Gieten van metalen

Het gieten van metalen wordt vaak gebruik bij het maken van alledaagse producten zoals auto's, mobiele telefoons, keukengerei en metalen beelden. Het gieten van metalen kent meerdere methoden, maar heeft een zelfde principe. Voor dit proces is gesmolten metaal nodig dat in een matrijs wordt gegoten. De matrijs heeft een holle holte in de vorm van het te produceren onderdeel. Wanneer de matrijs is gevuld, kan het gekoeld worden tot het gesmolten metaal stolt. Het onderdeel dat in de matrijs wordt gevormd, wordt ook wel een gietstuk genoemd. Dit proces wordt vaak gebruikt door de grote vormvrijheid. Een product kan daarbij meestal in één stap gemaakt worden, terwijl datzelfde product met een andere productieproces uit meerdere onderdelen zou moeten bestaan en vervolgens aan elkaar geassembleerd zou moeten worden. De vormvrijheid en de hoge sterkte in producten zijn de belangrijkste voordelen bij het gieten van metalen. Deze voordelen hebben echter een prijs. Vooral bij grote seriegroottes waarbij een hoge productiesnelheid nodig is worden de kosten hoger, maar ook door hoge kwaliteitseisen zoals: nauwe toleranties, homogene eigenschappen en een (bijna) perfect afgewerkte oppervlak in het onderdeel.

Metalen die gebruikt kunnen worden om mee te gieten zijn: aluminium, brons, gietijzer, gietstaal, goud, lood, magnesium, titanium, tin, zamak, zilver en zink. De keuze voor het materiaal wordt o.a. gemaakt op basis van de gietbaarheid, soortelijke warmte en stollingstemperatuur.

Het gietproces

Allereerst wordt het gesmolten metaal in de matrijs gegoten. Dit kan in principe anders dan bij kunststoffen op iedere snelheid en druk gedaan worden. Wel kan het te snel vloeien van het materiaal (oftewel turbulente stroom) ervoor zorgen dat het materiaal niet de gehele matrijs opvult, maar hier en daar luchtbellen achterlaat. Wanneer het metaal dan stolt, kunnen deze luchtbelletjes zichtbaar zijn op het oppervlak. Om dit te voorkomen zijn er voor de verschillende soorten matrijzen maximale vloeisnelheden gesteld. Aan de andere kant zal het materiaal dat gegoten wordt beginnen met stollen en kan te langzaam gieten dus zorgen voor delen die sneller stollen dan andere delen. Voor een goede kwaliteit is het belangrijk dat al het materiaal homogeen moet stollen. Een oplossing daarvoor is het vullen van de matrijs door meerdere openingen zodat het materiaal onder de maximale vloeisnelheid blijft, maar alsnog snel genoeg gevuld kan worden. Wanneer er extra druk geleverd wordt bij het vullen van de matrijs, zullen de scherpe radii, smalle delen en kleine details beter gevormd worden in het gietonderdeel. De matrijzen kunnen gemaakt worden van zand, metaal of iets anders zolang het niet met het gesmolten metaal mee smelt of vervormd

Koelen en stollen

Bij het stollen wordt het materiaal niet alleen harder, maar wordt de volume ook minder; er treedt krimp op. Nadat het materiaal gestold is, kan het nog gekoeld worden tot kamertemperatuur waarbij er meer krimp zal optreden. De mate van de krimp hangt af van de thermische eigenschappen van het soort metaal. Deze eigenschappen zijn ook bepalend voor de temperatuur dat nodig is voor het smelten van het metaal. De belangrijkste eigenschap daarbij is de soortelijke warmte welke staat voor de benodigde hoeveelheid warmte energie om één kilogram materiaal met één graad temperatuur te laten stijgen. Daarnaast kent het materiaal een stollingstemperatuur dat gebruikt wordt om het vloeibare materiaal te laten stollen. Ten slotte zal het materiaal koelen tot kamertemperatuur. Er hoeft niet gewacht te worden tot het materiaal koelt tot kamertemperatuur; het onderdeel kan al uit de matrijs gehaald worden wanneer het gestold is en buiten de matrijs verder afkoelen. De matrijs kan dan opnieuw opgevuld worden met gesmolten metaal. Op die manier zal de productiecyclus sneller zijn.

Gietmethoden

Er zijn een aantal methoden om metalen te gieten. Iedere methode kent voordelen en nadelen. De juiste keuze voor de methode wordt gemaakt op basis van de functie, kosten en kwaliteit. De methoden hebben een zelfde principe, maar verschillen op de manier waarop de matrijs gevuld wordt en het materiaal van de matrijs zelf. Hieronder zijn de meest bekende gietmethoden beschreven.

Zandgieten

De naam voor deze methode komt voort door de matrijs die gemaakt is van kwartszand, klei en water. Dit is het meest goedkope materiaal voor een matrijs. Andere voordelen zijn dat er velen soorten metaal gegoten kunnen worden en dat producten in allerlei groottes te gieten zijn. Echter zijn zand matrijzen makkelijk breekbaar en kan de matrijs met een beperkte snelheid en druk gevuld worden. Ook geleidt zand de warmte slecht, waardoor het stollen van het onderdeel langer duurt dan bij andere methoden. Aangezien de oppervlak van het product de oppervlak van de matrijsholte zal aannemen, zal het oppervlak ruw zijn. Meestal wordt er grafietpoeder toegevoegd bij het maken van de matrijs voor een betere oppervlaktekwaliteit in producten. Een andere nadeel is dat de nauwkeurigheid in de toleranties slecht is. In verband met de lage kosten is zandgieten geschikt voor producten met een kleine seriegrootte of zelfs prototypen.

De matrijs bij zandgieten bestaat uit een matrijs deel onder en een matrijs deel boven. Wanneer een product gestold is, kunnen deze delen uit elkaar en kan het product eruit gehaald worden. Het gesmolten metaal wordt in de matrijs gevuld van onder naar boven zodat het voorzichtig kan vloeien.

Lage druk gieten

Bij deze techniek worden er stalen matrijzen gebruikt van twee delen, zoals bij zandgieten. Staal geleidt warmte heel goed en daardoor zijn de cyclus tijden veel korter. Ook zal de stalen matrijs ervoor zorgen dat geproduceerde producten een gladder oppervlak hebben. Wel zijn de product groottes en gewichten meer beperkt dan bij zandgieten. Aluminium en magnesium zijn de meest gebruikte metalen voor deze methode.

Tijdens het gieten wordt een druk toegepast van 2 tot 5 bar. Dit is laag genoeg om ervoor te zorgen dat er geen luchtbelletjes optreden, maar wel hoog genoeg om scherpe radii in producten goed te kunnen vormen.

Hoge druk gieten

Anders dan bij lage druk gieten wordt er bij hoge druk gieten gewerkt met een druk dat kan oplopen tot wel 2.000 bar. Door deze hoge druk moeten de matrijzen erg stevig gemaakt zijn, wat heel duur is. Ook zijn de gietsnelheden erg hoog, waardoor de kwaliteit van het materiaal minder wordt. Aan de andere kant kan er door de hoge druk veel dunnere onderdelen gemaakt worden dan met de andere methoden, omdat de snelheid bij het gieten ervoor zal zorgen dat een onderdeel homogeen zal stollen. Dit betekent ook dat onderdelen sneller zullen koelen doordat ze dunner gemaakt kunnen worden. Dit heeft als resultaat dat de cyclustijden erg kort kunnen zijn. Een andere voordeel is dat er een goede controle is over toleranties en er hierdoor meestal geen nabewerkingen meer nodig zijn.

De gebruikte metalen zijn beperkt. Meestal wordt er zink, aluminium en magnesium gebruikt. Ook is er zoals bij lage druk gieten een beperking in de grootte en het gewicht van een onderdeel. Het maximale gewicht voor een product is 20 kilogram. Een andere nadeel is dat de kosten erg hoog zijn, met name door de dure matrijzen en machines die gebruikt worden.

Verloren wasgieten

Voor deze methode wordt was gebruikt die de vorm heeft van het product dat gemaakt moet worden. Deze wasproducten worden aan een gietboom geplakt. Deze gietboom wordt gedoopt in een suspensie met keramische deeltjes, of ermee ondergespoten. Vervolgens gaat het de oven in totdat de keramische laag hard wordt. De was onder de keramische laag smelt weg. Hier komt de naam van deze methode vandaan. De keramische vorm wordt op een hogere temperatuur gebakken en zal de gietvorm voor het uiteindelijke product zijn. Vervolgens moet het vloeibare metaal erin worden gegoten en kan het van de gietboom afgehaald worden wanneer het is gestold. Deze methode vergt veel tijd en is duur, maar kent een belangrijke voordeel: er kunnen hele complexe vormen gemaakt worden van uitstekende kwaliteit en nauwe toleranties. Een nadeel is dat er slechts kleine producten mee gemaakt kunnen worden met een gewicht tot 10 kilogram.