Zandgieten: proces, kenmerken en industriële toepassingen

Proces van zandgieten

Belang van zandgieten neemt toe door wetenschappelijk onderzoek met veel toepassingen en aanpassingen in gietindustrie. Waarschijnlijk de eenvoudigste en meest handige manier om metaal de gewenste vorm te geven.

Zand is meest gebruikt materiaal: makkelijk in elke vorm te stampen, hoge doortrekbaarheid, hoge temperatuurbestendigheid. Complexe vormen makkelijk te gieten met zandvormen, anders onmogelijk. Voor optimale kosten/kwaliteit: ontwerpdetails in overweging nemen.

Fig. 3.41 toont stroomdiagram zandgietproces.

Geautomatiseerde giet systemen

Trend naar volledige automatisering fundering voor lagere materiaal/arbeidskosten, hogere productiviteit, betere kwaliteit, betere werkomstandigheden. Recent pogingen voor geautomatiseerde inductie-gietsystemen.

Geautomatiseerde giet systemen fungeren als interface tussen vormgeving en smelten. Houden gesmolten metaal klaar voor gieten, gieten precies zoals vereist.

Inductie-gietovens met gecontroleerde stopprop gieten metaal direct in vorm of in gedoseerde hoeveelheden in intermediaire gietbekers. Kenmerken:

• Constant houden temperatuur en chemische samenstelling tijdens houden/gieten.
• Slakinclusies elimineren uit gegoten metaal.
• Inoculanten en legeringselementen op juist moment en exacte hoeveelheden toevoegen.
• Giet snelheid aanpassen aan innamecapaciteit vorm.
• Gewicht gegoten metaal precies meten.

Derde gietoven: cilindervormige mantel met refractaire voering, drukdichte deksel, flanged kanaalinductor, stopprop, drukregelsysteem. Vul/gieten door sifonvormige kanalen, bodemenden aan basis oven → virtueel slakvrij gieten.

Geperst gas drukt metaal in gietmond via stopprop. Gas houdt metaalniveau in mond constant ongeacht variërende hoeveelheid in oven. Giet snelheid geregeld door stoppropmovement.

Pneumatische servo-cilinder regelt stopprop continu volgens gietprogramma.

Omdat gietposities niet altijd gelijk: oven beweegt in twee richtingen (lengte/dwars) ten opzichte van vorminstallatie. Hydraulisch kantelapparaat laat oven volledig leeglopen.

Gekantelde inductor geflanst aan basis. Flens watergekoeld. Door opstijgen heter metaal: keelgebied vrij van korstvorming → mechanische reiniging toegankelijk. Inductor zelf toegankelijk van buitenaf. Door lage totale hoogte: geen put nodig, op vloer te plaatsen.

Vul/giet-sifonen makkelijk mechanisch schoon te maken. Opgehangen oxidedeeltjes (vooral bij Mg-behandeling) neeren op refractaire voering. Bovenste delen sifonen geflanst voor schoonmaak.

Inductie-gietovens elimineren slakinclusies, garanderen giet snelheid, meten metaalgewicht exact, constant temperatuur tijdens gieten. Metaal moet gegoten worden met snelheid aangepast aan innamecapaciteit vorm.

Modernste vooruitgang: elektronische monitoring gietproces, open-lus (teach-in) of gesloten-lus (regeling vormgate niveau).

Productiviteit verhogen door intermediaire gietbekers (kantelsystemen of stoppropcontrole bij speciale eisen).

Moderne geautomatiseerde giet systemen staan continue funderingsbedrijf toe: metaal altijd klaar voor gieten, precies in vorm gegoten.

Gietvoorziening (gating)

Zandgietstuk geproduceerd door gieten gesmolten metaal in vorm via poort genaamd gate. Conventioneel: gate aan scheidingslijn of laagste deel gietstuk.

Gietstelsel (gietbek, sprue, loper, gates) realiseert:

1. Metaal in vorm leiden met minimaal turbulentie. Overmatige turbulentie → aspiratie lucht, drosvorming.
2. Vormstelsel compleet vullen (minimaal verstoren → schoonheid, minder oxidatie).
3. Metaal verdelen met minimaal verstoren → erosie vormmateriaal en zandinclusies verminderen.
4. Dros/andere vervuiling scheiden/afschuimen: los zand, oxiden, slak stay buiten vormholte door afschuimende werking. (Uitsteeksels die stroom hinderen niet gebruiken. Dunne kernen/scheidingswanden die afplakken bij heet metaal vermijden in ontwerp).

Zwaardere secties moeten voldoende warm metaal via koppen/risers krijgen voor krimptoelage.

Eisen ideaal gietstelsel

Gietstelsel = gietbek, sprue, lopers, risers, gates. Moet temperatuurgradiënten bevorderen voor richtingsgewijze versterking. Instroomsnelheid laag en turbulentievrij → erosie vorm/kernoppervlakken vermijden. Gietstelsel even hard of harder stampen dan vormholte.

Alle delen afgerond, glad, gestroomlijnd → turbulentie/erosie voorkomen. Oxide/drosvorming vermijden, los zand vrijhouden. Loper iets verder dan laatste gate → vangt dros eerste metaalstroom. Slak/dros in gietbeker niet naar vormholte.

Gietstelsel moet inademing/absorptie lucht/gassen in metaal voorkomen. Overmatige overhitting → hogere gasinhoud, meer dros, nadelige invloed richtingsversterking. Gates leiden metaal naar zwaardere secties, liefst onder of via riser. Uiteindelijk gate praktisch en economisch te maken.

Gietsysteem (pouring system)

Belangrijke ontwerpoverwegingen:

1. Vloeistofstroom mag vormwanden niet beschadigen (erosie).
2. Vloeistof mag geen zand/slak in gietstuk meenemen.
3. Aspiratie gassen in metaalstroom vermijden.
4. Gieten met minimaal temperatuurverlies en temperatuurgradiënt op vormoppervlakken/in metaal voor richtingsversterking naar riser.

Allemaal bereikbaar door geschikt gietstelselontwerp en juist gietsysteem.

Om geen luchtabsorptie door metaal op neerwaartse passage in gate: vorm gate zodanig dat druk metaal nergens in gatepassage onder atmosferische druk komt. Mogelijk bij hyperboloïde doorsnede zijdes neergate.

Hyperbolische vorm lastig → taper sectie (boven groter, onder kleiner) dienstbaar. In praktijk: gietbek bovenaan, metaal via getaperde verticale sprue en korte horizontale gate (fig. 3.43). Minimaliseert oxidatie, schade vormholte (kracht binnenkomend metaal verminderd).

Spruedwarsdoorsnede: cirkel, vierkant, rechthoek. Afmeting: 10 mm vierkant (kleine gietstukken <12 kg) tot ~20 mm vierkant (zware gietstukken). Sprue voldoende groot om vol te blijven tijdens gieten, metaal niet met hoge snelheid in vorm (spattering/turbulentie).

Rechtop sprue met scherpe hoeken → zware aspiratie/turbulentie. Aspiratie verwaarloosbaar, geen turbulentie bij getaperde sprue, afgeronde hoeken, sprue-well, dam-type gietbek.

Gietbek vermindert erosieve kracht metaalstroom direct uit oven, handhaaft constant giethoofd. Keramische zeef bovenaan sprue voor drosverwijdering. Keramische splash-kern onderaan sprue vermindert erosieve kracht. Skim-bob val in horizontale gate tegen zwaardere/lichtere onzuiverheden.

Ontwerp van gating

Gate = opening van loper (gemeenschappelijke doorvoer voor metaal naar meerdere caviteiten) naar vorm. Afmeting en locatie gate: snelle vulling, verdeling met juiste snelheid, zonder overmatig temperatuurverlies, turbulentie, minimale erosie, geen gas/slak inklusies, geen krimpscheuren bij afkoeling, gemakkelijke verwijdering gate zonder schade gietstuk.

Grote gietbek bovenaan sprue-cum-riser of zeefkern in gietbek → los zand/dros buiten houden, metaal in kleine stroom laten vallen.

Te langzaam gieten → versterking begint voor complete vulling. Te snel → hoge snelheid erozeert vorm. Optimale giet snelheid essentieel.

Gates naar positie: top, scheidingslijn, bodem type. Top gating: metaal via kop/riser naar beneden. Erosie door vallend metaal voorkomen door harde vorm. Warm metaal blijft boven → juiste temperatuurgradiënten voor richtingsversterking naar riser. Top gate kan als riser dienen. Beperkt tot kleine/eenvoudige vormen of grote gietstukken in erosiebestendig materiaal. Niet aanbevolen voor lichte/oxideerbare metalen (Al, Mg) vrees voor inclusies door turbulente gieting.

Scheidingslijngating: metaal binnenkomt op zelfde niveau als vormsammenvoeging/scheidingslijn. Sprue verbonden met gietstuk via horizontale gate. Skimbob/skim-gate mogelijk voor slak/zand vang. Choke (beperking) regelt doorstroomsnelheid.

Bodemgating: metaal stroomt naar bodem vormholte in drag, binnenkomt onderaan gietstuk, stijgt zacht in vorm en om kernen. Beste voor grote staalgietstukken. Minste turbulentie/erosie. Wel langere vultijd. Richtingsversterking moeilijk: metaal verliest warmte in vormholte, bereikt riser veel kouder.

Aspiratie-effect

Bij foutief vormontwerp: metaalsnelheid hoog → druk onder atmosferisch → gassen uit verbranding organische verbindingen vervuilen metaalstroom → porieuze gietstukken.

Twee gevallen negatieve druk: sprue-ontwerp, plotselinge stroomrichtingsverandering. Fig. 3.47: druk punten 1 en 3 atmosferisch. Bernoulli: druk negatief in 2 als sprue gestippeld getekend. Oplossing: sprue getaperd, liefst gebogen (volledige lijn 1-2).

Andere geval fig. 3.48: richtingsverandering → vena contracta effect. Negatieve druk voorkomen: vormvorm volgens vena contracta profiel.

Gietverhouding (gating ratio)

Verhouding sprue-oppervlak : totaal loper-oppervlak : totaal gate-oppervlak. 4:3:2 = gepresuriseerd systeem. Verhoudingen zo dat rugdruk op gietstelsel door vloeistoffilmbeperking aan gates. Voor metalen: staal, ijzer, messing.

Gepresuriseerd systeem vol metaal. Rugdruk door beperking gates minimaliseert gevaar metaal trekt van vormwanden → luchtaspiratie. Gepresuriseerde systemen kleiner volume voor gegeven doorstroom → minder metaal in gietstelsel, hogere opbrengst. Maar zware turbulentie bij verbindingen/hoeken tenzij zorgvuldig gestroomlijnd. Hoge snelheid/turbulentie → inclusies, dros, erosie.

Ongepresuriseerd systeem: primaire beperking vloeistof bij/nabij sprue. Verhoudingen 1:3:3, 1:2:2 → ongepresuriseerd. Voor lichte, oxideerbare metalen (Al, Mg) waar turbulentie geminimaliseerd door stroom te vertragen.

Bij ongepresuriseerde systemen: zorgvuldig ontwerp om vol te blijven tijdens gieten. Drag-lopers en cope-gates helpen volle loper handhaven, maar gestroomlijning essentieel voor scheidingseffecten/luchtaspiratie.

Richtingsgewijze versterking (directional solidification)

Gesmolten metaal in vorm koelt, versterkt, krimpt in volume. Niet alle delen koelen even snel (varierende secties, warmteverlies). Holtes/holtes risico in bepaalde regio's.

Goed ontwerp: holtes gevuld met vloeibaar metaal uit nog-vloeibare deel. Versterking progressief van dunste sectie (eerst versterkt) naar risers (laatst versterkt) = richtingsgewijze versterking voor geluidskundige gietstukken.

Gewaarborgd door:

• Ontwerp/plaatsing gietstelsel en risers
• Dikte verhogen secties via padding
• Exotherme materialen in risers of aanslagzand
• Chills in vormen

Onzuiverheden uit gietstuk houden:

1. Voldoende grote gietbek breekt erosieve kracht stroom gesmolten metaal uit gietbeker. Goed ontwerp regelt instroomsnelheid, gladde instroom sprue, voorkomt turbulentie.
2. Keramische zeef in neersprue voorkomt dros uit gietbeker in gietstuk.
3. Maximale impact bodem verticale sprue → zanderosie → keramische splash-kern bodem sprue.
4. Scherpe hoeken metaalstroombaan gestroomlijnd → turbulentie/dode hoekjes vermijden (fig. 3.46).
5. Skim-bob vangt zwaardere/lichtere onzuiverheden.

Sektiedikte

Minimale sectiedikte voor diverse metalen beperkt door verschil versterkingstemperatuur en vloeibaarheid. Minimale dikte voor benodigde sterkte/gewicht zonder overmatige temperatuur voor stroming.

Normale waarden eenvoudig ontwerp: 3 mm gietijzer, 2,25 mm malleable ijzer, 6 mm staal, 2,25 mm messing/brons, 3 mm aluminium. Langere stromingslengte → grotere dikte. Ingewikkelde vormholte → hogere minimale dikte voor geluidskundige gietstukken.

Zo groot mogelijke uniformiteit metaalsectie tussen bossen/lugs en gietstuklichaam voor adequate voeding bos/lug.

Risering (risering)

Riser = gat in cope voor metaal boven hoogste punt gietstuk. Visuele controle vulling vormholte. Dient als voeder voor krimpcompensatie. Ontwerp riser: temperatuurgradiënten voor richtingsversterking naar riser. Helpt ook uitstoting stoom/gas/lucht tijdens vullen. Bij dunne secties meerdere risers voor grotere geluidskundigheid. Riser moet laatst versterken.

Riservoorzieningen

Na vulling vorm: metaal in risers. Risers = reservoir, warmtegradiëntregelaar, leveren vloeibaar metaal voor vloeistof- en versterkingskrimp. Meestal bovenste deel gevoede sectie. Volume 25–55% van gietstuk (afh. metaal). Belangrijk: risers zo geplaatst dat geen overmatige metaalverwijdering voor eindcontour. Risers verbonden met gietstuk via hals (gate) voor gemakkelijke verwijdering na versterking.

Riserontwerp

Zonder riser: versterking start van wanden, vloeibaar metaal centrum omringd door versterkte schil, krimpend vloeistof → holtes richting centrum. Verder afkoelen centrum → ongewilde spanningen.

Risers lossen op: leveren vloeibaar metaal voor versterkend gietstuk. Risers groot genoeg om vloeibaar te blijven na versterking gietstuk, voldoende metaal voor krimpverlies, zo gepositioneerd dat ze gedurende versterking blijven voeden.

Ontwerp en positionering risers

Meest efficiënte vorm riser (bepaalde grootte) = minimale warmteverlies → langst vloeibaar. Minimaal volume met langzamere afkoeling dan gietstuk.

Beste vorm algemene gietstukken: cylinder. Hoogte riser voldoende hoog dat eventuele pijp in riser niet in gietstuk doordringt. Hoogte/diameter verhouding 1:1 tot 3:2.

Optimale riserdiameter via:

(a) Chvorinov's regel

Bevriestijd ∝ (V/A)².

(b) Caine's methode

Relatieve bevriestijd gietstuk en riser. Definieert relatieve bevriestijd tot complete versterking als verhouding (oppervlakte gietstuk ÷ volume gietstuk) : (oppervlakte riser ÷ volume riser).

Volgens Caine: (1) als gietstuk oneindig snel versterkt, riservolume = versterkingskrimp gietstuk; (2) als voeder en gietstuk zelfde snelheid versterken, voeder oneindig groot.

Fig. 3.49: hyperbolische relatie relatieve bevriestijd en relatief volume.

Lage A/V (kubus, bol): één centrale riser voldoet. Hoge A/V (staaf, plaat): meerdere risers nodig, correcte plaatsing essentieel.

Staalplaat ≤100 mm: één centrale riser als max voedingsafstand < 4,5 t vanaf rand riser (fig. 3.51a). Meer risers: afstand tussen randen < 4 t (fig. 3.51b).

Vierkante staaf 50–200 mm zijde (s): centrale riser goed als max voedingsafstand 30√s vanaf rand; afstand tussen randen < 1,2 s.

Voedingsafstand riser verhoogd door chills: scherpe thermische gradiënt, lagere voedingsweerstand. Één riser: chill aan eind. Meerdere: chill halverwege. Fig. 3.55 schematisch plaatsing risers/chills met max toelaatbare afstanden.

Juiste plaatsing riser even belangrijk: moet effectief voeden. Kubische/bolvormige (chunky, lage A_c/V_c): één riser voldoet. Hoge A_c/V_c (staaf/plaat): meerdere risers. Alleen één riser → slushy toestand net voor versterking beperkt metaalstroom van enkele riser → centrumlijnkrimp. Duimregel: één riser voldoende als voedingslengte < 4,5× dikte plaat voor 12–100 mm staalplaten.

Vierkante staven 50–200 mm: centrale riser voor afstanden < 6× staafafmeting. Langere afstanden mogelijk met chills (verhogen afkoeling, verminderen centrumlijn voedingsweerstand). Legeringen met hogere centrumlijn voedingsweerstand dan staal: chills nodig voor geluidskundigheid kritieke delen.

Exotherme materialen in risers voor richtingsversterking door warmteproductie. Bestaan uit oxijden Fe, Cr, Ni, Cu en Al poeder. Toegevoegd aan oppervlak gesmolten metaal in riser net na gieten, of in zand van riserwanden. Chemische reactie bij contact met metaal → grote warmte → metaal in riser oververhit, langer vloeibaar.

Isolerende pads/mouwen om risers behouden warmte. Geschikte chills op gewenste locaties bevorderen richtingsversterking.

Invloed versterking

Ontwerp gietstuksectie moet risers in staat stellen vloeibaar metaal te leveren en richtingsversterking te controleren. Fig. 3.52: metaal versterkt naar binnen vanaf metaal-vorm interface progressief. Bij juiste temperatuursverschillen beweegt snijpunt progressieve bevriezing omhoog naar hittepunt, dat in riser moet liggen = richtingsgewijze versterking.

Als hoogte sectie te groot ten opzichte van dwarsdoorsnede: progressieve versterkingssnelheid overtrijdt richtingsversterking → fijn centrumlijnporositeit of grote holtes. Voorkomen: dwarsdoorsnede taperen naar beneden (boven groter, onder kleiner).

Sectieproportionering

Als secties adequate gevoed kunnen worden, beperkingen sectieproportionering minder kritisch dan ontwerp verbinding. Krimpspanningen door wijd uiteenlopende temperatuurgradiënten meenemen. Normaal gietstukken zonder chills mogelijk bij sectiediktes niet <80% of >120% van aangrenzende sectie (voor variaties ver van risers).

Verbindingen en krimp

Krimpholtes door onjuiste richtingsversterking vaak in L, T, Y, X secties en abrupt overgang groot/klein sectie. Op verbindingspunt: grotere massa → hittepiëk → richtingsbevriezing naar hittepiëk → voedt poten, ontstaat krimpholte.

Hittepiëk elimineren: sectie uniformer maken of chills nabij grotere massa dwarsdoorsnede (fig. 3.53). Ondanks alle inspanningen isolatie zware secties soms moeilijk.

Dan blijft aan de gieter controle bevriezing via:

1. Speciale manipulatie riserpositie in vorm.
2. Giet snelheid regelen.
3. Warm metaal in risers gebruiken.
4. Vormmaterialen met verschillende thermische eigenschappen.

Afrondingen (fillets)

Voldoende afrondingen bij alle snijpunten verhogen sterkte/geluidskundigheid. Afmeting afhankelijk van metaal, vorm/dikte wand, grootte gietstuk. Afrondingsstraal niet > sectiedikte.

Kookscheuren elimineren

Kookscheuren door temperatuurgradiënten → verschillende krimpsnelheden → spanningen door zandweerstand → breuk. Minimaliseren door goed ontwerp: abrupte sectiewijzigingen, scherpe hoeken, niet-uniforme ribben aan flenzen vermijden.

Gassen in gietstukken elimineren

Gassen verschijnen als gasholes (grote gaten, paar, verdeeld), pinholes (kleine gaten, veel, bovenkant), microporositeit (kleine gaten, doorheen). Juist riserontwerp en adequate ontluchting doortrekbare vormen essentieel.

Andere bron: opgeloste gassen in vloeibaar metaal bij hoge temperatuur, bij afkoeling vrijgekomen. Vacuümsmelten en vacuümdegaseren (vloeibaar metaal in lage druk kamer) verminderen gassen in smelt.

Kenmerken van zandgietstukken

1. Versterking onder non-evenwichtscondities → vatbaar voor koude scheuren bij onvoldoende ontwerpzorg. Krimpproblemen opgelost door richtingsversterking via tapers, metalen chills in vormwanden, reductie hittepuntjes bij verbindingen uniforme secties.
2. Versterkt metaal slechte afwerking. Oppervlak beïnvloed door patroonafwerking, zandstructuur, vormbehandeling, ontluchting, toegang vorm voor reinigen los zanddeeltjes voor sluiten.
3. Zandgietstukken voldoende porieus → niet voor drukvaten (doorgaans tot 10 kg/cm²).
4. Structuur zandgieten los → niet sterker dan gesmeed product.
5. Korrels niet dicht → lagere dichtheid, zwakkere sterkte.
6. Gietstukken via vormgeving: goede hardheid. Interne spanningen te elimineren door scherpe hoeken en fysieke beperkingen te vermijden.
7. Zandgietstukken slechte rekbaarheid.
8. Vormmethode geschikt voor matige en vooral grote gietstukken, ongeschikt voor dunne secties.
9. Geschiktheid zandgietstukken ligt bij hoge smeltpunt gesmolten metaal.
10. Zandgietstukken minder duur door lagere kosten zandvormen.
11. Interne geluidskundigheid gewaarborgd door minimaliseren gasontwikkeling bij versterking en turbulentie vermijden bij gieten. Fysieke beperking voorkomen → kookscheuren.