Gietzand Uitgelegd: Typen, Eigenschappen en Toepassingen in Gieterijwerk

Wat is Gietzand?

Gietzand, ook wel gietereizand genoemd, is zand dat bij bevochtiging en comprimering, oliën of verhitten goed samendraait en zijn vorm behoudt. Het wordt gebruikt in het zandgietproces voor het voorbereiden van de gietvormholte.

De belangrijkste grondstof bij gieten is gietzand omdat het diverse cruciale eigenschappen biedt die andere materialen niet hebben. Gietzand wordt gedefinieerd als granulaire deeltjes voortkomend uit de ontbinding van rotsen door natuurlijke krachten als vorst, wind, regen, hitte en waterstromingen. Rotsen hebben een complexe samenstelling en zand bevat de meeste elementen van de rotsen.

Daarom verschilt gietzand aanzienlijk per werelddeel. In de natuur wordt het gevonden op de bodem en oevers van rivieren en meren. Gietzand wordt ingedeeld in categorieën volgens de aard van zijn oorsprong.

De hoofdbestanddelen van gietzanden zijn:

• 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

Ook wel groenzand genoemd, wordt verzameld uit natuurlijke bronnen. Het bevat water als enige binder. Het behoudt lange tijd vocht, heeft een brede werkbereik voor vochtgehalte, en stelt eenvoudig herstellen en afwerken van gietvormen toe.

Groenzand is een mengsel van zand, bentonietklei, gepulveriseerde steenkool en water. Het hoofddoel is het maken van gietvormen voor metalengieten. Het grootste deel is altijd zand, vaak een uniforme mengsel van een vorm van silica.

Er zijn veel recepten voor de kleiproportie, allemaal met andere balans tussen vormbaarheid, oppervlakteafwerking en het vermogen van het hete vloeibare metaal om uit te gasen. De steenkool (vaak zeekool genoemd), aanwezig in een verhouding van minder dan 5%, verbrandt deels aan het oppervlak van het vloeibare metaal wat leidt tot uitgassing van organische dampen.

Zandgieten is een van de oudste gietmethoden door de eenvoud van de materialen. Het blijft een van de goedkoopste manieren om metalen te gieten. Andere methoden, zoals kokillengieten, bieden betere oppervlakteafwerking maar tegen hogere kosten.

Groenzand (zoals andere gietzanden) wordt meestal bewaard in wat gieters een "flask" noemen — dozen zonder bodem of deksel. De doos is verdeeld in twee helften die in gebruik op elkaar gestapeld worden. De helften heten respectievelijk cope en drag flask.

Niet alle groenzand is groen van kleur. "Groen" verwijst naar de natte toestand (vergelijkbaar met groen hout). Volgens de Cast Metals Federation is een alternatieve methode het drogen van het gevormde zand voor het gieten van het vloeibare metaal. Dit droogzandgietproces levert een rigidere vorm, beter geschikt voor zwaardere gietstukken.

Kunstmatig Zand

Kunstmatig zand wordt verkregen door relatief kleivrij zand te mengen met binder (water en bentoniet) en andere materialen naar behoefte. Het is beter te beheersen omdat de eigenschappen gemakkelijk te controleren zijn door de mengsamenstelling te variëren.

De samenstelling van groen kunstmatig zand voor staalgietstukken:

• Nieuw silica-zand — 25%
• Oud zand — 70%
• Bentoniet — 1,5%
• Dextrine — 0,25%
• Vocht — 3 tot 3,5%

De samenstelling van droog kunstmatig zand voor staalgietstukken:

• Net silica-zand — 15%
• Oud zand — 84%
• Bentoniet — 0,5%
• Vocht — 0,5%

Naast dit bestaan speciale zanden zoals Zirconiet, Olivijn, etc. Deze zijn duurder dan silica en worden alleen gebruikt waar hun toepassing gerechtvaardigd is.

Typen Gietzand

Gietzanden kunnen ook ingedeeld worden volgens hun gebruik: achtergrondzand, kernzand, droogzand, aanslagzand, groenzand, leemzand, scheidzand, systeemzand.

1. Achtergrondzand of vloerzand

Achtergrondzand of vloerzand wordt gebruikt om het aanslagzand te ondersteunen en de hele inhoud van de gietvormkist te vullen. Soms zwart zand genoemd omdat oud, herhaaldelijk gebruikt gietzand zwart is door koolstofstof en verbranding bij contact met vloeibaar metaal.

2. Kernzand

Kernzand wordt gebruikt voor het maken van kernen en heet soms ook oliezand. Het is hooggradig silica-rijk zand gemengd met oliebinders zoals kernolie (bestandend uit lijnzaadolie, hars, lichte minerale olie en andere bindmiddelen). Pees of bloem en water kunnen bij grote kernen voor de economie worden gebruikt.

3. Droogzand

Groenzand dat na het maken van vorm en kernen in een geschikte oven gedroogd of gebakken is, heet droogzand. Het bezit meer sterkte, rigiditeit en thermische stabiliteit. Hoofdzakelijk gebruikt voor grotere gietstukken. Vormen van dit zand heten droogzandvormen.

4. Aanslagzand

Aanslagzand vormt het gezicht van de gietvorm. Het ligt naast het patroonoppervlak en komt in contact met vloeibaar metaal bij het gieten. De initiële coating rond het patroon en dus voor het gietvormoppervlak wordt gegeven door aanslagzand. Aanslagzand heeft hoge sterkte en vuurvaste eigenschappen. Het bestaat uit silica-zand en klei, zonder hergebruikt zand.

Vormen koolstof worden in aanslagzand gebruikt om te voorkomen dat het metaal in het zand brandt. Een aanslagzandmengsel voor groenzand van gietijzer kan bestaan uit 25% vers en speciaal voorbereid zand en 5% zeekool.

Soms gemengd met 6-15 keer zoveel fijn gietzand om aanslagen te maken. De laag aanslagzand in een gietvorm loopt meestal tussen 20-30 mm. 10 tot 15% van het totale gietzand is aanslagzand.

5. Groenzand

Groenzand, ook getemperd of natuurlijk zand genoemd, is een net gemaakte mengsel van silica-zand met 18 tot 30% klei, met een vochtgehalte van 6 tot 8%. De klei en het water zorgen voor de binding. Het is fijn, zacht, licht en porieus.

Groenzand is vochtig wanneer uitgeknijpt en behoudt de vorm en indruk die onder druk gegeven wordt. Vormen van dit zand vereisen geen achtergrondzand en heten groenzandvormen.

Groenzand is gemakkelijk verkrijgbaar en goedkoop. Veel gebruikt voor de productie van ferro- en non-ferro gietstukken.

6. Leemzand

Leemzand is een mengsel van zand en klei met water tot een dunne plastic pasta. Het bezit zoveel als 30-50% klei en 18% water. Patronen worden niet gebruikt bij leemgieten; de vorm wordt gegeven door sweeps. Leemzand wordt specifiek gebruikt voor leemgieten van grote grijze ijzergietstukken.

7. Scheidzand

Scheidzand zonder binder en vocht wordt gebruikt om te voorkomen dat groenzand aan het patroon kleeft en om de scheidingsvlakken van cope en drag te laten scheiden zonder te klitten. Het is schone, kleivrije silica-zand die hetzelfde doel dient als scheidstof.

8. Systeemzand

In gemachiniseerde gieterijen waar machinevormen wordt toegepast, vult systeemzand de hele gietvormkist. Bij mechanische zandvoorbereiding en -afhandeling wordt geen aanslagzand gebruikt. Het gebruikte zand wordt gereinigd en gereactiveerd door toevoeging van water en speciale additieven. Dit heet systeemzand. Omdat de hele vorm hiervan gemaakt is, moeten eigenschappen als sterkte, permeabiliteit en vuurvastheid hoger zijn dan die van achtergrondzand.

Eigenschappen van Gietzand

De basiseigenschappen die vereist zijn in gietzand en kernzand zijn: hechtendheid, cohesie, instortbaarheid, vloeibaarheid, droogsterkte, groensterkte, permeabiliteit, vuurvastheid.

1. Hechtendheid

Hechtendheid is de eigenschap van gietzand om te hechten aan vreemd materiaal, zoals aan de binnenwand van de gietvormkist.

2. Cohesie

Cohesie is de eigenschap waarbij zandkorrels onderling wisselwerken en aantrekken, wat de bindende capaciteit verhoogt en de groen-, droog- en warmtesterkte van giet- en kernzand vergroot.

3. Instortbaarheid

Na verstolking van het vloeibare metaal in de gietvorm moet het zand instortbaar zijn zodat vrije krimp van het metaal kan plaatsvinden, wat scheuren en barsten voorkomt. Zonder deze eigenschap wordt de krimp gehinderd wat leidt tot scheuren in het gietstuk. Deze eigenschap is cruciaal voor kernen.

4. Droogsterkte

Zodra vloeibaar metaal in de gietvorm wordt gegoten, verdampt het vocht in de zandlaag naast het hete metaal. Deze droge zandlaag moet voldoende sterkte hebben om zijn vorm te behouden en erosie van de gietvormwand tijdens de stroom van vloeibaar metaal te voorkomen. Droogsterkte voorkomt ook uitrekking van de gietvormholte door metallostatische druk.

5. Vloeibaarheid of plasticiteit

Vloeibaarheid is de capaciteit van het zand om gecompacteerd te worden en als een vloeistof te gedragen. Het stroomt uniform naar alle delen van het patroon bij het stampen en verdeelt de stempeldruk gelijkmatig in alle richtingen.

Over het algemeen weerstaan zanddeeltjes beweging om hoeken of projecties. Vloeibaarheid neemt toe bij afnemende groensterkte en vice versa. Het neemt toe bij afnemende korrelgrootte. Ook varieert het met vocht- en kleigehalte.

6. Groensterkte

Groenzand na toevoeging van water moet voldoende sterkte en zwaarte hebben om het maken en hanteren van de gietvorm toe te staan. De zandkorrels moeten hechtend zijn (hechten aan een ander lichaam) en cohesievertonen (aan elkaar hechten). Hierdoor kan het patroon uit de gietvorm gehaald worden zonder de gietvorm te breken, en treedt geen erosie op aan de gietvormwanden tijdens het gieten.

Groensterkte hangt af van korrelvorm en -grootte, hoeveelheid en type klei en vochtgehalte.

7. Permeabiliteit

Permeabiliteit, ook porositeit genoemd, staat toe dat lucht, gassen of vocht in de gietvorm bij het gieten van vloeibaar metaal kunnen ontsnappen. Alle gegenereerde gassen tijdens gieten en verstolking moeten ontsnappen, anders wordt het gietstuk defect.

Permeabiliteit is een functie van korrelgrootte, -vorm, en vocht- en kleigehalte. De mate van stampen beïnvloedt direct de permeabiliteit. Deze kan verhoogd worden door ontluchting met ontluchtingstangen.

8. Vuurvastheid

Vuurvastheid is de capaciteit van gietzand om hoge temperaturen te weerstaan zonder afbraak of versmelting, wat zorgt voor geluidloze gietstukken. Het is een cruciële eigenschap. Vuurvastheid kan slechts tot een beperkte mate verhoogd worden.

Gietzand met slechte vuurvastheid kan op het gietstuk branden, wat een gladde oppervlakte onmogelijk maakt. De mate hangt af van SiO2-gehalte (kwarts), en de vorm en korrelgrootte van de deeltjes. Hogere SiO2 en ruwere korrelvolumensamenstelling geven hogere vuurvastheid. Gemeten wordt aan de hand van het sinterpunt, niet het smeltpunt.

9. Overige eigenschappen

Naast bovenstaande eisen mag gietzand niet aan het gietstuk hechten en niet chemisch reageren met het metaal. Het moet economisch goedkoop en in de natuur verkrijgbaar zijn. Herbruikbaarheid is economisch gewenst. De thermische uitdijingscoëfficiënten moeten voldoende laag zijn.