Tonerde-Keramik-Filter

Für die meisten Aluminiumguss- und Gießereibetriebe, die nach einer kosteneffizienten Möglichkeit suchen, nichtmetallische Einschlüsse zu entfernen, die Oberflächengüte zu verbessern und den Metallfluss zu stabilisieren, sind hochreine Aluminiumoxid (Al₂O₃) Keramikschaumfilter bieten die beste Mischung aus chemischer Inertheit, thermischer Beständigkeit und Filtrationseffizienz; die Wahl der richtigen Porendichte (PPI), die Plattengröße und die Einbaulage bestimmen, ob der Filter den Ausschuss reduziert, die nachgeschaltete Bearbeitung verkürzt und die Ausbeute beim ersten Durchlauf erhöht.

1. Was ein Aluminiumoxid-Keramikfilter ist und warum Gießereien ihn verwenden

Ein Aluminiumoxid-Keramikfilter ist ein offenzelliges, starres Keramikelement, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht und während des Gießens in den Metallstrom eingebracht wird, um nichtmetallische Einschlüsse abzufangen, die Strömung zu stabilisieren, Turbulenzen zu verringern und eine laminare Strömung vor der Form zu fördern. In der Praxis der Aluminiumgießerei verringern diese Schaumstoff- oder Plattenfilter die Anzahl der Einschlüsse und Porositätsfehler erheblich und verbessern gleichzeitig die Oberflächengüte und die mechanischen Eigenschaften der Gussteile. Der Einsatz von Aluminiumoxidschaumfiltern verringert in der Regel den Ausschuss und die Nacharbeit und erhöht die Gussausbeute, wenn sie richtig dimensioniert und positioniert sind.

2. Zusammensetzung und Mikrogefüge

• Keramische Hauptphase: Aluminiumoxid (Al₂O₃). Für handelsübliche Schaumstoffe werden je nach Produktqualität und Verwendungszweck hochtonerdehaltige Formulierungen verwendet, die etwa 70% bis 95% Al₂O₃ umfassen.

• Poröses Netzwerk: offenzellige, netzartige Struktur, die durch Beschichtung eines organischen Opferschaums mit einer Aluminiumoxidaufschlämmung, Trocknung und Sinterung hergestellt wird. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales skelettartiges Netzwerk mit miteinander verbundenen Kanälen.

• Zusatzstoffe: Je nach Rezeptur und Sinterverfahren können kleine Anteile von SiO₂, ZrO₂ oder Bindemittelrückständen auftreten, die die Festigkeit, die Temperaturwechselbeständigkeit und das Sinterverhalten beeinflussen.

Warum diese Mikrostruktur wichtig ist
Offene Poren schaffen gewundene Strömungswege, die große Einschlüsse durch direkte Impaktion einschließen und kleinere Partikel in einem sich entwickelnden Filterkuchen auf dem Skelett festhalten. Eine hohe Porosität sorgt für einen geringen Druckabfall bei gleichzeitig guter Abscheideleistung.

3. Wie diese Filter hergestellt werden

1. Schaumstoffvorlage: Polyurethan- oder Polymerschaum mit der erforderlichen Porendichte (PPI) wird ausgewählt.

2. Slurry-Beschichtung: Der Schaum wird in eine Aluminiumoxid-Suspension getaucht, die Aluminiumoxidpulver, Bindemittel und Rheologiemodifikatoren enthält.

3. Trocknen und Ausbrennen: Der Polymerschaum und die organischen Bindemittel werden in einer kontrollierten thermischen Rampe ausgebrannt.

4. Sintern: Der Grünling wird bei Temperaturen von typischerweise 1100 °C bis 1300 °C gesintert, wodurch ein starres Keramikgerüst entsteht.

5. Bearbeitung und Prüfung: Die Endmaße werden angepasst und die Filter auf Fehler und Maßtoleranzen geprüft.

Lesen Sie auch:Wie man einen Keramikfilter herstellt.

4. Filtergeometrien und gemeinsame Abmessungen

Aluminiumoxidfilter werden in diesen typischen Formen geliefert:

• Platten: flache, quadratische oder runde Platten (beliebt für Angusseinsätze und Plattenfiltersysteme). Übliche Größen sind 7″, 9″, 12″, 15″, 17″, 20″, 23″ quadratische oder runde Platten mit einer Dicke von 20-50 mm.

• Blöcke: kleine rechteckige Blöcke, die für die lokale Filtration in Pfannen oder Anschnittsystemen verwendet werden.

• Zylinder und geschnittene Formen: durch Bearbeitung oder Gießen hergestellte Sonderformen für spezielle Gießanlagen.

5. Die wichtigsten technischen Spezifikationen und ihre Bedeutung

Wichtige technische Angaben, die bei Kaufentscheidungen verwendet werden, sollten stets durch Datenblätter und Prüfzertifikate des Lieferanten belegt werden.

6. Filtrationsmechanismen beim Gießen von Metallschmelzen

Es gibt drei Hauptmechanismen, durch die Aluminiumoxidschaumfilter die Metallreinheit verbessern:

1. Direkte Erfassung und Impaktion
   Große Oxidfragmente und Schlackenpartikel prallen auf die Keramikstrebe und bleiben an der Oberfläche hängen.

2. Tiefenfiltration und Kuchenbildung
   Wenn sich Einschlüsse ansammeln, bilden sie einen porösen Kuchen, der dann kleinere Partikel im Filternetz festhält. Dies erhöht mit der Zeit die Filtrationseffizienz, aber auch den Druckabfall.

3. Strömungskonditionierung
   Die offenzellige Struktur verlangsamt und glättet das Metall, fördert den laminaren Fluss in die Form und reduziert die durch Turbulenzen verursachte Mitnahme von Luft und Oxiden.

Diese Mechanismen wirken zusammen; die Auswahl des Filters und die richtige Platzierung maximieren die vorteilhafte Kombination aus Abscheidung und Durchflusskonditionierung und vermeiden gleichzeitig einen übermäßigen Druckverlust.

7. Wahl der richtigen Porendichte und Porengröße

Die Porendichte wird häufig in PPI (Poren pro Zoll) angegeben. Die Abwägung ist einfach: Mehr Poren pro Zoll bedeuten eine feinere Aufnahmefähigkeit, aber auch einen höheren Widerstand und möglicherweise langsamere Gießgeschwindigkeiten. Verwenden Sie die nachstehende Tabelle als objektiven Ausgangspunkt; validieren Sie sie stets mit Pflanzenversuchen.

Im Zweifelsfall sollten Sie einen Paraffin- oder Wasserdurchflusstest mit einer Nachbildung der Produktionsgeometrie durchführen, um den Druckabfall und die Füllzeit abzuschätzen, bevor Sie sich endgültig für einen PPI entscheiden.

8. Typische Betriebstemperaturen, Festigkeit und Temperaturschockgrenzen

• Dauerbelastungsbereiche: Viele Aluminiumoxid-Schaumstoffe sind je nach Sorte für Temperaturen bis zu 1100 °C bis 1300 °C ausgelegt. Die Anbieter geben Arbeitstemperaturen von ≤1100 °C für gängige Gießereisorten und bis zu 1200 °C für höhere Tonerdegehalte an.

• Wärmeschock: Viele handelsübliche Produkte überstehen mehrere Wärmeschockzyklen (z. B. fünfmal von 800 °C auf Raumtemperatur), aber die Leistung hängt vom Sinterschema und der Mikrostruktur ab. Vermeiden Sie es, die Filter plötzlichen mechanischen Stößen oder Biegungen auszusetzen; sie werden dadurch spröde.

• Mechanische Eigenschaften: Die Druckfestigkeit bei Raumtemperatur liegt in der Regel unter Metall und wird in MPa gemessen. Bei der Lagerung, dem Einsetzen und dem Ausgießen mit Vorsicht vorgehen.

9. Installation, Handhabung und bewährte Praktiken

Praktische Tipps für eine konstante Leistung:

• Orientierung: Installieren Sie den Filter so, dass das geschmolzene Metall zuerst durch die dickere Seite fließt, um die Tiefe gleichmäßig auszunutzen. Bei Platten ist die Fließrichtung nach den Empfehlungen des Herstellers auszurichten.

• Sitzgelegenheiten und Unterstützung: Verwenden Sie einen starren Sitzring oder eine keramische Stütze im Anschnittsystem, um einen Bruch des Filters und einen Bypass zu vermeiden. Ein kleiner Wulst aus feuerfestem Zement an der Kante hilft, Metallleckagen zu verhindern.

• Sauberkeit: Filter bis zum Gebrauch in sauberer, trockener Verpackung aufbewahren. Verunreinigungen durch Feuchtigkeit oder Fett können zu Abplatzungen oder Gasbildung beim Ausgießen führen.

• Vorheizen: Bei kurzen Expositionszeiten mit geschmolzenem Aluminium ist in der Regel kein Vorheizen erforderlich, aber bei bestimmten langsamen Gießvorgängen oder bei Verwendung größerer Platten kann ein kurzer Wärmeausgleich das Risiko eines Temperaturschocks verringern. Beachten Sie die Hinweise des Lieferanten.

• Ablehnungskriterien: Wenn der Filter rissig ist, sichtbare Verunreinigungen aufweist oder heruntergefallen ist, entsorgen Sie ihn. Ersetzen Sie ihn auch, wenn die Durchflussmenge während eines Testgusses zu niedrig ist, was auf eine interne Verstopfung hinweist.

10. Vergleich von Tonerde mit anderen keramischen Filtermaterialien

Aluminiumoxid bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Preis und Inertheit gegenüber Aluminium und wird daher häufig für Aluminiumguss verwendet. Für Eisen oder Stahl können SiC-Sorten oder andere Zusammensetzungen besser geeignet sein.

11. Qualitätskontrolle, Prüfung und Abnahmekriterien

Wichtige Werksprüfungen und Unterlagen, die Sie anfordern sollten:

• Zertifikat über die chemische Zusammensetzung mit Al₂O₃-Gehalt und signifikanten Oxyden.

• Überprüfung von Porosität und PPILieferantenangaben zum PPI und zum Prozentsatz der offenen Porosität.

• Toleranzen bei den Abmessungen für Plattengröße und -dicke.

• Thermoschock- und FestigkeitsprüfungenAnzahl der Zyklen bis zum Versagen oder der bestandenen Zyklen bei einem bestimmten Delta T.

• Durchflussmenge und FiltrationskapazitätPrüfstandsversuche mit Angabe der Gesamttonnage, die bei repräsentativen Gießgeschwindigkeiten gefiltert wurde.

Führen Sie beim Empfang von Filtern einen einfachen Wasser- oder Paraffin-Test durch, um die Installationsgeometrie und den ungefähren Druckabfall zu überprüfen, bevor Sie mit geschmolzenem Aluminium arbeiten. Dies ist schnell und kostengünstig und zeigt grobe Passform- oder Strömungsprobleme auf.

12. Überlegungen zu Umwelt, Sicherheit und Entsorgung

• Keramikschaumfilter sind inert und ungefährlich, wenn sie intakt sind; der Umgang mit pulverförmigem oder zerbrochenem Keramikstaub kann jedoch eine Gefahr für das Einatmen darstellen, so dass beim Schneiden oder Bearbeiten persönliche Schutzausrüstung getragen werden muss.

• Verbrauchte Filter, die anhaftende Metallreste enthalten, sollten als Gießereiabfälle behandelt werden; viele Betriebe gewinnen das Metall durch Umschmelzen oder saubere Entsorgung gemäß den örtlichen Vorschriften zurück. Prüfen Sie die örtlichen Abfallvorschriften für Gießerei-Nebenprodukte.

13. Praktische Anwendungsbeispiele und erwarteter Nutzen

• Sandguss von AutomobilgehäusenDie Umstellung von keinem Filter auf eine Aluminiumoxidplatte mit 20-30 PPI verringert häufig den einschlussbedingten Ausschuss und senkt den endgültigen Bearbeitungsausschuss.

• Präzisionsgussteile für die Luft- und Raumfahrt: Die Verwendung von 30-60 PPI-Platten verbessert die Oberflächenglätte und verringert den sekundären Schleifaufwand, erfordert jedoch einen angepassten Anschnitt, um die Füllzeit einzuhalten.

• Druckgussspeisung mit hohem Durchsatz: Größere Blöcke mit niedrigem PPI, die vor einem Anguss platziert werden, reduzieren grobe Einschlüsse und stabilisieren den Fluss bei Güssen mit hoher Masse.

Zu den quantifizierbaren Ergebnissen, die von Zulieferern und Gießereien gemeldet werden, gehören in der Regel weniger Porositätsfehler, verbesserte Zug- und Dehnungswerte für bestimmte Legierungen und geringere Ausschussraten. Die erzielten Einsparungen hängen von der Legierung, der Gussgeometrie und der Prozesssteuerung ab.

14. Häufig gestellte Fragen

1) Wie entscheide ich mich zwischen 20 PPI und 30 PPI für allgemeinen Al-Guss?
Beginnen Sie bei den meisten Gussstücken für allgemeine Zwecke mit einem PPI-Wert von 20-30; 20 PPI, wenn die Gießgeschwindigkeit hoch oder der Anschnittquerschnitt begrenzt ist, 30 PPI, wenn die Oberflächenqualität verbessert werden muss und die Gießgeschwindigkeit kontrolliert werden kann. Pilotversuche sind unerlässlich.

2) Können die Filter wiederverwendet werden?
Nein. Filter sind Einwegfilter. Sobald sie Einschlüsse eingeschlossen haben und geschmolzenem Metall ausgesetzt waren, sind sie nicht mehr wirksam und können gefährliche Rückstände enthalten.

3) Brauche ich einen Kleber oder Mörtel, um den Filter abzudichten?
Ein kleiner Wulst aus feuerfestem Zement oder ein vom Hersteller empfohlener Sitzring verringert den Bypass. Vermeiden Sie organische Klebstoffe, die brennen und Gase erzeugen.

4) Woran erkennt man, dass ein Filter verstopft ist?
Eine plötzliche Verlangsamung der Füllzeit, ein erhöhter Druckverlust oder ein Anstieg der Pfannentemperatur aufgrund eines langsameren Durchflusses weisen auf eine Verstopfung hin. Ersetzen Sie den Filter durch einen neuen und überprüfen Sie die Gießparameter.

5) Sind Tonerdefilter bei silizium- oder magnesiumhaltigen Legierungen sicher?
Ja. Aluminiumoxid-Filter sind chemisch kompatibel mit gängigen Al-Si- und Al-Mg-Legierungen, da Al₂O₃ unter normalen Gussbedingungen chemisch stabil ist.

6) Können Plättchen- oder Wabenfilter Schaumstofffilter ersetzen?
Wabenförmige oder extrudierte Filter haben unterschiedliche Strömungseigenschaften. Schaumstoffplatten sind im Allgemeinen besser für die Tiefenfiltration und das Auffangen von Einschlüssen geeignet, während Wabenfilter bei bestimmten Geometrien die Turbulenz verringern können. Testen Sie beide für Ihr System.

7) Welche Filtergröße benötige ich für einen 300 kg schweren Guss?
Die Größe des Filters hängt von der Anschnittgeometrie und der gewünschten Durchflussrate ab. Die Lieferanten stellen Durchflusstabellen zur Verfügung, in denen Plattengröße und PPI mit der Filtrationskapazität verknüpft sind. Für 300 kg werden üblicherweise 10-15 Zoll große Platten mit 20-30 PPI je nach Anschnitt gewählt. Bestätigen Sie die Durchflusstabellen des Lieferanten.

8) Sollte ich den Filter vorwärmen?
Das Vorwärmen ist für die meisten Aluminiumarbeiten optional, kann aber bei sehr großen Platten oder kalten Umgebungsbedingungen hilfreich sein. Befolgen Sie die Richtlinien des Lieferanten, um einen Temperaturschock zu vermeiden.

9) Wie bewahre ich Filter auf?
Trocken, flach auf einer stabilen Palette oder einem Regal gestapelt und in der Originalverpackung aufbewahren. Fallenlassen oder Stöße vermeiden; Filter sind brüchig.

10) Wie hoch sind die zusätzlichen Kosten für die Filter?
Die Kosten pro Teil hängen von der Filtergröße, dem PPI und der Ausschussreduzierung ab. Die Stückkosten für gängige Plattengrößen sind im Verhältnis zum Teilewert bescheiden und werden oft durch die Reduzierung von Ausschuss und Bearbeitung wieder hereingeholt; prüfen Sie die Preise der Lieferanten und führen Sie eine einfache ROI-Schätzung durch, indem Sie die Reduzierung von Ausschuss, die eingesparte Bearbeitungszeit und die Filterkosten berücksichtigen.

15. Checkliste Einkauf und Spezifikation

• Bestätigen Sie den Al₂O₃-Gehalt und das Analysezertifikat.

• Wählen Sie den PPI-Wert und die Dicke, die der angestrebten Gießgeschwindigkeit und Qualität entsprechen.

• Fordern Sie eine Tabelle der Durchflussraten/Filtrationskapazitäten für die gewählten Plattengrößen an.

• Fragen Sie nach Daten für Temperaturschock- und mechanische Tests.

• Validieren Sie das Produkt vor der Produktionseinführung im Labor oder im Werk.