Gietijzer: Belangrijkste Eigenschappen, Types en Praktische Toepassingen

Wat is Gietijzer?

Gietijzer is een ijzerlegering die 2 tot 4% koolstof bevat, alsook variërende hoeveelheden silicium en mangaan en sporen van onzuiverheden zoals zwavel en fosfor. Het wordt geproduceerd door ijzererts in een hoogooven te reduceren.

Koolstof in gietijzer bestaat meestal in twee vormen die samenhangen:

(1) Als de verbinding cementiet d.w.z. in een toestand van chemische combinatie en het ijzer wordt wit gietijzer genoemd, en

(2) Als vrije koolstof, d.w.z. in een toestand van mechanische mengsel. Koolstof in de eerste vorm heet "gecombineerde koolstof", en in de laatste grijs gietijzer.

Een intermediaire fase tussen deze twee variëteiten van ijzer toont vlekken van grijs in de witte structuur. Dit ijzer heet bruin ijzer (mottled iron).

Bruin gietijzer (MCI) is een materiaal dat wordt gebruikt in walzwerken, met name in de laatste walzstanden, vanwege de combinatie van hoge: weerstand, thermische geleiding en elastische modulus. In MCI ontstaan de microstructuurgebieden van wit gietijzer en grijs gietijzer uit solidificatie.

De kwaliteit van gietijzer hangt dus niet alleen af van het absolute bedrag koolstof dat het bevat, maar ook van de omstandigheden waarin die koolstof bestaat. De variëteiten gietijzer in gemeenschappelijk gebruik zijn:

Types Gietijzer

De variëteiten gietijzer in gemeenschappelijk gebruik zijn:

1. Grijs gietijzer
2. Wit gietijzer
3. Malleabel gietijzer
4. Nodulair gietijzer (Ductiel ijzer)
5. Gekoeld gietijzer
6. Legeringsgietijzer
7. Meehanite gietijzer

1. Grijs Gietijzer

Dit wordt verkregen door het vloeibare metaal langzaam te laten afkoelen en te solidificeren. Bij solidificatie bevat het ijzer het grootste deel van de koolstof in de vorm van grafietvlammen.

Grijs gietijzer bevat grote hoeveelheden koolstof en relatief kleine hoeveelheden van de andere elementen, b.v. silicium, fosfor, zwavel en mangaan.

Het vertoont een matte grijze kristallijne of korrelige structuur en een sterke licht geeft een glitterend effect door reflectie van de vrije grafietvlammen. De aanwezigheid van deze vrije grafiet wordt ook gezien bij vijlen of bewerken van gietijzer omdat het de handen zwart maakt.

Het gietijzer is bros en kan gemakkelijk breken als een zware hamer wordt gebruikt. De sterkte van het ijzer is veel groter in druk dan in trek. De uiteindelijke trekkracht van gietijzer varieert tussen 12 tot 13 kgf per mm² (120 tot 300 Newton per mm²) en hangt af van de samenstelling van het ijzer. In druk zal grijs gietijzer ongeveer 60 tot 75 kgf per mm² (600 tot 750 Newton per mm²) weerstaan voordat het breekt, terwijl in afschuiving de sterkte ongeveer 15 tot 22 kgf per mm² (150 tot 225 Newton per mm²) is. De hardheid varieert van 150 tot 240 HBN. De belangrijkste voordelen voor het gebruik zijn: (1) de goedkoopheid, (2) de lage smelttemperatuur (1.150°C tot 1.200°C) en vloeibaarheid in de vloeibare toestand, en (3) het is gemakkelijk bewerkbaar. Een verdere goede eigenschap van gietijzer is dat de vrije grafiet in de structuur lijkt te fungeren als een smeermiddel, en wanneer grote machineglijders ervan gemaakt zijn, wordt een heel vrijwerkende actie verkregen. De vloeibaarheidsanalyse van het ijzer stelt het in staat om wijd gebruikt te worden voor het maken van gietingen van onderdelen met ingewikkelde vormen en in bijna alle gietijzervormen.

2. Wit Gietijzer

Wit gietijzer bevat koolstof uitsluitend in de vorm van cementiet (ijzer carbide). Dit wordt verkregen door de aanwezigheid van relatief grote hoeveelheden mangaan, een heel kleine hoeveelheid silicium, en door snelle afkoeling. De gewone afkoelsnelheid in zand produceert vrije grafiet, terwijl snelle afkoeling helpt cementiet te produceren. Bovendien moedigt mangaan de vorming van carbide aan. De benaderende chemische samenstelling van wit gietijzer is gegeven in Tabel 4.2.

Wit gietijzer is zeer hard (de hardheid varieert van 400 tot 600 HBN) en bros, en het gebroken oppervlak heeft een zilverwitte metallische uitstraling. Van het technisch oogpunt heeft wit gietijzer beperkte toepassing. Dit is te wijten aan de moeilijkheid van bewerking en zijn in het algemeen relatief slechte mechanische bewerkbaarheid. Dit type ijzer wordt wijd gebruikt om wrood ijzer te fabriceren. Wit gietijzer wordt ook gegoten als het intermediaire materiaal voor het maken van malleabel gietijzer. Wit gietijzer roest niet zoveel als de grijze soort.

3. Malleabel Gietijzer

Het gewone gietijzer is hard en bros. Het is daarom ongeschikt voor artikelen die dun, licht zijn en aan schok en trilling worden blootgesteld of voor kleine gietingen gebruikt in diverse machineonderdelen.

De toepassing van de term ' malleabel ' op gietingen is eigenlijk een misnoemer omdat ze niet erg malleabel zijn vergeleken met de standaarden van malleabiliteit. Wanneer vergeleken met grijze ijzergietingen, die vrij bros zijn, bezitten malleabele gietingen wel een graad van zwaartekracht, en dit is waarschijnlijk waarom ze zo genoemd zijn.

Malleabele gietingen worden eerst gemaakt van een ijzer dat al zijn koolstof in de gecombineerde vorm heeft, d.w.z. van wit gietijzer. Twee methoden worden dan gebruikt voor het malleabel maken van de gietingen: (1) Wit hart, en (2) Zwart hart. De namen verwijzen naar de kleur van de breuk die gegeven wordt door gietingen geproduceerd door elke methode. De benaderende chemische samenstellingen voor beide variëteiten zijn gegeven in Tabel 4.3.

4. Ductiel IJzer (Nodulair Gietijzer)

Sferoidale grafiet ijzer, ook wel nodulair gietijzer genoemd, is van een hogere graad omdat grafiet niet in de vorm van vlammen neerslaat maar in de vorm van sferoïden. Dit kan bereikt worden door diverse methoden, b.v. door de toevoeging van een van de volgende elementen: magnesium, cerium, calcium, bismuth, zink, cadmium, titanium of boor.

Ferro-silicium wordt ook gebruikt als inculant. Sferoidale gietijzer kan in dikker stukken geproduceerd worden dan die geproduceerd door malleabel gietijzer. Uitstekende kenmerken van sferoidale gietijzer zijn hoge vloeibaarheid, wat gietingen van ingewikkelde vormen toestaat, en een uitstekende combinatie van sterkte en duktiliteit. De trekkracht van dit ijzer is ongeveer 33 kgf per mm² (330 Newton per mm²). Dit materiaal is ook bekend als ductiel ijzer.

Sferoidale gietijzer wordt wijd gebruikt in gegoten onderdelen waar dichtheid en drukgasdichtheid een zeer wenselijke kwaliteit is. Zij omvatten hydraulische cylinders, kleppen, buizen en buitafstekkingen, cilinderkoppen voor compressoren en dieselmotoren. Welsen voor walzwerken en veel typen centrifugale gegoten onderdelen worden ook van sferoidale gietijzer gemaakt.

5. Gekoeld Gietijzer

Snelle afkoeling heet "koelen" en het zo geproduceerde ijzer heet "gekoeld ijzer". Alle gietingen worden aan hun buitenoppervlak gekoeld door in contact te komen met het koude zand in de vorm. Omdat gietijzer een hogere thermische geleiding heeft dan zand, ondergaan de gekoelde delen van de gieting snelle solidificatie en afkoeling, en produceren daardoor een hard oppervlak. Maar deze hardheid dringt slechts ongeveer 1 tot 2 mm diep.

Soms wordt een gieting opzettelijk gekoeld en soms per ongeluk tot een kleine diepte. Opzettelijk koelen wordt uitgevoerd door gietijzer in plaats van zand te gebruiken voor die delen van de vorm waar harde oppervlakken vereist zijn. Waar deze door het vloeibare metaal worden geraakt, wordt het oppervlak plotseling afgekoeld en in wit gietijzer omgezet. Bij koelgieten worden permanente vormen gemaakt van hittebestendig staal of gietijzer met grafietvlammen gebruikt.

Koelers (Chills) worden gebruikt op die gietingen waar sommige delen de hardheid van wit gietijzer vereisen, terwijl anderen een relatief zacht en zwaard kern van grijs gietijzer vereisen.

6. Legeringsgietijzer

Legeringsgietijzer zijn in de laatste jaren ontwikkeld om bepaalde inherente tekortkomingen in gewoon gietijzer te overwinnen en om kwaliteiten te geven die meer geschikt zijn voor speciale doeleinden. De toevoeging van nikkel, chroom, molybdeen, titanium, silicium, koper en andere legeringselementen verlenen speciale eigenschappen aan dit gietijzer.

Het gebruik van 1 of 2 procent nikkel is geschikt voor goedkwaliteitsijzer en biedt een eenvoudige en effectieve manier om de eigenschappen van dit gietijzer te verbeteren.

Het gebruik van 1 tot 2 procent nikkel is geschikt voor goedkwaliteitsijzer en biedt een eenvoudige en effectieve manier om de eigenschappen en de dienst die door ijzergietingen wordt verleend te verbeteren. Het waarborgt bewerkbaarheid en uniformiteit van de structuur van het gietijzer. Door het gebruik van nikkel in de orde van 25 procent, kan ook verlengde levensduur verkregen worden in onderdelen die aan slijtende slijtage worden blootgesteld.

7. Meehanite Gietijzer

Cylinders of cylinderlijnzen van alle formaten, van de kleinste tot de grootste, bieden uitstekende voorbeelden. Nikkel gietijzer wordt ook gebruikt in het weerstaan van kaustische corrosie. Om die reden wordt het wijd gebruikt voor het maken van kaustische potten, pijpen en andere gietingen in contact met kaustische vloeistof.

De toevoeging van slechts 1 procent nikkel geeft een rondom voordeel voor dit doel. De meest prominente factor voor het gebruik van nikkel in gietijzer is om dichtheid en drukgasdichtheid in gietingen met grote en varierende dwarsdoorsnedes te verkrijgen. Dit heeft geleid tot de toepassing van nikkel gietijzer voor veel onderdelen van stoom- en hydraulische machines, compressoren en verbrenningsmotoren.

Waar verbetering in slijtkwaliteit van belang is, worden chroomtoevoegingen met de nikkel vaak nuttig gevonden. Gietijzer gelegeerd op deze manier vindt wijd toepassing voor pompen van alle typen waarin wrijvingsslijtage, alsoos erosieve slijtage, moet worden overwogen. Legeringsgietijzer bevattende 10 tot 30 procent chroom en 1 tot 3 procent totaal koolstof, vertoont ook een hoge mate van hittebestendigheid gecombineerd met sterkte bij hoge temperaturen.

Gietijzer gelegeerd met 10 procent nikkel en 6 procent mangaan wordt niet-magnetisch. Een speciaal gepatenteerd niet-magnetisch gietijzer is bekend onder de naam "Nomag".

MEEHANITE GIETIJZER

Gietijzers, waarin het metaal is behandeld met calcium silicium, zijn bekend onder de handelsnaam van meehanite. Calcium silicium fungeert als grafietvormer en produceert een fijn grafietstructuur, wat een gietijzer van uitstekende mechanische eigenschappen oplevert. De hoge kwaliteiten van mechanite ijzer zijn echter niet uitsluitend te danken aan het gebruik van calcium silicium, maar ook aan zorgvuldige controle van alle betrokken factoren bij het smelten van het ijzer in de kupel of elektrische oven en in het vormgeven van de gieting. Zeer weinig calcium silicium blijft in het ijzer na solidificatie.

Het gebruikte metaal is laag in silicium, matig laag in koolstof wat beperkt is, ongeveer 2,5 tot 3 procent. Dit zou normaal wit zijn als gegoten, maar grafitisering door het meehanite beheersysteem levert een reeks materialen op om aan de brede eisen van de technische industrieën te voldoen.

Er zijn in totaal meer dan zestien typen meehanite metaal beschikbaar op dit moment onder vijf brede classificaties: (a) algemene techniek, (b) hittebestendig, (c) slijtbestendig, (d) corrosiebestendig, (e) nodulair 'S' type.

Alle meehanite ijzers hebben hoge sterkte, zwaartekracht, duktiliteit en gemakkelijke bewerkbaarheid. Ze claimen daarom de kloof te overbruggen tussen gewoon gietijzer en staal. De gietingen wegen van 500 tot 6.000 kg. Het metaal is fijnkorrelig en toont een Brinell getal van 200 tot 210.

Meehanite ijzer reageert op warmtebehandeling in tegenstelling tot gewoon grijs gietijzer en kan volledig of op het oppervlak gehard worden. Het kan ook verzwakt worden door geschikte behandeling om te gebruiken voor machine tool gietingen.

Gietijzerproductie

Gietijzer wordt gemaakt van rood ijzer, wat het bijproduct is van het smelten van ijzererts in een hoogooven. Gietijzer kan direct van vloeibaar rood ijzer gemaakt worden of door rood ijzer opnieuw te smelten, vaak met aanzienlijke hoeveelheden ijzer, staal, kalksteen, koolstof (cokes), en diverse stappen om ongewenste verontreinigingen te verwijderen. Fosfor en zwavel kunnen uit vloeibaar ijzer worden gebrand, maar dit verbrandt ook de koolstof, die vervangen moet worden. Koolstof- en siliciumgehalte worden aangepast aan de gewenste niveaus, die kunnen variëren van 2–3,5% en 1–3%, respectievelijk, afhankelijk van de toepassing. Andere elementen kunnen dan worden toegevoegd aan de smelt indien gewenst voordat de eindvorm wordt gegoten.

Gietijzer wordt soms gesmolten in een speciaal type hoogooven bekend als een kupel, maar het wordt vaker gesmolten in elektrische inductieovens of elektrische boogovens in moderne toepassingen. Het vloeibare gietijzer wordt in een houderoven of koppels gegoten zodra het smeltproces voltooid is.