Ferreuse & Non-Ferreuse Metalen: Gietontwerp Optimaliseren voor Prestaties en Efficiëntie

Metaalkenmerken en samenstelling voor gietontwerp

Elk vast metaal dat gesmolten kan worden, kan gegoten worden. Gieterijen zijn de fabrieken die dit gietwerk doen, expertise ontwikkelend met een handvol metalen en methoden, en standaardproducten ontwerpend om waarde en efficiëntie in productie te maximaliseren.

Metalen en gietmethoden beïnvloeden elkaar: de beste gietkeuze voor een product wordt beïnvloed door hoe het metaal zich gedraagt in vloeibare, afkoelende, en vaste toestanden. Voor deze afhankelijkheden, zijn de specialisaties van een gieterij deel van de bepaling van welk soort producten ze maken. De gieterij die die-cast kinderspeelgoed doet, is over het algemeen niet dezelfde gieterij die hoogwaardige motoronderdelen produceert.

Een van de grote onderscheidingen in specialisatie is of gieterijen werken met ferreuse metalen, non-ferreuse metalen, of beide. De definitie van een ferreus metaal is elk metaal dat ijzer bevat; non-ferreuse metalen bevatten geen ijzer. Ferreuse metallurgie vertegenwoordigt ruwweg 90% van de wereldwijde productie van metaal. Grijs ijzer is het meest gangbare metaal gegoten in gieterijen. Buiten de gieterij, is staal de ferreuse legering meest gebruikt in industrie, bouw, en transport.

Gieterijen die gespecialiseerd zijn in gangbare gietmethoden zoals zandgieten, werken meestal in metalen gekozen voor specifieke kwaliteiten zoals gemak van smelten en gieten, detailafvanging binnen de vorm, voorspelbaar gedrag tijdens afkoelen, en gereedheid voor bewerking of afwerking.

Ferreuse metalen en hun eigenschappen

Ijzers kenmerkende attributen zijn dat het dicht is, sterk wanneer gemengd met koolstof, rijkelijk en gemakkelijk te raffineren, hoog gevoelig voor corrosie, en magnetisch. Het legeren van ijzer met andere elementen in verschillende verhoudingen kan een of meer van deze factoren verminderen of elimineren.

Honderden ferreuse legeringen zijn bekend. Ze worden gespecificeerd door de verhoudingen van elk element in hun samenstelling, alsook richtlijnen over hun smelten en afwerking. Ferreuse legeringen met koolstof worden meestal ijzer of staal genoemd, en kunnen elk aantal andere elementen bevatten, van aluminium tot vanadium, gebaseerd op hun specificatie. Deze metalen worden meestal gekozen voor hun mechanische eigenschappen. Ingenieurs en ontwerpers kunnen geïnteresseerd zijn in hun streksterkte, zwaartekracht, duktiliteit, lasbaarheid, elasticiteit, schuifspanning, en thermische uitrekking, die allemaal beschrijven hoe een materiaal zich zal gedragen onder specifieke stressoren.

Deze distinctieve aspecten van ijzer kunnen in legeringen veranderd worden, die ijzer met andere elementen mengen. Roestvrij staal is een goed voorbeeld, met sommige legeringen van roestvrij staal zowel niet-magnetisch als niet-corrosief. Een gangbare manier om te zien of een metaal staal is, is een magneet ertegen te houden, aangezien het ijzer in de legering de magneet zal laten plakken; echter, mensen die geprobeerd hebben magneetjes op hun roestvrij staal koelkast te plakken, weten dat dit geen watertichte test is. Hoewel het ijzer nog steeds aanwezig is in deze ferreuse legering, verandert een hoog percentage nikkel de microstructuur van het staal genoeg om een magnetische reactie te voorkomen. Roestvrij staal kan roesten, hoewel het veel meer corrosiebestendig is dan andere typen ijzerlegeringen. Dit is door de toevoeging van chroom. Chroom beschermt tegen roest door een proces genaamd passivatie, waarin de bovenste moleculen van het metaal oxideren maar sterk gebonden blijven aan het metaal eronder, een ondoordringbare schil vormend.

In ferreuse metalen, zijn ijzer en staal de meest gangbare gietmaterialen.

Ijzer

Gietijzers zijn een categorie ijzerlegeringen met koolstofgehalte groter dan 2%. Ze zijn relatief goedkope, dichte ijzers. Wanneer ze verwarmd en gegoten worden, hebben ze een veel hogere vloeibaarheid bij lagere temperaturen dan staal, wat betekent dat ze in en delen van een complexe vorm met grotere efficiëntie kunnen vloeien en vullen. Gietijzers krimpen ook met half de snelheid van staal tijdens afkoelen.

Basale gietijzers hebben goede druk-eigenschappen, maar ze zijn bros: ze zullen breken voordat ze buigen of vervormen. Deze kwetsbaarheid kan betekenen dat brosse kwaliteiten van gietijzer niet gebruikt worden voor ontwerpen met uitstekende of ingewikkelde details, of met heel scherpe randen, aangezien deze kenmerken kunnen afscheuren.

Grijs Ijzer is het meest gangbare type gietijzer momenteel geproduceerd, figuraat in alles van rioldeksels tot schijfremmen op auto's. Het krijgt zijn naam van de kleur die het op breuk aannemt, wat grijs is door de aanwezigheid van grafiet als het koolstofadditief. Grijs ijzer is 2,5–4% koolstof per gewicht, en bevat additioneel 1–3% silicium, wat het grafiet stabiliseert. Het heeft veel van de attributen van basaal gietijzer, in dat het goedkoop is en een hoge vloeibaarheid heeft vergeleken met staal als het vloeibaar is, maar de aanwezigheid van grafiet laat het ijzer enigszins minder bros zijn, wat gemakkelijkere bewerking toestaat. Grijs ijzer is nog steeds onbuigzaam: het buigt heel weinig voordat het breekt.

Sferoïdaal Ijzer (Ductile Iron) is een vorm van gietijzer waarin de toegevoegde koolstof een sferische (nodulaire) grafiet is. Sferoïdaal ijzer is meestal 3,2–3,6% koolstof per gewicht, en heeft silicium en andere elementen. Hogere ferrietniveaus betekenen dat het opbouwt op snijgereedschappen tijdens bewerking, dus het wordt vaak gebruikt in primair gegoten productie, waar zeer hoge vloeibaarheid het een geweldige keuze maakt voor fijn gedetailleerd werk. De sferoïdale vorm van de grafiet die sferoïdaal ijzer hogere impactweerstand en trekksterkte geeft dan ofwel giet- of grijs ijzer, wat gedetailleerde of gerande ontwerpen haalbaar maakt. Sferoïdaal ijzer is een relatieve nieuwkomer in de specificatie van ijzers, aangezien het pas in 1943 ontdekt werd.

Staal

Stalen van alle soorten worden ook soms gegoten. In het algemeen heeft staal een koolstofgehalte van minder dan 2,14% per gewicht, en wordt vaak gelargeerd met andere elementen. Staal heeft sterkere mechanische eigenschappen dan gietijzers, maar wat gewonnen wordt in zwaartekracht, gaat verloren in vloeibaarheid. Vloeibaar staal moet veel heter zijn dan vloeibaar ijzer om in gedetailleerde vormen te vloeien, en de hoge temperaturen vereist om met staal te werken zijn uitdagend om te managen en kunnen het ontwerp en de afwerking van het object dat uit de vorm komt belemmeren. Als met alle gietstukken, kunnen verschillende delen van een stuk op verschillende snelheden afkoelen, en dit differentieel veroorzaakt spanning binnen het product: omdat staal uitgebreider en sneller krimpt dan gietijzers, moeten deze spanningen groter beheerd worden in gegoten staal.

Deze uitdagingen betekenen dat staal veel meer arbeidsintensief kan zijn om goed te gieten. Het vereist expert aandacht tijdens alle stadia van de productie. Nog steeds, de hoge mechanische sterkte van het eindproduct kan een staallegering de duidelijke keuze maken voor sommige toepassingen, met bewerking die eindstadium afwerkingen levert.

Andere ijzerlegeringen

Andere legeringen van ijzer bestaan buiten deze gangbare typen, en worden gebruikt in specifieke toepassingen waar hun mechanische gedragingen nuttig zijn. Bijvoorbeeld, elinvar is een nikkel-ijzer legering die niet uitrekt en krimpt in warmte, en wordt gebruikt in heel kleine delen in klokken en andere precisieapparaten.

Non-ferreuse metalen en hun toepassingen

Deze metalen omvatten elk metaal en legering dat geen ijzer bevat. Een korte lijst van gangbare non-ferreuse metalen zal omvatten:

• Edelmetalen zoals zilver, platina, en goud
• Koper en zijn legeringen zoals brons en geelgiet
• Nikkel, Palladium, Platina
• Titaan
• Aluminium
• Tin, Lood
• Zink

Met zo'n breed scala aan materialen in deze groepering, kunnen veel van de mechanische eigenschappen die ijzer aanbevelen, ontdekt worden in non-ferreuse metalen. Bijvoorbeeld, legeringen van aluminium of titaan zouden voor staal in veel gevallen vervangen kunnen worden, als het niet kostprohibitief zou zijn om dat te doen. Ijzers magnetische eigenschappen zouden nagebootst kunnen worden met nikkel, kobalt, of zeldzame aardse elementen gelargeerd met andere metalen.

Echter, omdat non-ferreuse metalen vaak meer kosten, neigen ze ertoe gekozen te worden voor hun unieke attributen, in plaats van voor de manieren waarop ze zich als staal kunnen gedragen. Lichtere gewichten, geleiding, corrosieweerstand, niet-magnetische eigenschappen, traditie, of decoratieve waarde zijn enkele van de redenen om een non-ferreus metaal te kiezen. Sommige metalen worden geprezen precies omdat ze zeldzaam zijn: voordat wijdverspreide aluminiumproductie mogelijk was, was aluminium een luxe metaal gebruikt in high-end serviesgoed.

Alle soorten gespecialiseerde materialen worden gegoten. Echter, in traditionele zandgietgieterijen, zijn er drie opvallende non-ferreuse gietmetalen.

Brons en geelgiet

Brons en geelgiet waren de eerste metalen gegoten door de mensheid in de Bronstijd, en deze koperlegeringen worden vandaag nog zandgegoten. Ze smelten bij veel lagere temperaturen dan ferreuse materialen, en ze gieten detail goed, dus ze worden vaak gebruikt in decoratieve toepassingen zoals standbeelden. Brons en geelgiet zijn zachter dan staal, maar ze zijn corrosiebestendig zelfs in de aanwezigheid van zout, dus deze metalen worden gebruikt in standaard mariene toepassingen zoals toebehoren op boten. Geelgiet is ook bestand tegen "galling," wat de slijtage van metaal tegen zichzelf is, en dus wordt geelgiet soms gegoten voor mechanische delen, zoals mariene schroeven – of bewerkt voor lagers en ritsen. Beide legeringen zijn tamelijk duur aangezien ze afhankelijk zijn van koper, een metaal ook in vraag voor zijn elektrische eigenschappen.

Aluminium

Aluminium is een metaal met een veel lagere dichtheid dan ijzer, wat het een vitaal materiaal maakt in toepassingen die sterkte zonder gewicht nodig hebben, zoals de luchtvaartindustrie. Het is corrosiebestendig omdat aluminium, als roestvrij staal, reageert op oxidatie door een metaaloxide schil te creëren die het beschermt.

Aluminium heeft ook een lager smeltpunt dan veel van de stalen of ijzers het zou kunnen vervangen, wat het makkelijker te gieten maakt dan staal, met minder toezicht nodig voor complexe vormen. Het grootste nadeel van aluminium is de kosten.

Gietmaterialen overwegen

Bij het ontwerpen van een gietstuk, het vinden van het perfecte metaal om waarde en vorm te balanceren, is een kunst en wetenschap. Het juiste metaal voor een klus zal zowel de esthetische als mechanische vereisten van de toepassing voldoen, en dit zal de productiemethoden beïnvloeden die vereist zijn om een prototype naar eindproduct te brengen.

Ferreuse metalen zijn de meest gangbare keuze voor gietstukken, vaak gekozen voor hun kostenefficiëntie en hun mechanische eigenschappen. Soms is het niet de sterkte van een metaal die de keuze dicteert, maar eigenschappen zoals gewicht, corrosieweerstand, of niet-magnetisme. Non-ferreuse legeringen zoals brons en geelgiet kunnen ook gekozen worden voor traditie of voor hun schoonheid.

Overleg met een ingenieur kan een ontwerper helpen harmonie te vinden tussen de verschillende aspecten van hun project, het perfecte metaal kiëzen om zowel toepassing als budget te eren.

Voor meer informatie over metalen, of om een offerte aan te vragen voor een aangepast project, neem contact met ons op.