Productie van gegoten staal:eigenschappen en samenstelling

Beproeving en inspectie bij de gieterij

Gietstaal is een ijzerlegering met een maximaal koolstofgehalte van ongeveer 0,75%. Stalen gietstukken zijn massieve metalen voorwerpen die worden geproduceerd door de leegte in een mal te vullen met vloeibaar staal. Ze zijn verkrijgbaar in veel van dezelfde koolstof- en gelegeerde staalsoorten die als smeedmetalen kunnen worden geproduceerd. Mechanische eigenschappen voor gietstaal zijn over het algemeen lager dan voor gesmeed staal, maar met dezelfde chemische samenstelling. Gietstaal compenseert dit nadeel met zijn vermogen om complexe vormen in minder stappen te vormen.

Eigenschappen van gietstaal

Gietstaal kan worden geproduceerd met een breed scala aan eigenschappen. De fysieke eigenschappen van gietstaal veranderen aanzienlijk, afhankelijk van de chemische samenstelling en warmtebehandeling. Ze zijn geselecteerd om te voldoen aan de prestatie-eisen van de beoogde toepassing.

• Hardheid
  Het vermogen van een materiaal om slijtage te weerstaan. Het koolstofgehalte bepaalt de maximale hardheid die in staal kan worden bereikt, oftewel de hardbaarheid.

• Kracht
  De hoeveelheid kracht die nodig is om een ​​materiaal te vervormen. Een hoger koolstofgehalte en een hogere hardheid resulteren in staal met een hogere sterkte.

• Ductiliteit
  Het vermogen van een metaal om te vervormen onder trekspanning. Een lager koolstofgehalte en minder hardheid resulteren in staal met een hogere ductiliteit.

• Taaiheid
  Het vermogen om stress te weerstaan. Verhoogde taaiheid wordt meestal geassocieerd met een betere taaiheid. De taaiheid kan worden aangepast door toevoeging van legeringsmetalen en warmtebehandeling.

• Slijtvastheid
  De weerstand van een materiaal tegen wrijving en gebruik. Gegoten staal vertoont een vergelijkbare slijtvastheid als gesmeed staal met een vergelijkbare samenstelling. De toevoeging van legeringselementen zoals molybdeen en chroom kan de slijtvastheid verhogen.

• Corrosiebestendigheid
  De weerstand van een materiaal tegen oxidatie en roest. Gegoten staal vertoont een vergelijkbare corrosieweerstand als gesmeed staal. Hooggelegeerde staalsoorten met een hoog gehalte aan chroom en nikkel zijn zeer goed bestand tegen oxidatie.

• Bewerkbaarheid
  Het gemak waarmee een stalen gietstuk van vorm kan veranderen door materiaal te verwijderen door middel van machinale bewerking (snijden, slijpen of boren). De bewerkbaarheid wordt beïnvloed door hardheid, sterkte, thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting.

• Lasbaarheid
  Het vermogen van een stalen gietstuk om zonder gebreken te worden gelast. De lasbaarheid is voornamelijk afhankelijk van de chemische samenstelling en warmtebehandeling van het staalgietwerk.

• Eigenschappen bij hoge temperaturen
  Staal dat werkt bij temperaturen boven de omgevingstemperatuur is onderhevig aan verslechterde mechanische eigenschappen en vroegtijdig falen als gevolg van oxidatie, waterstofschade, sulfietaanslag en carbide-instabiliteit.

• Eigenschappen bij lage temperatuur
  De taaiheid van gietstaal wordt sterk verminderd bij lage temperaturen. Legering en gespecialiseerde warmtebehandelingen kunnen het vermogen van een gietstuk om belastingen en spanningen te weerstaan, verbeteren.

Chemische samenstelling van gietstaal

De chemische samenstelling van gietstaal is van grote invloed op de prestatie-eigenschappen en wordt vaak gebruikt om staal te classificeren of standaardaanduidingen toe te kennen. Gietstaal kan worden onderverdeeld in twee brede categorieën:koolstofgietstaal en gelegeerd gietstaal.

Koolstofgietstaal

Net als gesmeed staal, kunnen gegoten koolstofstaalsoorten worden geclassificeerd op basis van hun koolstofgehalte. Gietstaal met laag koolstofgehalte (0,2% koolstof) is relatief zacht en niet gemakkelijk hittebehandelbaar. Gietstaal van medium koolstof (0,2-0,5% koolstof) is iets harder en vatbaar voor versterking door warmtebehandeling. Gietstaal met hoog koolstofgehalte (0,5% koolstof) wordt gebruikt wanneer maximale hardheid en slijtvastheid gewenst zijn.

Gelegeerd gietstaal

Gelegeerd gietstaal wordt gecategoriseerd als laaggelegeerd of hooggelegeerd. Laaggelegeerd gietstaal (≤ 8% legeringsgehalte) gedraagt ​​zich vergelijkbaar met normaal koolstofstaal, maar met een hogere hardbaarheid. Hooggelegeerd gietstaal (> 8% legeringsgehalte) is ontworpen om een ​​specifieke eigenschap te produceren, zoals corrosieweerstand, hittebestendigheid of slijtvastheid.

Veelgebruikte hooggelegeerde staalsoorten zijn roestvrij staal (> 10,5% chroom) en Hadfield's mangaanstaal (11-15% mangaan). De toevoeging van chroom, dat bij blootstelling aan zuurstof een passiveringslaag van chroomoxide vormt, geeft roestvast staal een uitstekende corrosieweerstand. Het mangaangehalte in het staal van Hadfield zorgt voor een hoge sterkte en slijtvastheid bij hard werken.

ASTM	Chemische vereisten					Trekkrachtvereisten
STAALKWALITEIT	Koolstof	Mangaan	Silicium	Zwavel	Fosfor	Treksterkte	Opbrengstpunt	Verlenging in 2 in.	Verkleining van het gebied
	Max % / bereik					Min. ksi [Mpa] / Bereik		Min. %
	ASTM A27 / A27M
ASTM A27, klasse N-1	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	N.v.t.	N.v.t.	N.v.t.	N.v.t.
ASTM A27, klasse N-2	0.35	0,60	0,80	0,06	0,05	N.v.t.	N.v.t.	N.v.t.	N.v.t.
ASTM A27, klasse U60-30	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	22	30
ASTM A27, klasse 60-30	0.30	0,60	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	24	35
ASTM A27, klasse 65-35	0.30	0,70	0,80	0,06	0,05	65 [450]	35 [240]	24	35
ASTM A27, klasse 70-36	0.35	0,70	0,80	0,06	0,05	70 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27, graad 70-40	0,25	1,20	0,80	0,06	0,05	70 [485]	40 [275]	22	30
	ASTM A148 / A148M
ASTM A148, klasse 80-40	N.v.t.	N.v.t.	N.v.t.	0,06	0,05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148, klasse 80-50	N.v.t.	N.v.t.	N.v.t.	0,06	0,05	80 [550]	50 [345]	22	35
ASTM A148, graad 90-60	N.v.t.	N.v.t.	N.v.t.	0,06	0,05	90 [620]	60 [415]	20	40
	ASTM A216 / A216M
ASTM A216, klasse WCA	0,25	0,70	0,60	0,045	0,04	60-85 [415-585]	30 [205]	24	35
ASTM A216, klasse WCB	0.30	1.00	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216, klasse WCC	0,25	1,20	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

• Download onze gietstaalkwaliteitstabel

Gegoten staalsoorten

Staalsoorten zijn gecreëerd door standaardisatieorganisaties zoals ASTM International, het American Iron and Steel Institute en de Society of Automotive Engineers om staal te classificeren met specifieke chemische samenstellingen en resulterende fysieke eigenschappen. Gieterijen kunnen hun eigen interne staalsoorten ontwikkelen om aan de vraag van gebruikers naar specifieke eigenschappen te voldoen of om specifieke productiekwaliteiten te standaardiseren.

De specificaties voor gesmeed staal zijn vaak gebruikt om verschillende gegoten legeringen te classificeren op basis van hun belangrijkste legeringselementen. Gietstaal volgt echter niet noodzakelijk de samenstelling van smeedstaal. De silicium- en mangaangehaltes zijn vaak hoger in gietstaal dan in hun bewerkte equivalenten. Naast hun overwegend hogere gehalte aan silicium en mangaan, gebruiken gelegeerd gietstaal aluminium, titanium en zirkonium voor de-oxidatie tijdens het gietproces. Aluminium wordt voornamelijk gebruikt als deoxidator vanwege de effectiviteit en relatief lage kosten.

Productie van gietstaal

De praktijk van het gieten van staal dateert uit de late jaren 1750, veel later dan het gieten van andere metalen. Het hoge smeltpunt van staal en het gebrek aan beschikbare technologie om metalen te smelten en te verwerken, vertraagden de ontwikkeling van een staalgietindustrie. Deze uitdagingen werden overwonnen door vooruitgang in oventechnologie.

Ovens zijn met vuurvaste beklede vaten die de "lading" bevatten, het materiaal dat moet worden gesmolten en die energie levert voor het smelten. Er zijn twee soorten ovens die worden gebruikt in een moderne staalgieterij:elektrische boog en inductie.

Elektrische boogoven

De vlamboogoven smelt batches metaal die "verwarmt" worden genoemd door middel van een elektrische boog tussen grafietelektroden. De lading gaat direct tussen de elektroden door en stelt deze bloot aan thermische energie van de aanhoudende elektrische ontlading.

Elektrische boogovens volgen een tap-to-tap bedrijfscyclus:

1. Oven opladen
   Vracht staalschroot en legeringen worden toegevoegd aan de oven.

2. Smelten
   Staal wordt gesmolten door energie te leveren aan het oveninterieur. Elektrische energie wordt geleverd via grafietelektroden en levert gewoonlijk de grootste bijdrage aan het smelten van staal. Chemische energie wordt toegevoerd via autogeenbranders en zuurstoflansen.

3. Verfijning
   Zuurstof wordt geïnjecteerd om onzuiverheden en andere opgeloste gassen te verwijderen tijdens het smeltproces.

4. Ontslakken
   Overtollige slak, die vaak ongewenste verontreinigingen bevat, wordt voor het aftappen uit het bad verwijderd. Het ontslakken kan ook plaatsvinden in de pollepel voorafgaand aan het gieten.

5. Tik op (of tik uit)
   Metaal wordt uit de oven verwijderd door de oven te kantelen en het metaal in een transfervat zoals een pollepel te gieten.

6. Ovenomkeer
   Tap uit en de voorbereiding voor de volgende laadcyclus van de oven is voltooid.

In verschillende stadia van dit proces worden vaak continue aanvullende stappen genomen om het staal verder te deoxideren en om slak van het metaal te verwijderen voorafgaand aan het gieten. De chemie van het staal moet mogelijk worden aangepast om rekening te houden met uitputting van de legering tijdens een langere tap-out.

Inductieoven

Een inductieoven is een elektrische oven waar warmte-energie wordt overgedragen door inductie. Een koperen spoel omringt de niet-geleidende ladingscontainer en er wordt een wisselstroom door de spoel geleid om een ​​elektromagnetische inductie binnen de lading te creëren.

Inductieovens zijn in staat om de meeste metalen te smelten en kunnen worden gebruikt met minimaal smeltverlies. Het nadeel is dat er weinig verfijning van het metaal mogelijk is. In tegenstelling tot een vlamboogoven kan het staal niet worden getransformeerd.

Moderne staalgieterijen gebruiken vaak gerecycled staalschroot om de kosten en de milieu-impact van de gietproductie te verminderen. Verouderde auto's, mechanische componenten en soortgelijke items worden gescheiden, op maat gemaakt en als schroot naar gieterijen verscheept. Dit wordt gecombineerd met inwendig schroot dat tijdens het gietproces wordt gegenereerd en gecombineerd met verschillende legeringselementen om de smeltoven te laden.

Warmtebehandeling

Nadat het gietstuk is gestold, uit de mal verwijderd en gereinigd, worden de fysieke eigenschappen van gietstaal ontwikkeld door een goede warmtebehandeling.

• Uitgloeien
  Stalen gietstukken verhitten tot een bepaalde temperatuur, een bepaalde tijd vasthouden en dan langzaam afkoelen.

• Normaliseren
  Vergelijkbaar met gloeien, maar stalen gietstukken worden in open lucht gekoeld, soms met ventilatoren. Dit helpt de gietstukken om hogere sterktes te bereiken.

• Boven
  Vergelijkbaar met normaliseren, maar koeling vindt veel sneller plaats met behulp van geforceerde lucht. Water of oliën worden gebruikt als afschrikmedium.

• Temperend (of stressverlichtend)
  Techniek die wordt gebruikt om interne spanningen vanuit gietstukken te verlichten. Deze spanningen kunnen ontstaan ​​tijdens het gietproces, of tijdens versterkende of uithardende warmtebehandelingen zoals normaliseren of afschrikken. Stressverlichting houdt in dat de gietstukken worden verwarmd tot een temperatuur die ver onder de gloeitemperatuur ligt, deze op die temperatuur houden en vervolgens langzaam afkoelen.

Inspectie gegoten staal

Gietstukken van staal worden vaak onderworpen aan inspecties om specifieke fysieke eigenschappen te verifiëren, zoals maatnauwkeurigheid, staat van de gegoten oppervlakteafwerking en interne degelijkheid. Daarnaast moet ook de chemische samenstelling worden gecontroleerd. De chemische samenstelling wordt sterk beïnvloed door kleine legeringselementen die aan het materiaal worden toegevoegd. Legeringen van gegoten staal zijn onderhevig aan variaties in hun chemische samenstelling, dus chemische analyses zijn vereist om de exacte chemische samenstelling te verifiëren voorafgaand aan het gieten. Een klein monster gesmolten metaal wordt in een mal gegoten en geanalyseerd.

Maatnauwkeurigheid

Dimensionale inspecties worden uitgevoerd om er zeker van te zijn dat de geproduceerde gietstukken voldoen aan de dimensionale eisen en toleranties van de klant, inclusief bewerkingen. Het kan soms nodig zijn om gietstukken te vernietigen om de binnenafmetingen te kunnen meten.

Conditie oppervlakteafwerking

Inspecties van gietoppervlakken worden gebruikt om het esthetische uiterlijk van gietstukken te onderzoeken. Ze zoeken naar gebreken in het oppervlak en de ondergrond van de gietstukken die visueel niet duidelijk zijn. De oppervlakteafwerking van een stalen gietstuk kan worden beïnvloed door het type patroon, het gebruikte vormzand en de gebruikte gietvormcoating, evenals het gewicht van het gietstuk en de reinigingsmethoden.

Interne degelijkheid

Alle gietstukken hebben een bepaald niveau van defecten en de degelijkheidsspecificatie bepaalt de acceptabele defectdrempel. Overspecificatie van het maximaal toelaatbare defectniveau zal leiden tot hogere uitvalpercentages en hogere gietkosten. Onderspecificatie van het maximaal toelaatbare defectniveau kan leiden tot falen.

Drie veel voorkomende interne defecten die optreden in stalen gietstukken zijn:

1. Porositeit
   Leegtes in het stalen gietwerk die zich kenmerken door gladde, glanzende binnenwanden. Porositeit is over het algemeen een gevolg van gasontwikkeling of gasinsluiting tijdens het gietproces.

2. Inclusies
   Stukjes vreemd materiaal in het gietstuk. Een insluiting kan metallisch, intermetallisch of niet-metallisch zijn. Insluitingen kunnen uit de mal komen (puin, zand of kernmaterialen), of kunnen tijdens het gieten van het gietstuk in de mal komen.

3. Krimp
   Vacature of gebied met lage dichtheid, typisch binnen het gietstuk. Het wordt veroorzaakt door een gesmolten materiaaleiland dat niet genoeg voedingsmetaal heeft om het tijdens het stollingsproces te leveren. Krimpholten worden gekenmerkt door een ruw kristallijn binnenoppervlak.

Chemische analyse

Chemische analyse van gietstaal wordt meestal uitgevoerd met natte chemische analysemethoden of spectrochemische methoden. Natchemische analyse wordt meestal gebruikt om de samenstelling van kleine monsters te bepalen, of om de productanalyse na de productie te verifiëren. Daarentegen is analyse met een spectrometer zeer geschikt voor de routinematige en snelle bepaling van de chemische samenstelling van grotere monsters in een drukke productie-gieterijomgeving. Gieterijen kunnen chemische analyses uitvoeren op zowel warmte- als productniveau.

Warmteanalyse

Tijdens warmteanalyse wordt een klein monster vloeibaar gegoten staal uit de oven geschept, laat het stollen en vervolgens geanalyseerd op chemische samenstelling met behulp van spectrochemische analyse. Indien de samenstelling van de legeringselementen niet correct is, kan voorafgaand aan het gieten snel worden bijgestuurd in de oven of pollepel. Eenmaal correct, wordt een warmteanalyse algemeen beschouwd als een nauwkeurige weergave van de samenstelling van de gehele warmte van metaal. Er worden echter variaties in chemische samenstelling verwacht als gevolg van segregatie van legeringselementen en de tijd die nodig is om de hitte van staal af te gieten. Oxidatie van bepaalde elementen kan optreden tijdens het gietproces.

Productanalyse

Productanalyse wordt uitgevoerd voor specifieke verificatie van chemische analyses, aangezien de samenstelling van de afzonderlijke gegoten gietstukken mogelijk niet geheel in overeenstemming is met de toepasselijke specificatie. Dit kan zelfs gebeuren als het product uit een hitte van staal is gegoten waar de hitteanalyse correct was. Praktijken en normen in de industrie laten enige variatie toe tussen warmteanalyse en productanalyse.

Gegoten staal testen

Een verscheidenheid aan mechanische eigenschappen kan worden bereikt voor gietstukken van koolstof en gelegeerd staal door de samenstelling en warmtebehandelingen van gietstaal te veranderen. Gieterijen gebruiken gespecialiseerde testmethoden om mechanische eigenschappen te controleren voordat het product wordt voltooid.

Als het gaat om het testen van gietstaal, zijn er twee soorten testen die in de industrie worden gebruikt:destructief en niet-destructief testen. Destructief testen vereist de vernietiging van een testgietwerk om de interne degelijkheid van een onderdeel visueel te bepalen. Deze methode geeft alleen informatie over de staat van het geteste stuk en garandeert niet dat andere stukken goed zullen zijn. Niet-destructief testen wordt gebruikt om de interne en externe deugdelijkheid van een gietstuk te verifiëren zonder het gietstuk zelf te beschadigen. Zodra het gietstuk de tests doorstaat, kan het worden gebruikt voor de beoogde toepassing.

Trekeigenschappen

Trekeigenschappen voor stalen gietstukken zijn een indicatie van het vermogen van een gietstuk om belastingen te weerstaan ​​onder langzame belasting. Trekeigenschappen worden gemeten met behulp van een representatief gegoten monster dat onderworpen is aan gecontroleerde trekbelasting - trekkrachten die aan beide uiteinden van de trekstaaf worden uitgeoefend - totdat het bezwijkt. Bij bezwijken worden de trekeigenschappen onderzocht.

TENSILE EIGENSCHAPPEN

EIGENSCHAPPEN

BESCHRIJVING

Treksterkte

Spanning die nodig is om een ​​gietstuk onder spanning of onder rekbelasting te breken.

Opbrengststerkte

Punt waarop een gietstuk begint mee te geven of uit te rekken en plastische vervorming vertoont terwijl het onder spanning staat.

Verlenging (%)

Maatstaf voor taaiheid, of het vermogen van een gietstuk om plastisch te vervormen.

Verkleining van oppervlakte (%)

Secundaire maatstaf voor de ductiliteit van een gietstuk.

Toont het verschil aan tussen het oorspronkelijke dwarsdoorsnede-oppervlak van de trekstaaf en het gebied van de kleinste dwarsdoorsnede na breuk in trek.

Eigenschappen buigen

Buigeigenschappen identificeren de ductiliteit van een gietstuk door een rechthoekig representatief monster te gebruiken dat onder een specifieke hoek rond een pen is gebogen. De resulterende gebogen staaf wordt geobserveerd om te controleren op onaangename scheuren.

Impacteigenschappen

Impacteigenschappen zijn een maat voor de taaiheid die het resultaat is van het testen van de energie die nodig is om een ​​standaard ingekeept monster te breken. Hoe meer energie er nodig is om het monster te breken, hoe taaier het gegoten materiaal.

Hardheid

Hardheid is een maat voor de weerstand van een gietstuk tegen penetratie met behulp van inkepingstests. Het is een eigenschap die de slijtvastheid en slijtvastheid van gietstaal aangeeft. Hardheidstesten kunnen ook een eenvoudige, routinematige methode zijn om te testen op indicaties van treksterkte in een productieomgeving. Het resultaat van een hardheidsschaaltest hangt normaal gesproken nauw samen met de treksterkte-eigenschappen.

Castingservices op maat

Reliance Foundry werkt samen met klanten om de beste fysische en chemische eigenschappen, warmtebehandeling en testmethoden te bepalen voor elk op maat gemaakt gietstuk. Vraag een offerte aan voor meer informatie over hoe onze castingservice kan aansluiten bij uw projectvereisten.