Metaalgieten essentiëls: Een beginnersgids

Een overzicht van metaalgieten in een gieterei

Onze levens zijn vol met gegoten metalen producten. Veel van de metalen voorwerpen die we vanzelfsprekend nemen — treinenwielen, trekkogels, lampposten, grootschalige industriële apparatuur, en zelfs beeldhouwwerk — worden in een gieterei gegoten. Het schiere aantal verschillende toepassingen voor gegoten metaal demonstreert zijn veelzijdigheid: metaal kan gegoten worden in duurzame, complexe metalen componenten met minimaal bewerken of lassen, waardoor de noodzaak voor dure arbeid afneemt. Nog belangrijker: metaalgietgieterijen zijn een significante gebruiker van gerecycleerd schrootmetaal geworden, verouderde metalen voorwerpen omvormend in nuttige producten.

Wat is Metaalgieten?

Gieten is een proces dat vaste metalen vormen (gieterijen) creëert door gaten in malen te vullen met vloeibaar metaal, en het object vervolgens te laten afkoelen. De basisstappen die betrokken zijn bij het maken van gieterijen zijn: patroonmaken, malen, smelten en gieten, afkoelen, uitschudden en reinigen, warmtebehandeling, en inspectie.

Patroonmaken

In giettermen is een "patroon" een replica van het te gieten object die gebruikt wordt om de malholte te vormgeven. Ze kunnen gemaakt worden uit een breed scala aan materialen, inclusief hout, metaal of kunststoffen. Patroonmaken is het proces voor het produceren van deze patronen. Omdat het patroon de gietvorm bepaalt, kan een gieterij niet beter zijn dan het patroon waaruit het gemaakt is. Om een kwaliteitsgieterij te produceren, is het essentieel dat het patroon zorgvuldig ontworpen, geconstrueerd en afgewerkt is.

De hoofd functies van een patroon zijn om:

de malholte te vormgeven
rekening te houden met de kenmerken van het te gieten metaal
nauwkeurige afmetingen te leveren
een middel te bieden om vloeibaar metaal in de mal te leveren (het giet systeem)

Terwijl het solidificeert, neigt metaal ertoe te krimpen en/of te vervormen (in wisselende mate afhankelijk van het gegoten metaal). Het patroon is ontworpen met ingebouwde krimp- en vervormingstoelaties om dit te compenseren. Het moet ook gebouwd zijn met een afvlakking in de verticale wanden, een zogenaamde uittrekkingshoek (draft), die noodzakelijk is om het patroon te onttrekken zonder de malwanden te verstoren.

Holle gieterijen kunnen gecreëerd worden met behulp van een kern — een additioneel stuk zand of metaal dat de interne gaten en gangen van een gieterij vormgeeft. Elke kern wordt in de mal gepositioneerd voordat het gesmolten metaal gegoten wordt. Om elke kern op zijn plaats te houden, heeft het patroon vergietingen genaamd kernafdrukken waar de kern geankerd kan worden.

Malen

Malen is het proces van het voorbereiden van een mal om gesmolten metaal te ontvangen. Er zijn twee verschillende typen malprocessen: Herbruikbaar en niet-herbruikbaar.

Zoals de naam suggereert, kunnen herbruikbare malen herhaaldelijk gebruikt worden. Het gietproces breekt de mal niet af tijdens het solidificeren en afkoelen van het metaal. Herbruikbare malen zijn meestal van metaal gemaakt.

Daarentegen zijn niet-herbruikbare malen tijdelijke objecten die vernietigd worden tijdens het solidificeren en afkoelen van het metaal. De meest gebruikte niet-herbruikbare malmethode is zandgieten, een proces waarbij speciaal behandeld zand ("groen" zand) om het patroon geramd wordt en in een steun (flask) geplaatst wordt. Het patroon wordt vervolgens verwijderd, kernen worden op hun plaats gezet, en het gietsysteem wordt ingesteld om het gesmolten metaal in de mal te leiden.

Elke van deze algemene malmethode categorieën heeft veel gespecialiseerde sub-typen geoptimaliseerd voor verschillende gietmetalen en verschillende niveaus van patrooncomplexiteit. Zulke methoden omvatten slush casting, drukgieterij, schelpgieten, en wasmicrogieten.

Smelten & Gieten

Er zijn twee categorieën metalen waaruit gieterijen geproduceerd worden: ferroe (metalen die ijzer bevatten) en non-ferroe (metalen die geen ijzer bevatten). Ferroe legeringen omvatten staal, buigbaar ijzer, en grijze gietijzer. De non-ferroe legeringen die het meest gebruikt worden in gieten zijn aluminium en koper, hoewel magnesium-, nikkel- en titanium-gebaseerde legeringen soms gebruikt worden voor gespecialiseerde toepassingen.

De te smelten en gieten metalen — meestal een mengsel van gerecycled schroot en legeringsmetalen — worden geladen om de oven te "laden". Eenmaal in de oven, wordt het metaal blootgesteld aan extreem hoge temperaturen tot het smeltpunt (vaak meer dan 2500 graden Fahrenheit [1370°C]) bereikt is. Gespecialiseerde ovens zijn nodig om dergelijke hoge temperaturen te bereiken.

De twee dominante typen smeltovens die door gieterijen gebruikt worden zijn boogovens en inductieovens.

De boogoven werkt als een batch-smeltproces, producerend batches gesmolten metaal bekend als "heats". Het metaal wordt gesmolten door elektrische energie aan de oveninrichting te leveren via grafietelektroden. Additionele chemische energie wordt geleverd door zuurstof-branders en zuurstoflansen. Zuurstof geïnjiceerd om onzuiverheden en andere opgeloste gassen tijdens het smeltproces te verwijderen. Als het metaal smelt, vormt slak en drijft naar de bovenkant van het gesmolten metaal; de slak, die vaak ongewenste onzuiverheden bevat, wordt verwijderd voor de tap-out (het proces van metaal uit de oven halen).

Een inductieoven overdraagt elektrische energie door inductie — een hoogspanningsbron uit een primaire spoel induceert een lage spanning, hoge stroom in de staallading, of secundaire spoel. Inductieovens zijn in staat een brede verscheidenheid aan metalen te smelten en legeren met minimaal smeltverlies, maar wat metaalverfijning betreft zijn ze minder capabel dan boogovens.

Vanwege hun respectieve sterktes en zwaktes, worden boogovens vaker gebruikt voor het smelten van ferroe metalen, terwijl inductieovens dominanter zijn in non-ferroe toepassingen.

Solidificatie, Ejectie en Reiniging

Tiegels, robotarmen en zwaartekracht-geïnduceerde gietmachines worden gebruikt om gesmolten metaal van de ene locatie naar de andere te verplaatsen. Vakkundige metaalwerkers gieten ook gesmolten metaal met behulp van gietkoppels. Gesmolten metaal wordt in de mal gegoten door een systeem van poorten en rizers; het metaal koelt af en solidificeert, neemt permanent de vorm van de malinterieur (holte) aan, die het inneemt. De gieterij wordt vervolgens uit de mal geëjecteerd, of uit een zandmal verwijderd door uitschudden.

De poorten en rizers die gesmolten metaal aan de malinterieur leveren, vullen zich ook met gesmolten metaal in het proces. Metaal in de mal solidificeert samen met metaal in het poort- en rizersysteem, vormend een enkel stuk. Onmiddellijk na ejectie/uitschudden, is metaal uit het poort- en rizersysteem nog steeds aan de hoofgieterij vast. Dat overbodige metaal wordt in het reinigingsproces verwijderd (een kaphamer of bandszaag worden veel gebruikt). Een mengsel van draaiende vaten, luchtstraal-eenheden en hogedrukreinigers worden gebruikt om eventueel overgebleven zand of schilfer te verwijderen.

De resulterende gieterij zou identiek in vorm en verhouding moeten zijn aan het oorspronkelijke patroon, hoewel het iets kleiner kan zijn door metaalkrimp.

Warmtebehandeling en Inspectie

Sommige gieterijen worden gebruikt in veeleisende industriële toepassingen: ze moeten hun exacte vorm behouden in bevriezende temperaturen, corrosie in een natte omgeving weerstaan, of onder immense gewicht standhouden. Warmtebehandeling wordt gebruikt om de fysieke eigenschappen van het metaal aan de vereiste specificaties aan te passen.

Warmtebehandeling omvat het gebruik van verwarmen en afkoelen, vaak tot extreme temperaturen, om spanning in een gegoten onderdeel te verlagen, en/of de fysieke eigenschappen van het metaal te wijzigen. De temperatuur moet met precisie gecontroleerd worden om de gewenste fysieke eigenschappen te bereiken.

Voordat een productielop van gieterijen als compleet beschouwd kan worden, worden de fysieke eigenschappen en structurele integriteit getest. Testmethoden die de vernietiging van de geteste gieterij vereisen, worden destructieve tests genoemd, terwijl die de gieterij niet beschadigen, gecategoriseerd worden als niet-destructief.

De gebruikte testmethoden hangen af van hoe veeleisend de specificaties zijn. Voor puur esthetische producten is slechts een korte visuele inspectie op dimensionele nauwkeurigheid, scheuren en oppervlakteafwerking vereist. Aan de andere kant, als de gieterij zal moeten presteren in een industriële capaciteit, kunnen al haar fysieke eigenschappen (duktiliteit, trekkracht, rek, slagzwaarte, hardheid, etc.) uitputtend getest worden.

Levensduur en Recycling

Nadat een gieterij de inspectie heeft doorstaan, wordt het verzonden, verkocht, en in dienst gesteld. Gegoten metalen producten, vooral die warmtebehandeling hebben ondergaan, zijn duurzaam. Afhankelijk van de metaallegering en toepassing, kan hun levensduur variëren van een paar maanden tot meerdere decennia. Eenmaal de levensduur van een gieterij voorbij is, begint de cyclus weer. Het wordt verzameld door een schrootbedrijf, gerecycled, en opnieuw gegoten in een nieuw object.

Geïnteresseerd in meer over maatwerk metaalgietproductie? Een dieper begrip van het metaalgietproces en hoe u uw behoeften aan een productie-gieterei kunt communiceren, helpt ervoor zorgen dat uw gietproject succesvol is.