Gieten (metaalkunde)

gieten van metalen smelt in een mal

Gieten is in de metaaltechniek het vervaardigen van producten door metaal smelt, in een gietvorm, een matrijs, te gieten en te laten stollen. Dit productiewerk wordt uitgevoerd in een gieterij.

Bronze smelt van 1200°C wordt vanuit een smeltkroes in de lege, drooggestookte gietvorm gegoten
Standaard interne gietstructuur van een gietstuk
Gietproces
Het gieten van ijzer
Het verspanend bewerken van een gietstuk: een behuizing van een grote membraanpomp
Het discontinue gietproces van de coquilles
Coquille voor het gieten van tinnen soldaatjes
Zie ook spuitgieten voor het gieten van kunststoffen

ToepassingBewerken

Deze vormgevingstechniek bestaat al duizenden jaren. Men kan halffabricaten of eindproducten gieten, zoals lang geleden al sieraden of gebruiksvoorwerpen van gesmolten goud, zilver, brons, tin en ijzer. Al vanouds wordt gebruikgemaakt van vormen in zand. Voor gietvormen zouden ook holtes in stenen kunnen worden gebruikt.

Nu worden giettechnieken gebruikt om allerlei verschillende producten te maken zoals: behuizing voor mobiele telefoons, scheepsschroeven, vrachtwagenonderdelen en auto-onderdelen, machineonderdelen, luidklokken, keukengerei als een wok, grillpan en gaskookplaat.

MetaalsmeltBewerken

Metalen die gebruikt worden om te gieten zijn: aluminium, brons, gietijzer, gietstaal, goud, lood, magnesium, titanium, tin, zamak, zilver en zink.

In de afgelopen jaren zijn er naast het traditionele legeringen, speciale gietlegeringen ontwikkeld. Dit komt de sterkte en taaiheid ten goede. Een voorbeeld is de krukas van een auto die kan worden gegoten uit nodulair gietijzer. Deze heeft hierdoor betere dempings- en noodloopeigenschappen dan een gesmede krukas.

ProductietechniekBewerken

Gieten is veelal de kortste weg tot een product. Wanneer de gevraagde toleranties en oppervlaktekwaliteit worden behaald is verdere nabewerking niet nodig. Worden deze eisen overschreden, dan moet het product nog wel worden nabewerkt. Dit gebeurt vaak door middel van verspanende bewerkingen.

Omdat metaal in warme toestand uitzet en tijdens het afkoelen tot vaste vorm in volume afneemt (krimpen) wordt hier gebruik gemaakt van voeders. Dit om porositeit in het gietwerk te voorkomen. Deze voeders worden boven op het gietstuk geplaatst en zorgen er voor dat er tijdens het stollen van het metaal nieuwe gesmolten metaal van bovenaf aan het gietstuk wordt toegevoegd. Hierdoor komt de porositeit niet in het gietstuk terecht maar er in de voeders. Deze voeders worden na het afkoelen van het gietstuk er af geslepen.

EigenschappenBewerken

Gegoten stukken hebben een bepaalde interne gietstructuur. Deze is gevormd tijdens het stollingsproces, de kristallisatie, wanneer eerst vaste percipitaten in de smelt vormen (vooral langs de matrijs) en deze vervolgens uitgroeien tot korrels. De korrels blijven naar binnen groeien tot een vast gietstuk is gevormd en alle smelt gestold is.[1] De afmetingen van de korrels zijn bij gieten meestal groter dan bij omvormen.

De manier van afkoelen van het gietstuk is van belang voor de gietstructuur, omdat dit weer effect heeft op de hoeveelheid segregatie bij het stollen. Segregatie is het fenomeen dat zorgt voor een verschil in concentratie in de kern en de buitenkant van het gietstuk of binnenin de korrels zelf. De mate van segregatie is afhankelijk van de thermodynamische parameters tijdens het afkoelen, en met name de afkoelsnelheid, start- en eindtemperatuur. Daarnaast is het materiaal van het gietstuk en de matrijs en wanddikte van de matrijs van belang. De vorming van de microstructuur en textuur van het gietstuk zijn directe gevolgen van deze segregatie, welke weer essentieel zijn voor de uiteindelijke materiaaleigenschappen.[1]

Door een warmtebehandeling van het gietstuk na het gietproces kan er een meer gewenste microstructuur en textuur worden behaald en daarmee verbeterde eigenschappen voor het eindproduct.[1]

TechniekenBewerken

De productietechniek om te gieten kan worden verdeeld in:

ZandgietenBewerken

  Zie Zandgieten voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Om een gietstuk te vervaardigen is een driedimensionale afdruk (in de vorm van een holte) van het uiteindelijke product in een matrijs nodig. Daarvoor wordt een materiaal gebruikt dat veel gemakkelijker is te bewerken dan het metaal. Het wordt bijvoorbeeld gemaakt van hout.

CoquillegietenBewerken

  Zie Coquille (staal) voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Bij coquillegieten wordt het metalen smelt in een metalen matrijs (de coquille) gegoten. Deze coquille bestaat meestal uit twee of meerdere metalen matrijshelften. Coquillegieten wordt voornamelijk toegepast voor het vervaardigen van eenvoudige stukken waarvan er een groot aantal gemaakt moet worden. In de staalindustrie wordt coquillegieten, ook wel blokgieten of discontinu gieten, toegepast voor het vervaardigen van grote gietblokken (lingot) uit gietstaal. Het gietblok dat wordt gegoten wordt vervolgens gebruikt als halffabricaat in het walsproces. Dit proces is sinds de jaren 60 van de 20e eeuw goeddeels vervangen door het continugieten, dat leidt tot een hogere productiviteit, een betere homogeniteit (minder segregatie) van de gietstructuur en minder energieverbruik.

In de kunst en voor kleinere objecten wordt dit proces voornamelijk met de hand uitgevoerd. De smelt wordt met een gietlepel in de vormholte gegoten. Ook hier kan gebruikgemaakt worden van zand of metalen kernen.

ContinugietenBewerken

  Zie Continugieten voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
 
Continugieten. 1: Gietpan. 2: Verdeelbak. 3: Gietvorm. 4: Plasmatoorts. 5: Stop. 6: Verticale zone.

Continugieten is een methode om het stalen smelt dat in een staalfabriek wordt geproduceerd, te verwerken alvorens het wordt toegevoerd aan een warmbandwalserij.Vanuit het bassin wordt de gietvorm gevuld. Dit is een watergekoelde, rechthoekige koperen vorm zonder bodem die verticaal staat opgesteld. Aan deze vorm koelt de huid. De kern is dan nog gesmolten, reden waarom het materiaal, dat de gietvorm verlaat, nog door rollen moet worden ondersteund. De gietvorm maakt een schuddende beweging om vastplakken te voorkomen. Deze rollen, en andere rollen later in het proces, walsen de gietvorm tot dunne platen, blikken of knuppels.

De methode wordt ook toegepast voor andere metalen, zoals koper en aluminium.

SpuitgietenBewerken

  Zie Spuitgieten voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
 
Spuitgegoten cilinderblok van BMW-6-cilindermotor

Materialen met een laag smeltpunt, zoals lood, zink, aluminium en magnesium zijn geschikt voor spuitgieten. Dit komt doordat de matrijs meestal van staal is gemaakt. Dit is niet bestand tegen de hoge giettemperaturen van bijvoorbeeld gietijzer, gietstaal of titanium. Spuitgieten is een volledig automatisch proces. Een spuitgietmachine bestaat grofweg uit twee delen. Eén deel dat de matrijsdelen samenperst en één deel dat de metalen smelt onder druk in de matrijs spuit.

Een spuitgietcyclus begint met het sluiten van de twee matrijshelften. Wanneer de matrijs gesloten is wordt onder hoge druk (0,3 tot 7 bar) de smelt ingespoten. Na het afkoelen gaat de matrijs weer open en wordt het product uitgestoten. Vanwege de hoge investeringskosten in de matrijs is spuitgieten pas vanaf grote serie een interessante productiemethode.

KenmerkenBewerken

Kenmerken van een spuitgietproduct zijn:

  • Middelgroot, 100 g tot 20 kg
  • Dunwandig
  • Goede oppervlaktekwaliteit
  • Complexe vormen
  • Heeft lossing nodig
  • Weinig nabewerkingen nodig.

VoorbeeldenBewerken

Voorbeelden van spuitgietonderdelen zijn: behuizingsdelen en tandwielkasten in auto's en consumentenproducten

VerlorenwasgietenBewerken

  Zie Verlorenwasmethode voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Kleine producten met een hoge maatnauwkeurigheid en van middelgrote tot grote serie kunnen vervaardigd worden met de verlorenwasmethode.

Positieve vormen van het te maken product worden eerst van was gemaakt in een spuitgietmachine, of met rapid prototyping technieken. Verschillende van deze wasproducten worden aan een gietboom geplakt, een vertakte structuur van gietkanalen. Deze hele gietboom wordt vervolgens in meerdere stappen voorzien van een stevige keramische laag. Op een middelhoge temperatuur en onder hoge druk wordt de was gesmolten en loopt deze uit de boom. Deze kan in een volgende cyclus weer gebruikt worden. De overgebleven keramische buitenvorm wordt op hoge temperatuur uitgebakken en vormt de gietvorm.

De keramische vorm wordt volgegoten met metaalsmelt en weggezet om af te koelen. Eenmaal afgekoeld worden de producten weer losgeslagen of geslepen van de gietboom.

KenmerkenBewerken

Kenmerken van een verlorenwasproduct zijn:

  • Klein, van 10 g tot 2 kg
  • Goede oppervlaktekwaliteit
  • Zeer complexe vormen
  • Hoeft niet lossend te zijn
  • Weinig nabewerkingen nodig
  • Van enkelstuks (model gemaakt met rapid prototyping) tot zeer grote series
  • Kunnen in hoogwaardige metalen gegoten worden.

VoorbeeldenBewerken

Voorbeelden van verlorenwasproducten: tandwielen, kleppen en pompwaaiers in auto's, machines en industrie.

VerlorenschuimgietenBewerken

Zeer complexe middelgrote tot grote vormen kunnen worden gemaakt met verlorenschuimgieten. Deze methode lijkt enigszins op verlorenwasgieten, alleen blijft de positieve vorm in de keramische laag zitten tijdens het gieten.

Allereerst worden nauwkeurige piepschuim (polystyreen) vormen gemaakt in een soort spuitgietmachines. Polystyreenbolletjes zetten door hete stoom uit en worden aan elkaar geplakt in een schuimmatrijs. Verschillende van deze positieve vormen worden aan elkaar gelijmd tot een complexe vorm. Hier kunnen ook holtes en kanalen binnen in het product zitten. Verschillende vormen worden op een gietboom geplaatst. De hele gietboom met producten krijgt een dunne keramische coating en wordt in een bak geplaatst. Van bovenaf wordt er zand in de bak 'geregend' zodat overal waar geen schuim is zand zit, ook binnenin.

Boven op het schuim wordt metaalsmelt gegoten, waardoor het schuim wegsmelt en verdampt. Het metaal krijgt precies dezelfde vorm als dat het schuim had. Na het afkoelen worden de producten van de boom af geslagen of geslepen.

KenmerkenBewerken

Kenmerken van een verlorenschuimproduct zijn:

  • Middelgroot tot groot, van 1 tot 200 kg
  • Oppervlakte waar soms de structuur van piepschuim te zien is.
  • Zeer complexe vormen met kanalen en holtes
  • Hoeft niet lossend te zijn
  • Weinig nabewerkingen nodig
  • Van middelgrote tot grote series

VoorbeeldenBewerken

Voorbeelden van verlorenschuimproducten: motorblokken, pomphuizen met waterkoeling en warmtewisselaars.

Zie ookBewerken

Zie de categorie Gieten (metaalkunde) van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.