Ferro en non-ferro metalen

Metaaleigenschappen en samenstelling voor gietontwerp

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

Metalen en gietmethoden beïnvloeden elkaar:de beste gietkeuze voor een product wordt beïnvloed door hoe het metaal zich zal gedragen in gesmolten, afgekoelde en vaste toestand. Voor deze afhankelijkheden maken de specialiteiten van een gieterij deel uit van de bepaling van wat voor soort producten ze maken. De gieterij die gegoten kinderspeelgoed maakt, is over het algemeen niet dezelfde gieterij die motoronderdelen van hoge kwaliteit produceert.

Een van de belangrijkste verschillen in specialisatie is of gieterijen werken met ferrometalen, non-ferrometalen of beide. De definitie van een ferrometaal is elk metaal dat ijzer bevat; non-ferro metalen niet. Ferrometallurgie vertegenwoordigt ongeveer 90% van de wereldwijde productie van metaal. Grijs ijzer is het meest voorkomende metaal dat in gieterijen wordt gegoten. Buiten de gieterij is staal de ijzerlegering die het meest wordt gebruikt in de industrie, de bouw en het transport.

Gieterijen die gespecialiseerd zijn in gangbare gietmethoden, zoals zandgieten, werken meestal in metalen die zijn gekozen voor specifieke eigenschappen zoals smelt- en gietgemak, detailopname in de mal, voorspelbaar gedrag tijdens het afkoelen en gereedheid voor bewerking of afwerking.

Ijzerhoudende metalen en hun eigenschappen

De kenmerkende eigenschappen van Iron zijn dat het dicht is, sterk wanneer het wordt gemengd met koolstof, overvloedig en gemakkelijk te verfijnen, zeer vatbaar 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 ferro legeringen zijn bekend. Ze worden gespecificeerd door de verhoudingen van elk element in hun samenstelling, evenals aanwijzingen over hun smelten en afwerking. Ferrolegeringen met koolstof worden gewoonlijk ijzer of staal genoemd en kunnen een willekeurig aantal andere elementen bevatten, van aluminium tot vanadium, op basis van hun specificatie. Deze metalen worden meestal gekozen vanwege hun mechanische eigenschappen. Ingenieurs en ontwerpers zijn mogelijk geïnteresseerd in hun vloeigrens, taaiheid, ductiliteit, lasbaarheid, elasticiteit, afschuiving en thermische uitzetting, die allemaal beschrijven hoe een materiaal zich zal gedragen onder specifieke stressoren.

Deze onderscheidende aspecten van ijzer kunnen worden veranderd in legeringen, die ijzer met andere elementen vermengen. Roestvast staal is een goed voorbeeld, waarbij sommige legeringen van roestvast staal zowel niet-magnetisch als niet-corrosief zijn. Een gebruikelijke manier om te zien of een metaal staal is, is door er een magneet tegenaan te plaatsen, omdat het ijzer in de legering ervoor zorgt dat de magneet blijft plakken; mensen die hebben geprobeerd magneten op hun roestvrijstalen koelkast te plakken, weten echter dat dit geen onfeilbare test is. Hoewel het ijzer nog steeds aanwezig is in deze ferrolegering, verandert een hoog percentage nikkel de microstructuur van het staal voldoende om een ​​magnetische reactie te voorkomen. Roestvrij staal kan roesten, hoewel het veel corrosiebestendiger is dan andere soorten ijzerlegeringen. Dit komt door de toevoeging van chroom. Chroom beschermt tegen roest door middel van een proces dat passivering wordt genoemd, waarbij de bovenste moleculen van het metaal oxideren maar sterk aan het onderliggende metaal gebonden blijven, waardoor een ondoordringbare schil wordt gevormd.

In ferrometalen zijn ijzer en staal de meest voorkomende gietmaterialen.

IJzer

Gietijzers zijn een categorie ijzerlegeringen met een koolstofgehalte van meer dan 2%. Het zijn relatief goedkope, dichte ijzers. Wanneer ze worden verwarmd en gegoten, hebben ze een veel hogere vloeibaarheid bij lagere temperaturen dan staal, wat betekent dat ze efficiënter kunnen vloeien in en delen van een complexe mal kunnen vullen. Gietijzers krimpen ook met de helft van de snelheid van staal tijdens het afkoelen.

Basisgietijzers hebben goede compressie-eigenschappen, maar ze zijn bros:ze zullen breken voordat ze buigen of vervormen. Deze kwetsbaarheid kan betekenen dat brosse soorten gietijzer niet worden gebruikt voor ontwerpen met geëxtrudeerde of ingewikkelde details, of met zeer scherpe randen, omdat deze kenmerken kunnen afbrokkelen.

Grijs ijzer is het meest voorkomende type gietijzer dat momenteel wordt geproduceerd en komt voor in alles, van putdeksels tot schijfremmen op auto's. Het dankt zijn naam aan de kleur die het aanneemt bij breuk, die grijs is vanwege de aanwezigheid van grafiet als koolstofadditief. Grijs ijzer is 2,5-4% koolstof per gewicht en bevat bovendien 1-3% silicium, dat het grafiet stabiliseert. Het heeft veel van de kenmerken van basisgietijzer, in die zin dat het goedkoop is en een hoge vloeibaarheid heeft in vergelijking met staal wanneer het gesmolten is, maar de aanwezigheid van grafiet zorgt ervoor dat het ijzer iets minder bros is, waardoor het gemakkelijker te bewerken is. Grijs ijzer is nog steeds onbuigzaam:het buigt heel weinig voordat het breekt.

Nodulair gietijzer is een vorm van gietijzer waarbij de toegevoegde koolstof bolvormig (nodulair) grafiet is. Nodulair gietijzer is gewoonlijk 3,2-3,6% koolstof per gewicht, en heeft silicium en andere elementen. Hogere ferrietgehalten betekenen dat het zich tijdens het bewerken op snijgereedschappen ophoopt, dus het wordt vaak gebruikt in de eerste plaats bij de gietproductie, waar het een zeer hoge vloeibaarheid is, waardoor het een uitstekende keuze is voor fijn gedetailleerd werk. De sferoïde vorm van het grafiet dat nodulair gietijzer een hogere slagvastheid en treksterkte geeft dan gegoten of grijs ijzer, waardoor gedetailleerde of scherpe ontwerpen haalbaar zijn. Nodulair gietijzer is een relatieve nieuwkomer in de specificatie van strijkijzers, zoals het voor het eerst werd ontdekt in 1943.

Staal

Staal van alle soorten worden soms ook gegoten. Over het algemeen heeft staal een koolstofgehalte van minder dan 2,14 gew.% en is het vaak gelegeerd met andere elementen. Staal heeft sterkere mechanische eigenschappen dan gietijzer, maar wat gewonnen wordt aan taaiheid gaat verloren aan vloeibaarheid. Gesmolten staal moet veel heter zijn dan gesmolten ijzer om in gedetailleerde mallen te vloeien, en de hoge temperaturen die nodig zijn om met staal te werken, zijn een uitdaging om te beheren en kunnen het ontwerp en de afwerking van het object dat uit de mal komt, belemmeren. Zoals bij alle gietstukken, kunnen verschillende delen van een stuk met verschillende snelheden afkoelen, en dit verschil veroorzaakt spanning in het product:omdat staal sterker en sneller krimpt dan gietijzer, moeten deze spanningen beter worden beheerd in gietstaal.

Deze uitdagingen betekenen dat staal veel arbeidsintensiever kan zijn om goed te gieten. Het vereist deskundige aandacht tijdens alle stadia van de productie. Toch kan de hoge mechanische sterkte van het eindproduct ervoor zorgen dat een staallegering de duidelijke keuze is voor sommige toepassingen, waarbij machinale bewerkingen zorgen voor afwerkingen in de eindfase.

Andere ijzerlegeringen

Andere ijzerlegeringen bestaan ​​buiten deze veelvoorkomende typen en worden gebruikt in specifieke toepassingen waar hun mechanisch gedrag nuttig is. Elinvar is bijvoorbeeld een nikkel-ijzerlegering die niet uitzet en krimpt bij hitte, en wordt gebruikt in zeer kleine onderdelen in klokken en andere precisie-apparaten.

Non-ferrometalen en hun toepassingen

Deze metalen omvatten elk metaal en elke legering die geen ijzer bevat. Een korte lijst van veelvoorkomende non-ferrometalen omvat:

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

Met zo'n breed scala aan materialen in deze groep, kunnen veel van de mechanische eigenschappen die ijzer aanbevelen, worden ontdekt in non-ferrometalen. Legeringen van aluminium of titanium zouden bijvoorbeeld in veel gevallen in de plaats kunnen komen van staal, als het niet te duur zou zijn om dat te doen. De magnetische eigenschappen van ijzer kunnen worden nagebootst met nikkel-, kobalt- of zeldzame aardelementen die zijn gelegeerd met andere metalen.

Omdat non-ferrometalen echter vaak meer kosten, worden ze vaak gekozen vanwege hun unieke eigenschappen, in plaats van vanwege de manier waarop ze zich als staal kunnen gedragen. Lichtere gewichten, geleidbaarheid, corrosiebestendigheid, niet-magnetische eigenschappen, traditie of decoratieve waarde zijn enkele van de redenen om voor een non-ferrometaal te kiezen. Sommige metalen worden juist gewaardeerd omdat ze zeldzaam zijn:voordat aluminiumproductie op grote schaal mogelijk was, was aluminium een ​​luxemetaal dat werd gebruikt in hoogwaardig serviesgoed.

Allerlei gespecialiseerde materialen worden gegoten. In traditionele zandgieterijen zijn er echter drie opmerkelijke non-ferro gietmetalen.

Brons en messing

Brons en messing waren de eerste metalen die door de mensheid werden gegoten in de bronstijd, en deze koperlegeringen worden vandaag de dag nog steeds met zand gegoten. Ze worden bij veel lagere temperaturen gesmolten dan ijzerhoudende materialen, en ze gieten details goed, dus ze worden vaak gebruikt in decoratieve toepassingen zoals beeldhouwwerken. Brons en messing zijn zachter dan staal, maar ze zijn zelfs in de aanwezigheid van zout corrosiebestendig, dus deze metalen worden gebruikt in standaard maritieme toepassingen zoals fittingen op boten. Messing is ook bestand tegen "vreten", wat de slijtage van metaal tegen zichzelf is, en daarom wordt messing soms gegoten voor mechanische onderdelen, zoals scheepsschroeven, of machinaal bewerkt voor lagers en ritsen. Beide legeringen zijn vrij duur omdat ze afhankelijk zijn van koper, een metaal waar ook veel vraag naar is vanwege zijn elektrische eigenschappen.

Aluminium

Aluminium is een metaal met een veel lagere dichtheid dan ijzer, waardoor het een essentieel materiaal is in toepassingen die kracht zonder gewicht nodig hebben, zoals de lucht- en ruimtevaartindustrie. Het is corrosiebestendig omdat aluminium, net als roestvrij staal, reageert op oxidatie door een omhulsel van metaaloxide te creëren dat het beschermt.

Aluminium heeft ook een lager smeltpunt dan veel van de staalsoorten of ijzers die het zou kunnen vervangen, waardoor het gemakkelijker te gieten is dan staal, en er minder toezicht nodig is voor complexe vormen. Het grootste nadeel van aluminium zijn de kosten.

Rekening houdend met gietmaterialen

Bij het ontwerpen van een gietstuk is het vinden van het perfecte metaal om waarde en vorm in evenwicht te brengen een kunst en wetenschap. Het juiste metaal voor een klus zal voldoen aan zowel de esthetische als mechanische vereisten van de toepassing, en dit zal van invloed zijn op de productiemethoden die nodig zijn om een ​​prototype tot een eindproduct te brengen.

Ferrometalen zijn de meest voorkomende keuze voor gietstukken, vaak gekozen vanwege 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-ferro legeringen zoals brons en messing kunnen ook gekozen worden vanwege traditie of vanwege hun schoonheid.

Overleg met een ingenieur kan een ontwerper helpen om harmonie te vinden tussen de verschillende aspecten van hun project, door het perfecte metaal te kiezen dat past bij zowel de toepassing als het budget.

Neem contact met ons op voor meer informatie over metalen of om een ​​offerte aan te vragen voor een project op maat.