Zandgieten â proces, zandeigenschappen, voor- en nadelen

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.

In dit artikel duiken we in het moderne zandgietproces, onderzoeken we hoe het werkt en waarom het nog steeds een van de meest gebruikte metaalgiettechnieken is, zelfs duizenden jaren na het ontstaan ervan.

Wat is zandgieten?

Zandgieten, of zandvormgieten, is een metaalbewerkingsproces dat matrijzen van zand gebruikt om metalen producten te maken. Zand is gemakkelijk te vormen met gewone voorwerpen. Nadat het naar wens gevormd is, wordt er heet gesmolten metaal in de mal gegoten. Als het metaal afkoelt, neemt het de vorm van de mal aan terwijl het stolt. Het uiteindelijke metaalproduct wordt dan uit de zandvorm gehaald en afgewerkt voordat het in gebruik wordt genomen.

Met de zandgiettechniek kunnen producten van alle maten en complexiteitsniveaus worden vervaardigd. Het kan gebruikt worden om voorwerpen te gieten zo klein als spelden of zo groot als treinlocomotieven. Bovendien is het compatibel met een breed scala aan metalenwaaronder gietijzer, smeedbaar ijzer, staal, nikkellegeringen, koperlegeringen, aluminiumlegeringen en magnesiumlegeringen.

Door zijn veelzijdigheid is zandgieten het meest gebruikte gietproces ter wereld: meer dan 60% van alle gegoten metaalproducten wordt met deze methode gemaakt.

Eigenschappen van gietzand

Hoewel er veel verschillende soorten zand zijn om uit te kiezen, zijn ze niet allemaal geschikt voor het gietproces. Elk van hen heeft bepaalde eigenschappen die al dan niet overeenkomen met de eisen van het project.

Afhankelijk van het gietproces en het metaal is de juiste combinatie van eigenschappen in het vormzand nodig. Om de cohesie te verbeteren, speciale additieven en bindmiddelen worden toegevoegd aan het basismengsel van zand, klei en water.

Deze bindmiddelen, die organisch of anorganisch kunnen zijn, zijn onder andere granen, gemalen pek, zeekool, gilsoniet, stookolie, houtmeel, kiezelzuurmeel, ijzeroxide en parelliet. Sommige van deze bindmiddelen hebben tegenstrijdige effecten, maar afwegingen zijn vaak noodzakelijk om de eigenschappen voor specifieke giettoepassingen in balans te brengen.

De vier meest voorkomende soorten zand die gebruikt worden voor het gieten zijn groen zand, droog zand, natriumsilicaat en harszand:

1. Groen zand wordt zo genoemd omdat het in wezen ruw zand is dat met water gemengd is. Het heeft een kleiachtige consistentie. Groen zand biedt een goedkope optie voor gietzand met een goede herbruikbaarheid en is compatibel met hoge productiesnelheden. De lage vormbaarheid kan er echter voor zorgen dat de mal in bepaalde situaties instort. Het heeft ook de neiging om oppervlaktedefecten te veroorzaken.
2. Droog zandis daarentegen een vormzand dat klei gebruikt en heel weinig water bevat dat als bindmiddel fungeert. Het houdt zijn vorm vrij goed vast als het eenmaal op zijn plaats is geramd. Een voordeel van droog zand is dat het zeer weinig stoom creëert tijdens het vullen, wat in het geval van vochtiger zand kan leiden tot het breken van de vorm als er niets wordt gedaan.
3. Natriumsilicaat, ook wel waterglas genoemd, is een speciaal zand dat een bindmiddel van natriumsilicaat gebruikt om het zand te integreren. Natriumsilicaat kan ingewikkelder of complexere vormen maken dan groen en droog zand.
4. Harszand, ook bekend als Furan zandHet maakt gebruik van een furfurylalcohol hars om een samenhangende massa van het zand te maken. De robuuste en zeer stabiele samenstelling heeft zeer weinig neiging om af te breken en biedt een uitstekende maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking. Het is echter het duurste zand. Het heeft ook een langere doorlooptijd.

Gietingenieurs kiezen het type zand op basis van het metaal, de geometrie van het product en de tolerantiegrenzen. Maar ongeacht de specificaties screenen zij een zandtype altijd op de volgende eigenschappen:

Brekerigheid

Vuurvastheid is de eigenschap van een materiaal dat het bestand is tegen thermische schokken en verbranding wanneer het aan hoge temperaturen wordt blootgesteld. Het zand dient als vuurvast materiaal voor gesmolten metaal en moet dus een hoog smeltpunt hebben. De keuze van het zand voor het gieten wordt grotendeels beïnvloed door de procestemperatuur. Als de vuurvastheid onvoldoende is, zal het zand smelten en versmelten met het gietstuk.

Voor veel metalen, zoals aluminium, hoeft het zand slechts bestand te zijn tegen een temperatuur van 700 graden Celsius. Zand voor stalen gietstukken moet echter minstens 1500 graden Celsius kunnen weerstaan, omdat het smeltpunt hoger ligt.

Doorlaatbaarheid

Het zand moet stoom en andere gassen die tijdens het gietproces ontstaan, afvoeren. Elke eenheid water in de mal produceert 1600 eenheden stoom.

Als de gassen en stoom vast komen te zitten, kan dit defecten zoals blaasgaten en gasgaten in het eindproduct veroorzaken. Hun verwijdering is cruciaal om een afwerking van goede kwaliteit te verkrijgen. Permeabiliteit is dus een cruciale eigenschap van zand om een eindproduct van hoge kwaliteit te verkrijgen.

De eigenschappen van gietzand worden beïnvloed door de korrelgrootte en -verdeling: kleine korrels verhogen de sterkte van de gietvorm maar verminderen de permeabiliteit, terwijl grotere korrels de permeabiliteit verhogen. Fijne korrels zorgen voor een gladde afwerking van het gietstukoppervlak maar hebben een lage permeabiliteit, terwijl grove korrels een hogere permeabiliteit hebben maar een ruwere afwerking.

Hoge thermische geleidbaarheid

Thermische geleidbaarheid is de eigenschap van een materiaal waardoor warmte er doorheen kan stromen. Een efficiënte warmtestroom leidt tot een snellere afkoeling van het gesmolten metaal. Zanden met een hoge thermische geleidbaarheid zijn nodig om de warmte van het gesmolten metaal naar de atmosfeer over te brengen.

Lage thermische uitzetting

Thermische uitzetting is de toename of afname van het volume van een materiaal wanneer er respectievelijk warmte wordt toegevoegd of onttrokken. Voor het zandgietproces is zand met een zeer lage thermische uitzetting nodig. Dit type zand behoudt zijn vorm tijdens de verschillende stadia van het gietproces, inclusief het gieten van vloeibaar metaal en de daaropvolgende afkoeling.

Vloeibaarheid

Het vermogen van zand om in kleinere gebieden te vloeien, zoals holtes, depressies en diepe kanalen van het patroon, bepaalt of we het kunnen gebruiken voor het gieten van complexe vormen. Zand met een hogere vloeibaarheid zal alle kenmerken van een patroon vullen zonder dat er externe druk nodig is.

Een zeer vloeibaar zand is niet nodig voor eenvoudige vormen, zoals een putdeksel, maar het kan wel nodig zijn voor iets complexers zoals een beeldhouwwerk. De mate van vloeibaarheid die nodig is, kan daarom per geval worden bepaald.

Kosten

De kosten kunnen ook aanzienlijk variëren van zand tot zand. Silicazand is bijvoorbeeld zeer goed verkrijgbaar, maar heeft ook problemen zoals instabiliteit van de afmetingen en de neiging om bij thermische schokken te verbranden of zelfs te exploderen tot deeltjes van sub-micronformaat. Silicose is ook een zeer zorgwekkend probleem als werknemers gedurende lange perioden aan silica worden blootgesteld. Olivijn- en chromietzand zijn daarentegen duurder en minder beschikbaar, maar hebben niet de bovengenoemde problemen.

Het gietproces is eenvoudig voor eenvoudige producten. Er wordt een holte met de gewenste vorm gemaakt, en gesmolten metaal wordt erin gegoten via een verticaal kanaal. Zodra het metaal gestold is, wordt het eruit gehaald door het vormzand eromheen te verwijderen.

Bij complexe vormen moet er echter zorgvuldig worden nagedacht over aspecten zoals het vullen van de mal, het verwijderen van overtollig metaal, een hoogwaardige oppervlakteafwerking en de optimale temperatuur en snelheid van het gesmolten metaal voor een gelijkmatige vulling.

Laten we een typisch zandgietproces in meer detail bekijken:

1. Vorm creëren

De mal wordt gemaakt met behulp van een patroon, dat een replica is van het gewenste product. Het patroon kan gemaakt zijn van een ander materiaal of proces, zoals machinale bewerking of additieve productie, maar het heeft dezelfde vorm en afmetingen als het eindproduct. Er kunnen meerdere matrijzen worden gemaakt met één patroon.

Het patroon wordt in twee delen gesplitst langs de middellijn van de vorm. Elke helft wordt dan in aparte zandbakken geplaatst, en het zandmengsel wordt eromheen gepropt om afdrukken van de patronen in het zand te maken.

Zodra de patronen uit het zand zijn gehaald, worden de twee zandbakken op elkaar geplaatst en vastgezet om de volledige mal te vormen. De bovenste helft en de onderste helft worden respectievelijk de cope en de drag genoemd. De zo ontstane matrijsholte heeft de negatieve vorm van het product. Een uitsteeksel op het eindproduct verschijnt bijvoorbeeld als een depressie in de matrijs.

2. Aanmaken van het poortsysteem

Het geleidingssysteem zorgt ervoor dat het gesmolten metaal in de holte stroomt. Een goed ontworpen systeem kan cruciaal zijn voor de kwaliteit van het product. Een effectief afsluitsysteem is eenvoudig, efficiënt en minimaliseert turbulentie. Het vangt ook gas of slak in het gesmolten metaal op.

Belangrijke onderdelen van het geleidingssysteem die zorgvuldig ontworpen moeten worden, zijn onder andere:

• Gietbak en sprue Het gietbekken dient als trechtervormig ingangspunt voor het gesmolten metaal. Het metaal stroomt vanuit het gietbekken in de sprue en beweegt zich onder invloed van de zwaartekracht naar de holte.
• Lopers Runners zijn horizontale kanalen waarlangs het gesmolten metaal vanaf de sprue de matrijsholte bereikt.
• Poorten â Gates zijn de ingangspunten van de matrijsholte, zorgen voor een soepele stroom van het gesmolten metaal in de matrijsholte, handhaven de druk en voorkomen afspatten. Ze zorgen er ook voor dat er geen slak in de matrijsholte komt.
• Risers Om krimp tegen te gaan als het metaal afkoelt, dienen risers als reservoirs in het gating-systeem, waar extra gesmolten metaal wordt opgeslagen. Als het metaal begint te krimpen, zorgen risers voor extra materiaal in de holte, waardoor metaaltekorten worden voorkomen.
• Kernen â Wanneer een product een holle doorsnede of holte nodig heeft, wordt een inzetstuk van massief zand, een kern genaamd, in de matrijs geplaatst om de bedoelde holte te vormen. Het gesmolten metaal vult zich rond de kern en creëert zo de holte in het uiteindelijke gietstuk. Chaplets houden de kern op zijn plaats tijdens het gieten.

3. Het gegoten gesmolten metaal

Het gesmolten metaal wordt van bovenaf in de holte gegoten. Het volume van het gebruikte metaal is iets groter dan dat van het product om ervoor te zorgen dat er wat overtollig materiaal in de stijgbuizen wordt opgeslagen.

4. Stollen tot gieten

Zodra de matrijsholte gevuld is, laat men het gietstuk afkoelen. Afhankelijk van het metaal en het proces kan natuurlijke of geforceerde koeling worden toegepast. De juiste koeling is essentieel om de gewenste eigenschappen te bereiken en de maatnauwkeurigheid van het eindproduct te behouden.

5. Uitschudden en zandterugwinning

Uitschudden is het proces waarbij het zandgietwerk uit de mal wordt gehaald. Het zand wordt geschud en verschoven om het gestolde gietstuk te scheiden, dat vervolgens voor de laatste afwerking wordt verzonden, terwijl de zandterugwinning begint.

Omdat niet al het zand kan worden teruggewonnen, wordt een deel van het oude zand vervangen door vers zand voor toekomstige zandgietprocessen. Om de eigenschappen van het zand voor hergebruik te herstellen, kunnen mechanische, chemische en thermische behandelingen worden toegepast, samen met aanpassingen aan de samenstelling door verloren vocht en additieven te compenseren.

Voordelen van zandgieten

Ondanks de ontwikkeling van vele geavanceerde technologieën in de afgelopen decennia, blijft zandgieten een van de populairste processen voor metaalbewerking. De unieke voordelen maken het onmisbaar in het moderne productielandschap. Vandaag de dag, zandgieten vaak geautomatiseerdwaardoor het aanpasbaar en efficiënter is om aan de eisen van hedendaagse productieomgevingen te voldoen. Hier zijn enkele belangrijke voordelen die van zandgieten zo’n waardevol proces maken.

Geschikt voor alle soorten productie

Zandgieten is compatibel met verschillende productieopstellingen, waardoor productie uit één stuk, per batch of in massa mogelijk is. Deze methode wordt veel gebruikt in industrieën zoals de automobielindustrie, defensie, landbouw, mijnbouw, bouw, gezondheidszorg en hernieuwbare energie.

In de auto-industrie wordt zandgieten gebruikt voor het ontwikkelen van prototypes, motorblokken, cilinderkoppen en diverse IC-motoronderdelen. De toepassing is ook uitgebreid naar de productie van EV’s, waar zandgieten gebruikt wordt voor de productie van structurele onderdelen, motorbehuizingen, accubehuizingen en nog veel meer.

Er is bijna geen beperking op grootte ook. Producten met een massa van enkele grammen tot enkele tonnen kunnen met mathematische precisie worden gegoten.

Kostenefficiënt

Een van de belangrijkste factoren die verschillende sectoren ertoe aanzetten om zandgiettechnologie te gaan gebruiken, zijn de kosten. Zandgieten is aanzienlijk kosteneffectiever in vergelijking met andere gietprocessen. Het zand kan met minimale bewerking hergebruikt worden voor toekomstige gietingen.

De automatisering in hoog-volume productie verlaagt ook de kosten per stuk en zorgt voor een consistente en betrouwbare kwaliteit. Zandgieten veroorzaakt ook lage gereedschapskosten in vergelijking met andere gietmethoden.

Geschikt voor alle metalen

Zandgieten kan met bijna elke ferro- of non-ferrometaallegering. Voorbeelden zijn goud, ijzer, lood en titanium. De enige vereiste is dat het smelt en als vloeibaar metaal in de mal vloeit. Deze flexibiliteit stelt gieterijen in staat om met een breed scala aan metalen te werken zonder dat er significante proces- of apparatuuraanpassingen nodig zijn.

Snel proces

Hoewel processen zoals centrifugaal gieten efficiënter kunnen zijn voor specifieke vormen, biedt zandgieten snelle doorlooptijden voor zowel prototypes als grootschalige toepassingen.

Beperkingen van zandgieten

Alle productieprocessen brengen compromissen met zich mee. In het geval van zandgieten zijn deze nadelen echter minimaal vergeleken met de voordelen. Laten we eens kijken naar enkele van deze beperkingen:

Slechte oppervlakteafwerking

Een slechte zandkwaliteit en procesafwijkingen kunnen soms leiden tot een slechte oppervlakteafwerking van zandgietstukken. Een defect in de zandmal kan leiden tot een ruw oppervlak. Voor producten die een hoogwaardige oppervlakteafwerking nodig hebben zonder uitgebreide nabewerking, wordt vaak de voorkeur gegeven aan spuitgieten en verlorenwasgieten, maar met het juiste zand en de juiste processen kan zandgieten ook een verfijnde afwerking produceren.

Het gebruik van fijner zand van hoge kwaliteit zorgt voor een veel betere oppervlakteafwerking, maar het verhoogt de kosten van het proces. Het goed aanstampen of inpakken van zanddeeltjes helpt ook om de oppervlakteafwerking te verbeteren. Om oppervlaktedefecten zoals een te ruwe afwerking te corrigeren, ondergaan zandgietstukken meestal machinale bewerkingen zoals draaien, slijpen en gritstralen.

Losse controle van koelsnelheden

Terwijl de koelsnelheden bij veel metaalbewerkingsprocessen beter gecontroleerd kunnen worden, kan hetzelfde niet gezegd worden van zandgieten. Omdat zand een isolator is, worden de uitdagingen met betrekking tot de koelfase nog groter. De koelfase duurt aanzienlijk langer bij zandgieten, wat invloed heeft op de doorlooptijden en productiesnelheden.

Enige variatie in de anisotropie van de microstructuur kan optreden als gevolg van variërende koelsnelheden. Anisotropie verwijst naar de veranderingen in mechanische eigenschappen die het gevolg zijn van veranderingen in de korreloriëntatie van het materiaal.

Het vormen van interne holtes kan moeilijk zijn

De zandgietmethode vereist het plaatsen van kernen in de vormholte om interne holtes te vormen. Bij de productie van een motorblok bijvoorbeeld, moeten tijdens het gietproces lege holtes voor de motorcilinders worden gemaakt.

Het creëren van interne kamers, gaten of ruimten in de gietvormholte is een uitdaging omdat ze correct geplaatst moeten worden en voldoende ondersteund moeten worden om het gietproces te doorstaan. Hoe complexer deze holtes worden, hoe meer uitdagingen er overwonnen moeten worden.

Gekwalificeerd personeel is vereist als het proces niet geautomatiseerd is

Geautomatiseerde processen kunnen duur zijn. Zonder automatisering is het proces echter afhankelijk van geschoolde zandgietexperts die patronen en mallen maken en toezicht houden op het proces om een product van hoge kwaliteit te garanderen. Zonder geschoold personeel kunnen de resultaten aanzienlijk onder de aanvaardbare normen vallen, wat kan leiden tot reputatieschade en materiële schade.

Zandverwijdering kan een uitdaging zijn

Gieterijen recyclen gietzand zoveel mogelijk, maar na een bepaald aantal cycli is het niet meer geschikt voor hergebruik. Afvalzand uit gieterijen is echter een schadelijke verontreiniging die tot milieuproblemen kan leiden.

De bouw is een van de sectoren waar afval van gieterijen nu wordt afgevoerd. Het wordt gebruikt als vervanging voor fijn toeslagmateriaal (zand) in beton. Deze praktijk pakt niet alleen het probleem van zandverwijdering aan, maar verlaagt ook de kosten en koolstofuitstoot van de betonproductie.

Maar afgezien hiervan belandt het meeste afval van gieterijzand op een stortplaats, wat zeker niet ideaal is. De opties voor het recyclen van gietzand zijn beperkt.

Conclusie

Hoewel traditioneel zandgieten een eeuwenoud proces is, heeft het opmerkelijke verfijningen ondergaan, waardoor het zeer relevant en nuttig is in het huidige productielandschap. De populariteit wordt deels toegeschreven aan de veelzijdigheid voor verschillende metaalsoorten en productafmetingen, en deels aan de kostenefficiëntie in vergelijking met andere gietprocessen.

Voortdurende innovaties in materiaalkunde en procesautomatisering breiden het belang van zandgieten verder uit in industrieÔn variÔrend van de automobielindustrie tot de bouw. Naarmate industrieÔn zich verder ontwikkelen, zal zandgieten het industriÔle landschap blijven vormgeven, door traditie en innovatie in metaalbewerkingstechnieken te combineren.

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.