11 methoden voor het gieten van metaal

Leer de termen en processen die betrokken zijn bij het halen van schatten uit het ovenvuur

Wat is metaalgieten?

Metaalgieten is het proces waarbij objecten worden gemaakt door gesmolten metaal in een lege gevormde ruimte te gieten. Het metaal koelt vervolgens af en hardt uit tot de vorm die deze vorm geeft. Gieten is vaak een goedkopere manier om een ​​stuk te vervaardigen in vergelijking met het machinaal bewerken van het stuk uit een stuk massief metaal. Er zijn veel methoden voor het gieten van metalen om uit te kiezen. Welk type gietstuk het meest efficiënt is, hangt af van de gebruikte metalen, de grootte van de oplage en de complexiteit van het gietstuk.

Voordat u met een productierun begint, is het handig om enkele termen en methoden van de gieterijvloer te kennen.

• Ga naar Casting-terminologie
• Ga naar Soorten metaalgietwerk

Castingterminologie

Gietmal

Een mal is een holte in een materiaal dat vloeibaar metaal ontvangt en een gekoeld object in de vorm van die holte produceert. Mallen kunnen eenvoudig zijn. De vormen die worden gebruikt om ingots van metaal te maken, zijn als broodpannen, waarbij het metaal eenvoudig naar binnen wordt gegoten en wordt afgekoeld. De meeste mallen zijn voor complexere vormen en zijn gebaseerd op een patroon. Het patroon bedrukt in een gespleten mal. De helft van het patroon wordt aan de ene kant van de mal en de andere kant bedrukt, en vervolgens worden de helften aan elkaar geklemd voordat de mal wordt gevuld. Door de mal in twee delen te maken, kan het patroon voor het vullen worden teruggetrokken. Deze mallen kunnen gemaakt worden met een horizontale split

Omgaan en slepen

Bij horizontaal gieten wordt de bovenste helft van de mal de kop . genoemd , en de onderste helft heet de slepen .

Zwaaien en rammen

Bij verticaal gieten wordt de voorste helft van de mal de swing . genoemd , en de achterste helft heet de ram .

Gegoten kernen

Als een mal interne spaties of gaten zou moeten hebben, een kern wordt vaak gemaakt. Deze kernen hebben de vorm van de interne ruimte. De kernen worden meestal op hun plaats gehouden door zich voorbij het gietstuk uit te strekken en op hun plaats te worden gehouden door kernafdrukken , die de kern ophangt als een brug tussen twee oevers. De lege ruimtes rond de kern worden gevuld met metaal en de kern wordt verwijderd uit het uiteindelijke gietstuk, waardoor er een gat achterblijft waar het ooit was. Als de kern erg lang is, wordt deze mogelijk ondersteund door chaplets om het te steunen. Deze zijn meestal gemaakt van hetzelfde metaal als het uiteindelijke gietstuk, omdat ze in de ruimte zitten die zal overstromen met materiaal en deel gaat uitmaken van het uiteindelijke gietstuk.

Dimensionale tolerantie

Een van de belangrijke factoren bij het kiezen van een gietmethode is dimensionale tolerantie . Dimensionale tolerantie is de variatie die acceptabel is in de grootte van het eindproduct. Metaal krimpt bij afkoeling, en het type gieting heeft invloed op hoeveel. Als een product precies moet zijn, wil een klant misschien een gietmethode die near net casting oplevert . Dit betekent dat het product bijna de juiste maat heeft als het uit de mal wordt geschud.

Oppervlakteafwerking

Een andere overweging is oppervlakteafwerking . Hoe korrelig, hobbelig of ruw kan het oppervlak van het gietstuk zijn? Wat acceptabel is voor een gietijzeren pan, is niet acceptabel voor een trouwring. Zeer gladde metalen oppervlakken worden meestal gemaakt met machinale bewerking, wat een extra kost is:als glanzend en glad een gewenst resultaat is, kan het kiezen van een gietmethode met een fijnere afwerking de bewerkingskosten verlagen.

Metaalgietmethoden

Metaalgieten is er in twee hoofdcategorieën:processen met herbruikbare mallen en processen met vervangbare mallen.

• Herbruikbare mallen:
  • • Permanente schimmels
    • Semi-permanente schimmels
    • Slush gieten
    • Centrifugaal gieten
    • Drukgieten
    • Spuitgieten
• Verbruikbare mallen:
  • • Zandgieten
    • Schelpvorm
    • Beleggingsgieten (verloren was)
    • Volle schimmel of schuim

Herbruikbare of permanente mallen creëren veel items, terwijl eenmalige mallen worden vernietigd door het gietproces. Hoewel het vanuit het perspectief van een leek lijkt dat herbruikbare mallen kosteneffectiever moeten zijn voor een grote productierun, is dit niet altijd het geval. De meeste ijzeren en stalen voorwerpen worden gemaakt door middel van vervangbare gietprocessen.

Voor het gieten van lage temperaturen (harsen, chocolade, was, enz.) wordt bijna altijd gebruik gemaakt van herbruikbare mallen. Wat metallurgie anders maakt, zijn de hoge temperaturen die ermee gemoeid zijn. Deze leggen veel druk op de mal. Het is dan ook geen verrassing dat legeringen met een lager smeltpunt zoals zink, aluminium, magnesium, tin of koper vaker slagen in herbruikbare vormprocessen.

In sommige gevallen worden echter zelfs ferrometalen in herbruikbare mallen gegoten. De complexiteit van het ontwerp, de metaalkeuze en de vereisten voor maattolerantie en oppervlakteafwerking zijn allemaal van invloed op de vraag of herbruikbare mallen geschikt zijn.

Herbruikbare mallen

 Permanente schimmels

Permanente mallen zijn meestal gemaakt van metaal - een die een hoger smeltpunt heeft dan het metaal waarmee ze zijn gevuld. Vloeibaar metaal wordt gegoten zonder enige vorm van externe druk. Permanente kernen moeten eenvoudig zijn, zodat ze uit het voltooide gietstuk kunnen worden teruggetrokken voor hergebruik.

Deze mallen worden soms gebruikt bij het gieten van ijzer, maar ook bij legeringen bij lagere temperaturen. Draaitafels, in plaats van assemblagelijnen, zijn de meest voorkomende industriële workflow. Individuele bewerkingen, zoals het coaten van de mal, het plaatsen van de kernen, het sluiten van de mal, het gieten, het openen van de mal en het uitwerpen van het gietstuk, worden uitgevoerd terwijl elke mal door de volgende stations gaat.

Mallen worden voorverwarmd voordat het eerste gietstuk wordt gegoten, zodat het niet barst door het temperatuurverschil.

De gietstukken die uit deze methode komen, mogen geen wanden hebben die zo dun zijn als die bij andere herbruikbare methoden, zoals spuitgieten. De gietstukken worden echter geproduceerd met "nauwe tolerantie", wat betekent dat de grootte van het uiteindelijke gietstuk nauwkeuriger kan worden voorspeld. Gietstukken die op deze manier zijn gemaakt, zijn dicht en fijnkorrelig. Ze hebben een gladdere oppervlakteafwerking en voorkomen verschillende soorten defecten.

Deze vorm van gieten is duurzaam genoeg om met ijzer te worden gebruikt, maar het is geen voorkeursstijl voor geel koper. Geel messing bevat veel zink en vervuilt de mal of de matrijs.

Semi-permanente schimmels

De enige verandering in semi-permanente vormgieten is dat de kernen die in het gietproces worden gebruikt, vervangbare zandkernen kunnen zijn. Complexere kernvormen zijn mogelijk met zandkernen, omdat deze niet intact uit het uiteindelijke gietstuk gehaald hoeven te worden. Als er een opening in het gietstuk wordt gelaten om kernen te verwijderen, kunnen ze op een triltafel worden "uitgeschud", om als zand door een zandloper te lekken. De voordelen van tolerantie, dichtheid en uiterlijk van permanent gieten bestaan ​​alleen in het gedeelte dat tegen de metalen mal is gegoten.

Slush-casting

Deze gietvorm met een kleurrijke naam maakt holle gietstukken zonder dat er kernen nodig zijn door de binnenkant van de mal te bekleden met een kleine hoeveelheid metaal, waardoor een metalen "huid" ontstaat. Er zijn verschillende manieren om slush casting te benaderen, afhankelijk van hoe snel het metaal of ander materiaal hard wordt. Bij één methode kan de oprichter kleine hoeveelheden van de vloeistof in een mal gieten en roteren om de binnenkant met het metaal te bedekken. In een andere kan de gieter de mal volledig vullen en vervolgens overtollig materiaal na een bepaalde afkoeltijd uitgieten. Zink, aluminium en tin zijn metalen die gewoonlijk in slush gegoten worden.

Centrifugaal gieten

Bij echt centrifugaalgieten wordt een watergekoelde mal met hoge snelheid rond zijn centrale as geroteerd terwijl vloeibaar metaal wordt toegevoerd. De middelpuntvliedende kracht trekt het vloeibare metaal in een gelijkmatige laag langs het oppervlak van de mal. Om deze methode te laten werken, moet het uiteindelijke gietstuk gelijkmatige geometrieën rond de spin-as hebben. Deze vorm van gieten is daarom het beste voor die vormen die ruwweg cilindrisch of cirkelvormig zijn, zoals buizen of ringen.

Objecten gegoten in deze methode hebben meestal een zeer laag defectpercentage. Onzuiverheden komen dicht bij de boring of het binnenoppervlak van het gietstuk terecht en kunnen worden weggewerkt. De meeste buizen of hulpstukken die onder druk worden gebruikt, worden centrifugaal gegoten vanwege de sterkte van hun naadloze structuur.

Sommige kleine metalen gietstukken, zoals sieraden, worden gemaakt met behulp van een centrifuge die een hele mal rond een centraal punt zwaait en metaal uit een smeltkroes trekt terwijl het ronddraait. Deze gietstukken zijn geen echte centrifugale gietstukken, maar een vorm van drukgieten.

Drukgieten

Drukgietmethoden gebruiken andere krachten dan de zwaartekracht om de metaalstroom in een permanente mal te regelen. Lucht of gas, vacuüm, mechanische of centrifugale krachten worden allemaal gebruikt bij het gieten onder druk. Met deze methoden kunnen gieterijen de snelheid waarmee een mal wordt gevuld nauwkeurig regelen:de zwaartekracht werkt altijd met dezelfde kracht, maar door de mens veroorzaakte krachten kunnen worden gevarieerd.

Vacuümgieten trekt metaal in een mal wanneer de druk van de mal wordt gehaald, en het gecreëerde vacuüm trekt vloeibaar metaal omhoog uit een reservoir eronder. Het vacuüm moet aanblijven terwijl het metaal afkoelt, en daarom wordt deze methode meestal gebruikt voor dunwandige gietstukken. Het zorgt voor een uitstekende oppervlakteafwerking. Lagedrukgietstukken keren dit proces om door de oven onder druk te zetten waar het vloeibare metaal zit, in plaats van een vacuüm in de mal te creëren. Het metaal wordt door stootborden in de vormholte geduwd.

Alle spuitgietmachines (hieronder) gebruiken ook een vorm van druk om gietstukken te maken.

Spuitgieten

Spuitgietmachines bestaan ​​uit een bak met gesmolten metaal, een metalen mal of matrijs op twee platen en een injectiesysteem dat het materiaal aanzuigt en onder druk in de matrijs dwingt.

Het proces voor het spuitgieten begint met een open mal. Spuitmonden besproeien de mal met een smeermiddel om te voorkomen dat het onderdeel blijft plakken. De twee helften van de mal worden dan gesloten en de gesloten mal wordt geïnjecteerd met behulp van een drukneus. Het nieuwe gietstuk krijgt even de tijd om af te koelen voordat de matrijs opengaat. Uitwerppennen duwen het nieuwe gietstuk uit de matrijs en dan begint het proces opnieuw.

Er zijn twee vormen van metaalinjectie bij spuitgieten. Spuitgieten in een koude kamer werkt als een spuit:voordat elke matrijs wordt gegoten, moet een injectiekamer worden gevuld met gesmolten metaal en vervolgens duwt een zuiger de inhoud van de injector in de matrijs. Spuitgieten met warme kamer of zwanenhals werkt door de kamer van het injectiesysteem onder te dompelen in het gesmolten metaal, waar de vorm van het systeem betekent dat de injector zichzelf opnieuw vult. Door het hete kamer spuitgieten wordt dit materiaal met een zuiger of met luchtdruk in de mal geduwd.

Zwanenhalssystemen zijn vatbaarder voor corrosie omdat ze in een bad van gesmolten metaal zitten. Om deze reden worden ze meestal gebruikt met aluminium of aluminium-zinklegeringen met een lager smeltpunt. Voor de hogere temperaturen die nodig zijn om messing en brons te smelten, kan de zuiger of koude kamer spuitgietmachine worden gebruikt, omdat de injector niet continu aan de hitte wordt blootgesteld.

Continu casten

Zelfs metalen onderdelen die we als volledig bewerkt, gerold of anderszins bewerkt beschouwen, hebben vaak hun start gehad op de gieterijvloer. Continu gieten creëert bloemen, knuppels en platen, verschillende maten van eenvoudige metalen vormen, door ze door een permanente vorm te extruderen. Dit gietproces creëert de grondstof voor bewerkt staal.

Het continugietproces begint hoog boven de fabrieksvloer. Gesmolten metaal wordt in een trechter gevoerd die de gietsnelheid regelt. De trechter vult een mal eronder, een eenvoudige vorm, meestal 20-80 inch lang, en in de breedte gevormd als een vierkant, cirkel of rechthoek. De vormwanden worden gekoeld zodat de buitenkant van het gietstuk bevriest als het er doorheen gaat. Als het metaal de vorm verlaat, stolt het, maar het is nog steeds buigzaam. Hierdoor kan de continugietmachine het buigen zodat het afgewerkte product er horizontaal uitkomt. Een reeks wielen leidt de mat naar een transportband terwijl koelsprays het oppervlak stollen. Gasstralen op het horizontale oppervlak snijden het doorlopende metalen stuk in hanteerbare lengtes, zodat ze kunnen worden opgetild en gestapeld.

Verbruikbare mallen

Eenmalige matrijsmethoden zijn de duidelijke winnaars als het gaat om het gieten van ferrometalen. Ze zijn kosteneffectief omdat ze niet stevig hoeven te zijn voor de hoge temperaturen.

Zandgieten

Zandgieten is de meest gebruikte methode voor het gieten van metaal. Het is een fabricageproces van minstens drieduizend jaar oud:het eerste bewijs van kleigieten komt uit China, tijdens de Shang-dynastie (ca. 1600 tot 1046 v.Chr.).

Het is geen wonder dat dit proces nog steeds zo populair is:zand is goedkoop, overvloedig, buigzaam en bestand tegen de hitte.

Kernen van zand zijn eenvoudig te verwijderen:ze kunnen eruit worden geschud met een triltafel. Lopers en poorten, die worden gebruikt om het metaal in de vormholte te leiden, worden ofwel met de hand gesneden door een ervaren gieter of worden gemaakt als onderdeel van het patroon.

De oppervlakteafwerking van zandgegoten voorwerpen is vaak ruw en de maattolerantie is niet precies, dus zandgieten is geweldig voor het produceren van grote, robuuste stukken, van decoratieve hekken tot gietijzeren pannen tot automotoronderdelen.

Lees meer over zandgieten in ons vorige artikel in deze serie.

Schelpvormen

Shell molding is een vorm van zandgieten die nauwere maattoleranties biedt. Het lijkt erg op zandgieten, alleen wordt het zand gemengd met een hars. Een mengsel van zand en hars wordt over elke helft van het hete metalen vormpatroon gegoten. Dit mengsel smelt en koelt af tot een schaal. De "schelpen" van de mal worden bij elkaar gebracht en meestal ondersteund door een kolf vol zand. Met de hars die extra ondersteuning biedt aan de binnenoppervlakken, vormen deze schelpen een zeer precieze mal.

Vaak wordt schaalgieten gebruikt om kernen te produceren voor traditioneel zandgieten. De hars geeft de zandkernen de kracht om vorm te behouden, zelfs wanneer ze over de leegte worden geplaatst die een gietstuk zal worden. Deze schaalkernen kunnen hol zijn, gemaakt in een hete metalen mal in een proces zoals het gieten van sneeuwbrij. De twee helften van de kernvorm worden vastgeklemd en verwarmd en vervolgens gevuld met met hars bedekt zand. De mal bakt totdat de schaalwand dik genoeg is om de grootte van de kern te ondersteunen en dan wordt het overtollige, niet-uitgeharde harsachtige zand er weer uit gegoten. Wanneer de twee helften van de mal worden gesplitst, onthullen ze de stevige kern, nu klaar om in de zandgietmal te worden geplaatst en creëer ruimte in het gietstuk.

• Investment casting (lost-wax casting)

  Zandgieten is verreweg de meest gebruikte vorm van metaalgieten, en toch is er één aspect van zandgieten dat het voor sommige projecten ongeschikt maakt. Zandgietpatronen moeten worden verwijderd uit de mal die ze creëren, wat een ingewikkelde patroonconstructie kan betekenen. Ontwerpvereisten, plaatsing van scheidingslijnen, poorten, stootborden en kernen vereisen dat een patroonmaker de behoeften van het patroon in elke fase van het gietproces zorgvuldig in overweging neemt.

  Het verloren-was-, investerings- of precisiegietproces is een alternatief voor zandgieten dat kan werken met de meeste soorten metaal, zelfs ferrolegeringen met een hoog smeltpunt, en toch enkele van deze uitdagingen van patroonvorming bij zandgieten vermijdt.

  Een ontwerper voor een investeringsafgietsel maakt een nauwkeurige metalen matrijs waarin de was- of kunststofpatronen worden gegoten. Deze patronen worden geassembleerd op een spruw die ook van dit materiaal is gemaakt:de gieter gebruikt een fakkel om de sprue voldoende te smelten om elk patroon eraan te bevestigen.

  Dit samenstel wordt vervolgens gebruikt om een ​​schaal te maken die als mal zal worden gebruikt. Het wordt gespoten, geborsteld of gedompeld in een suspensie van een fijnkorrelig, zeer vuurvast aggregaat en een gepatenteerd bindmiddel dat voornamelijk bestaat uit ethylsilicaat. Dit mengsel laat men vervolgens uitharden. Het patroon wordt herhaaldelijk gecoat met grovere slurries totdat een omhulsel van het aggregaat rond het patroon wordt geproduceerd. De mallen staan ​​totdat de coating is uitgehard, waarna ze omgekeerd in een oven worden verwarmd, zodat de was eruit loopt en wordt opgevangen voor hergebruik. Nadat de was is verwijderd, worden de vormen gebakken in een voorverwarmde oven. De mallen kunnen vervolgens worden ondersteund met los zand en op elke conventionele manier worden gegoten.

Als de gietstukken zijn afgekoeld, wordt de schil rond het gietstuk gebroken en afgeschud met behulp van een triltafel.

Investeringsgieten zorgt voor een superieure oppervlakteafwerking en een hoge maatnauwkeurigheid. Er zijn geen scheidingslijnen zoals bij zandgieten.

Volgiet- of schuimgietproces

Het volledige mal- of schuimgietproces is een combinatie van zand- en investeringsgietprocessen. Er wordt een patroon van geschuimd polystyreen gebruikt. Het geschuimde patroon kan inderdaad compleet worden gemaakt met een poort- en lopersysteem en het kan de eliminatie van tochttoeslag bevatten. Soms wordt het patroon verwijderd voordat het wordt gevuld, maar bij sommige schuimsoorten kan het patroon in de vorm op zijn plaats blijven om onmiddellijk te verdampen wanneer er heet metaal in wordt gegoten.

Dit proces is ideaal voor het gieten van series van één of enkele stukken, maar soms produceren gieterijen schuimpatronen in massa om productiehoeveelheden te creëren. Er zijn extra kosten voor de apparatuur om de vernietigbare schuimpatronen te maken, maar vaak kan de economie van het totale gietproces gunstig zijn als het patroon erg complex is.

Gietprocessen vergelijken

Overleg met fabrikanten is nuttig om de meest kosteneffectieve manier te vinden om een ​​project te gieten. Over het algemeen zullen ferrometalen worden gegoten met behulp van vervangbare mallen, terwijl non-ferrometalen een breder scala aan mogelijkheden hebben, maar er zijn zelfs uitzonderingen op deze eenvoudige regel.

Door het proces in te gaan met een duidelijk begrip van de behoeften van het project, kunt u het beste gietproces kiezen. Moet het ontwerp een exacte maat hebben? Hoe dun moeten de muren zijn? Welke maat en gewicht zal het gietstuk uiteindelijk zijn? Hoe zit het met de oppervlakteafwerking? Door van tevoren de antwoorden op al deze vragen te kennen, kan een slimme ontwerper zijn product beter begrijpen en door het gietproces leiden, en het beste en goedkoopste proces vinden om zijn werk te doen.

Vorige post:PrototypingMetaalgietprocesVolgende post:Zandgieten