Soorten gietijzer

Soorten gietijzer

In dit hoofdstuk worden de verschillende soorten gietijzer besproken.

Gieten van grijs gietijzer

Grijs gietijzer kenmerkt zich door de grafische microstructuur, waardoor er breuken in het materiaal kunnen ontstaan ​​en het een grijze uitstraling heeft. Het is het meest gebruikte type gietijzer en ook het meest gebruikte gietmateriaal op basis van gewicht. De meeste soorten grijs gietijzer hebben een chemische ontleding van 2,5 tot 4 procent koolstof, 1 tot 3 procent silicium en de rest bestaat uit ijzer.

Dit type gietijzer heeft een lagere treksterkte en een lagere schokbestendigheid dan staal. De druksterkte is vergelijkbaar met die van laag- en middelkoolstofstaal.

Al deze mechanische eigenschappen worden bepaald door de vorm 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, cementiet genaamd. De koolstof in wit gietijzer slaat uit de smelt neer als stabielefasecementiet in plaats van als grafiet. Dit wordt bereikt door een lager siliciumgehalte als grafitiserend middel en een snellere koelsnelheid. Na deze neerslag vormt het cementiet zich tot grote deeltjes.

Tijdens de precipitatie van het ijzercarbide onttrekt het neerslag koolstof aan de oorspronkelijke smelt, waardoor het mengsel dichter bij een eutectisch mengsel komt. De resterende fase is de omzetting van ijzer naar koolstofausteniet, dat na afkoeling transformeert in martensiet.

Deze aanwezige eutectische carbiden zijn te groot om het voordeel van precipitatieharding te bieden. In sommige staalsoorten kunnen er veel kleinere cementietneerslagen voorkomen die de vervorming van plastisch materiaal kunnen veroorzaken door de beweging van dislocaties door de zuivere ijzer-ferrietmatrix te belemmeren. Ze hebben een voordeel omdat ze de bulkhardheid van het gietijzer verhogen, simpelweg dankzij hun eigen hardheid en volumefractie. Dit resulteert erin dat de bulkhardheid kan worden benaderd met een mengselregel.

Deze hardheid gaat hoe dan ook 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 gietijzer is te bros voor gebruik in constructieonderdelen, maar vanwege de goede hardheid, slijtvastheid en lage kosten kan het worden gebruikt als slijtlaag voor slibpompen.

Het is moeilijk om dikke gietstukken sneller af te koelen dan voldoende is om de smelt te laten stollen als wit gietijzer. Snel afkoelen kan echter worden gebruikt om een ​​dikke laag wit gietijzer te laten stollen, waarna een restant langzamer afkoelt en zo een kern van grijs gietijzer vormt. Dit resulterende gietstuk wordt een gekoelde gieting genoemd en heeft de voordelen van een hard oppervlak, maar met een hardere binnenkant.

Legeringen met een hoog chroomgehalte in wit ijzer maakten het mogelijk om een ​​massieve waaier van ongeveer 10 ton in zand te gieten. Dit komt doordat het chroom de koelsnelheid vermindert die nodig is om carbiden te produceren door de grotere materiaaldiktes. Carbiden met een uitstekende slijtvastheid worden ook geproduceerd met chroomelementen.

Gieten van smeedbaar ijzer

Smeedbaar gietijzer begint als een gietstuk van wit ijzer, wordt vervolgens gedurende twee of één dag op een temperatuur van ongeveer 950°C behandeld en vervolgens gedurende dezelfde periode afgekoeld.

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

De sferoïden zijn relatief kort en verder uit elkaar geplaatst vanwege hun lage aspectverhouding. Ze bevatten ook een kleinere dwarsdoorsnede, een zich voortplantende scheur en een foton. In tegenstelling tot vlokken bevatten ze stompe randen die bijdragen aan het verminderen van de spanningsconcentratieproblemen die voorkomen in grijs gietijzer. Al met al lijken de eigenschappen van smeedbaar gietijzer meer op die van staal, dat van nature zacht is.

Gieten van nodulair gietijzer

Dit gietijzer, soms ook wel nodulair gietijzer genoemd, heeft zijn grafiet in de vorm van zeer kleine nodules, waarbij het grafiet de vorm heeft van concentrische lagen die de nodules vormen. Hierdoor zijn de eigenschappen vannodulair gietijzerzijn die van een sponsachtig staal, waarbij er geen sprake is van spanningsconcentratie-effecten veroorzaakt door de grafietvlokken.

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

Koolstof kan zich tijdens het stollen van het materiaal als bolvormige deeltjes afscheiden, dankzij de zorgvuldige controle van andere elementen en de juiste timing tijdens het proces. De resulterende deeltjes lijken op die van smeedbaar gietijzer, maar onderdelen kunnen met grotere secties worden gegoten.

Legeringselementen

De eigenschappen van gietijzer veranderen en worden toegevoegd aan verschillende legeringselementen of legeringen in het gietijzer. Net als koolstof is silicium het element, omdat het koolstof uit de oplossing kan verdrijven. Een kleiner percentage silicium kan dit niet volledig bereiken, omdat koolstof dan in de oplossing achterblijft, waardoor ijzercarbide ontstaat en wit gietijzer ontstaat.

Een hoger percentage of een hogere concentratie silicium kan de koolstof uit de oplossing verdrijven en vervolgens grafiet en grijs gietijzer vormen. Andere, niet genoemde legeringsmiddelen zijn mangaan, chroom, titanium en vervolgens vanadium. Deze werken silicium tegen en bevorderen ook de koolstofretentie en daarmee de vorming van carbiden. Nikkel en koper hebben een voordeel omdat ze de sterkte en bewerkbaarheid verhogen, maar ze kunnen de hoeveelheid gevormde koolstof niet beïnvloeden.

De koolstof in de vorm van grafiet resulteert in een zachter ijzer, waardoor krimp wordt verminderd, de sterkte afneemt en de dichtheid afneemt. Zwavel is meestal een verontreiniging wanneer het wordt ingesloten en vormt ijzersulfide, wat de vorming van grafiet voorkomt en tevens de hardheid verhoogt.

Zwavel heeft als nadeel dat het gesmolten gietijzer viskeus maakt, wat defecten veroorzaakt. Om de effecten van zwavel te compenseren en te elimineren, wordt mangaan aan de oplossing toegevoegd. Dit gebeurt omdat de combinatie van de twee mangaansulfide in plaats van ijzersulfide vormt. 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 te neutraliseren, bedraagt ​​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, wat de hardheid en de afkoeling verhoogt, behalve in grijs gietijzer, waar tot 1 procent mangaan de sterkte en de dichtheid kan verhogen. Nikkel is een van de meest voorkomende legeringselementen omdat het de neiging heeft het perliet en de structuur van het grafiet te verfijnen, waardoor de taaiheid verbetert en het hardheidsverschil tussen sectiediktes wordt gecompenseerd.

Chroom wordt in kleine hoeveelheden toegevoegd om vrij grafiet te verminderen en een koude te creëren. Dit komt doordat chroom een ​​krachtige carbidestabilisator is en in sommige gevallen samen met nikkel kan werken. Aan chroom kan ook een kleine hoeveelheid tin worden toegevoegd. Koper wordt in de gietpan of oven toegevoegd in de orde van 0,5 tot 2,5 procent om een ​​lagere koude te bereiken, het grafiet te verfijnen en de vloeibaarheid te verhogen. Molybdeen kan ook worden toegevoegd in de orde van 0,3 tot 1 procent om eveneens de koude te verhogen, het grafiet te verfijnen en de perlietstructuur te verfijnen.

Het wordt meestal samen met nikkel, koper en chroom toegevoegd om ijzer met een hoge sterkte te produceren. Het element titanium wordt toegevoegd als ontgasser en deoxidator en verhoogt de vloeibaarheid. Aan het gietijzer worden hoeveelheden van 0,15 tot 0,5 procent van het element vanadium toegevoegd om cementiet te stabiliseren, de hardheid te verhogen en slijtage en hitte-effecten te weerstaan.

Zirkonium helpt bij de vorming van grafiet en wordt toegevoegd in verhoudingen van ongeveer 0,1 tot 0,3 procent. Dit element helpt ook bij het deoxideren en verhogen van de vloeibaarheid. Om de hoeveelheid silicium die kan worden toegevoegd te vergroten, wordt in smeltbare ijzersmelten bismut gegoten in een verhouding van 0,002 tot 0,01 procent. In wit ijzer wordt het element boor toegevoegd, wat de productie van smeedbaar ijzer bevordert en het vergrovingseffect van het element bismut vermindert.