Inleiding
Voor de liefhebbers een technisch verhaal.
Zoals jullie hebben kunnen lezen heb ik een tijd meegedraaid op molen de Valk in Montfoort. Molenaar daar is Paul en hij heeft een bureau wat adviseert bij restauraties van monumenten, vnl. molens. Als zodanig is hij lid van het Molenmakersplatform, een vereniging van molenmakers. Deze club komt regelmatig bij elkaar om ervaringen uit te wisselen.
Paul heeft mij begin dit jaar gevraagd of ik bij zo'n bijeenkomst eens een lezing wilde houden over gietijzeren en dat heb ik gedaan. Onderstaand bericht is het verhaal wat ik destijds verteld heb.
Zoals gezegd is het een tecnisch verhaal maar ik heb geprobeerd om het in lekentaal te formuleren.
Is er iets onduidelijk? Laat het me weten, dan zal ik proberen om het nog duidelijker uit te leggen.
De gekleurde woorden zijn links naar sites waar meer uitleg wordt gegeven.
Gietijzer in Windmolens
Als werkvoorbereider bij een ijzer- en staalgieterij wist ik wel dat er gietijzeren onderdelen in windmolens zaten. Molenmakers als Wilten en Verbij bestelden bij ons wel eens wat kleinere onderdelen zoals een “rijn” of “kruirollen”. Ik heb me destijds nooit echt afgevraagd wat de functie van die onderdelen was of waar die stukken zich in een molen bevonden. Tja, een rol, daar zal wel wat overheen rollen maar wát? Ik had sowieso geen idee hoe een windmolen in elkaar stak. In m’n jeugd ben ik met m’n ouders wel eens in een molen geweest maar hoe het allemaal werkte… Ik kon het me niet meer herinneren..
Voor de liefhebbers een technisch verhaal.
Zoals jullie hebben kunnen lezen heb ik een tijd meegedraaid op molen de Valk in Montfoort. Molenaar daar is Paul en hij heeft een bureau wat adviseert bij restauraties van monumenten, vnl. molens. Als zodanig is hij lid van het Molenmakersplatform, een vereniging van molenmakers. Deze club komt regelmatig bij elkaar om ervaringen uit te wisselen.
Paul heeft mij begin dit jaar gevraagd of ik bij zo'n bijeenkomst eens een lezing wilde houden over gietijzeren en dat heb ik gedaan. Onderstaand bericht is het verhaal wat ik destijds verteld heb.
Zoals gezegd is het een tecnisch verhaal maar ik heb geprobeerd om het in lekentaal te formuleren.
Is er iets onduidelijk? Laat het me weten, dan zal ik proberen om het nog duidelijker uit te leggen.
De gekleurde woorden zijn links naar sites waar meer uitleg wordt gegeven.
Gietijzer in Windmolens
Als werkvoorbereider bij een ijzer- en staalgieterij wist ik wel dat er gietijzeren onderdelen in windmolens zaten. Molenmakers als Wilten en Verbij bestelden bij ons wel eens wat kleinere onderdelen zoals een “rijn” of “kruirollen”. Ik heb me destijds nooit echt afgevraagd wat de functie van die onderdelen was of waar die stukken zich in een molen bevonden. Tja, een rol, daar zal wel wat overheen rollen maar wát? Ik had sowieso geen idee hoe een windmolen in elkaar stak. In m’n jeugd ben ik met m’n ouders wel eens in een molen geweest maar hoe het allemaal werkte… Ik kon het me niet meer herinneren..
Als er bij ons een order geplaatst wordt dan krijg ik een technische tekening van een klant en dan ga ik ervoor zorgen dat die tekening wordt vertaald naar een mooi gietstuk.
Een jaar of twee geleden kreeg ik een tekening van een klant met daarop een stuk van ruim zes meter lang. “Het is een onderdeel voor een molen”, werd er bij verteld.
Tekening van een boven-as… (Verbij Hoogmade)
“Bovenas” vermeldde het titelblok van de tekening.
Ik vond het maar een vreemd ding om te zien, een lange as met aan het uiteinde een paar vierkante “dozen”. Er zaten zeer grote wanddikteverschillen in en een aantal zeer scherpe hoeken. Dat zijn zaken waar we in de gieterij een beetje de kriebels van krijgen aangezien dit tot scheurvorming kan leiden tijdens de stolling.
Het bleek een onderdeel te zijn voor molen de Windhond in Soest die destijds gerestaureerd werd.
Wat later kwam een delegatie van de Windhond eens in onze gieterij kijken en zij hebben me toen uitgelegd wat de functie van een bovenas was. Toen viel bij mij het kwartje: die vierkante dozen, daar kwamen natuurlijk de “wieken” doorheen! Ik heb nu geleerd dat dat “roeden” zijn…
Weer wat later is de bovenas gegoten onder toeziend oog van een groot aantal vrijwilligers van de Windhond.
In januari 2009 lazen mijn vrouw en ik een aankondiging in een krantje over een “molen tot molen wandeling” vanuit Molen de Hoop in Loenen aan de Vecht. We hebben gezellig meegelopen en na de wandeling kregen we nog een uitgebreide rondleiding in de molen. Ik kreeg een beetje de molenkoorts te pakken en begreep dat er een opleiding was voor vrijwillige molenaars.
En zo ben ik halverwege 2009 begonnen als MIO bij Molen de Hoop in Loenen aan de Vecht.
In de kap kon ik goed zien waar die molenrollen en bovenas zaten en wat de functie van die onderdelen is.
In november 2009 jaar waren er een aantal examen-kandidaten aan het werk op de Hoop en was er voor mij even weinig te doen. Op advies van molenaar Ingrid Friesema ging ik eens kijken of ik mee kon draaien bij een andere molen. Ik woon redelijk in de buurt van Montfoort dus leek het me logisch om eens bij molen Valk te gaan kijken, een korenmolen waar gepeld en gemalen wordt. Met de vrijwilligers van molen de Hoop waren we eerder dat jaar al op bezoek geweest bij de Valk.
Ik kreeg een warm onthaal van molenaar Paul en ik was van harte uitgenodigd om eens wat zaterdagen mee te draaien.
De Valk was net gerestaureerd en de eerste keer dat ik meedraaide werd er ook nog maar net gepeld. Hier en daar zaten er nog wat kleine kinderziektes in het gaande werk. Er werd gediscussieerd tussen de molenaars over hoe e.e.a. opgelost moest gaan worden. Ook mijn inbreng als MIO werd gewaardeerd. Met mijn gieterij-achtergrond werden ook gegoten metalen besproken en zo ontstond er aan de molenaarskant interesse in gegoten ijzer.
Paul vroeg me of ik wat wilde vertellen over gietijzer en vandaar dit artikel.
Eerst iets over de Soester Gieterij.
De “Soester”…
De “Soester” is een middelgrote gieterij welke gespecialiseerd is in enkel stuks gietwerk en kleine series. Er werken ± 30 mensen en er worden stukken gegoten vanaf 200 gram tot 5 a 6 ton.
De vorm- en giethal…
We gieten voornamelijk “ferro”-legeringen, dit zijn legeringen met ijzer als basis. Dus geen brons, zink, koper enz. Op dit moment hebben we ruim 200 legeringen in ons programma waaronder verschillende gietijzersoorten en vele staalsoorten. De vormen worden gemaakt met de “handvorm”-methode en er wordt gesmolten in 4 inductiekroesovens, 2 x 2 ton en 2 x 4 ton.
Het smeltbedrijf…
De kleinste vorm is 500 x 400 mm groot en de grootste vorm meet 3 x 3 meter en kan wel 4 meter hoog worden.
Zoals we wellicht weten worden de uitdrukkingen “staal” en “ijzer” vaak door elkaar gehaald. Wat is nu wat?
Metalen worden vaak gelegeerd met andere elementen om betere eigenschappen te krijgen. Dit gebeurd ook met (giet)ijzer en staal.
Het verschil tussen (giet)ijzer en staal zit ‘m in het aanwezige percentage koolstof. Koolstof is een zeer belangrijk legeringselement, het heeft een zeer grote invloed op de (mechanische) eigenschappen van staal en ijzer.
Kijken we in de woordenboeken en encyclopedieën dan zien we dat ijzer een element is uit het periodieke systeem.
Volgens de technische boeken is (giet)ijzer is een technische ijzer-koolstof legering met een minimaal percentage koolstof van 1,5% of hoger.
Staal is dan een legering met een koolstofpercentage tot 1,5%.
Voor de rest van dit epistel gaan we bij het woord “ijzer” uit van de technische legering en niet van het element.
Even een stukje geschiedenis.
Ongeveer 5000 jaar geleden werd het gieten van metalen ontdekt in de buurt van het toenmalige Mesopotamië door een aantal nomaden. Om zich te warmen hadden zij een aantal stenen in een kringetje gelegd en daarbinnen een flink vuur aangemaakt. Wat schetste hun verbazing toen er ineens een gloeiende vloeistof uit de stenen kwam lopen. De stenen waren waarschijnlijk ertsen. Door het verhitten werd het metaal in de ertsen vloeibaar en druppelde uit de stenen. De bronstijd was begonnen!
Een flink aantal eeuwen later kon men ook ijzer uit ertsen halen en zo begon de ijzertijd. We spreken hier over ijzer omdat duidelijk is geworden dat het toenmalige ijzer veel koolstof bevatte. Om het element ijzer uit de ertsen te smelten werd er veel hout gebruikt. Als hout volledig verbrand dan blijft er koolstof over. Deze koolstof loste op in het element ijzer wat uit het erts kwam.
We lieten al eerder zien dat de scheiding tussen ijzer en staal ligt bij een koolstofpercentage van 1,5%. In de gieterij is die scheiding wat duidelijker, de gangbare gietstalen hebben een koolstofpercentage die ver onder de één procent ligt. De gietijzersoorten beginnen met een koolstofpercentage van ± 2,5 procent.
Omdat gegoten onderdelen in windmolens nagenoeg altijd van gietijzer zijn beperken we ons in dit artikel alleen tot dit materiaal.
...en een stukje metallurgie:
Metalen bestaan in vaste vorm uit kristallen. Deze kristallen vormen samen de structuur van een metaal.
Kristalroosters. Een kubisch en een hexagonaal rooster. De bolletjes zijn de metaalatomen… (Bron: Wikipedia.nl.)
De structuur kan kubisch of hexagonaal zijn, dit zegt iets over hoe de atomen in de structuur gestapeld zijn. In de structuur van een metaal kunnen buiten het basismetaal ook nog andere zaken voorkomen. Metalen kunnen chemische verbindingen aangaan met andere legeringselementen. Daaruit kunnen dan bijv. oxiden, carbiden of nitriden ontstaan. (chemische verbindingen met resp. zuurstof, koolstof, stikstof). Ook kunnen in gietijzer andere fasen voorkomen zoals perliet, cementiet, austeniet, bainiet, ledeburiet enz. Deze fasen kunnen ontstaan door de afkoelsnelheid tijdens het stollen te versnellen of door het gietijzer te legeren met andere elementen.
De structuur van een metaal is te bekijken onder een microscoop. Een stukje metaal wordt vlakgeschuurd en gepolijst. Onder een microscoop zijn de kristallen en andere fasen dan goed te zien.
Metaalstructuur onder de microscoop Er zijn duidelijk meerdere fases te zien… (Bron: www.georgesbasement.com)
In veel gevallen moet er “geëtst” worden om bepaalde zaken in beeld te brengen. Het monster wordt dan een paar seconden in een zuur gedompeld. Afhankelijk van het soort zuur reageren er bepaalde fasen, zoals bijv. perliet, waardoor ze zichtbaar worden.
De structuur van een metaal met alle fasen en uitscheidingen bepaalt de mechanische eigenschappen (treksterkte, rek, rekgrens enz.)
Gietijzer is leverbaar in verschillende soorten en kwaliteiten. Een aantal varianten:
-Chemisch bestendige gietijzers o.a. Ni-Resist. Dit zijn gietijzersoorten waar zeer veel nikkel en koper in zit. Hierdoor is de structuur austenitisch welke chemisch bestendig is. Het wordt gebruikt voor pijpstukken, afsluiters, pomphuizen enz.
-Witte (slijtvaste) gietijzers: Deze zijn zeer hard en bros. Dit komt omdat ze gelegeerd worden met elementen als chroom en molybdeen. Deze elementen reageren met het aanwezige koolstof tot carbiden welke zeer hard zijn. Dit ijzer wordt veel ingezet bij puinbrekers of voor pomphuizen voor de baggerindustrie.
-Martensitisch Bainitisch gietijzer: Deze gietijzer-soorten worden gelegeerd met nikkel en molybdeen. Door daarna nog wat speciale warmtebehandelingen toe te passen wordt het gietijzer zeer sterk en krijgt het zeer veel rek (elasticiteit). De eigenschappen komen dan bijna overeen met die van staal. Voordeel is dat dit soort gietijzers veel makkelijker te gieten zijn dan staal.
Temperijzer: Gietijzer kan op twee manieren stollen: grijs en wit. Krijgt gietijzer de kans om langzaam te stollen dan zal het koolstof (wat opgelost zit in het vloeibare ijzer) uittreden en worden er lamellen of nodulen gevormd (zie verder in dit bericht). Laten we het gietijzer zeer snel afkoelen dan krijgt de koolstof geen kans om uit te treden. Koolstof gaat dan een chemische verbinding aan met ijzer, er ontstaat Fe3C ofwel cementiet. We kunnen dit ook bereiken door het ijzer te legeren met bijv. chroom.
Dit cementiet is zeer hard en bijna niet te bewerken.
Temperijzer is een gietijzersoort die men op deze manier laat stollen, het is hard en zeer bros. Na het gieten volgt dan een warmtebehandeling, het zg. temperen. Het temperijzer wordt op een zeer hoge temperatuur gebracht ± (900°) voor ca. 30 uur, afhankelijk van de wanddikte. Hierdoor wordt de cementiet (Fe3C) ontleedt en ontstaat er ijzer (element) en vrije koolstof. Door de hoge temperatuur hebben de atomen veel bewegingsvrijheid. De koolstof trekt naar elkaar toe en vormt nesten, de zg. “grafietnesten”.
Temperijzer of smeedbaar gietijzer. Let op de grillige vorm van de grafietnesten… (Bron: www.verspanersforum.nl)
De cementiet is ontleed in de elementen ijzer en koolstof. De koolstof is naar de nesten getrokken dus wat er over blijft is puur ijzer (element). Door deze structuur is temperijzer goed te vervormen. Aan deze eigenschap dankt het dan ook de naam “smeedbaar” gietijzer. Het "normale" gietijzer is zeer bros en breekt erg makkelijk, is daardoor niet te vervormen.
Temperijzer wordt voor nog maar weinig toepassingen gebruikt. Er zijn in de wereld nog maar weinig gieterijen die het produceren. We vinden temperijzer nog in gasfittingen (sokken, knietjes, t-stukken) en er worden veel zuigers voor verbrandingsmotoren van gegoten. Voor zover ik weet is er in Nederland nog maar één gieterij die nog temperijzer giet, gieterij Doesburg.
En dan zijn er de gietijzersoorten die o.a. in windmolens gebruikt worden:
Deze gietijzersoorten zullen we zo behandelen.
Destructief Onderzoek
De meeste gietstukken zijn ontworpen om bepaalde krachten op te vangen en daarom worden ze ook van een bepaald materiaal gegoten. Voor de meeste materialen zijn normen opgesteld (NEN, DIN, ASTM enz.) waar o.a. de sterkte-eisen (mechanische eigenschappen) in vermeld worden. De mechanische eigenschappen hangen in grote mate af van de samenstelling van het materiaal.
Een klant wil vaak een garantie dat het gegoten stuk aan een bepaalde norm voldoet. Daarom wordt er destructief onderzoek gedaan. Een heel gebruikelijke destructieve proef is de trekproef.
Naast een gietstuk wordt ook een proefblok gegoten, ± 200 mm lang. Uit dit blok wordt een proefstaaf gedraaid met een voorgeschreven dikte (10 mm ) en lengte (100 mm ).
Trekproef: een (in dit geval) platte proefstaaf in de trekkoppen van een trekbank. Het apparaatje links van de staaf meet de rek...
Deze staaf wordt dan in een speciale trekbank kapot getrokken waarbij de krachten genoteerd worden. Deze proef geeft ons vier belangrijke eigenschappen:
Deze staaf wordt dan in een speciale trekbank kapot getrokken waarbij de krachten genoteerd worden. Deze proef geeft ons vier belangrijke eigenschappen:
Treksterkte: Dit is de kracht waarbij de staaf daadwerkelijk breekt. Deze kracht wordt omgerekend naar een spanning welke wordt uitgedrukt in N/mm2.
Rek: Dit is de blijvende verlenging van de proefstaaf, deze wordt uitgedrukt in procenten.
Rekgrens: even wat achtergrond info. Een metaal kan elastisch en plastisch vervormen. Als we een metalen staaf licht buigen dan zal de staaf z’n oorspronkelijke vorm weer terug krijgen als we de staaf los laten. De staaf werd “elastisch” vervormd.
Buigen we de staaf nu veel verder door en laten we ‘m weer los dan is de kans groot dat de staaf z’n oorspronkelijke vorm niet meer aanneemt, de staaf is verbogen ofwel plastisch vervormd.
Vrijwel elk metaal heeft een punt waarbij elastische vervorming over gaat in plastische vervorming. Dit punt wordt de “rekgrens” genoemd.
Ook deze waarde wordt uitgedrukt in N/mm2.
Insnoering: Als een proefstaaf kapot getrokken wordt dan zal deze bij het zwakste punt “insnoeren”, dunner worden. De insnoering wordt uitgedrukt in procenten en zegt iets over de taaiheid van het materiaal.
Tijdens de trekproef wordt de spanning in het materiaal grafisch weergegeven in een “trekkromme”.
Een typische “trekkromme”.
Legenda:
X-as: verlenging van de proefstaaf
Y-as: kracht op de proefstaaf
Schuine lijn: elastische vervorming
Horizontale lijn: rekgrens (overgang elastisch/plastisch
Kromme lijn: plastische vervorming
Einde kromme lijn: breekpunt
(Bron: http://www.wikipedia.nl/)
Dit soort proeven zijn erg kostbaar en worden alleen op verzoek van een klant uitgevoerd. Van de resultaten wordt een certificaat gemaakt zodat een klant een garantie heeft dat de sterkte van een stuk aan bepaalde eisen voldoet.
Bovenstaand onderzoek wordt ook wel “destructief onderzoek” genoemd.
Lamellair gietijzer
Dit is de meest voorkomende gietijzersoort. Het hoofdbestanddeel is het element ijzer ± 95%. Verder bevat het ± 2,8 - 3,8% koolstof, 1 – 3% silicium en 0,3 – 1% mangaan. Het is een relatief goedkoop materiaal omdat het makkelijk te gieten en te bewerken is
Het is een materiaal wat, vergeleken met andere gietlegeringen, geen grote trekkrachten kan opnemen, het heeft ook totaal geen rek, het is redelijk bros. Het kan echter wel erg grote drukkrachten opnemen. Daardoor is het veel te vinden in machineframes, machinebedden, tandwiel-kasten enz. Het heeft een groot trillingsdempend vermogen wat komt omdat er vrije koolstof in de structuur voorkomt. Als er een klap met een hamer op een gietijzeren onderdeel gegeven wordt dan zal deze erg dof klinken.
Vrije koolstof?
De oplosbaarheid van koolstof in ijzer hangt erg af van de temperatuur. Bij de gebruikelijke smelttemperaturen van gietijzer (1400 – 1500°C ) is koolstof tot ruim 4% volledig oplosbaar. Koelt het ijzer af dan daalt de oplosbaarheid. Nog in de vloeibare fase zal koolstof uit het ijzer gedrukt worden. Dit is te vergelijken met koolzuurhoudende frisdrank. De oplosbaarheid van koolzuur hangt mede af van de druk. Wordt de dop van de fles gedraaid dan valt de druk weg en zien we belletjes uit de frisdrank komen. Een gedeelte van het opgeloste koolzuurgas komt dan vrij
De koolstof die vrij komt zal bij elkaar kruipen en vormt lamellen. Deze koolstoflamellen zijn onder de microscoop te herkennen als dunne zwarte sliertjes.
Structuur van lamellair gietijzer onder de microscoop. De koolstoflamellen zijn duidelijk te zien. De lichte fase is ferriet (puur ijzer). (Bron: www.ems.psu.edu)
Deze vrije koolstof zorgt er ook voor dat gietijzer erg makkelijk te bewerken is. De koolstof uit de lamellen heeft een smerende werking en zorgt ervoor dat het gietijzer kortspanig is. Lamellair en nodulair worden ook “grijze gietijzers” genoemd omdat het breukvlak er dof grijs uit ziet en omdat er grijs stof vrij komt bij het bewerken.
De koolstoflamellen zijn de reden waarom het lamellaire gietijzer zo bros is. De vrije koolstof kan grote drukkrachten opnemen maar geen trekkrachten. Als we de vrije koolstof wegdenken dan blijven er lege lamellen over. Deze lege lamellen zijn in wezen scheurtjes en die maken het materiaal zwak .
Lamellair gietijzer is te leveren in verschillende (sterkte) kwaliteiten:
GJL-100
GJL-150
GJL-200
GJL-250
GJL-300
GJL-350
De getallen achter de letters geven de minimale treksterkte aan in N/mm2, de “L” staat voor “lamellair”. De verschillen in treksterkte worden verkregen door de percentages koolstof en silicium te veranderen en door te legeren met koper en extra mangaan.
Gietijzer heeft normaal gesproken een ferritische structuur. Door nu te variëren met de analyse ontstaat de perlietfase in gietijzer, perliet is sterker en slijtvaster.
Door meer te legeren kunnen we het percentage perliet in het gietijzer stapsgewijs verhogen waardoor gietijzer in verschillende sterktes geleverd kan worden.
Het gietijzer, wat we vinden in windmolens, wat gegoten is vóór 1950, is het hierboven beschreven lamellaire gietijzer.
Nodulair gietijzer.
In regenstelling tot lamellair gietijzer is nodulair gietijzer wel elastisch en is het een stuk sterker.
Qua samenstelling verschilt nodulair gietijzer niet zoveel met lamellair gietijzer. Er is een klein verschil en dat is dat er een klein beetje (0,05%) magnesium aan is toegevoegd.
Ook bij dit ijzer komt er koolstof uit de vloeistof als het afkoelt. De magnesium zorgt er echter voor dat het koolstof geen lamellen vormt maar bolletjes, de nodulen.
De structuur van perlitisch-ferritisch nodulair gietijzer onder de microscoop. De nodulen zijn duidelijk te zien. De lichte delen zijn ferriet, de donkere delen zijn perliet, de hardere fase. (Bron: www.mtalabs.com)
Zoals eerder uitgelegd werken de lamellen in lamellair gietijzer als scheurtjes waardoor het relatief zwak en bros is.
Het mag duidelijk zijn dat de ronde nodulen niet als scheuren fungeren en dat dit ijzer een stuk sterker en elastischer is. Bij belasting lopen de spanningslijnen ook vloeiender door het ijzer.
Schematische voorstelling van spanningslijnen in gietijzer. Links: lamellair. Rechts: nodulair. (Bron: www.dywidag-systems.com)
Het vloeiende krachtlijnverloop in nodulair gietijzer geeft minder spanningen in het materiaal waardoor het meer belast kan worden, het materiaal is dus sterker.
Dit gietijzer is duurder dan lamellair gietijzer omdat het op een speciale manier met het magnesium gelegeerd moet worden. Magnesium is een metaal wat ontbrandt bij ± 430°. Aangezien gietijzer gegoten wordt tussen de 1300 en 1450° is het voor te stellen dat dit problemen geeft.
Nodulair gietijzer is verder makkelijk te gieten en het heeft, zoals gezegd, goede mechanische eigenschappen. Het is sterk, kan grote druk- en trekkrachten opnemen en kan een rek hebben die oploopt tot wel 25%. Het wordt erg veel gebruikt voor dynamisch belaste onderdelen zoals drijfstangen, tandwielen en krukassen.
Als het aangeslagen wordt dan heeft het een heldere klank. Het is verder net zo goed te bewerken als lamellair gietijzer, het heeft ook dezelfde zelfsmerende eigenschappen.
Ook dit materiaal is te leveren in verschillende kwaliteiten:
GJS-400
GJS-500
GJS-600
GJS-700
GJS-800
GJS-900
De “S” staat voor “spheroidaal” (bolvormig, nodulair).
Bij legeringen is het wel zo dat hoe sterker het materiaal wordt, hoe minder rek het heeft. De verschillende sterktes worden ook hier weer bereikt door het ijzer te legeren met andere elementen. Door het legeren ontstaat weer het sterkere perliet in de structuur.
De kans is groot dat molen-onderdelen die na 1950 gegoten zijn van nodulair gietijzer zijn, ook de huidige boven-as van de Windhond is van dit materiaal gegoten Nodulair gietijzer is in de jaren 40 van de vorige eeuw bij toeval ontdekt.
Waarom gaat gietijzer kapot?
Gietijzer gaat kapot door overbelasting, door slijtage of door gietfouten.
Het gietijzer wat tegenwoordig gegoten wordt is relatief sterker dan het gietijzer wat bijv. 50 jaar geleden gegoten werd. De reden daarvoor is dat er tegenwoordig veel beter materiaalonderzoek gedaan kan worden dan vroeger, de inzichten van nu zijn veel beter. Verder zijn de te smelten materialen veel schoner, hebben veel minder verontreinigingen.
Structuur
De sterkte van het gietijzer hangt sterk af van de structuur. Hoe ziet die er uit? Zitten er schadelijke verontreinigingen in de structuur?
Tegenwoordig wordt er veel schoner gesmolten dan vroeger. De huidige inzetmaterialen zijn zuiverder en we kunnen tegenwoordig tot op een tiende procent nauwkeurig de samenstelling van het ijzer analyseren.
Ongelegeerd gietijzer bevat tegenwoordig alleen koolstof, silicium, mangaan en wat onschadelijke sporen-elementen. Vroeger werd er van alles in een oven gegooid en was het (vergeleken met nu) een gok wat er uit kwam. Het was gietijzer en er zat silicium en koolstof in maar men had geen idee wat er verder in zat. Er werden oude machineframes geschredderd en omgesmolten. In dat schrot zaten vaak nog messing of witmetalen lagerschalen. Er zat verf op, vet, olieresten enz. Een gedeelte van deze zaken zal verbranden maar de rest lost op in het vloeibare ijzer. Deze verontreinigingen kunnen schadelijke effecten hebben op de structuur.
Zo werd er vroeger vaak een bepaalde hoeveelheid fosfor in het ijzer gegooid.
Met de ovens van tegenwoordig halen we makkelijk temperaturen van 1800°C . Dat was vroeger wel anders, toen werden temperaturen van krap 1350°C gehaald. Het ijzer was dan wat stroperig en het gebeurde nogal eens dat het ijzer tijdens het gieten stolde in de vorm, je had dan een half volgelopen gietvorm.
Door fosfor aan het vloeibare ijzer toe te voegen werd het dunner vloeibaar waardoor er dunnere wanddiktes gegoten kunnen worden. Nadeel van dit fosfor is dat het in de structuur een chemische verbinding aangaat met andere aanwezige elementen. Daardoor ontstaat er o.a. “steadiet” wat, afhankelijk van de hoeveelheid fosfor, als een soort netwerk om de kristallen heen gaat zitten. Dit steadiet is erg hard en zeer bros. V.w.b. trek- en drukkrachten werd het ijzer veel sterker maar het kon totaal geen dynamische krachten opvangen.
Steadiet (lichte gedeelte) tussen de kristallen (Bron: www.ais-forensic-engineering.com)
Het gietijzer scheurde en brak hierdoor sneller. Het gevolg was dat onderdelen overgedimensioneerd werden. Neem als voorbeeld putdeksels. Vroeger waren ze ± 30 mm dik met allerlei verstevigingsruggen aan de onderkant. Tegenwoordig zijn ze 15 a 20 mm dik en zijn de verstevigingsruggen niet meer nodig.
Buiten een afwijkende structuur zijn er ook andere zaken die ervoor kunnen zorgen dat gietijzer zwakke plekken heeft. Zo zijn er bijv. “insluitingen” zoals gas of slak of (krimp)scheuren.
Slak.
Gietijzer wordt tot maximaal 1550°C verwarmd. Door deze hoge temperatuur vinden er allerlei chemische reacties plaats. Elementen uit de smelt kunnen reageren met gassen uit de lucht waardoor o.a. oxiden (verbinding met zuurstof) en nitriden (verbinding met stikstof) ontstaan. Verder kunnen er reacties plaatsvinden tussen de smelt en de keramische bekleding van de oven. Veel van deze reacties vormen verbindingen die niet smelten en die lichter zijn als ijzer waardoor ze naar de oppervlakte drijven.
Zoals eerder gezegd werd er vroeger zeer veel gietijzerschrot omgesmolten. Dit schrot bevatte resten van verf en smeermiddelen maar ook bijv rubber en andere niet-metalen. Deze verontreinigen verbranden voor een groot gedeelte maar de resten drijven ook weer op als slak.
Voor het gieten wordt de slak normaal gesproken verwijderd van het bad. Als dit niet (goed) gebeurt dan kan er slak met het ijzer in de vormholte en dus in het gietstuk terecht komen.
IJzer is zeven maal zwaarder dan water. Door het stromen van zo’n zware vloeistof door een zandvorm kan er erosie optreden. Het zand brokkelt van de vormwand af en wordt door het ijzer de vorm in gesleurd. Deze slakinsluitingen verzwakken het gietstuk.
Een flinke slakkepit (linksboven) in een stalen lagerschaal...
Slak is lichter dan ijzer dus het is vaak aan één kant van een gietstuk te zien. Vaak zit de slak direct aan het oppervlak maar het kan voorkomen dat het wat dieper zit en dat het pas zichtbaar wordt na een bewerking zoals draaien of frezen. Slak in een gietstuk is te herkennen aan een grillig gevormd gat met daarin iets wat lijkt op een zacht steen of glas.
Slak is lichter dan ijzer dus het is vaak aan één kant van een gietstuk te zien. Vaak zit de slak direct aan het oppervlak maar het kan voorkomen dat het wat dieper zit en dat het pas zichtbaar wordt na een bewerking zoals draaien of frezen. Slak in een gietstuk is te herkennen aan een grillig gevormd gat met daarin iets wat lijkt op een zacht steen of glas.
Tegenwoordig wordt slak in de vorm uit het ijzer gefilterd m.b.v. keramische filters.
Gasinsluitingen
Zoals we lazen reageert de smelt ook met gassen uit de lucht. Deze gassen kunnen ook in het vloeibare ijzer oplossen (zuurstof, stikstof, waterstof). Bij lagere temperaturen wordt de oplosbaarheid van gassen minder. Als een ijzer afkoelt in de vorm dan treden die gassen uit en kunnen ze belletjes vormen wat een zeer pokdalig uiterlijk geeft. De bellen kunnen direct aan het oppervlak zitten maar kunnen ook diep in een gietstuk zitten.
Gasinsluitingen...
Ze zijn te herkennen aan ronde gaatjes met een redelijk gladde wand. In modern gietijzer zal dit zeldzaam zijn, bij staal komt dit fenomeen vaker voor.Slinkholtes
Volgens de natuurkundige wetten zetten metalen uit als ze verwarmd worden. Dat gebeurt uiteraard ook bij het smelten van gietijzer. Het gietijzer wordt bij een hoge temperatuur in de vorm gegoten. In de vorm koelt het af en krimpt het ijzer. Gietijzer zal a.h.w. wat inzakken, het lijkt alsof de vorm niet vol gegoten is, dit is de visuele slink en dit komt voornamelijk voor bij lamellair gietijzer.
(Nodulair) gietijzer en staal stollen beide op een andere manier. Stel we gieten een bol. Als eerste zal de buitenkant stollen, het net gegoten stuk zal als eerste z'n warmte afgeven aan de "koude" vormwand.
De binnenkant zal nog even vloeibaar blijven. Dit is vergelijkbaar met de aarde, de buitenkant heeft een harde (gestolde) schil, het centrum van de aarde is nog vloeibaar (magma).
Doorsnede van de Aarde met de vloeibare kern... (bron: http://www.iselinge.nl/)
De binnenkant zal nog even vloeibaar blijven. Dit is vergelijkbaar met de aarde, de buitenkant heeft een harde (gestolde) schil, het centrum van de aarde is nog vloeibaar (magma).
Ook de binnenkant van de bol koelt verder af, wil stollen en krimpen. Het krimpen lukt echter niet omdat de buitenkant al is gestold en daarom niet meegeeft. Het vloeibare metaal krimpt toch en trekt een vacuümholte in het gietstuk, een slinkholte. Slinkholtes komen voor op plaatsen waar het gietstuk als laatste stolt, de dikkere delen van een stuk (hotspots). Deze holtes verzwakken het gietstuk en moeten dus voorkomen worden.
Typische slinkholte in nodulair gietijzer...
Slinkholtes in (nodulair) gietijzer zijn te herkennen aan een groep kleine gaatjes bij elkaar. Bij staal is het één groot gat met en ruw oppervlak. Als we met een vergrootglas het ruwe oppervlak van de holte zouden bekijken dan lijkt het alsof we boven op een dennenbos kijken, het ziet eruit als kleine denneboompjes (dendrieten).
Scheuren
Deze kunnen al direct na het gieten in het materiaal zitten.Even iets over het stollen en afkoelen van metalen. Een dunne wanddikte heeft een kortere stoltijd dan een dik gedeelte. Een dik gedeelte heeft veel meer volume en heeft daardoor veel meer warmte-inhoud. Als een gietstuk veel wanddikteverschillen heeft dan zullen er dus ook verschillende afkoeltijden zijn, het ene deel zal sneller afkoelen dan een ander deel, dit is duidelijk te zien in een stollingssimulatie (zie verder in dit bericht). De krimp zal dus ook heel erg verschillen, dunne delen krimpen eerder dan dikke delen. Hierdoor treden er spanningen op in gegoten materiaal. Deze spanningen zullen dan vooral optreden bij (haakse) overgangen van een dikke naar dunne wanddikte. In de hoeken kunnen dan
Mooie voorbeelden van een krimpscheur in een de naaf van een stalen kabelschijf. Het stuk sprong in tweeën tijdens het afbramen… (Marcel van Hees)
zeer veel spanningen optreden Een mooi voorbeeld is een gegoten bovenas. Daar gaat de hals met een diameter van Ø350 mm zeer abrupt over in de kop welke een wanddikte van ± 40 mm (?) heeft. In deze overgang is de kans groot dat er krimpspanningen optreden welke scheuren veroorzaken. Deze krimpspanningen worden ook wel “eigenspanningen” genoemd.
Elk metaal krimpt weer anders bij het afkoelen. Zo krimpen nikkel-legeringen wel 3 tot 5%, staal ± 2%. Gietijzer krimpt echter maar 1% dus zullen de krimpspanningen in gietijzer beperkt blijven. Zou een bovenas echter van staal gegoten worden dan is de kans zeer groot dat er bij de askop scheuren optreden.
We hebben het eerder gehad over slak en andere insluitingen. Dit zijn uiteraard zwakke plekken in een gietstuk. Wordt een stuk zwaar belast dan is de kans groot dat het begint te scheuren vanuit een insluiting. Insluitingen met een grillig oppervlak (slak, slinkholtes) zullen eerder beginnen te scheuren dan insluitingen met een glad oppervlak (gas).
Bij een belast onderdeel zullen de spanningen in het materiaal altijd het grootst zijn aan het oppervlak. Als de vang op het bovenwiel gelegd wordt dan ontstaat er een grote torsiekracht op het halsgedeelte van de boven-as. De vang houdt het bovenwiel en dus de boven-as tegen. Het gevlucht heeft een groot dood gewicht (4,5 ton?) en wil doordraaien. Dat dit grote spanningen veroorzaakt in het materiaal, zeker bij de askop, behoeft geen betoog. Als we de spanningen per diameter zouden kunnen meten dan zouden we zien dat de spanning aan de buitenzijde het grootst is en geleidelijk afneemt naar de kern van de hals toe.
Omdat de spanningen aan het oppervlak van een belast onderdeel altijd het grootst zijn zullen scheuren als eerst ontstaan aan het oppervlak.
Is dit oppervlak een gedeelte waar al veel eigenspanningen aanwezig zijn dan worden spanningen door belasting hierbij opgeteld. De kans op scheuren is daarom ook het grootst op plaatsen welke zwaar belast worden en waar de krimpspanningen het grootst zijn.
Kan gietijzer onderzocht worden op bijv. scheuren?
Een schade aan gietijzer begint vaak door een scheur zoals hierboven beschreven. Een scheur begint dan als een “haarscheur”, dit zijn scheuren die met het blote oog bijna niet te zien zijn.
Als het vermoeden bestaat dat er scheuren in een metaal zitten dan kan dat op een paar manieren onderzocht worden via “Niet Destructief Onderzoek” (NDO):
Penetrant onderzoek
Hierbij wordt het te onderzoeken oppervlak ingespoten met een zeer dunne olie met een contrasterende kleur (rood). De olie blijft ± een kwartier op het opervlak zitten zodat het de kans krijgt om in eventueel aanwezige scheuren te penetreren. De olie trekt in de dunste haarscheuren onder invloed van de capilaire werking.
Na de inwerktijd wordt het oppervlak goed schoon gemaakt met een speciaal oplosmiddel.
Als het oppervlak goed schoon is dan wordt het ingespoten met een ontwikkelaar. Dit is een vluchtige vloeistof waar een zeer fijn absorberend wit poeder (krijt) in gemengd is. De vluchtige vloeistof lost op en het absorberende poeder blijft achter op het oppervlak.
Het “uitbloeden” van scheuren… (Bron: Fontijne-Grotnes)
Het absorberende poeder absorbeert nu de rode olie die is achtergebleven in een eventuele scheur, de rode olie wordt teruggezogen uit de scheuren. Als er scheuren aanwezig zijn dan ziet men langwerpige rode vlekken op het witte poeder ontstaan. Men noemt dit “uitbloeden”.
Het voordeel van dit onderzoek is dat het goedkoop is, het enige wat je nodig hebt zijn wat spuitbussen en poetslappen. Verder is het redelijk simpel. Nadeel is dat het lang duurt omdat de olie een kwartier moet intrekken en de scheuren daarna 20 minuten moeten uitbloeden.
Magnetisch onderzoek
Dit onderzoek maakt gebruik van de de geleiding van magnetische velden door metalen.
M.b.v. een spoel of een juk wordt een magnetisch veld gecreëerd in een proefstuk, er lopen nu magnetische veldlijnen door het stuk. Tegelijkertijd wordt er magnetische inkt (dunne olie vermengd met ijzervijlsel) op het stuk gespoten. Zit er nu ergens een scheur dan wordt het magnetische veld in het stuk onderbroken en zal een gedeelte van de veldlijnen ter plaatse van de scheur buiten het proefstuk treden. Om kort te zijn: de scheur wordt magnetisch. De scheur zal het ijzervijlsel uit de olie aantrekken en er ontstaat een dikke zwarte streep op de plaats van de scheur.
Schematische weergave magnetisch onderzoek: bij de scheur treden de magnetische veldlijnen buiten het stuk, daar trekt het ijzerpoeder (groen) naar toe...
Vooraf is het proefstuk ingespoten met een witte contrastlak. De magnetische inkt is zwart van kleur zodat het opgehoopte ijzervijlsel goed afsteekt tegen de witte achtergrond.
Er is ook een methode waarbij de magnetische inkt een fluorescerende kleur (geel) heeft. Bij het testen wordt het proefstuk dan beschenen met een ultraviolette lamp. Heeft de magnetische inkt zich ergens opgehoopt vanwege een scheur dan licht deze op als een fel gele streep.
Er is ook een methode waarbij de magnetische inkt een fluorescerende kleur (geel) heeft. Bij het testen wordt het proefstuk dan beschenen met een ultraviolette lamp. Heeft de magnetische inkt zich ergens opgehoopt vanwege een scheur dan licht deze op als een fel gele streep.
Voordeel van het onderzoek is dat het snel gaat, het is redelijk goedkoop en redelijk simpel. Nadeel is dat het alleen gedaan kan worden bij magnetiseerbare materialen.
Magnetisch onderzoek met een juk. Het magnetische veld wordt opgewekt tussen de twee poten. Vanaf links wordt het proefstuk bespoten met een fluorescerende magnetische inkt. (Bron: http://www.ruane-tati.com/)
Magnetisch onderzoek volgens de fluorescerende methode: de scheuren zijn als oplichtende lijnen te zien… (Bron: Fontijne Grotnes))
Bovenstaande onderzoeken zijn de zogenaamde “oppervlakte onderzoeken” Metalen kunnen ook onderworpen worden aan een “volumetrisch” onderzoek, hierbij kijken we binnen in het stuk.
Bovenstaande onderzoeken noemt men ook wel oppervlakte-onderzoek. Het is echter ook mogelijk om "in" een stuk te kijken, dat noemt men "Volumetrisch" onderzoek. Hieronder 2 voorbeelden.
Ultrasoon onderzoek
Ultrasoon onderzoek
Dit is te vergelijken met het maken van een echo van zwangere vrouwen.
Een ultrasoonapparaat genereert ultrasoon geluid welke met een speciale taster (1-4 MHz) door een proefstuk gestuurd wordt. Dit geluid wordt door een achterwand van het stuk weerkaatst (echo) en weer door de taster opgevangen.
Een ultrasoonapparaat genereert ultrasoon geluid welke met een speciale taster (1-4 MHz) door een proefstuk gestuurd wordt. Dit geluid wordt door een achterwand van het stuk weerkaatst (echo) en weer door de taster opgevangen.
Op het ultrasoon apparaat zit een scherm waar we de inzendimpuls en de (bodem)-echo kunnen zien.
Zit er in het proefstuk nu een onregelmatigheid dan zal het geluid (of een gedeelte daarvan) eerder weerkaatsen. Er ontstaat dan op het scherm een tweede echo tussen de inzendimpuls en de bodemecho.
Het scherm van een ultrasoonapparaat met drie bodemecho’s (Bron: www.duo-gmbh.de)
Schematische weergave hoe het ultrasoon onderzoek werkt...
Voordeel van dit onderzoek is dat het redelijk snel gaat en dat je diep in een stuk kunt kijken. Nadelen zijn dat er een duur apparaat voor nodig is en het is niet makkelijk om de beelden te interpeteren. Nog een nadeel is dat je niet duidelijk kunt laten zien om wat voor fout het gaat (Slink, gas, slak of scheur).
Roentgen (X-ray) onderzoek
Hierbij worden stukken met een radio-actieve isotoop bestraald. Achter het stuk worden dan fotogevoelige platen opgesteld die de straling opvangen. Zitten er in het stuk onregelmatigheden dan zal de straling daar beter doorheen gaan dan door het metaal. Op de foto ontstaan op die plaatsen donkere vlekken.
Worden er defecten of indicaties gevonden dan wordt e.e.a. beoordeeld a.d.h. van een door de klant opgegeven norm. Het kan zijn dat een indicatie "binnen de norm valt" en dus toelaatbaar is. Valt de indicatie buiten de norm dan kunnen we twee dingen doen: repareren of vernieuwen.
Het repareren van gietijzer
Electrisch lassen
Gietijzer laat zich niet makkelijk repareren. Onder bepaalde voorwaarden is gietijzer te lassen maar de las blijft altijd een zwakke plek.
We hebben eerder gelezen dat als gietijzer erg snel afkoelt dat er dan wit gietijzer ontstaat en dat dit witte gietijzer erg hard en zeer bros is. Gaan we gietijzer electrisch lassen dan brengen we zeer plaatselijk zeer veel warmte (2500-3000°C !) in het materiaal. De las zal, onder invloed van het omliggende materiaal, zeer snel afkoelen en daardoor zeer bros worden. Het is geen probleem om gietijzer op deze manier cosmetisch te repareren (opvullen van kleine gaatjes). Echter, als er een grote kracht op een beschadigd onderdeel komt te staan dan is deze reparatiemethode ten zeerste af te raden.
Zoals gezegd is gietijzer onder bepaalde voorwaarden te lassen. Het stuk moet voorverwarmd worden en we moeten ervoor zorgen dat er zo min mogelijk warmte ingebracht wordt. Dit wordt bereikt door met dunne electrodes te lassen (Ø2,5 mm) en door zeer korte stukjes (2 a 3 cm ) te lassen. De las koelt af en krimpt. Deze krimp geeft spanningen in het materiaal. Daarom moet een las direct na het lassen “gehamerd” worden om de spanningen er zoveel mogelijk uit te slaan.
Is de las geheel gevuld dan verdient het aanbeveling om het stuk een warmtebehandeling te geven om de resterende krimpspanningen zoveel mogelijk te verminderen.
Alhoewel dit een veel toegepaste methode is blijft het afwachten hoe de las zich zal houden.
Gietijzer wordt over het algemeen gelast met een nikkel- of een nikkel-ijzer electrode.
Vlamspuiten
Dit is een techniek die de laatste tijd wat vaker wordt toegepast en die redelijk succesvol is.
Vlamspuiten. Bovenop de brander is het (rode) poederreservoir zichtbaar… (Bron: www.maasdijkmetaal.nl)
Het vlamspuiten gebeurt met een speciale autogeenbrander waar een klein reservoirtje op zit. Dit reservoirtje kan gevuld worden met een lasmateriaal in poedervorm, in dit geval zeer fijn nikkelpoeder.
Met de autogeenbrander wordt het te lassen oppervlak langzaam verwarmd tot een paar honderd graden. Als het materiaal op temperatuur is wordt er op een knop op de brander gedrukt en wordt het fijne nikkelpoeder door het acetyleen-zuurstofmengsel meegenomen en door de brander gestuurd. Door de vlam wordt het poeder half vloeibaar en slaat neer en hecht zich meteen aan het verwarmde oppervlak. Op deze manier wordt de las langzaam opgevuld. Het gietijzer komt niet boven de 900°C en het is langzaam en goed verwarmd. Het koelt langzaam af en daardoor krijgen we niet de harde fase die we bij het elektrisch lassen kregen.
Bij zeer grote reparaties wordt ook wel een combinatie van bovenstaande lastechnieken gebruikt. Op het te lassen oppervlak wordt eerst een dun laagje (3-5 mm ) aangebracht met vlamspuiten. Daarna wordt de rest van de las opgevuld door elektrisch lassen. Omdat er nu een bufferlaag is aangelegd ontstaat er geen harde fase naast de las.
Lijmen
Tegenwoordig worden ook metalen steeds vaker gelijmd. Er is echter nog vrijwel geen ervaring in het reparatie-lijmen van gietijzer.
Er zijn ook speciale pasta’s waarmee (slijt)gaten opgevuld kunnen worden. Deze pasta’s hechten zeer goed en zijn soms slijtvaster dan het moedermateriaal.
Wat als reparatie niet meer mogelijk is?
Dan zullen we een stuk opnieuw moeten gaan gieten. Maar eerst iets over het gietproces.
Er zijn vele soorten vorm- en gietprocessen. Ik beperk me hier tot de methode waarmee gegoten molen-onderdelen over het algemeen worden geproduceerd en welke ook bij de Soester Gieterij wordt toegepast: het “handvormen”.
Van tekening tot gietstuk
Werkvoorbereiding
Van een klant krijgen we een werktekening van een onderdeel wat gegoten moet worden. In de meeste gevallen is dat een 2 dimensionale-tekening maar de laatste tijd krijgen we steeds vaker 3 dimensionale-bestanden.
We hebben eerder kunnen lezen dat er slinkholtes in een gietstuk kunnen ontstaan tijdens het stollen en afkoelen. Om te bepalen waar deze ontstaan en hoe groot ze zijn doen we een stollingssimulatie (zie verder), daarvoor hebben we een 3D-bestand nodig.
Een 2D-tekening wordt omgezet (nagetekend) in een 3D-model met speciale CAD-software. Met deze software kun je 3 dimensionale modellen aanmaken door een schets te maken en die te extruderen (uitrekken).
Voor de echte techneuten hieronder een filmpje hoe dat in z'n werk gaat:
Voor de echte techneuten hieronder een filmpje hoe dat in z'n werk gaat:
Als het stuk 3D getekend is dan kunnen we ook heel nauwkeurig het gewicht bepalen. Het tekenprogramma houdt automatisch het volume van het stuk bij, we hoeven dan alleen nog mar een soortelijk gewicht in te geven waarna het gewicht van het stuk berekend wordt. dat is in de gieterij erg handig want op die manier smelten we daarom nooit teveel maar ook zeker niet te weinig ijzer.
Het 3D-bestand wordt ingelezen in de simulatiesoftware. De software beschikt over een hele bibliotheek aan metalen welke allemaal een ander slink (krimp) gedrag vertonen.
Er wordt een materiaal toegekend, er wordt een temperatuur ingegeven en de simulatie kan gestart worden.
Na enige tijd kunnen we het stollingsverloop en de slink bekijken. Hieronder een filmpje hoe de stolling virtueel verloopt. Je ziet een paars/blauw gekleurde bovenas die steeds transparanter wordt. Het transparante gedeelte is inmiddels gestold, het gekleurde gedeelte is nog vloeibaar.
Hierboven is duidelijk te zien dat de relatief dunwandige askop zeer snel stolt vergeleken met de hals, de hals had een stoltijd van ruim 14000 seconden, dat is 4 uur!!!
De overgang van askop naar hals is een plats waar we veel krimpspanningen kunnen verwachten.
Met de gegevens van de stollingssimulatie kan de voeding berekend worden. Om slinkholtes tegen te gaan moet het gietstuk “gevoed” worden, dit doen we door voeders op het gietstuk te zetten. Een voeder is een soort pot die op een gietstuk gezet wordt. De voeder staat in verbinding met het stuk via een grote opening. Tijdens het slinken kan de voeder zijn vloeibare metaal afgeven aan het gietstuk. I.p.v. in het stuk ontstaan de slinkholtes nu in de voeder. Na het afkoelen worden de voeders afgeslepen en blijft er een massief gietstuk over.
De overgang van askop naar hals is een plats waar we veel krimpspanningen kunnen verwachten.
Met de gegevens van de stollingssimulatie kan de voeding berekend worden. Om slinkholtes tegen te gaan moet het gietstuk “gevoed” worden, dit doen we door voeders op het gietstuk te zetten. Een voeder is een soort pot die op een gietstuk gezet wordt. De voeder staat in verbinding met het stuk via een grote opening. Tijdens het slinken kan de voeder zijn vloeibare metaal afgeven aan het gietstuk. I.p.v. in het stuk ontstaan de slinkholtes nu in de voeder. Na het afkoelen worden de voeders afgeslepen en blijft er een massief gietstuk over.
Grafische weergave van de slink in de as. Het transparante gedeelte is massief, het gekleurde gedeelte is leeg. Door het krimpen is het ijzer “ingezakt”… (Soester Gieterij)
Als de voeders zijn berekend dan worden deze op het 3D-model getekend en wordt er nogmaals een simulatie gedaan om te kijken of de berekeningen kloppen.
Gegoten boven-as tijdens het afwerken. Op het verticale deel van de askop zijn de voeders nog te zien...
Stromingssimulatie… (Soester Gieterij)
Is het stuk virtueel slinkvrij dan wordt er een stromingssimulatie gedaan, zie hierboven. Daarbij kijken we hoe het metaal in de vorm stroomt en hoe de vorm door het ijzer opwarmt.
Als alles naar wens is dan wordt er een model (mal) gemaakt.
Even iets over onze vormmethode. Zoals wellicht bekend is worden tinnen soldaatjes in een twee-delig vormpje gegoten. Deze vorm is permanent, je kunt ‘m iedere keer weer opnieuw gebruiken. De deling is verticaal.
Tinnen soldaatjes gieten...
Ook onze gietstukken worden in een tweedelige vorm gegoten. Echter, de deling is horizontaal en de vormen kunnen maar eenmalig gebruikt worden, er moet voor elk gietstuk een nieuwe vorm gemaakt worden. We hebben dus een model (mal) nodig om een vorm te maken.
Een model wordt door een modelmaker gemaakt en is over het algemeen van hout.
Modelbouw
Ook een modelmaker krijgt een tekening. Hij maakt uitslagen van verschillende doorsneden van het stuk om zo tot een 3D-model te komen. De krimp wordt al in het model verwerkt, het model is dus iets groter gemaakt dan op de tekening staat.
Veel stukken hebben een maatnauwkeurigheid nodig van honderdsten of duizendsten van een millimeter. Het is echter niet mogelijk om zo nauwkeurig te gieten.
Daarom wordt er op het model een bewerkingstoeslag aangebracht van enkele millimeters.
Deze bewerkingstoeslag kan dan door een bewerker tot de juiste maat bewerkt worden.
Nadat het model klaar is wordt het naar de gieterij gestuurd. Daar wordt het model ontvangen en gecontroleerd. Als het model is vrijgegeven dan wordt ingepland en kan de productie beginnen.
Het model van een kabelschijf zoals dat bij de gieterij wordt geleverd...
Vormen
Het onder-model wordt op de vormvloer gelegd waarna er een stalen raamwerk (vormkast) om het model wordt gezet.
Een vormkast wordt gevuld. We zien een piepschuim model met daar omheen de stalen vormkast…
Dan wordt de vormkast gevuld met vormzand, het zand bedekt het hele model. Het vormzand komt uit een speciale menger welke een hars en een katalysator (twee-componentenlijn) door het zand mengt. Het zand hardt uit na ± een uur.
Na het uitharden van het zand wordt de vormkast gedraaid en wordt het model uit het zand getrokken, er blijft nu een holte over welke gevuld gaat worden met vloeibaar metaal.
De vorm wordt gelost van het model…
Een vormhelft (onderkast)…
Bovenstaande gebeurt ook met het bovenmodel en zo hebben we twee vormhelften, een boven- en een onderkast.
Een gietvorm wordt in de gieterij een"kast" genoemd wat afgeleid is van het Engelse "casting" (gietstuk).
Beide helften worden op elkaar gezet en aan elkaar geklemd of geballast. Er wordt een gietbak op de ingietopening van de kast gezet en er kan gegoten worden.
De vorm, klaar om te gieten. De rechthoekige bak op de kast is de gietbak. Links daarnaast staan de proefstaven. Er staan ballastgewichten op de kast en de deling is geklemd.
Smelten en gieten
De oven wordt gevuld met inzetmaterialen volgens een smeltvoorschrift. Op dit smeltvoorschrift staat welke materialen ingezet moeten worden en hoeveel.
De charge wordt op temperatuur gebracht en er wordt een monster uit de charge gehaald. Dit monster wordt geanalyseerd met een emissiespectrometer. Binnen een minuut is de samenstelling bekend en kan er berekend worden hoeveel en welke materialen we nog moeten toevoegen om een correcte samenstelling te krijgen.
Is de charge gecorrigeerd dan wordt deze op temperatuur gebracht en uitgegoten in een pan. Een pan is een grote stalen emmer welke bekleed is met een vuurvaste wand.
De pan hangt in een portaalkraan en met deze kraan kunnen we de vormkasten één voor één gieten.
Hierboven een filmpje van het gieten van een 6-tons ring voor de baggerindustrie. Duurt een minuut of 7...
Als de vormen gegoten zijn dan blijven ze een één nacht in de vorm staan om af te koelen.
De bovenas is net gegoten. Boven op de kast en aan de zijkanten flikkeren allemaal vlammen. Dit zijn de gassen die ontstaan bij o.a. het verbranden van het bindmiddel in het zand. Boven op de vormkast met de bovenas staan andere vormkasten als ballast...
Nabewerking
Als de vormen afgekoeld zijn dan worden ze uitgebroken. De bovenkasten worden van de onderkasten af gehesen en het stuk wordt uit de onderkast gehaald.
De gegoten bovenas net uit het zand gehaald. De zandresten liggen nog op het stuk…
De kasten worden op een schudrooster gezet. Door de trillingen van dit rooster breekt het vormzand kapot en valt het gietstuk uit het zand.
De as boven het schudrooster…
Het zand wordt gereinigd en hergebruikt. De lege vormkasten gaan weer terug naar de vormerijen.
Op het gietstuk zit veel aanslag en een giethuid, daarom wordt het gestraald om het te reinigen. Na het stralen wordt het stuk dan afgebraamd waarna het gereed is.
De as wordt afgebraamd. Op de askop zijn de voeders nog te zien die het materiaal aanvullen als het krimpt tijdens het stollen…
Als een klant daar opdracht voor heeft gegeven dan wordt er nog (Niet) Destructief Onderzoek gedaan (zie eerder) om te controleren of het stuk voldoet aan de gestelde eisen.
Externe bewerkingen
Destructief onderzoek
Er zijn verschillende destructieve onderzoeken. De trekproef, zoals die eerder is beschreven, is de meest populaire. Verder zijn er nog de hardheidstest en de kerfslagproef.
Bij een hardheidstest wordt een wolframcarbidekogel met een bepaald gewicht in een metaal gedrukt, dit laat een afdruk achter. Hoe dieper de kogel in het materiaal drukt, hoe groter de afdruk, hoe zachter het materiaal is.
Na de proef wordt de diameter van de afdruk gemeten en zo kan de hardheid bepaald worden.
Bij de kerfslagproef wordt een proefstaafje met een bepaalde doorsnede in tweeën geslagen. De kracht die daarvoor nodig is zegt iets over de taaiheid van de proef. De proefstaven worden vaak naar een temperatuur van -20° of -40°C gebracht. Op die manier wordt gekeken of het materiaal z’n taaiheid behoud bij lage temperaturen. Dit wordt vaak gevraagd door klanten die onderdelen maken voor de off-shore (schepen, boortorens).
Gloeien
Het kan zijn dat een stuk na het gieten nog niet de juiste eigenschappen heeft. Door het stuk dan een warmtebehandeling te geven worden de juiste eigenschappen verkregen.
Het stuk wordt in een speciale gloeioven geplaatst en op een voorgeschreven temperatuur gebracht.
Gegoten kabelschijven na een warmtebehandeling… (Akkermans Gloeitechniek)
Deze temperatuur wordt een bepaalde tijd aangehouden zodat ook de kern van het stuk goed op temperatuur komt. Daarna wordt het stuk afgekoeld wat op verschillende manieren kan gebeuren: in de oven, buiten de oven, in geforceerde lucht, in olie, in water of in een zoutbad. Door deze behandelingen krijgt bijv. staal veel betere eigenschappen (harder, taaier).
Coaten
Een klant kan eisen dat een stuk gespoten wordt met een speciale coating die bijv. zeewaterbestendig is.
Bij een extern bedrijf wordt het stuk gespoten.
Een aantal kabelschijven, strak in de lak...
BewerkenZoals eerder gezegd kunnen we geen nauwkeurige maten gieten, die moeten in het stuk bewerkt worden. We hebben een aantal leveranciers die voor ons kunnen draaien, boren, frezen enz.
Een kabelschijf op een carousseldraaibank. Rechts de beitel die het metaal verspaant...
Reparatiegietwerk
Stel, er komt een molenaar met een kapotte kruirol. Of we daar een nieuwe van kunnen gieten. We vertellen de molenaar dan dat het gieten voor één rol ± 50 euro gaat kosten. "Oh, doe er dan maar 50", wordt er dan snel besloten. Maar wat men vergeet is dat er nog een paar honderd euro bij voor een modelletje.
De prijs voor het gieten is geen probleem maar men schrikt altijd weer van de prijs van het model. “Je drukt dat ding toch zo even in het zand”? Dat zou op zich kunnen maar het probleem is dat het ijzer krimpt bij het afkoelen. Zouden we de kapotte kruirol “even” in het zand drukken en gieten dan is de nieuwe kruirol kleiner dan z’n broertjes in de rest van het kruiwerk. De kans is groot dat de rol gaat klemmen op de onder- en bovenrail omdat de flenzen te kort op elkaar zitten. Daarom moet er altijd een model aangemaakt worden.
Modelplaten met een aantal modellen van kruirollen voor een engels kruiwerk...
Toch kunnen we de kosten van een model drukken door het van piepschuim te laten maken. Dit gebeurt vaak als een onderdeel maar één keer gegoten hoeft te worden.
Schuimmodellen voor gegoten astappen. De modellen zijn beplakt met bruine paktape zodat ze beter lossen…
Stel een klant heeft een erg oude machine waar een onderdeel van beschadigd is. De onderdelen zijn niet meer te krijgen en ook zijn er geen tekeningen meer. Het onderdeel wordt dan gedemonteerd en naar een modelmaker gestuurd. De modelmaker meet het hele onderdeel op en er wordt een piepschuim model van gemaakt. Het is tegenwoordig zelfs mogelijk om een onderdeel in 3D te scannen, dat scheelt erg veel meetwerk en fouten. Met het verkregen 3D-bestand kan dan een piepschuim model gefreesd worden, rekening houdend met de krimp.
Het schuimmodel komt naar de gieterij waar we het kunnen vormen en gieten.
Tot zover een verhaal over gietijzer.
Ik hoop dat ik u “warm” heb kunnen maken voor het gieterijvak. Ik denk dat het gieterijvak, ondanks de moderne hedendaagse technieken, nog steeds een ambacht is waar erg veel handwerk bij komt kijken, net als het molenaarsvak.
Als gieterij vinden we dat het gieterijvak in Nederland en ondergeschoven kindje is. Vandaar dat de Soester Gieterij het gieterijvak zoveel mogelijk probeert te promoten bij andere technische branches. Het is mogelijk om, uiteraard op afspraak, als groep eens een kijkje te nemen in de gieterij. Via de contactpagina van onze site kunt u mij of één van mijn collega's aanschrijven.
Wellicht tot ziens?
Als gieterij vinden we dat het gieterijvak in Nederland en ondergeschoven kindje is. Vandaar dat de Soester Gieterij het gieterijvak zoveel mogelijk probeert te promoten bij andere technische branches. Het is mogelijk om, uiteraard op afspraak, als groep eens een kijkje te nemen in de gieterij. Via de contactpagina van onze site kunt u mij of één van mijn collega's aanschrijven.
Wellicht tot ziens?
Hieronder volgen nog wat foto's van het vormen en van het inbouwen in de kap:
