Vormzand in metallurgisch gieten: typen, samenstelling en kenmerken

Definitie van vormzand

Het belangrijkste grondstof voor vormgeving is vormzand omdat het diverse cruciale eigenschappen biedt die andere materialen niet hebben. Vormzand wordt gedefinieerd als korrelige deeltjes voortkomend uit verwering van gesteenten door natuurlijke krachten (vorst, wind, regen, warmte, waterstromingen). Gesteenten hebben complexe samenstelling; zand bevat de meeste elementen van het gesteente. Daardoor verschilt vormzand wereldwijd. In natuur voorkomend op bodems en oevers van rivieren en meren. Classificatie naar oorsprong.

Hoofdcomponenten van vormzand

• Silica (SiO₂) – 86 tot 90%
• Alumina (Al₂O₃) – 4 tot 8%
• IJzeroxide (Fe₂O₃) – 2 tot 5% met kleinere hoeveelheden oxiden van Ti, Mn, Ca en enkele alkalische verbindingen.

Natuurlijk zand (groenzand)

Afkomstig uit natuurlijke bronnen. Bevat water als enige binder. Voordelen: langdurig vochtgehalte behoud, breed werkbereik vocht, eenvoudig repareren en afwerken van vormen.

Kunstmatig zand (synthetisch zand)

Gemaakt door mengen van relatief kleivrij zand, binder (water en bentonite) en andere materialen naar behoefte. Eigenschappen eenvoudig te controleren door mengverhoudingen te variëren.

Samenstelling groen synthetisch zand voor staalgietstukken: Nieuw zilikzand 25%, oud zand 70%, bentonite 1,5%, dextrine 0,25%, vocht 3–3,5%.

Samenstelling droog synthetisch zand voor staalgietstukken: Netto zilikzand 15%, oud zand 84%, bentonite 0,5%, vocht 0,5%.

Naast deze zijn er speciale zanden als Zirconiet, Olivijn, duurder dan silice, alleen gebruikt waar gerechtvaardigd.

Typen vormzand naar gebruik

(i) Groenzand

Zand in natuurlijke (min of meer vochtige) toestand. Mengsel van silicezand, 18–30% klei, 6–8% water. Klei en water geven bindingskracht. Fijn, zacht, licht, porieus. Behoudt vorm onder druk bij stampen. Door verdichting porieus gemaakt door ontluchten. Scherpe randen vermijden (zwak, breken bij gieten warm metaal). Gebruikt voor kleine tot middelgrote vormen. Hogere opbrengst per vloeroppervlakte (geen droogkosten/vertraging). Steenkoolpoeder voorkomt fouten.

(ii) Droogzand

Voor grote gietstukken. Groenzandvormen gedroogd/gebakken om bijna al vocht te verwijderen. Structuur sterker en compacter. Ontluchten nodig maar minder dan groenzand. Voor zware grote vormen: koemest, paardenmest, grovere korrels.

(iii) Kleizand (loam sand)

Mengsel klei en zand gemalen met water tot dunne plastic pasta, waarop vormen opgebouwd worden op zachte stenen backing. Tot 50% klei, droogt hard. Bevat vuurklei. Moet voldoende hechtend voor verticale oppervlakken.gehakte strooi en mest als binding. Vochtgehalte 18–20%. Langzaam en volledig drogen voor gieten. Voor grote regelmatige gietstukken (chemische pannen, drums).

(iv) Aanslagzand (facing sand)

Direct naast patroonoppervlak, in contact met gesmolten metaal. Moet hoge sterkte en refractoriteit hebben. Gemaakt van silicezand en klei, zonder oud zand. Koolstofvormen (plumbagopoeder, Ceylon lood, grafiet) voorkomen dat metaal in zand brandt. Soms gemengd met 6–15× fijn vormzand. Laagdikte 20–30 mm. 10–15% van totaal vormzand.

(v) Achtergrondzand (backing sand)

Herhaald gebruikt vormzand, zwart door steenkoolpoeder en verbranding/contact met gesmolten metaal. Ook floor sand of black sand. Vul achter facing-laag. Zwakke binding: zandkorrelranden afgerond door hoge temperatuur en verbranding klei.

(vi) Systeemzand (system sand)

Voor machinevorming om hele flask te vullen. Sterkte, doortrekbaarheid, refractoriteit hoger dan backing sand.

(vii) Scheidezand (parting sand)

Fijn, scherp, droog zand om vormkisten van elkaar te scheiden en groenzand van patroon te houden. Schoon, kleivrij silicezand. Verbrande kernzand ook mogelijk.

(viii) Kernzand (core sand)

Voor kernen. Silicezand met kernolie (lijnzaadolie, kolofonium, lichte mineralolie, andere bindmiddelen). Voor economie: pek of bloem en water voor grote kernen.

(ix) CO₂-zand

Silicekorrels gecoat met natriumsilicaat in plaats van natuurlijke klei. Mengsel om patroon gepakt, verhard door CO₂ door tussenuites te blazen (~1 minuut). Zand wordt hard, sterke vorm.

(x) Shell-zanden

Synthetische zanden gecoat met fenol- of ureum-formaldehyde harsen, uitgehard tegen verwarmd patroon → sterke, dunne shell. Geen backing zand nodig. Legeringen versterken bij hoge temperatuur → harsen niet gedissocieerd. Vormen ontbinden na versterking door breuk chemische binding door warmte.

(xi) Aanslagzanden (herhaling?)

Eerst aanslagzand op patroon, zodat alleen dit contact met gesmolten metaal. Refractoer genoeg om niet te smelten/branden.

(xii) Achtergrondzanden (herhaling?)

Mechanische backing voor aanslagzand. Doortrekbaar voor gasontwijking.

(xiii) Vormwassen (mould washes)

Suspensies van fijn keramische korrels. Oppervlakken behandeld om vloeiing van aanslagzandkorrels te minimaliseren. Leveren gladder oppervlak door vullen tussenuites.

Hoofdcomponenten van vormzand

Silica, klei (binder) en vocht zijn drie hoofdbestanddelen. Silica als korrelkwarts is hoofdbestanddeel. Silicezand 80–90% siliciumoxide, hoge verzachtingtemperatuur, thermische stabiliteit. Geeft refractoriteit, chemische weerstand, doortrekbaarheid.

Gespecificeerd naar korrelgrootte en -vorm. Korrels: fijn, medium, grof; vorm: afgerond, semi-hoekig, samengesteld. Fijn zand voor kleine ingewikkelde gietstukken (slechte doortrekbaarheid). Medium voor bankwerk en lichte vloerwerk. Grof voor grote gietstukken (gasontwijking).

Korrelgrootte via zeven. Afgeronde korrels: minste contact, lage sterkte, hoge doortrekbaarheid. Semi-hoekig: minder doortrekbaar dan rond. Hoekig: meer sterkte, minder doortrekbaar. Samengestelde korrels (harde klonters) niet gewenst.

Siliciumoxide uit kwartsgeeste of ontbinding graniet (kwarts + veldspaat). Veldspaat → klei → plasticiteit in vochtige toestand (binding, sterkte bij vocht, toename sterkte na drogen). Normaal 6–10% klei in silicezand.

Klei = fijn silt (geen binding) + fijn klei (binding). Te veel klei → scheuring na drogen.

Overige stoffen: oxiden van ijzer, magnesia, soda, potas, kalk, water. Goed vormzand: onzuiverheden < 2%. Groenzand: laag vocht (3–5%). Droogzand: meer water bij maken, bevordert droge binding na opslag.

Steenkoolpoeder maakt zand openwerker, koelt vorm na gieten. Absorbeert warmte, voorkomt oververhitting/smelting zandkorrels. Geeft CO₂ beschermende film die metaal en zand scheidt.

Fig. 3.17 toont vier typen zandkorrels. Succes van gietproces hangt af van druksterkte, doortrekbaarheid (gasstroomsnelheid), deformatie, vloeibaarheid (vloeien om patroon heen bij stampen), refractoriteit. Fig. 3.18 toont invloed vochtgehalte (bij gegeven zand/klei verhouding) op deze eigenschappen.