Expertgids voor het ontwerpen van gietsystemen voor metalen gieten

Ontwerp van een gietsysteem

Het ontwerp van een gietsysteem hangt af van zowel de samenstelling van het metaal als die van de vorm. Bij gemakkelijk oxideerbare metalen met een laag smeltpunt, zoals aluminium, is een uitgebreid gietontwerp nodig om droskwaliteit (bijv. oxiden) te voorkomen. Voor gietijzer daarentegen wordt een korte stroompad voor het vloeibare metaal gekozen om een hoge giet temperatuur te vermijden. Het gietontwerp voor een keramische vorm verschilt aanzienlijk van dat voor een doortrekbare zandvorm.

Globaal kunnen gietontwerpen worden ingedeeld in drie categorieën:

• Verticaal gieten
• Bodemgieten
• Horizontaal gieten

Verticaal gieten

Bij verticaal gieten wordt het vloeibare metaal verticaal in de vorm gegoten, waarbij de basis onder atmosferische druk staat.

Bodemgieten

Bij bodemgieten wordt de vorm van beneden naar boven gevuld, wat de spatvorming en oxidatie die bij verticaal gieten optreden, voorkomt.

Horizontaal gieten

In een horizontaal gietssysteem worden extra horizontale secties toegevoegd voor een betere verdeling van het vloeibare metaal met minimale turbulentie.

Vultijdberekening met behulp van Bernoulli

Eenvoudige berekeningen op basis van vloeistofdynamica geven een schatting van de tijd die nodig is om een vorm te vullen. We illustreren dit voor de twee ontwerpen in figuur 2.6. De geïntegreerde energiebalansvergelijking per eenheid massa-stroom, bekend als de vergelijking van Bernoulli, wordt gebruikt.

In figuur 2.6a wordt aangenomen dat de druk in punten 1 en 3 gelijk is (p₁ = p₃) en dat niveau 1 constant blijft. De snelheid in station 1 (v₁) is nul. Wrijvingsverliezen worden verwaarloosd. De energiebalans tussen punten 1 en 3 geeft de snelheid van de straal die uittreedt tegen een statische hoofdh, waardoor de effectieve hoofdh (hₜ – h) wordt.

Voor het ogenblik dat het metaalniveau in de vorm stijgt over een hoogte dh in een tijdsinterval dt, met Aₘ en A_g de dwarsdoorsneden van de vorm respectievelijk de gate, geldt de vervolgberekening.

Aspiratie-effect

Bij een vorm van doortrekbaar materiaal (bijv. zand) moet ervoor gezorgd worden dat de druk nergens in de vloeibare metaalstroom onder de atmosferische druk daalt. Anders treden gassen vrij die ontstaan bij het uitbranden van organische verbindingen in de vorm, en gaan ze in de gesmolten metaalstroom, wat leidt tot porieuze gietstukken. Dit heet het aspiratie-effect.

Toepassing van Bernoulli tussen punten 2 en 3 in figuur 2.6a laat dit zien. Een andere situatie waarin aspiratie speelt, is een plotselinge verandering in stroomrichting. Zoals in figuur 2.9a te zien, trekt de vloeibare metaalstroom zich rond een scherpe hoek samen door het momentum-effect. In verticale gieting heeft dit niets met zwaartekracht te maken.

De ingetrokken regio in station 2 heet vena contracta. Om vacuümvorming rond station 2 te voorkomen, wordt de vorm aangepast aan de vena contracta (figuur 2.9b). Een scherpe richtingsverandering wordt dus vermeden. Als de loperdiameter d is en de diameter bij de ingang d', dan wordt d'/d meestal op ongeveer 1.3 gehouden, wat betekent dat r ≈ 0,15d.

Voorkomen van onzuiverheden in het gietstuk

De volgende elementen in een gietontwerp helpen onzuiverheden te voorkomen (zie ook figuur 2.10):

(i) Gietbekken

Vermindert de erosieve kracht van de metaalstroom rechtstreeks uit de oven. Een constant giethoofd kan zo worden gehandhaafd.

(ii) Zeef

Een keramische zeef in de sprue verwijdert dros.

(iii) Splash-kern

Een keramische splash-kern aan het einde van de sprue verlaagt ook de erosieve kracht van de metaalstroom.

(iv) Skim-bob

Een val in een horizontale gate die zwaardere en lichtere onzuiverheden tegenhoudt voordat ze de vorm binnenkomen.

Invloed van wrijving en snelheidsverdeling

De snelheid van vloeibaar metaal in de sprue en de gate is niet uniform over de dwarsdoorsnede. De snelheid van een vloeistof in contact met een vast oppervlak is nul en maximaal op de as van de leiding. De snelheidsverdeling hangt af van de vorm van de leiding en de aard van de stroom (laminair of turbulent). Tot nu toe werd wrijving verwaarloosd.

In echte vloeistoffen zijn wrijvingsverliezen altijd aanwezig, met name bij plotselinge afname of toename van de dwarsdoorsnede. In de vervolgbespreking passen we de eerder afgeleide vergelijkingen aan met behulp van snelheidsverdeling en wrijving.