Zes belangrijke gietmethoden: Uitgebreide vergelijking & Inzichten

Invoering

Gieten, als een van de vroegst beheerste metaalbewerkingsprocessen voor mensen, beschikt over een geschiedenis van ongeveer 6,000 jaar.

China betrad tussendoor de hoogtijdagen van de bronzen gietstukken 1700 BC en 1000 BC, waarbij het gietvakmanschap een redelijk geavanceerd niveau bereikt.

Als een kernproces in de moderne productie, gieten maakt de vorming mogelijk van complex gevormde metalen componenten die moeilijk te produceren zijn via smeden of machinaal bewerken, en het wordt veel toegepast in de lucht- en ruimtevaart, automobiel, machines, en precisie-instrumentenindustrieën.

De keuze van de gietmethoden bepaalt direct de gietkwaliteit, productie -efficiëntie, en productiekosten.

1. Groen zandgieten (Conventioneel zandgieten)

Kerndefinitie & Procesprincipe

Groente zand gieten is wereldwijd de meest traditionele en meest gebruikte gietmethode.

De belangrijkste grondstoffen zijn gieterijzand (overwegend kwartszand; speciaal zand zoals zirkoonzand en korundzand worden gebruikt wanneer kwartszand niet voldoet aan de hoge temperatuureisen) en zandbinders (klei is de meest voorkomende; droge olie, wateroplosbaar silicaat, fosfaat, en kunstharsen zijn alternatieve opties).

De externe zandvormen worden ingedeeld in drie typen op basis van bindmiddelen en sterktevormende mechanismen: groene kleizandvorm, droge kleizandvorm, en chemisch gebonden zandvorm.

Gesmolten metaal wordt in de zandvorm gegoten, dat stolt tot gietstukken, en de mal is na één keer gieten beschadigd en kan niet opnieuw worden gebruikt.

Voordelen

• Kosteneffectieve grondstoffen: Klei is overvloedig aanwezig en goedkoop; over 90% van het gebruikte groene kleizand kan na zandbehandeling worden gerecycled en hergebruikt, het verminderen van materiaalverspilling.
• Hoge procesflexibiliteit: Korte matrijzenbouwcyclus en hoog rendement; mixed molding sand has a long service life; it is adaptable to small, groot, eenvoudig, and complex castings, as well as single-piece, kleine partij, and mass production scenarios.
• Low equipment threshold: Does not require high-end specialized equipment, suitable for small and medium-sized foundries.

Nadelen & Beperkingen

• Low production efficiency: Each sand mold can only be used once and must be remolded for subsequent castings, leading to low continuous production efficiency.
• Poor dimensional accuracy: The rigidity of sand molds is low, resulting in casting dimensional tolerance grades of CT10–CT13, which cannot meet high-precision requirements.
• High defect risk: Castings are prone to typical defects such as sand washing, sand inclusion, gasporositeit, and shrinkage porosity due to the loose structure of sand molds.
• Inferior surface quality: The casting surface is relatively rough, waardoor extra bewerking nodig is om de afwerking te verbeteren.

2. Investeringscasting (Verloren was gieten)

Kerndefinitie & Procesprincipe

Investeringsgieten, algemeen bekend als verloren wasgieten, beschikt over een geavanceerde processtroom:

waspatronen vervaardigen met behulp van smeltbare materialen, breng meerdere lagen vuurvaste materialen aan op het patroonoppervlak om een ​​keramische schaal te vormen, smelt en verwijder het waspatroon om een ​​mal te verkrijgen zonder scheidingsvlakken, en roosteren op hoge temperatuur voordat gesmolten metaal wordt gegoten.

Het is toepasbaar op een breed scala aan legeringen, inclusief koolstofstaal, gelegeerd staal, hittebestendige legering, roestvrij staal, koperlegering, aluminiumlegering, titanium legering, en ductiel ijzer, vooral voor materialen die moeilijk te verwerken zijn door smeden of snijden.

Voordelen

• Uitstekende dimensionale nauwkeurigheid: Tolerantie bij gieten cijfers bereiken CT4-CT6, veel hoger dan groen zandgieten (CT10 - CT13) en vergelijkbaar met spuitgieten (CT5–CT7), het minimaliseren van machinale bewerking na het gieten.
• Hoog materiaalgebruik: Vermindert het bewerkingsvolume van gevormde en pasvlakken aanzienlijk, waardoor bewerkingstijd en snijgereedschapverbruik worden bespaard, waarbij de materiële bezettingsgraad overschreden wordt 90%.
• Sterk vormaanpassingsvermogen: Kan uiterst complexe componenten gieten, dunwandige delen (minimale wanddikte 0,5 mm), en micro-afgietsels (minimaal gewicht 1g);
  het ondersteunt ook het geïntegreerd gieten van geassembleerde onderdelen, het vereenvoudigen van daaropvolgende montageprocessen.
• Brede compatibiliteit met legeringen: Geschikt voor vrijwel alle metalen materialen, inclusief legeringen voor hoge temperaturen, magnesium legeringen, titaniumlegeringen, en edele metalen die moeilijk op andere manieren te verwerken zijn.
• Flexibele productieschaal: Past zich aan massaproductie aan, productie in kleine batches, en zelfs maatwerk uit één stuk, met sterke schaalbaarheid.

Nadelen & Beperkingen

• Complexe processtroom: Het heeft het meest ingewikkelde proces van alle gietmethoden, waarbij het maken van waspatronen betrokken is, schaal coating, ontwricht, roosteren, en gieten, die een strikte procescontrole vereisen.
• Beperkte werpgrootte: Niet geschikt voor grote gietstukken; het maximale gewicht van conventionele investeringsgietstukken ligt doorgaans binnen 50 kg, omdat grote schelpen gevoelig zijn voor barsten tijdens het braden en gieten.
• Langzame afkoelsnelheid: De keramische schaal heeft een lage thermische geleidbaarheid, wat leidt tot een langzame stolling van gesmolten metaal, wat bij sommige legeringen grove korrelstructuren kan veroorzaken.
• Hoge productiekosten: De kosten van waspatronen, vuurvaste materialen, en procesbeheersing is relatief hoog; het is alleen economisch haalbaar als het wordt gecombineerd met minder bewerkings- en materiaalbesparingen.

3. Spuitgieten

Kerndefinitie & Procesprincipe

Spuitgieten is een hogedrukgietmethode waarbij gesmolten metaal met hoge snelheid in een precisie-metalen vormholte wordt geïnjecteerd (10–50m/sec) onder hoge druk (20–150 MPa), en het onder druk laten stollen van het metaal om gietstukken te vormen.

Het heeft twee basisprocessen: Hot Chamber Die Casting (gesmolten metaal stroomt automatisch in de drukkamer) en spuitgieten in een koude kamer (gesmolten metaal wordt handmatig of automatisch in de drukkamer gegoten).

De mal is gemaakt van hoogwaardig matrijsstaal, zorgen voor herhaald gebruik.

Voordelen

• Superieure productkwaliteit: De maatnauwkeurigheid van het gieten bereikt graad 6–7 (zelfs cijfer 4 voor precisieproducten) met oppervlakteruwheid Ra 5–8μm;
  de sterkte en hardheid zijn 25-30% hoger dan bij groenzandgietstukken als gevolg van stolling onder druk, hoewel de rek met ongeveer afneemt 70%.
• Ultrahoge productie-efficiëntie: Een horizontale spuitgietmachine met koude kamer kan 600-700 cycli per keer voltooien 8 uur,
  terwijl een kleine spuitgietmachine met hete kamer 3.000 tot 7.000 cycli kan bereiken, veel groter dan andere gietmethoden.
• Lange levensduur van de schimmel: Matrijzen voor het spuitgieten van zinklegeringen kunnen honderdduizenden of zelfs miljoenen keren meegaan, het verminderen van de productiekosten op de lange termijn.
• Eenvoudige automatisering: Het proces is zeer compatibel met mechanisatie en automatisering, het verlagen van de arbeidskosten en het verbeteren van de productiestabiliteit.
• Uitstekende economische voordelen: Gietstukken vereisen minimale of geen bewerking, het verbeteren van het metaalgebruik en het verminderen van de investeringen in verwerkingsapparatuur;
  het gecombineerde spuitgieten van metalen en niet-metalen materialen bespaart montagetijd en grondstoffen.

Nadelen & Beperkingen

• Hoog defectrisico door gasporositeit: Snel vullen leidt tot een onstabiele stroom gesmolten metaal,
  het gemakkelijk vasthouden van gas om interne porositeit te vormen, waardoor gietstukken geen warmtebehandeling kunnen ondergaan (Warmtebehandeling veroorzaakt gasexpansie en barsten).
• Slecht aanpassingsvermogen aan complexe binnenste concave delen: Het is moeilijk om binnenste concave complexe structuren te ontvormen, beperking van het ontwerp van gietvormen.
• Korte levensduur van de matrijs voor legeringen met een hoog smeltpunt: Voor legeringen met een hoog smeltpunt, zoals koperlegeringen en ferrometalen, de mal is gevoelig voor thermische vermoeidheid en slijtage, waardoor de levensduur aanzienlijk wordt verkort.
• Niet geschikt voor productie in kleine series: De productiekosten van de matrijzen zijn hoog, en de hoge efficiëntie van spuitgietmachines maakt de productie van kleine batches economisch niet levensvatbaar.

4. Permanent gieten van mallen (Hardvormgieten)

Kerndefinitie & Procesprincipe

Permanent gieten van mallen, ook wel hardvormgieten genoemd, omvat het gieten van gesmolten metaal in een metalen mal om gietstukken te vormen.

De mal is gemaakt van gietijzer of gietstaal en kan honderden tot duizenden keren worden hergebruikt, vandaar de naam “permanente schimmel”.

De binnenholte van gietstukken kan metalen kernen of zandkernen gebruiken, en de vormstructuren zijn verdeeld in horizontale scheiding, verticale scheiding, en composietscheiding om zich aan te passen aan verschillende gietvormen:

verticale scheiding vergemakkelijkt het openen en ontvormen, horizontale scheiding is voor dunwandige wielvormige onderdelen, en composiet afscheiden is voor complexe componenten.

Voordelen

• Uitstekende herbruikbaarheid van mallen: “Eén mal voor meerdere gietstukken” elimineert de noodzaak voor het herhaaldelijk maken van mallen, waardoor gietmaterialen en tijd worden bespaard, en het verbeteren van de productie-efficiëntie.
• Hoge werpprestaties: De metalen mal heeft een sterk koelvermogen, wat leidt tot een dichte gietstructuur en superieure mechanische eigenschappen vergeleken met zandgietstukken.
• Goede maatnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit: Giettoleranties bereiken IT12-IT14, oppervlakteruwheid Ra ≤6,3μm, vermindering van de werklast na de verwerking.
• Verbeterde arbeidsomstandigheden: Er wordt weinig tot geen zand gebruikt, het vermijden van stofvervuiling en het optimaliseren van de werkomgeving voor werknemers.

Nadelen & Beperkingen

• Hoge matrijskosten en lange productiecyclus: De metalen mal vereist hoogwaardige materialen en een nauwkeurige verwerking,
  met hoge initiële investeringen en een lange doorlooptijd, ongeschikt voor productie uit één stuk en kleine batches.
• Beperkt toepasbare legeringen en gietgroottes: Vooral geschikt voor massaproductie van gietstukken van non-ferrolegeringen (aluminium zuigers, cilinder blokken, cilinderkoppen, bussen van koperlegering, enz.) voor auto's, vliegtuig, en verbrandingsmotoren;
  voor gietstukken van ferrolegeringen, het is alleen van toepassing op kleine en middelgrote onderdelen met eenvoudige vormen.
• Strenge proceseisen: De mal heeft voorverwarmen en temperatuurregeling nodig om koude afsluitingen en schimmelscheuren te voorkomen; het is gevoelig voor thermische vermoeidheid na langdurig gebruik, invloed op de gietkwaliteit.

5. Gieten onder lage druk

Kerndefinitie & Procesprincipe

Lagedrukgieten is een gietmethode waarbij de mal wordt gevuld en gesmolten metaal onder lage druk stolt (0.02-0,06 MPa).

Het kernproces omvat: gieten van gesmolten metaal in een geïsoleerde smeltkroes, het afdichten van de smeltkroes, het verbinden van de stijgbuis met de mal, het inbrengen van droge perslucht in de smeltkroes om gesmolten metaal naar boven te drijven door de stijgbuis om de vormholte te vullen,
het stollen van het metaal onder constante druk, het loslaten van de druk om het resterende gesmolten metaal terug naar de smeltkroes te laten stromen, en ten slotte het openen van de mal om het gietstuk eruit te halen.

Voordelen

• Flexibele procesbeheersing: De stijgsnelheid van het gesmolten metaal en de stollingsdruk zijn instelbaar, geschikt voor diverse mallen (metalen schimmels, zandvormen) en legeringen, evenals gietstukken van verschillende afmetingen.
• Stabiele vulling en laag defectpercentage: Bottom-up vulling zorgt voor een soepele stroom van gesmolten metaal zonder spatten, het vermijden van gasinsluiting en erosie van schimmelwanden en kernen;
  casting defects such as gas porosity and slag inclusion are significantly reduced, with qualification rate over 95%.
• High-quality castings: Pressure solidification realizes directional solidification from outside to inside, resulting in dense casting structure,
  clear contours, gladde oppervlakken, en uitstekende mechanische eigenschappen, especially suitable for large thin-walled parts.
• Hoog materiaalgebruik: No feeding riser is required, with material utilization rate reaching 90–98%, reducing metal waste.
• Friendly working environment: Low labor intensity, eenvoudige uitrusting, and easy realization of mechanization and automation, conforming to modern production requirements.

Nadelen & Beperkingen

• Short riser tube service life: The riser tube is in direct contact with high-temperature molten metal for a long time, prone to oxidation and wear, requiring regular replacement.
• Molten metal pollution risk: During heat preservation, molten metal is easily oxidized and mixed with slag, waarvoor strikte controle van de hittebehoudomgeving en de zuivering van gesmolten metaal vereist is.
• Beperkt toepassingsbereik: Hoofdzakelijk gebruikt voor het gieten van hoogwaardige gietstukken van aluminiumlegeringen en magnesiumlegeringen, zoals cilinderblokken, cilinderkoppen, carters, en aluminium zuigers met hoge snelheid van een interne verbrandingsmotor; het wordt zelden gebruikt voor ferrolegeringen vanwege de hoge temperatuurvereisten.

6. Centrifugaal gieten

Kerndefinitie & Procesprincipe

Bij centrifugaal gieten wordt gesmolten metaal in een roterende mal gegoten, waar het metaal de mal vult en stolt onder middelpuntvliedende kracht.

Volgens de oriëntatie van de roterende as van de mal, het is verdeeld in drie typen: horizontaal centrifugaal gieten (as horizontaal of <4° naar horizontaal, geschikt voor lange cilindrische delen),

verticaal centrifugaal gieten (as verticaal, geschikt voor korte cilindrische of ringvormige delen), en centrifugaalgieten met schuine as (zelden gebruikt vanwege complexe bediening).

De middelpuntvliedende kracht drijft de gerichte beweging van gesmolten metaal aan, het optimaliseren van de gietstructuur.

Voordelen

• Vereenvoudigde matrijsstructuur: Voor holle roterende delen, geen kern, gating -systeem, of stijgbuis nodig, het vereenvoudigen van het matrijsontwerp en het verlagen van de productiekosten.
• High-quality castings: De middelpuntvliedende kracht scheidt gassen en slakken met een lage dichtheid naar het binnenoppervlak,
  en bevordert directionele stolling van buiten naar binnen, resulting in dense casting structure, weinig gebreken, en uitstekende mechanische eigenschappen.
• Kostenbesparend voor bimetaalonderdelen: Eenvoudig te gieten bimetaalcomponenten zoals bussen en lagers (bijv., stalen hulzen met een dunne koperen voering), waardoor dure non-ferrometalen worden bespaard en de prestaties worden gewaarborgd.
• Sterk vullend vermogen: De centrifugaalkracht verbetert de vloeibaarheid van gesmolten metaal, geschikt voor het gieten van dunwandige onderdelen en legeringen met een slechte vloeibaarheid.
• Minder materiaalverspilling: Elimineert poortsystemen en stijgleidingen, het verder verbeteren van het materiaalgebruik.

Nadelen & Beperkingen

• Slechte kwaliteit van het binnenoppervlak: Het binnenste vrije oppervlak van gietstukken is ruw, met grote maatfouten en slechte uniformiteit, waarbij daaropvolgende bewerking nodig is om aan de dimensionele vereisten te voldoen.
• Ongeschikt voor bepaalde legeringen: Niet van toepassing op legeringen met ernstige dichtheidssegregatie (bijv., lood brons), omdat de middelpuntvliedende kracht de segregatie zal verergeren;
  ook niet geschikt voor aluminium- en magnesiumlegeringen vanwege hun lage dichtheid en slechte centrifugale scheidingswerking.
• Beperkte gietvormen: Alleen geschikt voor roterende symmetrische delen (cilinders, ringen, mouwen); kan geen complex gevormde onderdelen met onregelmatige contouren gieten.
• Hoge uitrustingseisen: Vereist gespecialiseerde centrifugaalgietmachines met stabiele rotatiesnelheidsregeling, toenemende investeringen in apparatuur.

7. Vergelijkingstabel van veelgebruikte gietmethoden

8. Conclusie

Elke gietmethode biedt unieke voordelen en beperkingen die deze geschikt maken voor specifieke toepassingen.

Zandgieten blijft de meest veelzijdige en economische methode voor grote projecten, Complexe gietstukken, terwijl investeringsgieten uitzonderlijke precisie biedt voor hoogwaardige componenten.

Spuitgieten blinkt uit in de grootschalige productie van dunwandige onderdelen, en permanent gieten levert consistente kwaliteit voor non-ferroproductie van middelgrote volumes.

Lagedrukgieten is ideaal voor aluminium- en magnesiumcomponenten met een hoge integriteit, en centrifugaal gieten is ongeëvenaard voor holle symmetrische onderdelen.

De selectie van een geschikte gietmethode hangt af van factoren zoals de geometrie van het onderdeel, vereiste maatnauwkeurigheid, oppervlakteafwerking, materiaaltype, productievolume, en kostenoverwegingen.

Moderne productieprocessen combineren deze technieken steeds vaker om hun complementaire voordelen te benutten, het stimuleren van innovatie in de productie van complexe componenten in de lucht- en ruimtevaart, automobiel, en industriële sectoren.