Essentiële stappen in het gietproces: 4 cruciale fasen uitgelegd

De vier hoofdstappen van het gietproces

1. Voorbereiding van patroon en vorm
2. Smelten en gieten van het vloeibare metaal
3. Afkoelen en versterking van vloeibaar metaal
4. Fouten en inspectie

Stap 1: Voorbereiding van patroon en vorm

Een patroon is de replica van het te gieten deel en dient om de vormholte te maken. Patronen zijn van hout of metaal. Een vorm is een samenstelling van twee of meer metalen blokken of gebonden refractaire deeltjes (zand) met een primaire holte.

De vormholte houdt het vloeibare materiaal en fungeert als negatief van het gewenste product. De vorm bevat ook secundaire holten voor gieten en geleiden van het vloeibare metaal naar de primaire holte en eventueel als reservoir.

Een vierkante frame waarin een zandvorm wordt gemaakt heet een flask. Bij een meerdelige vorm is het bovenste deel de cope en het onderste de drag.

Voor holle secties wordt de instroom van vloeibaar metaal voorkomen door een kern in de corresponderende vormholte. De uitsteeksels op het patroon voor het positioneren van de kern heten kernafdrukken. Er zijn diverse patroon- en vormtypen afhankelijk van materiaal, werkstuk en aantal gietstukken.

Patroontoelatingen

Een patroon is altijd iets groter dan het eindproduct. Deze dimensionele meerwaarde heet patroontoelage. Er zijn twee categorieën: krimptoelage en bewerkingsstoelage.

Krimptoelage

De krimptoelage compenseert de krimp van een gietstuk. De totale krimp vindt in drie stadia plaats:

1. Krimp van het vloeistof van giet temperatuur naar vries temperatuur.
2. Krimp bij fasenverandering van vloeistof naar vast.
3. Krimp van het vaste gietstuk van vries temperatuur naar kamertemperatuur.

Alleen het laatste stadium wordt door de krimptoelage gedekt. De hoeveelheid hangt af van de lineaire thermische uitdijtingscoëfficiënt αₗ van het materiaal. Voor een afmeting l van het gietstuk is de krimptoelage αₗ × l × (θ_f – θ₀), waar θ_f het vriespunt is en θ₀ de kamertemperatuur. Tabel 2.1 geeft indicatieve waarden.

Bewerkingstoelage

Een gegoten oppervlak is te ruw voor direct gebruik. De meerwaarde in afmetingen ten opzichte van het eindproduct om bewerking mogelijk te maken, heet bewerkingstoelage. Deze hangt af van materiaal en afmetingen, maar niet lineair als krimptoelage. Voor inwendige oppervlakken zijn toelatingen negatief; doorgaans 1 mm meer dan in de tabel.

Trekafstand (draft)

Een tapering op vlakken parallel aan de onttrekkingsrichting van het patroon uit de vormholte vergemakkelijkt onttrekking. Gemiddelde waarde: ½° tot 2°.

Vormbereiding

Vormen worden handmatig gemaakt bij kleine aantallen; bij grote series worden vormmachines gebruikt. Belangrijke aspecten:

• Onttrekkingsmiddel (bijv. niet-benattend talk) op het patroon.
• Fijnkorrelig aanslagzand voor goede oppervlakkwaliteit.
• Gewicht op de cope-flask om opzwijken door hydrodynamische krachten te voorkomen.
• Gaggers (ondersteuningen) in de cope bij grote vormen om zandval te voorkomen.
• Bij ingaande oppervlakken (bijv. wiel met groef) een driedelige vorm met cheek tussen cope en drag.
• Ontluchtingsgaten in de cope voor gasontwijking.

Vormmachines

Werken op beginselen van jolt ramming (hijsen en vallen 50–100 keer/min), squeezen (persen, geschikt voor ondiepe flasks) en sand slinging (zand slingeren, snel en uniform, maar hoge investeringskost).

Stap 2: Smelten en gieten van het vloeibare metaal

Smelten

Zorgvuldig smelten is essentieel voor foutloze gietstukken. Factoren: gassen in metalen, keuze en controle van schroot, flux, oven en temperatuur.

Gassen in metalen

Gassen leiden meestal tot fouten, maar gecontroleerde hoeveelheden specifieke gassen kunnen wenselijke eigenschappen geven. Gassen in gietstukken:

• Mechanisch opgesloten (goede ontluchting voorkomt dit).
• Ontstaan door oplosbaarheidsverschillen bij verschillende temperaturen/fases.
• Geproduceerd door chemische reacties.

Meest voorkomend: waterstof en stikstof. Metalen worden ingedeeld in endotherm (Al, Mg, Cu, Fe, Ni) en exotherm (Ti, Zr). Endotherme metalen absorberen minder waterstof; oplosbaarheid neemt toe met temperatuur. Bij exotherme metalen is het omgekeerd.

Oplosbaarheid S = C exp[–Eₛ/(kθ)], met Eₛ warmte van oplossing. Voor exotherme metalen (Eₛ negatief) kan er geen gasuitvalling bij afkoeling plaatsvinden.

Waterstof lost interstitieel op in exotherme metalen (roostervervorming); in endotherme metalen in roosterdefecten zonder vervorming. Tabel 2.2 toont oplosbaarheid in vaste en vloeibare fase bij solidus temperatuur. Het verschil veroorzaakt gasontwikkeling.

Waterstof is een groot probleem bij ferro gieten. Hoewel gewichtsgewijs verwaarloosbaar, is het geëvolueerde volume bij versterking groot. Wet van Sievert: hoeveelheid opgeloste waterstof varieert met de wortel van de partiële druk.

Bronnen: ovenvocht, lucht, olie, vet. Geen eenvoudige dewaterstoftoevoeging via slak. Minimale waterstofgehalte is cruciaal.

Verwijderingstechnieken baseren zich op verlaging van partiële druk door bubbelen van droge onoplosbare gas door de smelt. Voor non-ferro: chloor, stikstof, helium, argon. Stikstof niet voor ferro/nikkel-legeringen (oplosbaar, nitridvorming). Voor ferro: koolmonoxide-bellen (verwijderen ook stikstof; koolstofgehalte later geregeld via oxidatie/recarburisatie).

Bij ferro kan een sterke daling van stikstofoplosbaarheid bij fasenverandering porositeit geven. Herintrede stikstof uit lucht wordt voorkomen door ondoordringbare slaklaag.

Vacuümsmelten neemt toe om gasoplossing en reactieve elementen te voorkomen. Toevoegingen in de gietbeker zijn effectiever dan in de smelt.

Ovens

Keuze hangt af van metaalchemie, maximum temperatuur, afgiftesnelheid en -modus, formaat en vorm van grondstoffen. Metaalchemie bepaalt niet alleen standaardelementen maar ook mechanische eigenschappen (bijv. bewerkbaarheid).

Optimale giet temperatuur wordt bepaald door vloeibaarheid (fluidity): de vermogen om de vorm te vullen bij een gegeven temperatuur. Lagere viscositeit = hogere vloeibaarheid. Test: spiraal van standaardafmetingen gieten bij verschillende temperaturen; lengte voor versterking is maat voor vloeibaarheid. Hogere vloeibaarheid = kleiner verschil tussen giet- en smelttemperatuur. Voor ingewikkelde dunne secties moet dit verschil minimaal zijn (lagere kosten, minder gasoplossing).

Snelheid en modus van metaalaanvoer hangen af van batch- of continu smelten.

Gieten (gietontwerp)

Na smelten wordt metaal in de vormholte gegoten of geïnjecteerd. Een goed gietontwerp zorgt voor verdeling met juiste snelheid, zonder overmatige temperatuurverlies, turbulentie, en inclusie van gassen en slakken.

Te langzaam gieten → versterking begint voor volledige vulling (oplosbaar door oververhitting, maar dan gasprobleem). Te snel → erosie van vormoppervlak. Compromis voor optimale snelheid.

Stap 3: Afkoelen en versterking van vloeibaar metaal

Begrip van versterkingsmechanisme is essentieel voor succesvolle gietstukken. Tijdens versterking worden kristalstructuur en legeringsamenstelling bepaald. Onjuiste behandeling leidt tot krimpholtes, koude sluitingen, misruns, kookscheuren.

Riser-ontwerp en -plaatsing

Versterkingstijd hangt primair af van verhouding V/A (volume/oppervlakte warmteafgifte). Dit wordt gebruikt bij riser-ontwerp om te zorgen dat de riser na het gietstuk versterkt.

Het benodigde vloeibare metaal uit de riser compenseert alleen krimp van giet temperatuur tot versterking (2,5–7,5% afhankelijk van metaal). Een grote riser (voor langzame afkoeling) is onzuinig. Ontwerp: minimaal volume met langzamere afkoeling dan het gietstuk.

Een gietstuk met hoge A/V-verhouding vereist een grotere riser dan op basis van afkoelsnelheid alleen. Voorbeeld: staalplaat 25×25×0,25 cm heeft A/V = 160 cm⁻¹. Een riser van 1,95 cm³ is ontoereikend; veel grotere riser nodig.

Voor een gegeven riservorm: kies afmetingen voor minimaal A/V, en minimaal volume op basis van krimp. Onthoud: metaal vloeit uit riser alleen in beginfase versterking → minimaal riservolume ≈ 3× krimpvolume.

Caine-relatie

Versterkingstijd ∝ (V/A)². Caine-relatie veronderstelt lineaire verhouding tussen afkoelsnelheid en A/V. In figuur 2.31: als punt rechts van kromme ligt, is riser voldoende. Vergelijking: (V/A)_r / (V/A)_c = a + b + c… (a = vriesconstante, b = krimpverhouding vloeistof-vast, c = constant voor omgevingsmedia). Voor staal: a=0,1, b=0,03.

Vereenvoudigde methode met vormfactor

Berekening van (A/V)_c voor complexe gietstukken is lastig. Alternatief: riser-kromme met vormfactor (l+w)/h op x-as (l=max lengte, w=max breedte, h=max dikte). Geeft bij eenvoudige vormen nagenoeg identieke resultaten. Bij dunne uitlopers: marginale toename van berekend volume (op basis van hoofdbulk) voldoende. Bij zwaardere uitlopers: effectief percentage van uitloper-volume (parasitair volume) uit krommen (fig. 2.33). Platen: breedte > 3× diepte; staven: breedte ≤ 3× diepte.

Geen speciale middelen voor afkoelcontrole. In praktijk: chill-blokken of dunne ribben op gietstuk verhogen afkoelsnelheid. Chillen minder effectief als metaal hogere thermische geleiding heeft dan chill. Om riser langer vloeibaar te houden: exotherme verbindingen in riser.

Naast grootte en afkoeling: riser moet vloeibaar metaal kunnen voeden naar gewenste locaties. Thermische gradiënt in laatste afkoelstadium is beslissend. Minimale gradiënt hangt af van vorm en dwarsdoorsnede. Lage A/V (kubus, bol): één centrale riser voldoet. Hoge A/V (staaf, plaat): meerdere risers nodig, correcte plaatsing essentieel.

Staalplaat ≤100 mm dikte: één centrale riser als maximale voedingsafstand < 4,5× dikte (gemeten vanaf rand riser). Van totaal 4,5t heerst riser-gradiënt tot 2t, eindwand-gradiënt over 2,5t. Maximale afstand tussen randen van twee opeenvolgende risers = 4t (niet 9t).

Vierkante staaf 50–200 mm: centrale riser tot 30√s (s = zijde in mm). Maximale afstand tussen randen = 1,2s.

Chill in vorm verhoogt voedingsafstand door scherpe thermische gradiënt en lagere voedingsweerstand. Één riser: chill aan uiteinden. Meerdere risers: chill halverwege. Figuur 2.35 toont schematisch plaatsing en maximaal toelaatbare afstanden.

Stap 4: Fouten en inspectie

Gietfouten (beperkt tot zandvormgietstukken)

Fouten ontstaan door defecten in:

1. Ontwerp gietstuk en patroon
2. Vormzand en ontwerp vorm/kern
3. Metaalsamenstelling
4. Smelten en gieten
5. Gieten en risering

Meest voorkomende fouten

1. Blow: grote, ronde holte door gassen die gesmolten metaal op cope-oppervlak verdringen. Meestal op convexe oppervlakken. Voorkomen: goede ontluchting, voldoende doortrekbaarheid, gecontroleerde vocht/ vluchtige bestanddelen.
2. Scar: ondiepe blow op vlak oppervlak.
3. Blister: scar bedekt met dunne metaallaag.
4. Gasholes: ingeperste gasbellen, bijna bolvormig, door overmatig opgeloste gassen.
5. Pinholes: minuscule blowholes, op of net onder oppervlak, grote aantallen, uniform verdeeld.
6. Porositeit: heel kleine gaten uniform verdeeld, door afname gasoplosbaarheid bij versterking.
7. Drop: onregelmatige uitsteeksel op cope door zandval. Voorkomen: voldoende zandsterkte, gaggers.
8. Inclusie: niet-metalisch deeltje in metaalmatrix, ongewild bij segregatie.
9. Dros: lichtere onzuiverheden op bovenzijde. Te controleren bij gieten met zeef en skim-bob.
10. Dirt: zanddeeltjes uit cope eingebed in oppervlak; na verwijderen hoekige gaten. Duido op patroonontwerp met minimaal cope-deel; kritische oppervlakken in drag.
11. Wash: lage uitsteeksel op drag nabij gate door erosie door hoge snelheid bij bodemgieten.
12. Buckle: brede, V-vormige depressie in vlak gietstuk van hoogtemperatuurmetaal. Uitdijning dunne zandlaag voor versterking, geblokkeerd door flask → bulging. Voldoende vluchtige additieven in zandmengsel creëert ruimte.
13. Scab: ruwe, dunne metaallaag op dunne zandlaag, vastgehouden door metaaldraad. Ontstaan door opgeworpen zand dat van vorm loskomt, metaal vloeit ertussen.
14. Rat tail: lange, ondiepe, hoekige depressie in dun gietstuk. Oorzaak als buckle, maar gelaagd zand glijdt over elkaar in plaats van opwaartse beweging.
15. Penetratie: vloeibaar metaal stroomt tussen zandkorrels door te zacht/porieus vormoppervlak → ruwe porieuze uitsteeksels. Zandsmelting geeft ruwe, glanzende uitstraling.
16. Swell: vergroting vormholte door hydrostatische druk bij hoog vochtgehalte in zand.
17. Misrun: vloeibaar metaal bevriest voordat verste punt bereikt is (ontoereikende overhitting).
18. Cold shut: misrun in centrum bij gietstuk met gates aan twee kanten.
19. Hot tear: scheur door hoge resterende spanningen.
20. Krimpholte: onjuiste riser leidt tot krimpholte (zoals beschreven).
21. Shift: misalignement tussen vormhelften of kern → vormverschuiving of kernverschuiving.

Inspectie van gietstukken

Niet-destructieve inspectietechnieken zijn essentieel voor vertrouwen in gegoten producten.

1. Visuele inspectie

Ruwe oppervlakken (gesmolten zand), duidelijke verschuivingen, ontbrekende kernen, oppervlaktescheuren. Scheuren ook detecteerbaar door te kloppen met hamer en te luisteren naar toon.

2. Druktest

Voor gietstukken als drukvat. Flenzen en poorten afdichten, vullen met water/olie/gecomprimeerde lucht, dompelen in zeepoplossing → lekkages door bellen.

3. Magnetische deeltjesinspectie

Voor ferromagnetische materialen. Poeder op oppervlak; plotselinge permeabiliteitsverandering door gaten/scheuren → lekkage magnetisch veld → deeltjes accumuleren op discontinuïteit.

4. Kleurstofpenetratie-inspectie

Voor niet-magnetische gietstukken. Behandelen met fluorescerende kleurstof, afvegen, drogen, bekijken in duisternis → discontinuïteiten zichtbaar.

5. Radiografische onderzoek

Duur, enkel voor onderzoeken onder oppervlak. X- en γ-straling. γ: meerdere films tegelijk; X: scherpere beelden. Detecteert gaten, niet-metallische inclusies, porositeit, scheuren, kookscheuren. Fouten donkerder op film.

6. Ultrasonische inspectie

Oscillator zendt ultrasoonssignaal; reflectie bij discontinuïteit. Tijdinterval geeft locatie. Minder geschikt voor hoge demping (bijv. gietijzer) → signaal verzwakt.