Vormzand: Eigenschappen, Types en Productie in Gieterei

In dit artikel bestuderen we wat vormzand is, de eigenschappen van vormzand en de verschillende types vormzand.

Het belangrijkste materiaal dat in de gieterei voor het maken van gietvormen wordt gebruikt, is zand. Dit komt doordat het de essentiële eigenschappen bezit voor gietereidoeleinden.

Herkomst

Alle zandsoorten ontstaan door de ontbinding van rotsen onder invloed van natuurkrachten zoals vorst, wind, regen, hitte en waterstromingen. Rotsen zijn echter complex in samenstelling, en zanden bevatten de meeste elementen van de rotsen waaruit ze afkomstig zijn. Daarom variëren vormzanden over de wereld aanzienlijk. Tegenwoordig wordt zand gewonnen uit locaties die waarschijnlijk eens de bodems en oevers van rivieren en zandduinen waren.

In India worden gietereizanden gevonden in de gebieden Damodar en Barakar, Santhal Pargana (Bihar), Batala (Gurdaspur, Punjab), Bhavnagar (Saurashtra), Londha (Maharashtra), Avadi en Veeriyambakam (Madras), Kanpur, Jabalpur, Rajkot, Guntur, in de Ganges en vele andere plekken.

Hoofdingrediënten

De hoofdingrediënten van vormzanden zijn: (1) silicazandkorrels, (2) klei, (3) vocht en (4) diverse materialen.

Silicium in de vorm van granulaire kwarts, zelf een zandsoort, is de belangrijkste bestanddeel van vormzand. Silicazand bevat 80 tot 90 procent siliciumdioxide en wordt gekenmerkt door een hoge verzwakkingstemperatuur en thermische stabiliteit.

Het is een product van de ontbinding van kwartsrotsen of de ontbinding van graniets, dat samengesteld is uit kwarts en veldspaat. De veldspaat, wanneer deze ontbindt, wordt klei (hydrous aluminiumsilicaat). Silicazandkorrels geven echter refractoryheid, chemische weerstand en permeabiliteit aan het zand. Ze worden gespecificeerd volgens hun gemiddelde grootte en vorm.

Klei wordt gedefinieerd als die zanddeeltjes (onder 20 micron in diameter) die niet zakken met een snelheid van 25 mm per minuut, wanneer ze in water zijn opgeschud. Klei bestaat uit twee bestanddelen: fijne silt en echte klei. Fijne silt is een soort vreemd materiaal of mineraalafzetting en heeft geen bindende kracht.

Het is de echte klei die de noodzakelijke bindsterkte aan het vormzand geeft, zodat de vorm na het stampen zijn vorm niet verliest. Echte klei blijkt opgebouwd te zijn uit extreem minute aggregaten van kristallijne, meestal vlamvormige, deeltjes die kleimineralen worden genoemd. De meeste vormzanden voor verschillende kwaliteitsklassen bevatten 5 tot 20 procent klei. Vocht, in de vereiste hoeveelheid, zorgt voor de bindende werking van de klei.

Wanneer water aan klei wordt toegevoegd, dringt het in het mengsel en vormt een microfilm die het oppervlak van de vlamvormige kleideeltjes bedekt. De bindende kwaliteit van klei hangt af van de maximale dikte van de waterfilm die het kan handhaven. De bindende werking wordt als optimaal beschouwd als het toegevoegde water de exacte hoeveelheid is die nodig is om de film te vormen. Aan de andere kant wordt de bindende werking verminderd en de vorm verzwakt als het water in overmaat aanwezig is. Het watergehalte moet tussen de 2 en 8 procent liggen.

Diverse materialen die, naast silica en klei, in vormzand worden aangetroffen, zijn ijzeroxide, kalksteen, magnesia, soda en potas. De onzuiverheden moeten onder de 2 procent blijven.

Classificatie

Types vormzand: Het kan in grote lijnen worden ingedeeld in drie verschillende types: (1) natuurlijke vormzanden, (2) synthetische of hoge-silica zanden, en (3) speciale zanden.

1. Natuurlijke Vormzanden

Natuurlijke vormzanden, ook wel groenzanden genoemd, worden uit rivierbedden gewonnen of uit putten gegraven. Ze bezitten een aanzienlijke hoeveelheid klei die fungeert als binding tussen de zandkorrels en worden zoals ze zijn gebruikt, met water toegevoegd. De hoeveelheid en het type aanwezige kleimineraal beïnvloeden de sterkte, zwaartekracht en refractoryheid van het zand.

Deze zanden worden ook verkregen door het breken en malen van zacht geel zandsteen, koolhoudende rotsen, enz. Tijdens het malproces breken kleiaggregaten af en worden kleideeltjes uniform verdeeld over de zandkorrels. De korrelvorm van deze zanden moet sub-hoekig tot rond zijn.

Vanwege hun gemakkelijke beschikbaarheid, lage kosten en hoge operationele flexibiliteit worden natuurlijke vormzanden gebruikt voor de meeste ferro- en non-ferro lichte gietstukken. De eisen aan deze zanden worden voldaan door IS: 3343-1965, die ze in drie graden A, B en C classificeert, volgens hun kleigehalte en sintertemperatuur.

2. Synthetische Zanden

Synthetische zanden zijn in essentie hoge-silica zanden die weinig (minder dan 2 procent) of geen binder (klei) in natuurlijke vorm bevatten. Ze komen voor als losse of slecht geconsolideerde sedimentaire afzettingen, duinen die door de wind naar binnenland zijn geweid, of opgehoopte afzettingen in estuaria en rivieren langs de kust.

Ze worden ook in de gieterei gemaakt door kwarts-zandsteen te breken en vervolgens te wassen en te classificeren om een zandkwaliteit van de vereiste vorm en korreldistributie te verkrijgen. De gewenste sterkte en bindingseigenschappen van deze zanden worden ontwikkeld door afzonderlijke toevoegingen zoals bentoniet, water en andere materialen.

Dit stelt grotere flexibiliteit in de inhoud van eigenschappen zoals groene en droge sterkte, permeabiliteit en anderen in, die naar wens kunnen worden gevarieerd. Synthetische zanden zijn daarom duurder dan natuurlijke zanden.

IS: 1987-1974 dekt de eisen aan hoge-silica zand voor gebruik in gietereien en classificeert het in drie graden volgens de silica-inhoud.

3. Speciale Zanden

Speciale zanden zijn ideaal voor het verkrijgen van speciale kenmerken die niet normaal in andere zanden verkregen worden. Zircon, olijven, chamotte, chromiet en chroom-magnesia worden vaak als speciale zanden gebruikt. Zirconzanden zijn geschikt voor kernen van messing- en bronsgietstukken. Sommige gietereijen gebruiken olijvenzand voor non-ferro gietstukken van een ingewikkelde aard. Chamotte is waardevol voor zware staalgietstukken.

Chromiet- en chroom-magnesia-zanden zijn bijzonder nuttig waar de verkoelingsneiging moet worden verhoogd om de solidificatie te controleren. Ze zijn ook geschikt als opvlaktemateriaal in gietvormen voor staalgietstukken.

Types Vormzand naar Gebruik

Vormzanden kunnen opnieuw worden geclassificeerd, volgens hun gebruik, in een aantal variëteiten. Deze worden hieronder beschreven.

Groenzandvorming (Green Sand Moulding)

Het is een mengsel van silicazand met 18 tot 30 procent klei, met een totaal watergehalte van 6 tot 8 procent. De klei en het water leveren de binding voor groenzand. Het is fijn, zacht, licht en porus. Omdat het vochtig is, behoudt het de vorm wanneer het in de hand wordt samengeperst, de indruk die onder druk aan het zand wordt gegeven. Vormen die in dit zand worden gemaakt, heten groenzandvormen.

Droogzandvorming (Dry Sand Moulding)

Groenzand dat is gedroogd of gebakken nadat de vorm is gemaakt, heet droogzand. Zij zijn geschikt voor grotere gietstukken. Vormen die in dit zand worden gemaakt, heten droogzandvormen.

Leemzand (Loam Sand)

Leemzand is hoog in klei, tot 50 procent of zo, en droogt hard uit. Dit wordt met name gebruikt voor leemvorming, meestal voor grote gietstukken.

Opvlaktezand (Facing Sand)

Opvlaktezand vormt het gezicht van de vorm. Het wordt direct naast het oppervlak van het model geplaatst en komt in contact met het smeltmetaal wanneer de vorm wordt gegoten. Gevolgd wordt het aan de zwaarste voorwaarden blootgesteld en moet het daarom hoge sterkte en refractoryheid bezitten.

Het wordt gemaakt van silicazand en klei, zonder toevoeging van gebruikt zand. Verschillende vormen van koolstof worden gebruikt om te voorkomen dat het metaal in het zand brandt. Ze worden soms gemengd met 6 tot 15 keer zoveel fijn vormzand om opvlaktes te maken.

De laag opvlaktezand in een vorm bedraagt meestal 20 tot 30 mm. 10 tot 15 procent van het totale aantal vormzand dat in de gieterei wordt gebruikt, is opvlaktezand. Een opvlaktezandmengsel voor groenzandvorming van gietijzer kan bestaan uit 25 procent vers en speciaal bereid zand, 70 procent oud zand, en 5 procent zeekool.

Achtergrondzand (Backing Sand)

Achtergrondzand of vloerzand wordt gebruikt om het opvlaktezand te ondersteunen en het volledige volume van de vormbak te vullen. Oud, herhaaldelijk gebruikt vormzand wordt voornamelijk voor dit doel ingezet.

De achtergrondzand wordt soms zwart zand genoemd omdat dat oude, herhaaldelijk gebruikt vormzand zwart van kleur is door de toevoeging van koolstofstof en verbranding bij contact met smeltmetaal.

Systeemzand (System Sand)

In mechanische gietereijen waar machinevorming wordt toegepast, wordt een zogenaamd systeemzand gebruikt om de hele vormbak te vullen. In mechanische zandbereidings- en afhandelingseenheden wordt geen opvlaktezand gebruikt. Het gebruikte zand wordt gereinigd en gereactiveerd door de toevoeging van water, bindmiddelen en speciale additieven. Dit heet systeemzand. Aangezien de hele vorm van dit systeemzand wordt gemaakt, moeten de sterkte, permeabiliteit en refractoryheid van het zand hoger zijn dan die van achtergrondzand.

Scheidzand (Parting Sand)

Scheidzand wordt gebruikt om te voorkomen dat het groenzand aan het model kleeft en om toe te staan dat het zand op het scheidingsvlak van de kop en de drag zonder te kleven kan worden gescheiden. Dit is schone, kleivrije silicazand die hetzelfde doel dient als scheidstof.

Kernzand (Core Sand)

Zand dat voor het maken van kernen wordt gebruikt, heet kernzand, soms ook oliezand genoemd. Dit is silicazand gemengd met kernolie die samengesteld is uit lijnzaadolie, hars, lichte minerale olie en andere bindende materialen. Pech of meel en water kunnen in grote kernen voor de economie worden gebruikt.

Eigenschappen van Vormzand

Wat zijn de eigenschappen van vormzand?

Geschikt vormzand moet zes eigenschappen bezitten. Eigenschappen van vormzand zijn: het moet porositeit, vloeibaarheid, instortbaarheid, hechtingsvermogen, cohesie of sterkte, en refractoryheid hebben.

1. Porositeit :- De belangrijkste eigenschap van vormzand is porositeit, ook wel permeabiliteit genoemd. Het verwijst naar de capaciteit van het vormzand om gassen door te laten. Tijdens het gieten van smeltmetaal in de zandholte worden gassen en stoom geproduceerd. Deze eigenschap wordt niet alleen beïnvloed door de vorm en grootte van de zanddeeltjes, maar ook door de hoeveelheid klei, bindmiddel en vocht in de mengsel.
2. Vloeibaarheid (Flowability) :- Het vermogen van het zand om kleine gaten in het model te vullen. Hoge vloeibaarheid produceert een nauwkeurigere vorm en is dus nuttig voor gedetailleerde gietstukken.
3. Instortbaarheid (Collapsibility) :- Het vermogen van de zandmengsel om onder kracht in te storten. Grotere vorminstortbaarheid laat het metaalgietstuk vrij krimpen tijdens het stollen, waardoor kookscheuren of barsting worden voorkomen.
4. Hechtingsvermogen (Adhesiveness) :- Hechtingsvermogen is de eigenschap van zand die ervoor zorgt dat zanddeeltjes hechten aan de zijkanten van de vormbak. De heching van het zand stelt de juiste optilling van de kop samen met het zand mogelijk.
5. Cohesie (Cohesiveness) :- De cohesie van zand is het vermogen van de deeltjes om bij elkaar te blijven. Het is de trekkracht van het vormzand. Deze eigenschap is cruciaal voor het behouden van de ingewikkelde vormen van de vorm. Onvoldoende sterkte kan ertoe leiden dat de vormdeeltjes tijdens het afhandelen, omdraaien of sluiten instorten. De toevoeging van klei en bentoniet verbetert de cohesie.
6. Refractoryheid (Refractoriness) :- De refractoryheid van zand verwijst naar zijn vermogen om hoge temperaturen van smeltmetaal te weerstaan zonder vertering of verzwakking. Vormzanden met lage refractoryheid kunnen vlam vatten wanneer smeltmetaal in de vorm wordt gegoten. Zandvormen zouden normaal temperaturen tot 1650°C moeten kunnen weerstaan.
7. Sterkte (Strength) :- De sterkte van zand dat is gedroogd of gebakken heet droge sterkte. Het moet voldoende sterkte hebben om erosieve krachten door smeltmetaal te weerstaan en zijn vorm te behouden.

Zandvormingsproces

Zandgieten, ook wel zandvormgieten of Zandvormingsproces genoemd, is een op gieten gebaseerd productieproces dat een zandvorm gebruikt. Metaalartikelen en -componenten van verschillende maten en vormen worden hiermee gemaakt. In perspectief: zandgieten staat voor meer dan 60% van alle metaalgietstukken. De zes belangrijke fasen van zandgieten worden hieronder gedetailleerd beschreven.

Stap 1: Plaats het model in het zand

Het plaatsen van het model in zand is de eerste stap in zandgieten. Het model heeft een direct effect op de grootte en vorm van het gietstuk. Fabrikanen moeten daarom nieuwe modellen ontwikkelen om metaalartikelen en -componenten in gespecificeerde maten en vormen te produceren.

Stap 2: Richt een Voedersysteem (Gating System) in

Een voedersysteem wordt in vrijwel elk gietproces gebruikt, en zandgieten is geen uitzondering. Het leidt het smeltmetaal via een gietbeker en tunnels of "poorten" naar de vormholte. Na het plaatsen van het modelontwerp in het zand, richten productiebedrijven zo'n voedersysteem in.

Stap 3: Verwijder het Model

Nadat het voedersysteem is ingesteld, kunnen productiebedrijven het model uit het zand verwijderen. Op dit moment is het model niet meer relevant. Het zand neemt de vorm van het model aan wanneer het erin wordt geplaatst. Als gevolg hiervan kan het model worden verwijderd.

Stap 4: Giet smeltmetaal in de vormholte

Het is nu tijd om het smeltmetaal in de vormholte te gieten. IJzer, staal, aluminium, brons, magnesium, zink en tin zijn slechts enkele van de metalen en legeringen die in zand kunnen worden gegoten. Productiebedrijven moeten metalen of legeringen wellicht opwarmen tot 3.000 graden Fahrenheit, afhankelijk van het exacte metaal of de legering. Het metaal of de legering wordt in de vormholte gegoten zodra het van vast naar vloeibaar is overgegaan.

Stap 5: Wacht tot het metaal is afgekoeld

Productiebedrijven moeten wachten tot het smeltmetaal is afgekoeld nadat het in de vormholte is gegoten. Opnieuw vereisen verschillende metalen verschillende hoeveelheden afkoeltijd. Het smeltmetaal zal afkoelen en van vloeibaar naar vast overgaan.

Stap 6: Open de Vorm om het Metaalgietstuk te Verwijderen

Het openbreken van de vorm om het zojuist gevormde metaalgietstuk te verwijderen is de zesde en laatste stap in zandgieten. Modellen zijn meestal herbruikbaar, maar de vormen zelf niet. Elke keer dat een productiebedrijf een nieuw metaalproduct of -component wil maken met zandgieten, moet het een nieuwe vorm ontwikkelen.

Instortbaarheid van Vormzand

Instortbaarheid van Vormzand verwijst naar het vermogen van het zand om eenvoudig uit het gietstuk verwijderd te worden nadat dit is gestold. Zanden met een lage instortbaarheid hechten tenaz aan het gietstuk. Een zand met slechte instortbaarheid zal barsting en kookscheuren in metaalgietstukken veroorzaken die veel buigen tijdens het afkoelen of die lange bevriestemperatuurbereiken hebben. Om de instortbaarheid te verbeteren, kunnen bepaalde additieven worden toegevoegd.

Meerkeuzevragen (MCQ)

1. Permeabiliteit kan worden gedefinieerd als de eigenschap van vormzand

A. om zandkorrels bij elkaar te houden
B. om gassen gemakkelijk uit de vorm te laten ontsnappen
C. om de hitte van het smeltmetaal te weerstaan zonder tekenen van verzwakking
D. geen van de bovenstaande

Antwoord: Optie B

2. Waarom moet vormzand porös zijn?

A. Voor gassen om binnen te komen
B. Voor water om binnen te komen
C. Voor gassen om te ontsnappen
D. Voor water om te ontsnappen

Antwoord: Optie C
Uitleg: Een vormzand wordt gedefinieerd als een zand dat gaten heeft en een bepaalde hoeveelheid vocht kan bevatten. Een vormzand moet poriën bevatten en porös zijn zodat gassen vrij kunnen ontsnappen.

Dit was alles over Vormzand waar we alle onderwerpen hebben behandeld zoals Wat is Vormzand, beschrijf eigenschappen van vormzand, groenzandvormingsproces, droogzand, Instortbaarheid en enkele MCQ's gebaseerd op deze onderwerpen.