Metaalgieten – Definitie, Proces & Soorten

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Metaalgieten is een productieproces waarbij metalen smelten en in vormen gieten om specifieke vormen te vormen. Het wordt voornamelijk gebruikt in de verwerkende industrie om verschillende onderdelen te produceren, maar ook in de schone kunsten, zoals beeldhouwen en het maken van sieraden. In 2020 werd de waarde van de markt voor metaalgietwerk van ijzer en staal geschat op 145,97 miljard USD. De markt zal naar schatting groeien met een CAGR van 5,4% van 2021 tot 2027.

Het proces van het gieten van metalen gaat meer dan 7000 jaar terug. Door de eeuwen heen is het gietproces voortdurend ontwikkeld en verfijnd. Vandaag de dag maakt het de herhaalbare productie van zeer complexe vormenwaarvan sommige met geen enkele andere methode te realiseren zouden zijn.

Het wordt nu zo veel gebruikt dat het onmogelijk is om gegoten producten te vermijden, ongeacht het soort omgeving waarin u zich bevindt. Enkele voorbeelden van gegoten metalen producten zijn motorblokken, brandkranen, motoren, gereedschap, verkeerslichten, mangaten, pijpleidingen, kleppen en diverse fittingen.

In dit artikel zullen we het metaalgietproces verkennen om te begrijpen wat het is, wat de soorten zijn en hoe ze werken.

Wat is gieten?

Het gietproces maakt de productie van metalen onderdelen met de gewenste vorm mogelijk door de metalen boven hun smelttemperatuur te verhitten en het vloeibare metaal in mallen te gieten. Het gesmolten metaal stroomt in de lege holtes en vormt zich naar de vorm van de mal. Zodra het metaal is afgekoeld en gestold, wordt het uit de mal gehaald en opgestuurd voor nabewerking. Tijdens de nabewerking worden de oppervlakteafwerking en het uiterlijk verbeterd en worden eventueel noodzakelijke beschermende coatings aangebracht.

Gieten van metaal wordt alleen beperkt door de fantasie van de fabrikant. Het kan zeer ingewikkelde vormen vormen.

Gieten heeft de voorkeur voor complexe geometrieën omdat het kosteneffectiever is en het proces eenvoudig is in vergelijking met bijvoorbeeld CNC-verspaning in dergelijke gevallen. Maar het wordt ook veel gebruikt voor de eenvoudigste vormen vanwege de snelle doorlooptijd en grote productiecapaciteit.

Moderne gietmethoden kunnen bijna-netvormen produceren, waardoor de noodzaak voor ontbramen en andere nabewerkingen aanzienlijk afneemt.

Metalen gietproces

De reden dat het metaalgietproces zo populair werd, was de inherente eenvoud ervan. Er waren geen moderne machines of ingewikkelde processen nodig om eindproducten te verkrijgen.

Daarom konden zelfs legers uit de oudheid er gebruik van maken voor de productie van wapens en gereedschappen. Maar door de jaren heen heeft de vooruitgang in het gieten enkele stappen aan het proces toegevoegd om ervoor te zorgen dat de eindproducten de best mogelijke kwaliteit hebben. Laten we eens kijken naar het typische metaalgietproces dat tegenwoordig in de industrie gebruikt wordt.

Stap 1: Mallen maken

Het maken van de mal is waarschijnlijk de meest cruciale stap in het metaalgietproces. De kwaliteit van de mal heeft een directe invloed op de kwaliteit van het eindproduct.. De methode om matrijzen te maken varieert afhankelijk van het type metaal, de geometrie van het onderdeel, de productiecapaciteit en de gewenste afwerking. Zodra deze specificaties zijn vastgesteld, kunnen de geschikte materialen en de methode worden bepaald.

De matrijs wordt gemaakt als een negatieve afdruk van het gewenste onderdeel. Hij wordt gemaakt van een materiaal dat niet alleen bestand is tegen de hoge temperaturen van gesmolten materiaal, maar dat na afkoeling ook gemakkelijk van het vaste metalen onderdeel kan worden gescheiden. Sommige materialen die voor mallen worden gebruikt zijn zand, gips, vuurvaste slurry en keramische vloeistof. Sommige matrijzen kunnen maar één keer gebruikt worden, terwijl andere herhaaldelijk gebruikt kunnen worden.

Stap 2: Metaal smelten en gieten

Het gietmetaal wordt verwarmd tot boven het smeltpunt om een vrijstromende vloeistof te creëren. De vloeistof moet zoveel mogelijk vrij zijn van verontreinigingen en dross. Er kunnen voorzieningen aan de mal worden toegevoegd om te voorkomen dat er dross in het gietstuk terechtkomt. Het gesmolten metaal wordt in een gietbassin aan de bovenkant van de mal gegoten. Het vloeibare metaal komt dan in de sprue (verticaal kanaal) en wordt via runners (horizontale kanalen) en gates (ingangen voor de holtes) in de matrijsholte verdeeld.

Minder viskeuze metalen kunnen gemakkelijk in het gietstuk vloeien en fijnere patronen vormen. Metalen met een hoge viscositeit stromen niet-turbulent, waardoor defecten zoals porositeit worden geëlimineerd. De stolsnelheid en drijvende kracht worden ook beïnvloed door de viscositeit van het gesmolten metaal.

Stap 3: Het metaalgietwerk uit de mal halen

Bij een mal voor eenmalig gebruik wordt de mal gebroken om het metaalgietstuk eruit te halen.

Bij een permanente mal zijn er verschillende openingen op de mal om toegang te krijgen tot het gietstuk en deze eruit te halen. De mal kan dan worden hergebruikt voor de volgende batches.

Stap 4: Afwerking en nabewerking

Het gietstuk dat uit de mal komt, kan niet in zijn huidige staat gebruikt worden. Wanneer het gesmolten metaal in de mal wordt gegoten, stolt het vloeibare metaal in de sprue, runners, risers en vents ook. Al deze aanhangsels worden afgesneden. Oppervlakteafwerking kan ook nodig zijn.

Het onderdeel wordt dan opgestuurd om gereinigd en gecoat te worden als de toepassing dat vereist.

Soorten gietprocessen

Gietstukken kunnen van verschillende metalen gemaakt worden, zoals aluminium, zink, staal en ijzer. Elk metaal heeft unieke eigenschappen, waardoor aanpassingen in de giettechniek nodig zijn om het best mogelijke product te verkrijgen.

De giettechniek hangt ook af van parameters zoals de samenstelling van de legering, de geometrie van het onderdeel, de kosten, de gewenste eindkwaliteit, de grootte van de productierun en prestatiecriteria.

De gietprocessen worden op twee manieren verdeeld: de eerste is gebaseerd op de levensduur van de mal (gietvormen voor eenmalig en voor eenmalig gebruik) en de tweede is de methode voor het spuitgieten van legeringen (zwaartekracht-, druk- of vacuümgieten). In dit artikel zullen we de gietprocessen indelen in gietstukken voor eenmalig gebruik en gietstukken voor eenmalig gebruik.

Gietproces voor eenmalig gebruik

Processen voor het gieten van afwerpmallen gebruiken matrijzen die maar één keer gebruikt kunnen worden. Deze mallen worden gebruikt in verschillende gietprocessen, zoals zandgieten, vormgieten en verlorenwasgieten. Er moet echter worden opgemerkt dat deze gietvormen niet altijd worden weggegooid na gebruik. De fabrikanten kunnen proberen om de gietvormen te redden als het mogelijk is om ze opnieuw te gieten.

Laten we eens kijken naar enkele processen waarbij niet-herbruikbare gietvormen worden gebruikt:

Zandgieten

Bij zandgieten wordt zand als vormmateriaal gebruikt. Zand is goedkoop, gemakkelijk verkrijgbaar, buigzaam en beter bestand tegen hoge hitte dan de meeste materialen. Groen zand (vochtig) en droog zand zijn de meest geschikte materialen voor het gietproces.

Er wordt een zandmal in de negatieve vorm van het gewenste onderdeel gemaakt en vervolgens wordt het gesmolten metaal erin gegoten. Zodra het metaal stolt, wordt het zand verwijderd om het gietstuk terug te krijgen.

Zandgieten is een van de oudste gietmethoden. Het blijft tot op de dag van vandaag erg populair vanwege de eenvoud, veelzijdigheid en betaalbaarheid.

Zandgieten kan producten produceren die in grootte variëren van enkele centimeters tot tientallen meters. Producten kunnen slechts 75 gram wegen en tot enkele tonnen oplopen.

Zandgieten biedt echter niet de beste oppervlakteafwerking en is daarom meer geschikt voor grotere producten die later verfijnd kunnen worden voor een gladdere afwerking.

Gipsen vormgieten is een soort zandgietmethode waarbij gips gebruikt wordt om de mal op te bouwen in plaats van zand.

Schelpgieten

Schelpgieten is een soort zandgietproces. In plaats van los zand wordt er echter metaal gegoten in een dunwandige, harde zandschaal.

Om deze schelp te maken, moet er eerst een patroon gemaakt worden. Een patroon is een voorwerp dat de vorm heeft van het gewenste onderdeel. Het patroon wordt verwarmd en in het zand geplaatst dat vermengd is met een thermohardend harsbindmiddel. Het zand rond het patroon neemt de vorm van het onderdeel aan, en de hars hardt het uit. De schaal wordt verder uitgehard in de oven. Zodra het omhulsel klaar is, wordt het in het bakmateriaal geplaatst en wordt er gesmolten metaal in gegoten. Na het stollen wordt het gietstuk teruggehaald.

Gietvormen biedt voordelen zoals minder mankracht nodig (wanneer het geautomatiseerd is), een grotere productiecapaciteit en een grotere maatnauwkeurigheid.

Schelpvormen is echter iets duurder dan zandgieten vanwege de gebruikte hars. Het kan ook een lagere materiaalsterkte hebben en problemen met hoge porositeit. De arbeidskosten kunnen ook vrij hoog oplopen als het proces niet geautomatiseerd is.

Investeringsgieten

Investeringsgieten, ook bekend als verloren-was-gieten of precisiegieten, gebruikt was om consistent nauwkeurige gietstukken te maken.

Het proces begint met een waspatroon dat verkregen wordt door metalen matrijzen. Verschillende waspatronen worden samengevoegd met poorten, runners en een sprue. Dit maakt het mogelijk om meerdere onderdelen tegelijkertijd te gieten.

De assemblage van waspatronen wordt ondergedompeld of “geïnvesteerd” in een vuurvaste slurry die de vorm van de assemblage aanneemt.

Het waspatroon wordt dan samen met het slijpmantel verhit. De was stroomt uit het omhulsel en kan worden teruggewonnen voor hergebruik.

Het omhulsel van slurry vormt vervolgens de mal voor het gietproces. Gesmolten metaal wordt in de mal gegoten, waar het stolt tot het gewenste onderdeel.

Investeringsgieten is zeer nauwkeurig. Het wordt gebruikt voor complexe onderdelen die nauwkeurige onderdelen vereisen, zoals rotors van turboladers. Het biedt ook een zeer goede oppervlakteafwerking.

Aan de andere kant is het proces duurder dan zandgieten en vormgieten. Het heeft beperkingen voor sommige kenmerken, zoals de grootte en diepte van gaten. Investeringsgieten kan een uitdaging zijn om uit te voeren als er kernen bij betrokken zijn.

Proces voor het gieten van niet-uitroeibare gietmallen

Deze giettechnieken gebruiken permanente mallen die meerdere keren hergebruikt kunnen worden. Het is niet nodig om voor elk gietstuk een nieuwe mal te maken, zoals het geval is bij gietstukken voor eenmalig gebruik. Dit kan voordelig zijn voor gietstukken die een fijne oppervlakteafwerking, hoge maatnauwkeurigheid en complexe vormen vereisen.

De volgende gietprocessen kunnen worden geclassificeerd als niet-uitstelbaar:

Spuitgieten

Het spuitgietproces gebruikt een metalen matrijs om andere metalen te gieten. De matrijs wordt meestal gemaakt van non-ferro legeringen van aluminium, koper en zink, maar er worden ook matrijzen van ferrometalen gebruikt.

De metalen matrijzen zijn duur om te maken maar ze gaan erg lang mee. Dit maakt spuitgieten meer geschikt voor massaproductie.

In vergelijking met andere metaalgiettechnieken is spuitgieten meer geschikt voor kleine tot middelgrote onderdelen die een hoogwaardige oppervlakteafwerking vereisen.

Er zijn twee hoofdtypen spuitgietprocessen: zwaartekrachtgieten en drukgieten. Bij zwaartekrachtgieten wordt de zwaartekracht gebruikt om de mal te vullen met gesmolten metaal. De kanalen en de matrijsholtes zijn zo ontworpen dat het metaal op natuurlijke wijze in de holtes stroomt.

Bij spuitgieten onder druk wordt gesmolten metaal onder hoge druk geïnjecteerd om de matrijs te vullen. Dit proces biedt meer flexibiliteit in het ontwerp van de mal, maar is duurder en meer gebaseerd op vaardigheden.

Spuitgieten onder druk is geschikter voor complexe geometrieën, terwijl zwaartekrachtgieten meer waarde biedt voor eenvoudigere ontwerpen.

Centrifugaal gieten

Centrifugaal gieten gebruikt centrifugaalkracht om ronde onderdelen te gieten. Het proces wordt over het algemeen gebruikt voor het maken van gietstukken van standaardafmetingen, zoals buizen, en niet voor eindproducten.

Omdat het proces gebruik maakt van zwaartekracht en druk, maakt het zeer fijne ontwerpen met een opmerkelijke nauwkeurigheid.

Het gesmolten metaal wordt door het midden gevoerd en de draaiende beweging van de mal duwt het metaal naar de rand, waardoor een ringvormige vorm ontstaat. Door achtereenvolgens verschillende materialen toe te voegen, is het mogelijk om buizen met meerdere lagen te produceren. Met centrifugaal gieten kunnen bijvoorbeeld gietijzeren buizen worden gemaakt met een cementvoering aan de binnenkant om corrosie en daaropvolgende tuberculatie te voorkomen.

De centrifugale kracht kan ook viskeus gesmolten metaal in uiterst fijne holtes duwen. Het metaal kan in ingewikkelde vormen worden gegoten en complexe ontwerpen vormen. Dit concept wordt dus ook vaak gebruikt om sieraden te maken.

De gietmachines kunnen horizontaal of verticaal zijn. Horizontale machines zijn geschikt voor lange producten zoals buizen, terwijl machines met een verticale as geschikter zijn voor kortere producten zoals lagers.

Centrifugaal gieten biedt voordelen zoals het niet nodig hebben van kernen, het produceren van een uitstekende korrelstructuur, en het hebben van geen beperkingen op afmetingen zoals lengte, wanddikte en diameter.

Centrifugaal gieten is het beste alternatief voor specifieke toepassingen, zoals dunwandige cilinders. Het heeft echter nadelen zoals vormbeperkingen, het onvermogen om met kleinere diameters te werken en compatibiliteit met beperkte legeringen. Onzuiverheden verzamelen zich bij centrifugaal gieten in het centrum, wat moeilijk te verwijderen kan zijn.

Continugieten

Continugieten, ook bekend als strenggieten of plakgieten, produceert een continugieten van constante doorsnede.

Gesmolten metaal uit een oven wordt voorzichtig in een tundish gegoten, van waaruit het metaal naar een watergekoelde mal met de gewenste doorsnede wordt overgebracht. De koeling versnelt het stollen van het gesmolten metaal.

Terwijl het metaal stolt, wordt het ook door rollen uit de mal getrokken, waar het gietstuk kan worden afgekoeld en verder gevormd tot de uiteindelijke afmetingen. Als het stollen voltooid is, wordt het gietstuk in standaardafmetingen gesneden.

Continugieten biedt een hoge productiesnelheid, verhoogde nauwkeurigheid, minder afval en een verbeterde korrelstructuur.

Het proces vereist echter een hoge initiële investering, en het eindproduct kan interne defecten en een slechte oppervlaktekwaliteit hebben.

Samenvatting

Metaalgieten is een vakkundige en kosteneffectieve methode voor het produceren van betrouwbare metalen producten. Het biedt een breed scala aan processen. Elk proces heeft voor- en nadelen die het geschikt maken voor specifieke toepassingen.

Zandgieten is bijvoorbeeld perfect voor eenmalige complexe stukken, terwijl spuitgieten geschikter is wanneer ingewikkelde producten nodig zijn met een hoge productiesnelheid.

Mallen die gebruikt worden bij het gieten worden gecategoriseerd als vervangbare mallen en niet-vervangbare mallen. Wegwerpmallen worden na elk gebruik vernietigd, zoals bij zandgieten, terwijl niet-uitwerpmallen permanenter zijn en enkele dagen tot enkele jaren kunnen meegaan.

De veelzijdigheid van metaalgieten maakt het tot een essentiële metaalbewerkingstechniek voor verschillende industrieën, van de auto-industrie tot de luchtvaartindustrie, en zorgt voor een hoge nauwkeurigheid en herhaalbare productie van complexe onderdelen.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.