Zandvormen begrijpen: definities, typen en grondbeginselen van metalen gieten

Definitie van zandvormen

Een zandvorm is een vooraf gevormde zandcontainer waarin gesmolten metaal wordt gegoten en versterkt. Na gieten wordt gietstuk uit zandvorm gehaald; vorm wordt meestal vernietigd. Vorm gevuld door gieten in opening bovenaan; juiste gangen voor stroom naar alle delen door zwaartekracht.

Kleine/middelgrote gietstukken in flask: rechthoekige doosvormige container zonder boven/onder. Flask in twee of drie delen, uitgelijnd met doppen. Flask moet geklemd worden voor gieten om opzwijken door opwaartse kracht gesmolten metaal te voorkomen.

Classificatie van zandvormen

Naar materiaal:

1. Groenzandvormen
2. Huid-droogvormen (skin-dry)
3. Droogzandvormen
4. Cement-gebonden vormen
5. Metaalvormen

1. Groenzandvormen

Vocht aanwezig in zand tijdens gieten. Korrels samengehouden door vochtige klei. Vochtgehalte kritiek te controleren. Voor praktisch alle ferrolegeringen. Groenzand in veel soorten; kleine, middelgrote, vaak grote vormen. Minst duur (basismateriaal goedkoper). Hogere opbrengst per vloeroppervlakte. Geen backing operaties/apparatuur, maar droge zandkernen nodig. Zachter dan droogzand → meer vrijheid in krimp bij versterking/afkoeling. Snellere vormgeving. Nadelen: minder sterk → schade bij hantering/metaalerosie. Vocht kan fouten veroorzaken (blowholes, gasholes). Niet lang opslaan. Oppervlakteafwerking niet erg glad. Soms additieven (steenkoolpoeder, organisch) → loamvorming.

Drie gangbare groenzandvormmethodes:

(a) Open zandmethode

Eenvoudigste: hele vorm in funderingsvloer of zandbed boven vloer. Voor eenvoudige massive gietstukken met platte top. Na nivelleren patroon in zandbed drukken. Vormdoos niet nodig; bovenste oppervlak open. Gietbek aan einde, overflowkanaal aan zijden.

(b) Ingebedde methode (bedded-in)

Cope (zandafdekking) nodig. Bij niet-plat bovenoppervlak. Patroon in zand vloer of gedeeltelijk gevulde drag gehammerd. Boven drag gladgestreken, scheidezand gestrooid. Cope over patroon geplaatst en gestampt. Lopers/risers gesneden, cope getild. Patroon ongetrokken, drag/cope oppervlakken afgewerkt, cope teruggeplaatst.

(c) Omkeermethode (turn-over)

Veelgebruikt voor massive en gesplitste patronen. Helft patroon met plat zijde op vormplank, drag gestampt en omgedraaid. Vervolgens cope over andere helft, gestampt/omgedraaid. Beide patronenhelften geschud/ontrokken. Cope op drag voor monteren vorm.

2. Huid-droogvormen (Skin-dry)

Groenzand met droogzandbakken. Soms vocht gedroogd van oppervlaktelaag (25 mm) met heater/gasbrander. Vaker bij grote vormen. Voor vrijwel alle ferro en non-ferro legeringen. Minder duur dan droogzand, duurder dan groenzand. Voordelen: minder apparatuur, goedkopere materialen, minder voorbereidingstijd, minder vloerruimte. Nadelen: niet zo sterk als droogzand, niet lang opslaan (vocht migreert door droge huid).

3. Droogzandvormen

Zand dat geen vocht nodig heeft voor sterkte. Mengsel kleine/middelwerk: 13 delen vloerzand, 8 delen nieuw zand, 1 deel paardenmest/zaagsel. Zwaar werk: 11:9:1, extra zwaar: 10:10:1.

Vormoppervlak besproeid met melassewater. Alle delen in oven gebakken 150–300°C (tot vocht verdampt) voor sterkte, erosiebestendigheid, betere oppervlakte. Vooral voor staalgietstukken. Meestal kleine/middelgrote operaties. Grotere operaties: secties bakken, na bakken monteren. Sterker, makkelijker te hanteren met minder schade, langer opbergbaar. Weerstand metaalerosie, vochtgerelateerde fouten geëlimineerd. Nadelen: duurdere materialen, hogere arbeidskosten, extra operaties/apparatuur/ruimte.

4. Cement-gebonden vormen

Silicezand gebonden met Portlandcement, droogt in lucht. Meest gebruikt voor zeer grote ferrowerk en putvorming, en waar bakken onmogelijk is. Hoge sterkte, alle voordelen droogzand. Extra ruimte voor uitharding in lucht nodig. Materialen niet herbruikbaar → duurder proces.

5. Metaalvormen

Voor drukgieterij, permanente vormgieten, centrifugaal gieten.

Voeding van metaal in zandvormen

Voedingsproblemen oplossen, met name bij complexe vorm/afmetingen, is cruciaal voor geluidskundige gietstukken. Problemen door lage warmteafname snelheid bij grote metallen massa → kleine temperatuurgradiënten, moeilijke richtingsgewijze versterking naar voeder.

Richtingsgewijze versterking makkelijk bij legeringen met smal vriesbereik; moeilijk bij wijd bereik. Plaatsing voeders/risers om dikke secties (die geïsoleerd raken bij versterking) van warm vloeibare metaal te voorzien, en initiële temperatuurgradiënten te creëren, is essentieel. Soms kunstmatig gradiënten via chills in vormen, isolerende pads, getaperde secties.

Krimpholtes waarschijnlijk in secties als T's en kruisen die langzamer versterken (meer metaalvolume, minder oppervlakte voor warmteafgifte). Oplossing: vormgeving waar metaalvolume afneemt en warmteafgifte-oppervlakte toeneemt.

Bij kruisen: beste resultaten door ribben verspringend te plaatsen, gecentreerd gekoorde gat, of cirkelvormig web met dunne wanden dan rechte ribben. Zorgen dat laatst versterkende deel gevoed wordt uit voeder. Ontwerp, dimensionering, plaatsing voeders/gates/kanalen cruciaal.

Meestal ervaring, maar wetenschappelijke/empirische regels als leidraad.

(i) Warmteoverdrachtsbenadering (Wortel-tijd effect)

...

(ii) Chvorinov's regel

Volgens Chvorinov: dikte uniforme huid ∝ √t. Voor elke vorm met dezelfde grensvoorwaarden: versterkingstijd ∝ (V/A)².

Om te garanderen dat metaal in voeder laatst versterkt: (V/A)_voeder > (V/A)_gietstuk.

Bij zelfde volume, versterkingstijd toegenemend voor vormen in volgorde (afnemende oppervlakte):

1. Platen
2. Staven
3. Cuboids
4. Korte cylinders
5. Spheren

Theoretisch sfeer langst, maar niet haalbaar voor voeders. Korte cylinder benaderd best; getaperd voor vormgeving.