekende trillingsdempende eigenschappen (ideaal voor machineframes)
• Constante mechanische eigenschappen tussen 20 en 350 °C
• Grootschalig beschikbaar, lage productiekosten door goedkope gietgereedschappen
• Complexe vormen en afmetingen mogelijk zonder dure bewerkingen

Nadelen van gietijzer

• Gevoelig voor roest
• Slechte treksterkte
• Hoog gewicht-tot-sterkte verhouding
• Hoge brosheid
• Slechte slagweerstand
• Vergelijkken met staal: slechtere machinabiliteit (in sommige contexten)
• Deelgevoelig door langzame afkoeling van dikke wanddelen
• Plotselinge, totale breuk zonder duidelijke strekgraad (yield point)
• Niet bewerkbaar (wit gietijzer)

Veelgestelde vragen

Wat is gietijzer?

Gietijzer is een groep ijzer-koolstoflegeringen met een koolstofgehalte van meer dan 2 tot 4 procent. Daarnaast wisselende hoeveelheden silicium (1 tot 3% per gewicht) en mangaan, evenals sporen onzuiverheden zoals zwavel en fosfor. Gietijzer wordt gemaakt door ijzererts in een hoogovens te reduceren.

Wat is de samenstelling van gietijzer?

Gietijzer is een groep ijzer-koolstoflegeringen met een koolstofgehalte van meer dan 2 tot 4 procent. Daarnaast wisselende hoeveelheden silicium (1 tot 3% per gewicht) en mangaan, evenals sporen onzuiverheden zoals zwavel en fosfor.

Wat zijn de typen gietijzer?

Er zijn vier basistypen gietijzer: wit ijzer, grijs ijzer, buigzaam ijzer en smeedijzer.

Wat zijn de toepassingen van gietijzer?

Vanwege de goede treksterkte en duktiliteit wordt smeedbaar gietijzer gebruikt voor elektrische fittingen, handgereedschap, pijpfittingen, ringen, beugels, landbouwmaterieel, mijnbouwgereedschap en machineonderdelen. Een veelvoorkomende specificatie is ASTM A47.

Is het gezond om in gietijzer te koken?

Gietijzer is niet alleen voor bakken. Een gietijzeren braadpan is uitstekend voor bakken, maar de warmtebehoudende capaciteit leent zich ook voor gezond koken, aldus diëtiste Kerri-Ann Jennings.

Wat zijn de voordelen van gietijzer (keuken)?

Gietijzer behoudt warmte. Roestvrij staal verwarmt gelijkmatig en snel, maar gietijzer houdt de warmte in de hele pan veel langer. Dit zorgt voor een meer gelijkmatig en gewenst resultaat voor vlees en biefstukken.

Wat zijn de nadelen van gietijzer?

• Gevoelig voor roestvorming.
• Slechte treksterkte.
• Deelgevoelig door langzame afkoeling van dikke wanddelen.
• Plotselinge, totale breuk zonder strekgraad.
• Slechte slagweerstand.
• Vergelijkken met staal: slechtere machinabiliteit.

Is gietijzer beter dan staal?

Gietijzer heeft meestal betere weerstand tegen mechanische slijtage dan staal, vooral bij wrijvingsslijtage.

Wat is beter: ijzer of gietijzer?

Gietijzer is harder, brosser en minder smeedbaar dan smeedijzer (wrought iron). Het kan niet gebogen, gerekt of gehamerd worden; het breekt voordat het vervormt. Het heeft wel goede druksterkte.

Is gietijzer sterk?

Gietijzer, weer als metsellijf, is erg sterk op druk. Smeedijzer is sterk op trek en touw (zwaartekracht).

Is gietijzer goedkoop?

Gietijzeren pannen zijn goedkoop te produceren en hebben geen merkaanvulling zoals Le Creuset (emaillering). Koken in gietijzer is een nishemarkt; pannen worden generaties lang doorgegeven.

Waarom roest gietijzer niet?

Gietijzer is een legering met hoog koolstofgehalte (minimaal 1,7%, meestal 3,0–3,7%), wat het relatief bestendig maakt tegen corrosie.

Is zwart ijzer hetzelfde als gietijzer?

Ondanks de naam is zwart ijzerbuis gemaakt van laaggehalte 'zacht staal' (mild steel). Dit geeft betere corrosiebestendigheid dan traditionele gietijzeren buizen.

Wie heeft gietijzer uitgevonden?

De Engelsman Abraham Darby wordt het revolutioneren van gietijzeren keukengereedschap toegeschreven; in 1707 patentteerde hij een methode om ijzer in dunne pannen en ketels te gieten, wat de productie verbilligde.

Waarom is gietijzer zo zwaar?

Gietijzer heeft een hogere warmtecapaciteit dan koper; het duurt meer energie om een pond gietijzer te verwarmen. Meer energie wordt per pond opgeslagen. Aluminium heeft een hogere warmtecapaciteit per pond, maar is veel minder dicht.

Is gietijzer sterker dan aluminium?

Gietijzer en gegoten aluminium lijken en voelen hetzelfde, maar gegoten aluminium is lichter en sterker. Vanwege de zwaardere massa houdt ijzer warmte langer, maar het duurt langer om op te warmen. Gietijzer heeft een langere levensduur en is duurder.

Lees ook

• Grafiet: Eigenschappen, Toepassing en Verschillende Typen Grafiet.
• Chroom: Eigenschappen, Toepassingen en Effect op het Menselijk Lichaam.
• Staal: Definitie, Typen en Toepassing
• Roestvrij Staal: Definitie, Typen en Toepassing