Inleiding tot gietijzer:geschiedenis, typen, eigenschappen en gebruik

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

De aanwezigheid van ijzer in het dagelijks leven begon rond 1200 vGT en omvatte een breed scala aan toepassingen, van landbouwwerktuigen tot oorlogswapens. Smeden werden een kritisch beroep en werkten met ijzer om de eigenschappen ervan te veranderen en het materiaal in gereedschappen te vormen. Elk dorp en elke stad zou een smederij hebben, waar sikkels, ploegscharen, spijkers, zwaarden, kandelaars en meer werden geproduceerd.

De ontdekking van de waarde van ijzer leidde tot wat bekend is geworden als de ijzertijd, vanwege de dominantie van dit materiaal in sociale en militaire toepassingen. Een nieuwe mijlpaal voor metalen zou volgen:de industriële revolutie veranderde de manier waarop metalen werden geproduceerd en verwerkt tot producten, waaronder ijzer.

Soorten ijzer

Er worden twee belangrijke soorten ijzer geproduceerd:smeedijzer en gietijzer. Daarbinnen omvat gietijzer zijn eigen familie van metalen.

Smeedijzer

Het eerste type ijzer dat door smeden werd geproduceerd en bewerkt, was smeedijzer. Het is vrijwel puur elementair ijzer (Fe) dat in een oven wordt verwarmd voordat het met hamers op een aambeeld wordt bewerkt (bewerkt). Door ijzer te hameren wordt het grootste deel van de slak uit het materiaal verwijderd en worden de ijzerdeeltjes aan elkaar gelast.

Tijdens de industriële revolutie en de daarmee gepaard gaande versnelling van de bouwactiviteiten werd een nieuwe toepassing van smeedijzer ontdekt. De hoge treksterkte (breukvastheid onder spanning) maakte het ideaal om te gebruiken voor balken in grote bouwprojecten zoals bruggen en hoogbouw. Het gebruik van smeedijzer voor dit doel werd echter grotendeels verlaten in het begin van de 20e eeuw toen staalproducten werden ontwikkeld met superieure prestaties ten opzichte van ijzer voor bouwtoepassingen.

Smeedijzer is beroemd geworden vanwege decoratieve stukken. Kerken uit de 15e en 16e eeuw bevatten fijne smeedijzeren stukken geproduceerd door bekwame ambachtslieden. In de moderne wereld worden leuningen, deuren en banken nog steeds gemaakt van smeedijzer als op maat gemaakte stukken.

Gietijzer

Gietijzer wordt geproduceerd door ijzer-koolstoflegeringen met een koolstofgehalte van meer dan 2% te smelten. Na het smelten wordt het metaal in een mal gegoten. Het belangrijkste verschil in productie tussen smeedijzer en gietijzer is dat gietijzer niet met hamers en gereedschap wordt bewerkt. Er zijn ook verschillen in samenstelling:gietijzer bevat 2-4% koolstof en andere legeringen, en 1-3% silicium, wat de gietprestaties van het gesmolten metaal verbetert. Kleine hoeveelheden mangaan en sommige onzuiverheden zoals zwavel en fosfor kunnen ook aanwezig zijn. Verschillen tussen smeedijzer en gietijzer zijn ook te vinden in de details van de chemische structuur en fysische eigenschappen.

Hoewel zowel staal als gietijzer sporen van koolstof bevatten en vergelijkbaar lijken, zijn er significante verschillen tussen de twee metalen. Staal bevat minder dan 2% koolstof, waardoor het eindproduct kan stollen in een enkele microkristallijne structuur. Het hogere koolstofgehalte van gietijzer betekent dat het stolt als een heterogene legering en daarom meer dan één microkristallijne structuur in het materiaal heeft.

Het is de combinatie van een hoog koolstofgehalte en de aanwezigheid van silicium die gietijzer zijn uitstekende gietbaarheid geeft. Verschillende soorten gietijzer worden geproduceerd met behulp van verschillende warmtebehandelings- en verwerkingstechnieken, waaronder grijs ijzer, wit ijzer, smeedbaar ijzer, nodulair gietijzer en gecompacteerd grafietijzer.

Grijs ijzer

Grijs ijzer wordt gekenmerkt door de vlokvorm van de grafietmoleculen in het metaal. Wanneer het metaal wordt gebroken, vindt de breuk plaats langs de grafietvlokken, waardoor het de grijze kleur op het oppervlak van het gebroken metaal krijgt. De naam grijs ijzer komt van deze eigenschap.

Het is mogelijk om de grootte en matrixstructuur van de grafietvlokken tijdens de productie te regelen door de afkoelsnelheid en samenstelling aan te passen. Grijs ijzer is niet zo kneedbaar als andere vormen van gietijzer en de treksterkte is ook lager. Het is echter een betere warmtegeleider en heeft een hogere trillingsdemping. Het heeft een dempingscapaciteit die 20-25 keer hoger is dan die van staal en superieur aan alle andere gietijzeren. Grijs ijzer is ook gemakkelijker te bewerken dan ander gietijzer, en de slijtvaste eigenschappen maken het een van de gietijzeren producten met het grootste volume.

Onze hardscape producten zijn gemaakt van grijs ijzer. Trillingsdemping en slijtvastheid zijn eigenschappen die dit het juiste materiaal maken voor veel straattoepassingen. Ruw grijs ijzer produceert ook een patina dat het zelfs buiten beschermt tegen destructieve corrosie.

Wit ijzer

Met het juiste koolstofgehalte en een hoge afkoelsnelheid combineren koolstofatomen met ijzer tot ijzercarbide. Dit betekent dat er weinig tot geen vrije grafietmoleculen in het gestolde materiaal zitten. Wanneer wit ijzer wordt geschoren, lijkt het gebroken gezicht wit vanwege de afwezigheid van grafiet. De microkristallijne structuur van cementiet is hard en bros met een hoge druksterkte en goede slijtvastheid. In bepaalde gespecialiseerde toepassingen is het wenselijk om wit ijzer op het oppervlak van het product te hebben. Dit kan worden bereikt door een goede warmtegeleider te gebruiken om een ​​deel van de mal te maken. Hierdoor wordt de warmte snel uit het gesmolten metaal gehaald uit dat specifieke gebied, terwijl de rest van het gietstuk langzamer afkoelt.

Een van de meest populaire soorten wit ijzer is Ni-Hard Iron. De toevoeging van chroom- en nikkellegeringen geeft dit product uitstekende eigenschappen voor toepassingen met lage impact, glijdende slijtage.

Witte ijzers en ni-hard ijzers vallen onder een classificatie van legeringen die ASTM A532 wordt genoemd; de "Standaardspecificatie voor slijtvaste gietijzeren".

Smeedbaar ijzer

Wit ijzer kan verder worden verwerkt tot smeedbaar ijzer via een proces van warmtebehandeling. Een uitgebreid programma van verwarming en koeling resulteert in de afbraak van de ijzercarbidemoleculen, waardoor vrije grafietmoleculen in het ijzer vrijkomen. Verschillende afkoelsnelheden en de toevoeging van legeringen levert een smeedbaar ijzer op met een microkristallijne structuur.

Nodulair gietijzer (nodulair gietijzer)

Nodulair gietijzer, of nodulair gietijzer, verkrijgt zijn bijzondere eigenschappen door de toevoeging van magnesium aan de legering. De aanwezigheid van magnesium zorgt ervoor dat het grafiet zich in een bolvorm vormt in tegenstelling tot de vlokken van grijs ijzer. Samenstellingscontrole is erg belangrijk in het productieproces. Kleine hoeveelheden onzuiverheden zoals zwavel en zuurstof reageren met het magnesium en beïnvloeden de vorm van de grafietmoleculen. Verschillende soorten nodulair gietijzer worden gevormd door de microkristallijne structuur rond de grafietbol te manipuleren. Dit wordt bereikt door het gietproces of door warmtebehandeling als een stroomafwaartse verwerkingsstap.

Omdat nodulair gietijzer bij een botsing vervormt in plaats van in scherven uiteen te vallen, gebruiken we het materiaal om onze gietijzeren bolders te maken. Het impactprofiel van nodulair gietijzer maakt het een goed gietijzer voor bolders in de buurt van autoverkeer.

Gecomprimeerd grafietijzer

Gecomprimeerd grafietijzer heeft een grafietstructuur en bijbehorende eigenschappen die een mix zijn van grijs en wit ijzer. De microkristallijne structuur wordt gevormd rond stompe grafietvlokken die met elkaar verbonden zijn. Een legering, zoals titanium, wordt gebruikt om de vorming van bolvormig grafiet te onderdrukken. Gecomprimeerd grafietijzer heeft een hogere treksterkte en verbeterde ductiliteit in vergelijking met grijs ijzer. De microkristallijne structuur en eigenschappen kunnen worden aangepast door middel van warmtebehandeling of de toevoeging van andere legeringen.

Samenvatting van gietijzeren composities

Een tabel ontwikkeld door het Engineer's Handbook toont de verschillende samenstellingsbereiken voor de verschillende soorten gietijzer:

GAMMA SAMENSTELLINGEN VOOR TYPISCH ONGELEGEERD GIETIJZER
WAARDEN IN PERCENT (%)

TYPE IJZER

KOOLSTOF

SILICIUM

MANGANES

ZWAVEL

FOSFOR

Grijs

2,5 – 4,0

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,02 – 0,25

0,02 – 1,0

Kneedbaar

3.0 – 4.0

1.8 – 2.8

0,1 – 1,0

0,01 – 0,03

0,01 – 0,1

Compacted Graphite

2,5 – 4,0

1,0 – 3,0

0,2 – 1,0

0,01 – 0,03

0,01 – 0,1

Kneedbaar (gegoten wit)

2.0 – 2.9

0,9 – 1,9

0,15 – 1,2

0,02 – 0,2

0,02 – 0,2

Wit

1.8 – 3.6

0,5 – 1,9

0,25 – 0,8

0,06 – 0,2

0,06 – 0,2

TYPE IJZER

KOOLSTOF

Grijs

2,5 – 4,0

Kneedbaar

3.0 – 4.0

Compacted Graphite

2,5 – 4,0

Kneedbaar (gegoten wit)

2.0 – 2.9

Wit

1.8 – 3.6

TYPE IJZER

SILICIUM

Grijs

1,0 – 3,0

Kneedbaar

1.8 – 2.8

Compacted Graphite

1,0 – 3,0

Kneedbaar (gegoten wit)

0,9 – 1,9

Wit

0,5 – 1,9

TYPE IJZER

MANGANES

Grijs

0,2 – 1,0

Kneedbaar

0,1 – 1,0

Compacted Graphite

0,2 – 1,0

Kneedbaar (gegoten wit)

0,15 – 1,2

Wit

0,25 – 0,8

TYPE IJZER

ZWAVEL

Grijs

0,02 – 0,25

Kneedbaar

0,01 – 0,03

Compacted Graphite

0,01 – 0,03

Kneedbaar (gegoten wit)

0,02 – 0,2

Wit

0,06 – 0,2

TYPE IJZER

FOSFOR

Grijs

0,02 – 1,0

Kneedbaar

0,01 – 0,1

Compacted Graphite

0,01 – 0,1

Kneedbaar (gegoten wit)

0,02 – 0,2

Wit

0,06 – 0,2

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 opgesteld door organisaties zoals de American Society for Testing and Materials (ASTM), zodat gebruikers materialen kunnen kopen met het vertrouwen dat ze voldoen aan de vereisten voor hun toepassing. De meest gebruikte gietijzeren specificatie is ASTM A48.

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

Ook bij het aan elkaar lassen van gietijzeren onderdelen zijn specificaties van belang. De las moet voldoen aan of beter zijn dan de mechanische eigenschappen van het materiaal dat aan elkaar wordt gelast, anders kunnen breuken en defecten optreden.

Enkele veelvoorkomende mechanische eigenschappen voor gietijzer zijn:

• Hardheid – weerstand van het materiaal tegen schuren en inkepingen
• Taaiheid – het vermogen van materiaal om energie te absorberen
• Ductiliteit – het vermogen van materiaal om te vervormen zonder breuk
• Elasticiteit – het vermogen van materiaal om terug te keren naar zijn oorspronkelijke afmetingen nadat het is vervormd
• Kneedbaarheid – het vermogen van materiaal om onder druk te vervormen zonder te scheuren
• Treksterkte - de grootste longitudinale spanning die een materiaal kan dragen zonder uit elkaar te scheuren
• Vermoeiingssterkte – de hoogste spanning die een materiaal een bepaald aantal cycli kan weerstaan ​​zonder te breken

Deze tabel geeft een overzicht van enkele van de belangrijkste mechanische eigenschappen voor verschillende soorten gietijzer. Voor meer informatie, zie "Iron Alloys", een geweldig referentiedocument van de American Foundry Society.

BRINELL-HARDHEID

TREKSTERKTE

MODULUS VAN ELASTICITEIT

% VERLENGING (IN 50 MM)

Grijs ijzer klasse 25

187

29,9 ksi

16.1 Msi

–

Grijs ijzer klasse 40

235

41,9 ksi

18.2 Msi

–

Nodulair gietijzer kwaliteit 60-40-18

130 – 170

60 ksi

24.5 Msi

–

Nodulair gietijzer kwaliteit 129-90-02

240 – 300

120 ksi

25,5 Msi

–

CGI-graad 250

maximaal 179

36,2 ksi min

3

CGI-graad 450

207 – 269

65,2 ksi min

1

BRINELL-HARDHEID

Grijs ijzer klasse 25

187

Grijs ijzer klasse 40

235

Nodulair gietijzer kwaliteit 60-40-18

130 – 170

Nodulair gietijzer kwaliteit 129-90-02

240 – 300

CGI-graad 250

maximaal 179

CGI-graad 450

207 – 269

TREKSTERKTE

Grijs ijzer klasse 25

29,9 ksi

Grijs ijzer klasse 40

41,9 ksi

Nodulair gietijzer kwaliteit 60-40-18

60 ksi

Nodulair gietijzer kwaliteit 129-90-02

120 ksi

CGI-graad 250

36,2 ksi min

CGI-graad 450

65,2 ksi min

MODULUS VAN ELASTICITEIT

Grijs ijzer klasse 25

16.1 Msi

Grijs ijzer klasse 40

18.2 Msi

Nodulair gietijzer kwaliteit 60-40-18

24.5 Msi

Nodulair gietijzer kwaliteit 129-90-02

25,5 Msi

CGI-graad 250

CGI-graad 450

% VERLENGING (IN 50 MM)

Grijs ijzer klasse 25

–

Grijs ijzer klasse 40

–

Nodulair gietijzer kwaliteit 60-40-18

–

Nodulair gietijzer kwaliteit 129-90-02

–

CGI-graad 250

3

CGI-graad 450

1

Veelvoorkomende toepassingen van gietijzer

De verschillende eigenschappen van verschillende soorten gietijzer zorgen ervoor dat elk type geschikt is voor specifieke toepassingen.

Grijs ijzer toepassingen

Een van de belangrijkste kenmerken van grijs ijzer is het vermogen om slijtage te weerstaan, zelfs wanneer de smeermiddeltoevoer beperkt is (bijv. de bovenste cilinderwanden in motorblokken). Grijs ijzer wordt gebruikt voor het maken van motorblokken en cilinderkoppen, spruitstukken, gasbranders, tandwielen, behuizingen en behuizingen.

Toepassingen van wit ijzer

Het koelproces dat wordt gebruikt om wit ijzer te maken, resulteert in een bros materiaal dat zeer goed bestand is tegen slijtage en schuren. Om deze reden wordt het gebruikt om molenbekledingen, straalpijpen, spoorwegremschoenen, slurrypomphuizen, walsrollen en brekers te maken.

Ni-Hard Iron wordt specifiek gebruikt voor mixerpeddels, vijzels en matrijzen, voeringplaten voor kogelmolens, kolenkokers en draadgeleiders voor het trekken van draden.

Toepassingen van nodulair gietijzer

Nodulair gietijzer zelf kan worden onderverdeeld in verschillende kwaliteiten, elk met hun eigen specificaties en meest geschikte toepassingen. Het is gemakkelijk te bewerken, heeft een goede vermoeiings- en vloeigrens en is slijtvast. Het meest bekende kenmerk is echter ductiliteit. Nodulair gietijzer kan worden gebruikt om fusees, ploegscharen, krukassen, zware tandwielen, auto- en vrachtwagenophangingscomponenten, hydraulische componenten en autodeurscharnieren te maken.

Toepassingen van smeedbaar ijzer

Verschillende soorten smeedbaar ijzer komen overeen met verschillende microkristallijne structuren. Specifieke kenmerken die smeedbaar ijzer aantrekkelijk maken, zijn het vermogen om smeermiddelen vast te houden en op te slaan, de niet-schurende slijtagedeeltjes en het poreuze oppervlak dat ander schurend vuil vasthoudt. Smeedbaar ijzer wordt gebruikt voor zware lageroppervlakken, kettingen, tandwielen, drijfstangen, aandrijflijn en ascomponenten, rollend spoorwegmaterieel en landbouw- en bouwmachines.

Toepassingen van gecomprimeerd grafietijzer

Gecomprimeerd grafietijzer begint zijn aanwezigheid bekend te maken in commerciële toepassingen. De combinatie van de eigenschappen van grijs ijzer en wit ijzer creëert een product met hoge sterkte en hoge thermische geleidbaarheid - geschikt voor dieselmotorblokken en -frames, cilindervoeringen, remschijven voor treinen, uitlaatspruitstukken en tandwielplaten in hogedrukpompen.

Bewerking en afwerking

De hardheidseigenschappen van gietijzer vereisen een zorgvuldige selectie van materialen voor bewerkingsmachines. Gecoate carbiden zijn effectief in productieomgevingen voor machinale bewerking, maar naarmate de technologie verbetert, worden er voortdurend nieuwere materialen ontwikkeld.

De oppervlakteafwerking van gietijzeren producten varieert sterk naar gelang het gebruik. Een paar veelvoorkomende toepassingen:

• galvaniseren
• Heet dippen
• Thermisch spuiten
• Diffusiecoating
• Conversiecoating
• Porselein emailleren
• Vloeibare organische coating
• Droog poeder organische coating

Gietijzer en de toekomst

Vanaf het vroege gebruik, meer dan 3000 jaar geleden, is ijzer een integraal onderdeel van de menselijke samenleving gebleven. De ijzerproductie heeft een lange weg afgelegd sinds de eeuwen van ijzerbewerking door smeden tot de uitvinding van gietijzer in het industriële tijdperk.

Sindsdien is smeedijzer grotendeels achterhaald, behalve voor decoratief gebruik. Daarentegen maakt gietijzer nog steeds vorderingen op het gebied van samenstelling, microstructuur en mechanische eigenschappen - en blijft het zijn stempel drukken in de moderne wereld.

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