Soorten ijzeren gietstukken

Soorten ijzeren gietstukken

In dit hoofdstuk worden de verschillende soorten ijzergietstukken besproken.

Grijs ijzergieten

Kenmerkend voor grijs gietijzer is de grafische microstructuur, die breuken in het materiaal kan veroorzaken en een grijze uitstraling kan geven. Dit is de meest gebruikte gietijzersoort en qua gewicht ook het meest gebruikte gietmateriaal. Een meerderheid van de grijze gietijzers heeft een chemische afbraak van 2,5 procent tot 4 procent koolstof, 1 procent tot 3 procent siliconen en de rest is een samenstelling van ijzer.

Dit type gietijzer heeft een lagere treksterkte en minder schokbestendigheid dan staal. De druksterkte is vergelijkbaar met staal met een laag en gemiddeld koolstofgehalte.

Al deze mechanische eigenschappen worden bepaald door de vorm van de grafietvlokken en de grootte van de grafietvlokken, die aanwezig zijn in de microstructuur van het grijze gietijzer.

Wit ijzergieten

Dit type ijzer heeft gebroken oppervlakken die wit zijn door de aanwezigheid van een ijzercarbideprecipitaat genaamd cementiet. De koolstof die zich in wit gietijzer bevindt, slaat uit de smelt neer als cementiet in de stabiele fase in plaats van als grafiet. Dit wordt bereikt met een lager siliciumgehalte als grafitiseringsmiddel en een sneller geleverde koelsnelheid. Na deze precipitatie vormt het cementiet zich als grote deeltjes.

Tijdens het neerslaan van het ijzercarbide trekt het neerslag koolstof uit de oorspronkelijke smelt, waardoor het mengsel naar een mengsel wordt verplaatst dat dichter bij eutectisch ligt. De resterende fase is het verlagen van ijzer tot koolstofausteniet, dat na afkoeling verandert in martensiet.

Deze aanwezige eutectische carbiden zijn te groot om het voordeel van precipitatieharding te bieden. In sommige staalsoorten kunnen zich veel kleinere cementietprecipitaten bevinden die de vervorming van plastic kunnen veroorzaken door de beweging van dislocaties door de zuivere ijzerferrietmatrix te belemmeren. Ze hebben het voordeel dat ze de bulkhardheid van het gietijzer vergroten, simpelweg vanwege hun eigen hardheid en volumefractie. Dit heeft tot gevolg dat de bulkhardheid kan worden benaderd door een mengselregel.

Deze hardheid gaat in ieder geval ten koste van de taaiheid. Wit gietijzer kan over het algemeen worden geclassificeerd als cement, omdat carbide een groter deel van het materiaal uitmaakt. Wit ijzer is te bros om te worden gebruikt in structurele componenten, maar vanwege zijn goede hardheid, slijtvastheid en lage kosten kan het worden gebruikt als slijtoppervlak voor mestpompen.

Het is moeilijk om dikke gietstukken sneller af te koelen, wat voldoende is om de smelt te laten stollen als wit gietijzer. Snelle koeling kan echter worden gebruikt om een ​​hel van wit gietijzer te laten stollen en daarna zal een restant ervan koelt langzamer af en vormt zo een kern van grijs gietijzer. Dit resulterende gietstuk wordt een gekoeld gietstuk genoemd en bevat de voordelen van een hard oppervlak maar met een hardere binnenkant.

Wit-ijzerlegeringen met een hoog chroomgehalte hadden het vermogen om massief gieten van een waaier van ongeveer 10 ton door zandgieten mogelijk te maken. Dit komt door het feit dat chroom de koelsnelheid vermindert die nodig is om carbiden te produceren door de grotere materiaaldiktes. Carbiden met een uitstekende slijtvastheid worden ook geproduceerd door chroomelementen.

Smeedbaar gietijzer

Smeedbaar gietijzer begint als een gietstuk van wit ijzer, wordt vervolgens gedurende twee of één dag met een hittebehandeling behandeld bij temperaturen van ongeveer 950 °C en vervolgens gedurende dezelfde periode gekoeld.

De koolstof in ijzercarbide wordt vervolgens door dit verwarmings- en afkoelingsproces omgezet in grafiet en ferriet plus koolstof. Dit is een laag proces, maar het zorgt ervoor dat de oppervlaktespanning het grafiet omzet in bolvormige deeltjes in plaats van in vlokken.

De sferoïden zijn relatief kort en verder van elkaar verwijderd vanwege hun lage aspectverhouding. Ze bevatten ook een lagere dwarsdoorsnede, een voortplantende scheur en een foton. In tegenstelling tot vlokken bevatten ze stompe grenzen die bijdragen aan het verlichten van de spanningsconcentratieproblemen die voorkomen in grijs gietijzer. Al met al lijken de eigenschappen van smeedbaar gietijzer meer op die van staal, dat mild van aard is.

Nodulair gietijzer

Soms aangeduid als nodulair gietijzer, heeft dit gietijzer zijn grafiet in de vorm van zeer kleine knobbeltjes, waarbij het grafiet de vorm heeft van lagen die concentrisch zijn en zo de knobbeltjes vormen. Hierdoor zijn de eigenschappen vannodulair gietijzerzijn die van een sponsachtig staal dat geen spanningsconcentratie-effecten vertoont die worden veroorzaakt door de grafietvlokken.

De aanwezige koolstofconcentratie bedraagt ​​ongeveer 3 procent tot 4 procent, en die van silicium ongeveer 1,8 procent tot 2,8 procent. Kleine hoeveelheden van 0,02 procent tot 0,1 procent magnesium en slechts 0,02 procent tot 0,04 procent cerium, wanneer toegevoegd aan deze legeringen, vertragen de snelheid waarmee grafietprecipitatie groeit door binding aan de randen van de grafietbanen.

Koolstof kan de kans krijgen zich te scheiden als sferoïdale deeltjes naarmate het materiaal stolt, dankzij de zorgvuldige controle van andere elementen en de juiste timing tijdens het proces. De resulterende deeltjes zijn vergelijkbaar met smeedbaar gietijzer, maar onderdelen kunnen worden gegoten met grotere secties.

Legerende elementen

De eigenschappen van gietijzer worden veranderd en toegevoegd aan diverse legeringselementen of legeringen in het gietijzer. In het verlengde van koolstof ligt het element silicium, omdat dit het vermogen heeft om koolstof uit de oplossing te persen. Een kleiner percentage silicium kan dit niet volledig bereiken, omdat hierdoor koolstof in de oplossing achterblijft, waardoor ijzercarbide wordt gevormd en ook wit gietijzer wordt geproduceerd.

Een groter percentage of concentratie silicium kan de koolstof uit de oplossing dwingen en vervolgens grafiet vormen en ook grijs gietijzer produceren. Andere niet genoemde legeringsmiddelen zijn mangaan, chroom, titanium en vervolgens vanadium. Deze gaan silicium tegen, ze bevorderen ook het vasthouden van koolstof en daarmee ook de vorming van carbiden. Nikkel en het element koper hebben het voordeel omdat ze de sterkte en bewerkbaarheid vergroten, maar ze kunnen dan de hoeveelheid gevormde koolstof niet veranderen.

De koolstof in de vorm van grafiet resulteert in een zachter ijzer, waardoor het effect van krimp wordt verminderd, de sterkte wordt verlaagd en de dichtheid wordt verlaagd. Zwavel is meestal een verontreinigende stof als het wordt vastgehouden, en het vormt ijzersulfide dat de vorming van grafiet voorkomt en ook de hardheid verhoogt.

Het nadeel van zwavel is dat het gesmolten gietijzer stroperig maakt, wat defecten veroorzaakt. Om de effecten van zwavel op te vangen en te elimineren, wordt mangaan aan de oplossing toegevoegd. Dit wordt gedaan omdat wanneer de twee worden gecombineerd, ze mangaansulfide vormen in plaats van ijzersulfide. Het resulterende mangaansulfide is lichter dan de smelt en heeft de neiging uit de smelt te drijven en in de slak terecht te komen.

De geschatte hoeveelheid mangaan die nodig is om de effecten van zwavel op te heffen is 1,7 eenheden zwavelgehalte en daarbovenop nog eens 0,3 procent. Het toevoegen van meer dan deze hoeveelheid mangaan resulteert in de vorming van mangaancarbide en dit verhoogt de hardheid en afkoeling, behalve in grijs ijzer waar tot 1 procent mangaan de sterkte en de aanwezige dichtheid kan vergroten. Nikkel is een van de meest algemene legeringselementen omdat het de neiging heeft het perliet en de structuur van het grafiet te verfijnen, waardoor de taaiheid wordt verbeterd en het hardheidsverschil tussen de sectiediktes wordt geëgaliseerd.

Chroom wordt in kleine hoeveelheden toegevoegd om het vrije grafiet te verminderen en afkoeling te veroorzaken. Dit komt omdat chroom een ​​krachtige carbidestabilisator is en in sommige gevallen kan werken in combinatie met nikkel. Ook voor chroom kan een kleine vervangende hoeveelheid tin worden toegevoegd. Koper wordt in de gietpan of oven toegevoegd in de orde van grootte van 0,5 tot 2,5 procent om een ​​lagere kou te bereiken, het grafiet te verfijnen en de vloeibaarheid te vergroten. Molybdeen kan ook worden toegevoegd in de orde van grootte van 0,3 procent tot 1 procent om ook de koude te verhogen, het grafiet te verfijnen en de perlietstructuur te verfijnen.

Het wordt meestal toegevoegd in combinatie met nikkel, koper en chroom om ijzers met hoge sterkte te produceren. Het element titanium wordt toegevoegd om te werken als ontgasser en desoxidatiemiddel en om de vloeibaarheid te vergroten. Aan het gietijzer worden hoeveelheden van 0,15 tot 0,5 procent van het element vanadium toegevoegd en helpen bij het stabiliseren van cementiet, om de hardheid te vergroten en weerstand te bieden tegen slijtage en hitte-effecten.

Zirkonium helpt bij het vormen van grafiet en wordt toegevoegd in verhoudingen van ongeveer 0,1 procent tot 0,3 procent. Dit element helpt ook bij het deoxideren en vergroten van de vloeibaarheid. Om de hoeveelheid silicium die kan worden toegevoegd te vergroten, wordt bismut in smeltbare ijzersmelten gegoten op een schaal van 0,002 procent tot 0,01 procent. Aan wit ijzer wordt het element boor toegevoegd, wat helpt bij de productie van ijzer dat kneedbaar is, en het verruwingseffect van het element bismut vermindert.