De praktijk van het aluminium gieten
Nuttig toegepast in een restauratie-project
Op deze tamelijk uitgebreide pagina laat ik zien, hoe aluminium wordt gegoten in zandvormen. We doorlopen de opeenvolgende stappen aan de hand van een concreet praktijkvoorbeeld.
PAS OP! Werken met gesmolten metaal brengt altijd een zeker risico mee. Op deze pagina beschrijf ik (niet in alle details) hoe ik aluminium giet in zandvormen. Hierbij kunnen temperaturen tot boven 900° C bereikt worden. Wil je op dit gebied zelf experimenteren, ga je gang. Doe niets overhaast en overdenk elke stap voor je 'm zet. Ik kan op geen enkele wijze aansprakelijk gehouden worden voor eventuele problemen, schade of ongelukken: je werkt geheel op eigen risico.
Het project
Een groep van veteraan-autoliefhebbers is bezig met de restauratie van een aantal A-Fords, van omstreeks 1929. Men ontwikkelde in eigen beheer een oliefilter-systeem voor de motoren van deze auto's: oorspronkelijk was er helemaal geen oliefilter gemonteerd! Dat is bij lang-gebouwde met witmetaal (babbits) gevoerde lagers niet erg praktisch. Het is beslist de bedoeling, dat de gerestaureerde wagens werkelijk rijden. Er moet dan wel frequent olie ververst worden, om lagerschade bij het rijden te voorkomen. Daarom heeft men besloten, bij de revisie van de motoren liever een (niet-origineel) oliefilter op de kleppenkast aan te brengen. Uiteraard werd de oorspronkelijke toestand zorgvuldig met tekeningen en foto's gedocumenteerd.
Voor een degelijke montage van het filter op het kleppendeksel zijn twee vormstukken nodig. De eerste prototypen werden handmatig vervaardigd uit staal. Aangezien er op z'n minst een 12-tal van deze setjes nodig zou zijn, was deze produktiemethode te bewerkelijk en tijdrovend.
De in dit geval meest geschikte produktietechniek is zandgieten in aluminium. Ik beschik over de hiervoor benodigde faciliteiten en kennis en stelde deze graag ter beschikking.
Hoe werkt dat, gieten?
Op het eerste gezicht is het gieten van metalen voorwerpen in zand een omslachtige methode. Eerst maakt men een (meest houten) model van het te gieten werkstuk. Dit model wordt in twee (of meer) op elkaar gezette vormkasten in licht klevend zand ingebed. Wanneer de vormkasten gescheiden worden en het model uitgenomen, blijft in het zand een exacte afdruk van het model achter. Een holte dus met precies de gewenste vorm. Deze wordt na het weer samenvoegen van de vormkasten met gesmolten metaal volgegoten. Wanneer dit is gestold, kun je het (inmiddels verbrande) zand verwijderen en zo hou je een metalen "afgietsel" van de juiste vorm over.
Omslachtig, jawel. Het maken van het model is immers een extra stap. Nu is hout wel makkelijker te bewerken dan metaal, maar toch .... Gieten in zand is daarom bij uitstek geschikt voor (klein) seriewerk. Je maakt relatief makkelijk een aantal afgietsels van één enkel model .... Zou je de hele serie direct uit metaal willen maken, dan moet de bewerking van het metaal net zo vaak herhaald worden als er exemplaren gevraagd worden. Het herhaald "invormen" van het model in zand vergt veel minder inspanning.
I. Van prototype tot gietmodel
De met de hand vervaardigde stalen prototypes van de twee verlangde gietstukjes konden na enige voorbereiding zelf als model dienen.
Zoals je ziet, waren er in het kleine werkstuk twee doorgaande gaten geboord. Verder was het met 5 mm wel wat aan de dunne kant. Die gaten moesten dicht en het geheel moest wat dikker gemaakt worden.
Het grote werkstuk had twee doorgaande gaten, drie blinde schroefgaten en aan de achterzijde een ingedraaide kamer. De gaten moesten worden gestopt. De kamer werd gevuld met een losse prop, om het model zo eenvoudig mogelijk te houden. Dit was overigens niet strikt noodzakelijk geweest.
Om de gaten te vullen werd sneldrogende plamuur gebruikt, in opvolgende dunne lagen aangebracht. De laatste laag werd met waterproof schuurpapier korrel 400 vlak gepolijst.
Het kleine werkstuk werd 3 mm verdikt met een opgelijmd triplex rugplaatje. De zijranden werden licht taps gevijld, om het model makkelijk en zonder beschadiging van de vorm uit het vormzand te kunnen lichten. Tegelijkertijd werd ook aan één zijde een "aansnijding" gemaakt, dit is het stripje dat je aan de van ons afgewende linkerzijde ziet uitsteken. Het dient om in het vormzand een kanaal vrij te houden, waardoor het metaal straks in de vorm zal vloeien.
De prop voor het grote werkstuk werd uit hout gedraaid en aan de bovenzij glad afgewerkt met plamuur en schuurpapier. Tevens werd er uit een stukje hout een losse tapse aansnijding gezaagd, die op dezelfde wijze werd afgewerkt.
Tenslotte werden er uit hout een opkomer en twee giettappen gedraaid, licht conisch van vorm. De opkomer komt in het hart van het grote werkstuk en dient om "slink" (hol invallen) van het bovenvlak van het werkstuk te voorkomen. De giettappen houden in het vormzand de openingen vrij waardoor het metaal in de aansnijdingen kan lopen.
De aansnijding van het grote werkstuk wordt tangentieel geplaatst, zodat het invloeiende metaal de vorm in een draaiende beweging vult.
II. Maken van de gietvorm
De werkbank van de vormer is een grote ondiepe bak, gevuld met vers vormzand. Ik gebruik uitsluitend oliezand. Dit is met een speciale kleefolie gemengd, die dient om de samenhang in de zandvorm te krijgen. De olie zorgt voor de opvallende roodbruine kleur van het zand. Om uitdrogen van het oliezand te voorkomen, wordt dit tussen opvolgende campagnes in goedgesloten plastic emmers bewaard.
In het midden ligt op een slede de gladde en vlakke werkplaat. Links ligt het een en ander aan vormersgereedschap klaar voor gebruik. Je ziet hier ook een linnen zak met vormpoeder liggen.
Laten we beginnen!
De onderkast wordt ondersteboven op de werkplaat gelegd. Het gietmodel wordt eveneens omgekeerd in de onderkast gepositioneerd.
Werkplaat en model worden nu eerst met vormpoeder bestoven. Dit dient om het model straks makkelijk uit de gerede zandvorm te kunnen lichten; en om het zand in onder- en bovenkast los van elkaar te houden, zodat de kasten makkelijk gescheiden kunnen worden.
Zoals je ziet, gebruik ik metalen vormkasten. Linker en rechter zijwand zijn stukken hoekstaal. In elk is één pasgat geboord en geruimd. Voor- en achterwand zijn gezet uit gegalvaniseerd staalplaat. De omgezette randen geven het vormzand houvast.
De onderkast wordt nu gevuld met vormzand.
Dat gebeurt laag voor laag, en elke laag wordt zorgvuldig aangedrukt. In een kleine kast als deze gebruik ik hiervoor meestal het achtereind (heft) van het zandmes, dat je eerder al op de vormersbank klaar zag liggen. Voor grote kasten neem ik meestal de met ingegoten lood verzwaarde stamper met rubber kop, die eveneens op de werktafel klaar ligt.
Als de onderkast geheel gevuld en aangeklopt is, wordt hij met een stalen rei afgestreken. Dat is in deze foto nog niet gebeurd.
Bedenk dat dadelijk, wanneer de onderkast in de normale stand wordt gedraaid, het afgestreken vlak het ondervlak van de vorm is.
De onderkast wordt nu voorzichtig omgedraaid. Ik leg er eerst een tweede werkplaat op en draai het geheel van twee platen met daartussen de onderkast in één keer om. Na afnemen van de (nu) bovenste plaat krijg je de hier getoonde situatie.
Je ziet de bovenzijde van het ingevormde gietmodel (met de ingedraaide kamer).
Het bovenvlak van het vormzand is wit vanwege het vormpoeder dat we in het begin op de werkplaat hebben gestrooid. Wanneer we dadelijk de bovenkast op de onderkast gaan plaatsen en vullen, blijven dankzij dit vormpoeder de zandvullingen van onder- en bovenkast los van elkaar.
De bovenkast is op de onderkast geplaatst. Hij wordt nauwkeurig in positie gehouden door twee gedraaide stalen paspennen, die in de geruimde gaten van de flenzen van de kasten worden gestoken, één aan elke zijde.
De ronde houten prop wordt in de kamer van het model gelegd; de opkomer wordt in het middengat van de prop gestoken. De aansnijding en de giettap worden (los) op hun plaats gelegd.
De bovenkast kan nu laag voor laag met vormzand worden gevuld en aangestampt.
De bovenkast is geheel gevuld. Hij wordt met de rei afgestreken om een vlakke bovenzij te krijgen. Daarbij werk je om de uitstekende opkomer en giettap heen.
Met de punt van de rei steek je naast de giettap een ondiepe gietkom.
Vervolgens neem je de houten giettap en opkomer uit. Omdat ze licht conisch zijn, geeft dat geen enkel probleem, ze komen makkelijk vrij.
Met de hand of met een speciaal vormersgereedschapje rond je de scherpe randen van de vorm netjes af. Alle zand moet hier zeer degelijk aangedrukt zijn en er mogen geen losse korrels rondzwerven.
Straks zal namelijk het gesmolten aluminium in de gietkom worden gegoten. Het loopt dan over in de gietloop, vult de vorm, en stijgt op in de opkomer. Eventuele losse zanddelen worden meegesleurd en die vind je dan later ergens in je werkstuk terug ....
Het vormen is nu klaar. We nemen de twee paspennen los en tillen de bovenkast heel voorzichtig van de onderkast en leggen hem omgekeerd op de werkplaat.
Op de werkplaat blijft de onderkast achter. We lichten nu uiterst beheerst het gietmodel uit de onderkast en controleren de ingevormde afdruk.
Met de beschikbare vormersgereedschapjes (mini-stampertjes en de zogenaamde "hoorn") werken we de onder- en bovenvorm waar nodig nog wat bij. Daarna zijn we klaar voor de eerste proefgieting.
III. Eerste proefgieting
Als uitgangsmateriaal gebruik ik meestal oud aluminium zandgietwerk, dat ik uitzoek (en koop) bij de oud-metaalhandel. Dit recycle-materiaal is goedkoper dan nieuw gekocht. Er wordt in de praktijk voor aluminium zandgietwerk eigenlijk maar één legering gebruikt: Silumin met 13% Si. Dit is de optimale gietlegering. In Silumin gegoten werk is makkelijk te herkennen en te onderscheiden van andere aluminium (spuit) gietlegeringen.
Het gesmolten recycle-materiaal is niet erg schoon. Bij GieterijTechniek Holland (GTH) in Losser koop ik drie soorten reinigings-chemicaliën: ontslakker, ontgasser en korrelverfijner. Deze maken het recycle-materiaal zo schoon als nieuw.
Ik smelt mijn aluminium in een SiC-kroes, die ik in een kleine propaan-gestookte oven verhit. De kroezen (ik heb ze in verschillende afmetingen) komen eveneens van GTH. Het oliezand voor de vormerij trouwens ook.
De oven is zelf gebouwd naar eigen ontwerp uit losse (ongevoegde) vuurvaste stenen. De binnenzijde van de kap is bekleed met een hittebestendige keramische deken (tot 1200° C bestand).
In de foto is de oven direct op een betonvloer opgesteld. Dat is niet de aan te bevelen opstelling. Je kunt beter eerst een 10 cm dik bed van absoluut droog Maas- of zilverzand uitspreiden en daarop de oven opbouwen. Bij eventuele calamiteiten (breken van een kroes, bijvoorbeeld) loop je dan minder risico. Beton is namelijk niet bestand tegen gesmolten metaal. Let op, zou het zandbed nat zijn, dan kan de hele zaak exploderen als er gesmolten metaal op valt. Beslist af te raden.
De ovenkap is opgehangen aan een stangenmechanisme, dat er voor zorgt, dat hij rechtstandig geheven wordt. Zo voorkom je dat de kroes wordt omgestoten bij het heffen van de kap, juist voordat je de kroes oppakt om te gaan gieten.
De oven wordt gestookt met de grootste maat standaard-propaanbrander. Het gas komt uit een 13 kg gasfles, die is voorzien van een regelbare reduceer, zodat de brander met maximaal 3 bar in plaats van de gebruikelijke 1,5 bar gevoed kan worden. De verbrandingslucht wordt zelf aangezogen; er is geen ventilator voorzien.
Het vergt ongeveer 10 minuten om 0,5 kg aluminium vanuit koude toestand te smelten; en 15 minuten voor 1,5 kg.
In de foto kijk je in de ovenschacht. Je ziet nog ongesmolten metaal.
Wanneer de uitgewogen charge is gesmolten, wordt deze eerst gereinigd. Ik wikkel de uitgewogen hoeveelheid reinigings-chemicaliën in een stuk alu-folie, dat ik rond de punt van een rechte pook vastdraai. Met de pook breng ik dit wikkel onderin de kroes. De folie smelt en de chemicaliën mengen zich intensief met het gesmolten metaal.
Zodra de reactie is afgelopen, drijft er een laag slak op het aluminium. Deze schep ik af met een soort stalen schuimspaan, tot de metaalspiegel egaal zilver glanst.
Dit alles gebeurt door de opening in de ovenkap en bij brandende brander, zodat kroes en metaal niet afkoelen.
We zijn nu klaar voor het gieten!
Brander uit, ovenkap omhoog, vastzetten en de kroes van opzij met een speciale kroezentang in de linkerhand opnemen. Die tang zie je bovenin de foto van het aluminiumschrot, twee foto's terug.
In de rechterhand heb je een rechthoekige schuimlepel, om eventuele op het metaal drijvende slak mee tegen te houden bij het vullen van de vorm.
De kroes boven de gietloop brengen, kantelen en de vorm volgieten. Dit alles zo snel mogelijk als verantwoord is, om het metaal zo min mogelijk te laten afkoelen vóór het gieten.
De vorm is gevuld, tot het gesmolten metaal bovenin de opkomer verschijnt. Je hebt dan voldoende hydrostatische druk in de vorm om een perfecte vulling te garanderen.
Die hydrostatische druk zou overigens kunnen leiden tot het opdrijven van de bovenkast, vooral wanneer het horizontaal oppervlak van het gegoten metaal groot is.
Mocht de zaak werkelijk opdrijven, dan loopt het metaal uit de vorm en heb je een probleem .... Daarom zet je dus ijzeren gewichten op de flenzen van de bovenkast, zodat die beslist niet op kan drijven.
In contact met het hete metaal begint de olie van het vormzand te verbranden, zodat er wat rook opstijgt.
Gun het metaal een half uurtje om te stollen en zover af te koelen dat het voldoende sterkte heeft. Dan kun je de zaak veilig "ontkisten".
Hier is de bovenkast afgenomen. Het gietstuk is nog in het zand verborgen.
En dan volgt het spannende moment. Je tilt het gietstuk uit de onderkast en stoot het verbrande zand er af. Is het geheel goed geslaagd? Geen koudloop, slak- of zandinsluitingen? Geen gasblazen? Dan is de eerste proefgieting een succes en kun je overgaan tot het werkelijke (seriematige) produktie gieten.
IV. Seriematig gieten
In het geval dat we hier bestuderen, kon in verband met de capaciteit van kroes en oven steeds een serie van drie worden gegoten. Dat betekent, dat er steeds drie gietvormen worden vervaardigd. Dat gaat steeds vlotter, omdat je na een paar keer precies weet waar je op moet letten.
Op de achtergrond zie je de nog koude kroes, gevuld met brokken van het te smelten materiaal. Dit steekt (nog) ruim boven de kroes uit, omdat de grove brokken natuurlijk niet precies in de kroes passen en er heel wat loze ruimte overblijft. Vlak voordat het metaal werkelijk smelt, wordt het heel zacht en deegachtig en glijdt het vanzelf dieper de kroes in. Is het eenmaal gesmolten, dan is de kroes voor ongeveer 80% gevuld.
De drie gietvormen zijn gevuld en voldoende afgekoeld. De drie bovenkasten zijn afgenomen. Achteraan zie je de drie onderkasten met daarin de aftekening van verbrand (zwart) vormzand. Dit is verloren en wordt afgevoerd.
Er blijft gelukkig heel wat nog bruikbaar vormzand over, zowel in boven- als in onderkast. Dit wordt zorgvuldig gerecupereerd. Je ziet het vooraan liggen.
In het midden drie gedeeltelijk vrijgemaakte gietstukken. Met het zandmes zullen ze verder worden schoongekrabd.
De oogst van één gietcyclus. Drie perfecte gietstukjes, nog voorzien van aansnijding, giettap en opkomer.
Vanzelfsprekend worden aansnijding, giettap en opkomer afgezaagd. Ze kunnen bij een volgende gietcyclus direct worden hergebruikt. Het is prachtig schoon materiaal.
