Для большинства предприятий алюминиевого литья и литейного производства, которые ищут экономически эффективный способ удаления неметаллических включений, улучшения качества поверхности и стабилизации потока металла, высокочистые керамические фильтры из вспененного глинозема (Al₂O₃) обеспечивают наилучшее сочетание химической инертности, термостойкости и эффективности фильтрации; выбор правильной плотности пор (PPI), размер пластин и ориентация установки определяют, снизит ли фильтр количество брака, сократит время последующей обработки и повысит выход первого прохода.
1. Что такое глиноземистый керамический фильтр и почему его используют литейщики
Алюмокерамический фильтр - это жесткий керамический элемент с открытыми порами, изготовленный преимущественно из оксида алюминия (Al₂O₃), который помещается в поток металла во время разливки для улавливания неметаллических включений, стабилизации потока, снижения турбулентности и содействия ламинарному течению перед формой. В практике алюминиевого литья эти пенопластовые или пластинчатые фильтры значительно снижают количество включений и дефектов пористости, улучшая качество поверхности и механические свойства литых деталей. Использование фильтров из вспененного глинозема обычно снижает количество брака и повторной обработки, а также повышает выход отливок при правильном выборе размера и расположения.
2. Состав и микроструктура
-
Основная керамическая фаза: оксид алюминия (Al₂O₃). В типичных коммерческих пенопластах используются высокоглиноземистые составы, содержащие от 70% до 95% Al₂O₃ в зависимости от марки и назначения продукта.
-
Пористая сеть: сетчатая структура с открытыми ячейками, полученная путем покрытия жертвенной органической пены суспензией глинозема, сушки и спекания. В результате образуется трехмерная скелетная сеть с взаимосвязанными каналами.
-
Добавки: в зависимости от рецептуры и режима спекания могут появляться небольшие фракции SiO₂, ZrO₂ или остатки связующего; они регулируют прочность, устойчивость к термоударам и поведение при спекании.
Почему эта микроструктура имеет значение
Открытые поры создают извилистые пути потока, которые задерживают крупные включения путем прямого вдавливания и улавливают более мелкие частицы в развивающейся на каркасе фильтровальной лепешке. Высокая пористость обеспечивает низкий перепад давления при сохранении хорошей эффективности улавливания.
3. Как производятся эти фильтры
-
Шаблон пены: выбирается полиуретановая или полимерная пена с необходимой плотностью пор (PPI).
-
Покрытие суспензией: пенопласт погружается в суспензию, содержащую глиноземный порошок, связующие вещества и модификаторы реологии.
-
Сушка и выгорание: полимерная пена и органические связующие выгорают в контролируемой термической рампе.
-
Спекание: зеленый корпус спекается при температурах, как правило, от 1100 °C до 1300 °C, в результате чего образуется жесткий керамический каркас.
-
Обработка и контроль: окончательные размеры обрезаются, а фильтры проверяются на наличие дефектов и допусков на размеры.
Читайте также:Как сделать керамический фильтр.
4. Геометрия фильтров и общие размеры
Глиноземные фильтры поставляются в таких типичных формах:
-
Пластины: плоские, квадратные или круглые пластины (популярны для литниковых вставок и систем пластинчатых фильтров). Распространенные размеры включают квадратные или круглые пластины 7″, 9″, 12″, 15″, 17″, 20″, 23″ толщиной обычно 20-50 мм.
-
Блоки: небольшие прямоугольные блоки, используемые для локальной фильтрации в ковшах или системах литников для узлов.
-
Цилиндры и вырезанные формы: формы, изготовленные на заказ путем механической обработки или формовки для специализированных заливочных установок.
5. Основные технические характеристики и их значение
| Параметр | Типичный диапазон или значение | На что он влияет |
|---|---|---|
| Состав (содержание Al₂O₃) | От 70% до 95% Al₂O₃ | Химическая стабильность и коррозионная стойкость в расплавленном алюминии. |
| Пористость | 80% - 90% (открытая камера) | Проницаемость и перепад давления; высокая пористость снижает сопротивление потоку. |
| Плотность пор (PPI) | От 10 PPI до 60 PPI обычно | Более высокий PPI обеспечивает более тонкую фильтрацию, но увеличивает перепад давления. Выбирайте в соответствии с требованиями к качеству литья. |
| Рабочая температура | От ≤1100 °C до ≤1300 °C в зависимости от продукта | Пределы безопасного непрерывного и переходного воздействия |
| Насыпная плотность | 0,3 - 0,6 г/см³ | Связано с пористостью и механической прочностью. |
| Прочность на сжатие (комнатная температура) | 0,6 - 1,0 МПа типичное | Прочность при транспортировке; лучше больше, но хрупкость сохраняется. |
| Циклы теплового шока | Выдерживают 5-6 циклов от 800-1100 °C до RT во многих марках | Практическая устойчивость к внезапному воздействию во время заливки. |
Ключевые технические заявления, используемые при принятии решения о покупке, всегда должны быть подкреплены техническими характеристиками и сертификатами испытаний поставщика.
6. Механизмы фильтрации при литье расплавленного металла
Существует три основных механизма, с помощью которых фильтры из вспененного глинозема улучшают чистоту металла:
-
Прямой захват и вдавливание
Крупные фрагменты оксида и частицы шлака сталкиваются с керамической стойкой и задерживаются на поверхности. -
Глубинная фильтрация и образование кека
По мере накопления включений они образуют пористую лепешку, которая затем захватывает более мелкие частицы внутри фильтрующей сети. Это со временем повышает эффективность фильтрации, но постепенно увеличивает перепад давления. -
Кондиционирование потока
Структура с открытыми ячейками замедляет и разглаживает металл, способствуя ламинарному потоку в форму и уменьшая увлечение воздуха и окислов, вызванное турбулентностью.
Эти механизмы работают вместе; выбор фильтра и его правильное размещение позволяют добиться максимально выгодного сочетания улавливания и кондиционирования потока, избегая при этом чрезмерных потерь давления.
7. Выбор правильной плотности и размера пор
Плотность пор часто выражается в PPI (поры на дюйм). Компромисс прост: большее количество пор на дюйм означает более тонкую улавливающую способность, но более высокое сопротивление и, возможно, более медленную скорость заливки. Используйте приведенную ниже таблицу в качестве объективной отправной точки; всегда проверяйте ее на практике.
| Типичный PPI | Типичное применение в алюминиевом литье | Практическое замечание |
|---|---|---|
| 10-15 PPI | Большие затворные системы; первичная фильтрация для быстрой заливки | Низкое сопротивление; задерживает крупные включения; низкий риск засорения. |
| 20-30 PPI | Литье из алюминиевого сплава общего назначения; наиболее часто используется | Сбалансированный захват и расход, подходит для многих видов литья в песчаные и постоянные формы. |
| 30-40 PPI | Высококачественные отливки, аэрокосмические или критические компоненты | Более тонкая фильтрация позволяет получить более мелкие включения, но при этом необходимо следить за скоростью налива и возможной потерей напора. |
| 40-60 PPI | Точные и тонкостенные отливки, для которых очень важна чистота поверхности | Только для систем фильтрации с малой скоростью потока или ступенчатой фильтрацией из-за повышения давления. |
Если вы сомневаетесь, проведите испытание потока парафина или воды с помощью производственной геометрической копии, чтобы оценить перепад давления и время заполнения, прежде чем окончательно определиться с выбором PPI.
8. Типичные рабочие температуры, пределы прочности и термоудара
-
Диапазоны непрерывного воздействия: многие глиноземные пенопласты рассчитаны на температуру до 1100-1300 °C в зависимости от марки. Поставщики сообщают о рабочей температуре ≤1100 °C для обычных литейных марок и до 1200 °C для марок с более высоким содержанием глинозема.
-
Термический шок: многие коммерческие продукты выдерживают несколько циклов термического шока (например, от 800 °C до комнатной температуры пять раз), но эффективность зависит от графика спекания и микроструктуры. Не подвергайте фильтры резким механическим ударам или изгибам; в этом случае они становятся хрупкими.
-
Механические свойства: прочность на сжатие при комнатной температуре обычно ниже металлов и измеряется в МПа. Будьте осторожны при хранении, установке и заливке.
9. Установка, обращение и лучшие практики
Практические советы по достижению стабильной производительности:
-
Ориентация: Установите фильтр таким образом, чтобы расплавленный металл сначала проходил через более толстую поверхность для равномерного использования глубины. Для пластин выровняйте направление потока в соответствии с рекомендациями производителя.
-
Сидение и поддержка: Используйте жесткое посадочное кольцо или керамическую опору в затворной системе, чтобы предотвратить поломку фильтра и избежать обхода. Небольшой шарик огнеупорного цемента на краю помогает предотвратить утечку металла.
-
Чистота: До использования храните фильтры в чистой, сухой упаковке. Загрязнение влагой или жиром может вызвать растрескивание или газообразование при заливке.
-
Предварительный нагрев: Предварительный нагрев обычно не требуется при коротком времени выдержки с расплавленным алюминием, но при некоторых медленных заливках или при использовании больших пластин короткое выравнивание температуры может снизить риск теплового удара. Следуйте указаниям поставщика.
-
Критерии отбраковки: Если фильтр треснул, имеет видимые загрязнения или был уронен, выбросите его. Также замените его, если скорость потока слишком мала во время пробной заливки, что указывает на внутреннее засорение.
10. Сравнение глинозема с другими керамическими фильтрующими материалами
| Недвижимость | Глинозем (Al₂O₃) | Карбид кремния (SiC) | Цирконий (ZrO₂) | Муллит |
|---|---|---|---|---|
| Химическая стойкость к сплавам Al | Превосходно. Не вступает в реакцию с Al при типичных температурах литья. | Хорошая, но может окисляться при определенных условиях | Очень хорошая термическая и химическая стабильность | Хорошо, низкое содержание Al₂O₃, поэтому немного меньше коррозионная стойкость |
| Максимальная рабочая температура | ~1100-1300 °C. | Более высокая; используется для литья черных металлов | Более высокая; используется для специальных применений | Аналогичен глинозему по многим показателям в литейном производстве |
| Типичная стоимость | Умеренный | В некоторых классах часто ниже удельная площадь | Более высокая, используется только там, где это необходимо | Умеренный |
| Устойчивость к истиранию | Высокий | Очень высокий | Высокий | Умеренный |
| Типичный случай использования | Фильтрация для литейного производства цветных металлов, включая алюминий | Литейное производство черных металлов, некоторые цветные металлы | Специализированные высокотемпературные, химически агрессивные расплавы | Общая фильтрация в литейном производстве, где стоимость является важным фактором |
Глинозем уравновешивает цену и инертность к алюминию, поэтому широко используется для литья алюминия. Для чугуна или стали могут быть предпочтительны марки SiC или другие составы.
11. Контроль качества, испытания и критерии приемки
Важные заводские испытания и документация, которую вы должны запросить:
-
Сертификат химического состава показывает содержание Al₂O₃ и значительное количество оксидов.
-
Проверка пористости и PPI: данные поставщика по PPI и проценту открытой пористости.
-
Допуски на размеры для размера и толщины пластины.
-
Испытания на тепловой удар и прочность: количество циклов до отказа или пройденных циклов при заданной дельте T.
-
Скорость потока и фильтрующая способность: стендовые испытания с указанием общего количества отфильтрованного материала при репрезентативной скорости заливки.
Прежде чем переходить к расплавленному алюминию, проведите на приемных фильтрах простой тест на заливку водой или парафином, чтобы проверить геометрию установки и приблизительный перепад давления. Это быстро, недорого и позволяет выявить грубые проблемы с подгонкой или расходом.
12. Соображения охраны окружающей среды, безопасности и утилизации
-
Пенокерамические фильтры инертны и неопасны в неповрежденном состоянии; однако работа с порошкообразной или разрушенной керамической пылью может представлять опасность при вдыхании, поэтому при резке или механической обработке используйте средства индивидуальной защиты.
-
Отработанные фильтры, содержащие остатки прилипшего металла, следует рассматривать как отходы литейного производства; многие заводы восстанавливают металл путем переплавки или утилизируют в соответствии с местными правилами. Проверьте местные правила утилизации отходов литейного производства.
13. Примеры практического применения и ожидаемые преимущества
-
Литье в песчаные формы для автомобильных корпусовПереход от отсутствия фильтра к алюмооксидной пластине 20-30 PPI часто снижает брак, связанный с включениями, и уменьшает количество брака при окончательной обработке.
-
Точное аэрокосмическое литье: использование пластин 30-60 PPI улучшает гладкость поверхности и снижает трудоемкость вторичного шлифования, но требует регулировки литников для поддержания времени заполнения.
-
Высокопроизводительная подача литья под давлениемБолее крупные блоки с низким PPI, размещенные перед литниковой колонной, уменьшают количество крупных включений и стабилизируют поток при высокомассовой заливке.
Количественные результаты, о которых сообщают поставщики и литейные заводы, обычно включают уменьшение количества дефектов пористости, улучшение показателей растяжения и удлинения для некоторых сплавов, а также снижение количества брака. Реальная экономия зависит от сплава, геометрии отливки и управления процессом.
14. Часто задаваемые вопросы
1) Как выбрать между 20 PPI и 30 PPI для общего литья Al?
Начните с 20-30 PPI для большинства отливок общего назначения; 20 PPI, если скорость заливки высока или сечение литника ограничено, 30 PPI, если необходимо улучшить качество поверхности и можно контролировать скорость заливки. Пилотные испытания очень важны.
2) Можно ли использовать фильтры повторно?
Нет. Фильтры являются одноразовыми. После улавливания включений и воздействия расплавленного металла они перестают быть эффективными и могут содержать опасные остатки.
3) Нужен ли клей или раствор для герметизации фильтра?
Небольшой шарик огнеупорного цемента или рекомендованное заводом-изготовителем посадочное кольцо уменьшают перепускное отверстие. Избегайте органических клеев, которые горят и образуют газы.
4) Каковы признаки засорения фильтра?
Резкое замедление времени заполнения, увеличение потери напора или повышение температуры в ковше из-за замедления потока указывает на засорение. Замените фильтр на новый и проверьте параметры заливки.
5) Безопасны ли глиноземные фильтры при работе со сплавами, содержащими кремний или магний?
Да. Алюмооксидные фильтры химически совместимы с обычными сплавами Al-Si и Al-Mg, поскольку Al₂O₃ химически стабилен в обычных условиях литья.
6) Могут ли пластинчатые или сотовые фильтры заменить поролоновые фильтры?
Сотовые или экструдированные фильтры имеют разные характеристики потока. Пенопластовые пластины обычно лучше для глубинной фильтрации и улавливания включений, а сотовые фильтры могут снижать турбулентность в определенных геометриях. Протестируйте оба варианта для своей системы.
7) Какой размер фильтра мне нужен для заливки 300 кг?
Размер фильтра зависит от геометрии заслонки и желаемой скорости потока. Поставщики предоставляют таблицы расхода, связывающие размер пластин и PPI с производительностью фильтра. Для 300 кг обычно выбирают 10-15-дюймовые пластины при 20-30 PPI в зависимости от литников. Подтвердите это с помощью технологических карт поставщика.
8) Нужно ли предварительно нагревать фильтр?
Предварительный нагрев необязателен для большинства работ с алюминием, но может помочь при работе с очень большими плитами или в холодных условиях окружающей среды. Следуйте рекомендациям поставщика, чтобы избежать теплового удара.
9) Как хранить фильтры?
Храните в сухом месте, на устойчивом поддоне или полке, в оригинальной упаковке. Избегайте падений и ударов; фильтры хрупкие.
10) Сколько фильтры добавят к стоимости детали?
Стоимость одной детали зависит от размера фильтра, PPI и уменьшения количества брака. Стоимость единицы продукции для обычных размеров пластин скромна по отношению к стоимости детали и часто окупается за счет снижения количества лома и механической обработки; проверьте цены поставщиков и выполните простой расчет окупаемости инвестиций, используя снижение количества лома, экономию времени на механическую обработку и стоимость фильтра.
15. Контрольный список закупок и спецификаций
-
Подтвердите содержание Al₂O₃ и сертификат анализа.
-
Выберите PPI и толщину, соответствующие скорости заливки и заданному качеству.
-
Запросите таблицу скорости потока/фильтрационной способности для выбранных размеров пластин.
-
Запросите данные о тепловом ударе и механических испытаниях.
-
Перед запуском в производство проведите проверку в лаборатории или на заводе.