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泡沫陶瓷过滤技术在汽车铸件上的应用
作 者: 山东成远实业
 
  

摘 要:由于泡沫陶瓷过滤技术对铸件的净化作用,使之得到了日益广泛的应用,其过滤机理、过滤效率及使用技术日益受到重视。本文综述了泡沫陶瓷过滤器的过滤原理以及过滤技术在铸件上的应用。

 

关键词:泡沫陶瓷 铸件 过滤技术

 

近十多年来,汽车铸件在整个铸件中所占的比例越来越大,2011年预计增速保持在10~15%左右。蓬勃发展的中国汽车业,给中国整个铸造业特别是汽车铸件行业带来了更多的希望。汽车铸件比传统产业的铸件复杂,质量要求较高,产品批量较大,因此必须采用具有一定水平的较高生产效率的铸造设备和设施,资金的投入也较高。随着汽车产业的不断发展,以及节能、环保的要求,对汽车铸件的质量也提出了越来越高的要求。

 

夹渣缺陷是汽车铸件铸造缺陷中非常重要的一种类型,约占到缺陷总量的一半以上。对夹渣缺陷控制的标准主要依据铸件性能、用途而定,越是精密的、工作条件苛刻的铸件对夹渣缺陷的限制越严格。如何降低夹渣比例成为了汽车铸件生产所面临的一个重要问题,随着铸造工艺的不断发展,过滤技术逐渐成为减少汽车铸件夹渣不可缺少的手段。

 

1. 过滤技术的发展

 

大约在20世纪50年代我国就有使用过滤片的报道,但由于整体铸造水平落后,过滤片的质量、成本等的因素,用量相对较少。随着我国汽车生产企业高速发展,汽车铸件的产量逐年提高,铸件质量向着质优、高效、高性能、精细化等方向发展,对过滤技术也日益的重视起来。从最初单纯采用集渣包到使用简单粗制的雏形多孔过滤片,然后慢慢过渡到过滤效果更好的纤维过滤网,再到二维孔结构的直孔陶瓷过滤片,最终发展到现在的三维结构的泡沫陶瓷过滤器,以其过滤精度高、通孔率高等优点在汽车铸件过滤技术中占据了举足轻重的位置。目前铸造生产中常用的过滤片有三种:

 

①玻璃纤维过滤片:由耐高温玻璃纤维与树脂制成,可将大于网孔的夹杂滤掉,效果一般,价格便宜,制作工艺简单。

 

②直孔陶瓷过滤片:由陶瓷材料压制或挤出成型,过滤效果介于纤维过滤片和泡沫陶瓷过滤器之间。

 

③泡沫陶瓷过滤器:大约于1978年问世,始用于有色合金,1985年开始用于铸铁、铸钢,其制作工艺以有机前驱体为骨架,涂上高温材料浆料,经高温烧制而成,有很好的过滤效果。强度适中,过滤效果最佳。目前在这个铸造行业尤其是汽车铸件中应用日益广泛。

 

2. 泡沫陶瓷过滤器的特点

 

泡沫陶瓷过滤器以其特有的三维结构,对提高铸件质量和出品率起到了不可替代的作用,其基本功能可大致分为过滤(去除杂质)与整流这两大类。示意图如图1所示。

 

2.1 过滤

过滤为泡沫陶瓷最主要的功能,主要由三部分组成。

 

2.1.1 漂浮分离

从浇口杯注入的铁水,通过安装在浇道或是浇注口底部的过滤片,流速一旦被减缓,会瞬间滞留在浇注口内,比重轻的杂质会浮出分离,会与底部灌输产生同样的效果,流入到过滤片当中。

 

2.1.2 表面过滤

铁水中没有浮出来的杂质,在铁水通过滤片时,比孔径大的杂质会滞留在过滤片的表面从而被去除。并且,被捕捉到的杂质自身也产生了过滤层的功能,也能捕捉到从后面进入的杂质,提升了过滤效果。但是可能存在的问题是,这个表面的过滤层在捕捉到杂质的同时也会引起过滤片网眼堵塞,对浇注速度及过滤片的过流量起到了负面作用。

 

2.1.3 三维过滤

这个功能是泡沫陶瓷过滤片独具特点的功能,是其他的如直孔陶瓷和纤维过滤网等不具有的优秀过滤结构。也就是说在其他的过滤片上对上述两部分没能捕捉到的杂质会流入到铸型内,但当上述两部分功能没能去除的杂质在通过泡沫陶瓷过滤片曲折的三维内部空间时,与拥有更大表面面积的过滤片骨架重复着吸附,会更加有效的阻拦杂质,使过滤效果再次提升。

 

 

 

2.2 整流

 

泡沫陶瓷过滤片的存在,能有效防止铁水产生紊流。如果产生紊流的话,不仅仅只是卷入气泡,浮出来的杂质也会被卷入,造成铸造的缺陷。同时还能缓和最初注入的铁水给予铸型的冲击,能够减少冲砂等铸造缺陷。铁水在通过过滤片内部时,因有过滤片骨架的存在,液体被分开→合流,从而产生搅拌效果,添加的合金成分、孕育剂及球化剂等被均匀分散,得到均匀品质的铁水,可以更有效地解决因采用型内孕育、球化处理所产生的反应物容易侵入到铸型内部的问题

 

 

 

 

3. 泡沫陶瓷过滤技术的使用

 

3.1 过滤器的安放

过滤器安放必须尽可能靠近铸件, 以获得最大的过滤效果和对流动的调整。有些时候将过滤器安放在直浇道的底部,但是泡沫陶瓷过滤器的过滤效果和对流动的调整会受到直浇道底部到横浇道的紊流的影响。因此最好将过滤器安放在横浇道内。

 

3.2 孔径选择

孔径越小,过滤效果越好,但对流动的阻碍也越大。铸铁用过滤器的孔径尺寸标准为10、20ppi。在某些情况下,还要特别注意处理过程参数的稳定,才能得到非常洁净的铁液。过滤器的尺寸选用得当,以减小由于浮渣夹杂的大量滤出而造成过滤器阻塞。

 

3.3 过滤器的厚度

过滤器厚度越大,过滤器的承受能力越好,深层过滤效率也越高,但其使用成本也越高。

 

3.4 过滤器过流速度

大多数的铸件具有临界的浇注时间,它对应于最佳的浇注速度。为减小过滤器对金属液流速的影响,过滤器的过滤面积应远大于浇注系统的控流面积。推荐过滤器的面积至少4~6倍于控流面积。

 

3.5 过滤器阻塞前的金属过滤量

所有的过滤器在完全阻塞前都有一个极限金属液通过量。过滤器的过滤能力随金属液中夹杂物含量、浇注温度和浇注系统的设计而大幅度变化。不同孔径过滤器的过滤量也呈现极大的差异。我们一般根据实验和经验确定过滤量。

 

4. 泡沫陶瓷过滤器在汽车铸件中的应用

 

4.1 缸体及缸盖

广西某厂在开发新型蠕铁材质缸盖时,对直孔陶瓷过滤器和泡沫过滤器进行了对比试验,使用直孔过滤器时渣孔缺陷为3.45%,而在使用泡沫陶瓷过滤器时渣孔缺陷只为0.18%,从而大大提高了铸件良品率。

 

4.2 曲轴类铸件

曲轴为引擎的主要旋转机件,装上连杆后,可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动,是发动机上的一个重要的机件,其材料主要由球墨铸铁制成,高温低硫纯净铁水的获得是生产高质量曲轴铸件的关键,因而选用泡沫陶瓷过滤器是最好的选择。如山东某厂是采用铁模覆砂专业生产球铁汽车曲轴的专业厂,采用泡沫陶瓷过滤器放置浇口杯位置,出现铸件夹杂过滤器碎块,一直找不到很好的解决办法。经推荐使用的专用泡沫陶瓷过滤器,放置于专门制作的浇口杯内使用,产品无堵塞无冲坏现象,很好的解决了铸件成品率不高的状况,详细如表1所示。

 

表1 曲轴上使用泡沫陶瓷过滤片前后对比


项目

 使用前

 使用后

 改善情况


夹渣等缺陷率

 4~5%

 1~1.5%

 约4%


浇注重量

 23kg

 22kg

 4.3%


 

 

 

 


4.3 涡轮壳铸件

 

该类型的铸件特点是普遍温度较高,铸件重量较小,对铸件的质量要求非常高,因此对铁水的纯净度要求也就很高。在这方面,纤维过滤网和直孔陶瓷过滤片的过滤精度往往不能满足过滤精度的要求,选择优质的泡沫陶瓷过滤器是最佳的过滤方式。如江苏某厂是一家专业生产汽车高硅钼涡轮壳的厂家,其浇注温度1480~1520℃,采用覆膜砂造型方式。使用泡沫陶瓷过滤片前铸件的渣孔较多,废品率高,而使用泡沫陶瓷过滤器后,此现象得到了明显改善,具体如表2所示。

 

表2 高硅钼涡轮壳上使用泡沫陶瓷过滤片前后对比

 


项目

 使用前

 使用后

 改善情况


夹渣类缺陷率

 8.0%

 0%

 8.0%

 

 


综合以上来看,泡沫陶瓷过滤片在汽车铸件中的应用主要存在以下两个优点:

 

① 减少不良率:造成铸件不良的最大原因是杂质(包括渣滓、炉渣、金属氧化物、孕育剂和球化剂的反应生成物、铸型砂等)的混入。使用该泡沫陶瓷过滤片可大幅度地减少这类杂质。这不仅可以减少铸件脱模后的外观不良,还可以降低切削加工不良品的产生,甚至可以减少修复操作。

 

② 提高铸造材料的利用率:泡沫陶瓷过滤片的使用,可以说是“铸造方案设计的一场革命”。也就是说,防止杂质侵入铸型内的对策主要是在浇注系统方案上下工夫。特别有时避免不了因浇注系统上下交叉、加长,造成浇注系统复杂、增大,所以不可避免地导致了铸造材料利用率低。但是,泡沫陶瓷过滤片可以有效地去除杂质,那么浇注系统只需要保证其导流分配铁水的功能即可,这样可以简化浇注系统设计,提高了铁水利用率,也就提高了铸造材料利用率。

 

③ 改善质量及改善加工性:通过使用过滤片,熔液中各种各样的杂质被去除、净化。这样的铸件具有多合金,可以改善机械性能、疲劳强度,还可以减少加工费用,缩短加工时间,改善切削性,延长加工工具的使用寿命。

 

④ 应用泡沫陶瓷过滤片取得的经济效益

 

目前国内铸造界对此疑问颇多,使用泡沫陶瓷过滤片生产成本中多一笔购买费用,铸件产量越大,这笔费用越高。但如果产品的合格率有较大幅度提高,所节约的废品消耗高于购买泡沫陶瓷过滤片的费用,则使用泡沫陶瓷过滤片的经济效益就体现出来了。国外资料介绍:某厂生产铸件在未使用泡沫陶瓷过滤片时为每500磅铸件废品与返修费用96.00美元,使用泡沫陶瓷过滤片后,这笔费用降低至57.94美元(其中包括泡沫陶瓷过滤片费用)。

 

某曲轴厂生产六缸曲轴,铸件产值为350元,根据过去的生产经验,如用普通过滤手段,铸件合格率不超过88% ,每件废品消耗的工时与能源费用不低于100元,所使用的Ф100×22泡沫陶瓷过滤片价格为5元。放置泡沫陶瓷过滤片后,成品率提高7%至95% ,每百箱铸件少损失700元,去除购买泡沫陶瓷过滤片费用500元,则每百箱铸件生产费用可节约200元,且多创产值2450元。

 

5. 结束语

 

合理选用和正确使用泡沫陶瓷过滤器,可以有效地去除或降低熔铸金属液中的夹杂物,提高金属液体的纯净度,使熔铸出的金属铸件表面光滑,结构均匀,强度提高,废品率降低,同时进一步减少了机加工损耗,提高了劳动生产率。该产品主要用于铸造行业的金属浇铸过滤,适用于铸钢、铸铁、铸铝、合金、有色金属铸件的铸造及大型铸件的铸造。因此产品广泛用于汽车、造船、机车、农机、建筑机械、航空、航天、机床、电器、工程管道、阀门、管件等机械制造工业的各种铸件的铸造。由于在铸造过程采用泡沫陶瓷过滤器过滤了熔融金属液中含有的金属氧化物等固体渣,从而提高了铸件的质量和成品率,因此使用泡沫陶瓷过滤器促进了铸造行业的技术进步。

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