Gietijzer onthuld: geschiedenis, typen, eigenschappen en moderne toepassingen

Een veelzijdig metaal, gietijzer heeft veel unieke toepassingen in de commerciële en industriële wereld

De aanwezigheid van ijzer in het dagelijks leven begon rond 1200 v.Chr., met een breed scala aan toepassingen van landbouwimplementen tot wapens van oorlog. Smeden werden een kritiek beroep, werkend met ijzer om de eigenschappen te veranderen en het materiaal in gereedschappen te vormgeven. Elk dorp en stad zou een smederij hebben, waar ziekels, ploegscharen, nagels, zwaarden, kaarshouder, en meer geproduceerd werden.

Typen ijzer

Er zijn twee hoofdtypen ijzer geproduceerd: gesmeed ijzer en gietijzer. Binnen die categorieën omvat gietijzer zijn eigen familie van metalen.

Gesmeed ijzer

Het eerste type ijzer geproduceerd en bewerkt door smeden was gesmeed ijzer. Het is vrijwel zuiver elementair ijzer (Fe) dat in een oven verwarmd wordt voordat het gesmeed (bewerkt) wordt met hamers op een aanbeeld. Hameren van ijzer expelleert de meeste slak uit het materiaal en last de ijzerdeeltjes aan elkaar hechten.

Tijdens de industriële revolutie en de geassocieerde versnelling van bouwactiviteiten, werd een nieuw gebruik voor gesmeed ijzer ontdekt. De hoge trekkracht (weerstand tegen breken onder spanning) maakte het ideaal voor balken in grote bouwprojecten zoals bruggen en hoogbouw. Echter, het gebruik van gesmeed ijzer voor dit doel werd in de vroege 20e eeuw grotendeels achterwege gelaten toen staalproducten werden ontwikkeld met superieure prestaties ten opzichte van ijzer voor bouwtoepassingen.

Gesmeed ijzer is beroemd geworden voor decoratieve stukken. Kerken uit de 15e en 16e eeuw bevatten fijn gesmeed ijzer werk geproduceerd door bekwame kunstenaars. In de moderne wereld worden leuningen, deuren en banken nog steeds van gesmeed ijzer gemaakt als maatwerkstukken.

Gietijzer

Gietijzer wordt geproduceerd door ijzer-koolstoflegeringen te smelten die een koolstofgehalte van meer dan 2% hebben. Na smelten wordt het metaal in een vorm gegoten. Het primaire productieverschil tussen gesmeed ijzer en gietijzer is dat gietijzer niet met hamers en gereedschappen bewerkt wordt. Er zijn ook samenstellingsverschillen – gietijzer bevat 2–4% koolstof en andere legeringen, en 1–3% silicium, wat de gietprestaties van het vloeibare metaal verbetert. Kleine hoeveelheden mangaan en enkele onzuiverheden zoals zwavel en fosfor kunnen ook aanwezig zijn. Verschillen tussen gesmeed ijzer en gietijzer kunnen ook in de details van chemische structuur en fysieke eigenschappen worden gevonden.

Hoewel zowel staal als gietijzer sporen van koolstof bevatten en er vergelijkbaar uitzien, zijn er significante verschillen tussen de twee metalen. Staal bevat minder dan 2% koolstof, wat het eindproduct in staat stelt om te verstollen in een enkele microkristallijne structuur. Het hogere koolstofgehalte van gietijzer betekent dat het verstolt als een heterogene legering, en dus meer dan één microkristallijne structuur in het materiaal aanwezig heeft.

Het is de combinatie van hoog koolstofgehalte en de aanwezigheid van silicium, die gietijzer zijn uitstekende gietbaarheid geeft. Verschillende typen gietijzer worden geproduceerd met behulp van verschillende warmtebehandeling- en verwerkingstechnieken, inclusief grijs ijzer, wit ijzer, smeedbaar ijzer, sferoïdaal grafiet gietijzer en gecompacteerde grafiet gietijzer.

Grijs ijzer

Grijs ijzer wordt gekenmerkt door de vlakvormige vorm van de grafietmoleculen in het metaal. Wanneer het metaal breekt, treedt de breuk op langs de grafietvlakken, wat het de grijze kleur geeft op het gebroken metaaloppervlak. De naam grijs ijzer komt van deze karakteristiek.

Het is mogelijk om de grootte en matrixstructuur van de grafietvlakken tijdens de productie te controleren door de afkoelsnelheid en samenstelling aan te passen. Grijs ijzer is niet zo rekbaar als andere vormen van gietijzer en de trekkracht is ook lager. Echter, het is een betere warmteleider en heeft een hogere trillingsdemping. Het heeft een dempingscapaciteit die 20–25 keer hoger is dan staal en superieur aan alle andere gietijzers. Grijs ijzer is ook makkelijker te bewerken dan andere gietijzers, en de slijtweerstandseigenschappen maken het een van de hoogste volume gietijzerproducten.

Onze hardscape producten zijn gemaakt van grijs ijzer. Trillingsdemping en slijtweerstand zijn eigenschappen die dit het juiste materiaal maken voor veel straattoepassingen. Raa grijs ijzer produceert ook een patina die het veilig houdt van destructieve corrosie zelfs buiten.

Wit ijzer

Met het juiste koolstofgehalte en een hoge afkoelsnelheid, combineren koolstofatomen met ijzer om ijzercarbide te vormen. Dit betekent dat er weinig tot geen vrije grafietmoleculen in het verstolde materiaal zijn. Wanneer wit ijzer geschaard wordt, lijkt het gebroken gezicht wit door de afwezigheid van grafiet. De cementiet microkristallijne structuur is hard en bros met een hoge druksterkte en goede slijtweerstand. In bepaalde gespecialiseerde toepassingen is het wenselijk om wit ijzer op het oppervlak van het product te hebben. Dit kan bereikt worden door een goede warmteleider te gebruiken om een deel van de vorm te maken. Dit zal warmte snel uit het vloeibare metaal trekken uit dat specifieke gebied, terwijl de rest van het gietstuk langzamer afkoelt.

Een van de populairste graden van wit ijzer is Ni-Hard IJzer. De toevoeging van chroom en nikkel legeringen geeft dit product uitstekende eigenschappen voor lage impact, glijdende slijtage toepassingen.

Wit ijzers en ni-hard ijzers vallen onder een classificatie van legeringen aangeduid als ASTM A532; de "Standardspecificatie voor slijtvast gietijzer".

Smeedbaar ijzer

Wit ijzer kan verder verwerkt worden tot smeedbaar ijzer door een warmtebehandelingsproces. Een uitgebreid programma van verwarmen en afkoelen, resulteert in de afbraak van de ijzercarbide moleculen, waarbij vrije grafietmoleculen in het ijzer vrijkomen. Verschillende afkoelsnelheden, en de toevoeging van legeringen, produceren een smeedbaar ijzer met een microkristallijne structuur.

Sferoïdaal grafiet gietijzer (Nodulair ijzer)

Sferoïdaal grafiet gietijzer, of nodulair ijzer, verkrijgt zijn speciale eigenschappen door de toevoeging van magnesium in de legering. De aanwezigheid van magnesium zorgt ervoor dat de grafiet in een sferoïde vorm gevormd wordt in tegenstelling tot de vlakken van grijs ijzer. Samenstellingcontrole is zeer belangrijk in het productieproces. Kleine hoeveelheden onzuiverheden zoals zwavel en zuurstof reageren met het magnesium, wat de vorm van de grafietmoleculen beïnvloedt. Verschillende graden van sferoïdaal grafiet gietijzer worden gevormd door de microkristallijne structuur rond de grafiet sferoïde te manipuleren. Dit wordt bereikt door het gietproces, of door warmtebehandeling, als een downstream verwerkingstap.

Omdat sferoïdaal grafiet gietijzer vervormt bij impact, in plaats van in scherven te verspringen, gebruiken we het materiaal om onze gietijzer bollards te maken. Het impactprofiel van sferoïdaal grafiet gietijzer maakt het een goed gietijzer voor bollards in de buurt van voertuigverkeer.

Gecompacteerde grafiet gietijzer

Gecompacteerde grafiet gietijzer heeft een grafietstructuur en geassocieerde eigenschappen die een mengsel zijn van grijs en wit ijzer. De microkristallijne structuur is gevormd om stompte grafietvlakken die miteinander verbonden zijn. Een legering, zoals titanium, wordt gebruikt om de vorming van sferoïdaal grafiet te onderdrukken. Gecompacteerde grafiet gietijzer heeft een hogere trekkracht en verbeterde rekbaarheid vergeleken met grijs ijzer. De microkristallijne structuur en eigenschappen kunnen aangepast worden door warmtebehandeling of de toevoeging van andere legeringen.

Samenvatting van gietijzer samenstellingen

Een tabel ontwikkeld door de Engineer's Handbook toont de verschillende samenstellingsbereiken voor de diverse typen gietijzer:

Mechanische eigenschappen van gietijzer

De mechanische eigenschappen van een materiaal geven aan hoe het reageert onder specifieke spanningen, wat helpt om de geschiktheid voor verschillende toepassingen te bepalen. Specificaties worden gesteld door organisaties zoals de American Society for Testing and Materials (ASTM) zodat gebruikers materialen kunnen kopen met vertrouwen dat ze voldoen aan de eisen voor hun toepassing. De meest gebruikte specificatie voor gegoten grijs ijzer is ASTM A48.

Om gegoten producten te kwalificeren volgens hun specificaties, is een standaardpraktijk om een teststaaf te gieten samen met de ingenieursgietstukken. De ASTM-tests worden dan toegepast op deze teststaaf en de resultaten worden gebruikt om de hele partij gietstukken te kwalificeren.

Specificaties zijn ook belangrijk bij het lassen van gietijzer onderdelen samen. De las moet voldoen aan of de mechanische eigenschappen van het materiaal dat samengepast wordt overschrijden – anders kunnen breuken en falen optreden.

Een paar veelvoorkomende mechanische eigenschappen voor gietijzer zijn:

• Hardheid – materiaalsweerstand tegen slijtage en indruk
• Zwaarte – materiaalsvermogen om energie te absorberen
• Rekbaarheid – materiaalsvermogen om te vervormen zonder breuk
• Elasticiteit – materiaalsvermogen om terug te keren naar de oorspronkelijke afmetingen na vervorming
• Smeedbaarheid – materiaalsvermogen om te vervormen onder compressie zonder te breken
• Trekkracht – de grootste longitudinale spanning die een materiaal kan dragen zonder uit elkaar te scheuren
• Vermoeidheidssterkte – de hoogste spanning die een materiaal kan weerstaan voor een gegeven aantal cycli zonder te breken

Deze tabel vat enkele van de belangrijkste mechanische eigenschappen voor verschillende graden van gietijzer samen. Voor meer informatie, zie "Ijzerlegeringen", een geweldig referentiedocument van de American Foundry Society.

Veelvoorkomende toepassingen van gietijzer

De diverse eigenschappen van verschillende typen gietijzer resulteren erin dat elk type geschikt is voor specifieke toepassingen.

Grijs ijzer toepassingen

Een van de kenmerkende eigenschappen van grijs ijzer is de vermogen om slijtage te weerstaan zelfs wanneer smeringvoorziening beperkt is (bijv. de bovenste cylinderwanden in motorblokken). Grijs ijzer wordt gebruikt om motorblokken en cylinderkoppen, collectoren, gasbrander, tandwielblanks, behuizingen en huizen te maken.

Wit ijzer toepassingen

Het afkoelproces dat gebruikt wordt om wit ijzer te maken, resulteert in een bros materiaal dat zeer weerstandig is tegen slijtage en abrasies. Daarom wordt het gebruikt om malinneringen, straalbusjes, remsporen voor spoorbane, slurypomphuizen, walserollen en kruiters te maken.

Ni-Hard IJzer wordt specifiek gebruikt voor mengpaddelen, boormachines en dijzen, bekleidingsplaten voor balmolen, kolenschotten, en draadgidsen voor draadtrekken.

Sferoïdaal grafiet gietijzer toepassingen

Sferoïdaal grafiet gietijzer zelf kan opgesplitst worden in verschillende graden, elk met hun eigen eigenschapsspecificaties en meest geschikte toepassingen. Het is makkelijk te bewerken, heeft goede vermoeidheids- en strekkracht, terwijl het slijtvast is. Het meest bekende kenmerk is echter de rekbaarheid. Sferoïdaal grafiet gietijzer kan gebruikt worden om stuurknopen, ploegscharen, krukas, zware tandwielen, auto- en vrachtwagentoeslagonderdelen, hydraulische componenten en autodeurscharnieren te maken.

Smeedbaar ijzer toepassingen

Verschillende graden van smeedbaar ijzer corresponderen met verschillende microkristallijne structuren. Specifieke attributen die smeedbaar ijzer aantrekkelijk maken zijn de vermogen om smeermiddelen te behouden en op te slaan, de niet-abrasieve slijtdeeltjes, en het poreuze oppervlak dat andere abrasieve puin vastvangt. Smeedbaar ijzer wordt gebruikt voor zware lageroppervlakken, ketten, kettenwielen, verbindingsstangen, aandrijving en ascomponenten, spoorweg rolling stock, en boerderij- en bouwmachines.

Gecompacteerde grafiet gietijzer toepassingen

Gecompacteerde grafiet gietijzer begint zijn aanwezigheid bekend te maken in commerciële toepassingen. De combinatie van de eigenschappen van grijs ijzer en wit ijzer creëert een hoge sterkte en hoge warmteleiding product – geschikt voor diesel motorblokken en frames, cylinderlijnen, remschijven voor treinen, uitlaatcollectoren, en tandwielplaten in hoge-druk pompen.

Bewerking en afwerking

De hardheidseigenschappen van gietijzer eisen zorgvuldige selectie van machinegereedschapsmaterialen. Gecoate karbiden zijn effectief in productiebewerkingsomgevingen, maar nieuwere materialen worden continu ontwikkeld naarmate de technologie verbetert.

Oppervlakteafwerking van gietijzer producten varieert sterk volgens het gebruik. Een paar veelvoorkomende toepassingen:

• Galvaniseren
• Hetaandoppen
• Thermisch spuiten
• Diffusiecoating
• Conversiecoating
• Porceleyne emailleren
• Vloeibare organische coating
• Droge poeder organische coating

Gietijzer en de toekomst

Vanaf zijn vroege gebruik meer dan 3.000 jaar geleden, is ijzer een integraal onderdeel van de menselijke samenleving gebleven. IJzerproductie is een lange weg afgelegd sinds de eeuwen van smeden tot de uitvinding van gietijzer in de industriële era.

Sindsdien is gesmeed ijzer grotendeels verouderd uitgezonderd voor decoratieve toepassingen. In tegenstelling, gietijzer blijft voortschrijden in termen van samenstelling, microstructuur en mechanische eigenschappen – en blijft zijn stempel drukken in de moderne wereld.

Voor meer informatie over metaalgietstukken, of om een offerte aan te vragen voor een maatwerk metaalproject, neem dan contact met ons op.