铸造用金属液过滤器

1.金属液过滤器的用途

出掉金属熔体中一次、二次液态/固态非金属夹杂物，简化浇注系统，防止夹杂物缺陷，提高铸件力学性能，减少铸件机加工余量，提高铸造表面光洁度，延长机加工刀具的寿命[1]。

铸件主要夹杂物有：含有碳酸钙及铁、锰、铝的氧化物的熔渣，未熔的孕育剂颗粒，硫化物，硅酸镁，残余的溶剂，砂子等[2]。

2.金属液过滤器的分类

依据铸造合金种类和熔点分为金属液过滤净化可以采用编织过滤网、玻璃纤维过滤片及泡沫陶瓷过滤器[1]。

3.编织过滤网

可以用高熔点的金属或合金例如钼丝、不锈钢丝等编织过滤网，但最常见的编织过滤网是铁丝网。但是对于Fe属于有害杂质元素的铝、镁以及某些铜合金，由于金属液在充型前与铁丝网的接触，不可避免的增加合金液中的Fe含量，会直接影响铸件力学性能。另外，由于在铸造生产中不可能在铸件完全凝固前取去过滤网，使含有铁丝的浇注系统回炉料难以回炉使用。对于熔点比较高的铸铁、铸钢等，铁丝编织网的可持续服役时间难以满足要求。

4.璃纤维过滤网

(1)工艺适应性强，工艺人员和操作者可以灵活的将过滤网制成合适的形状。

(2)玻璃纤维的材料在重熔时不会对合金产生二次污染，浇注系统回炉料可直接使用。但需注意，既使含有少量树脂的玻璃纤维过滤网，在高温下都会产生一定的气体，易使铸件产生气孔、渣气孔类缺陷。

5.沫陶瓷过滤器

泡沫陶瓷一般用聚氨基甲酸乙脂泡沫塑料作载体，灌以由耐火骨料烧结助剂、粘结剂等微粉加水制成的陶瓷浆料，然后挤出浆液，剩下包覆在泡沫纤维周围的陶瓷料，经烘干，在

高温下焙烧烧结，聚氨基甲酸乙脂受热分解，留下泡沫状的陶瓷制品，即泡沫陶瓷过滤器。（制造工艺复杂）

泡沫陶瓷过滤效果好，对合金无污染。

5.1泡沫陶瓷过滤器净化机理

关于金属过滤净化机理的研究，目前主要有以下几种观点，筛分一滤饼一深床过滤机制；飘浮分离机制；吸附机制和整流机制。

5.1.1筛分—滤饼—深床过滤机制

(1)筛分。遵循传统的玻璃纤维网过滤机理，如同筛子一样，阻止尺寸大于过滤器表面孔径的夹杂粒子及其团聚物通过，如图1a。

(2)饼滤。经筛分许多大于过滤器孔洞的夹杂被捕获在过滤器入口端。随着捕获夹杂物数量的增多，在过滤器入口端表面形成由大块夹杂构成的“滤饼”。“滤饼”使液体变细，这样小于过滤器孔径尺寸的夹杂也部分的被捕获在“滤饼”上，如图1b。

筛分与饼滤是一种机制的两个阶段。这一过程的长短，取决于熔体含夹杂量的多少和过滤器孔径的大小。

(3)深床过滤。在泡沫陶瓷过滤器内部，熔体流经的路径蜿蜒曲折，小的局部区域内甚至有横流折返的现象，这主要起两个作用：①可以大大增加夹杂物粒子与过滤器接触的概率；

②使熔体的流速和流向变换加快，由此可使熔体中细小的夹杂物被碰撞后遗留在某一角落停滞下来而被捕获，如图lc。

5.1.2飘浮分离机制

在浇注系统中正确设计、放置泡沫陶瓷过滤器后，金属液流阻力增大，液态金属在浇注

系统中呈充满状态，充分发挥浇注系统的挡渣功能。同时，从直浇道注入的液流，通过过滤器节流，金属液在直浇道内短暂停留，密度小的渣子上浮分离，即可产生底注式浇注系统的优点。金属液经泡沫陶瓷过滤器继续浇注时，一方面密度小的渣子上浮，另一方面，有效地减轻或消除了涡流。

5.1.3吸附机制

过滤器置于型腔的横浇道或内浇道中，浇注时当第一股液流抵达过滤器入口端表面时，产生液流与泡沫网架的吸附现象。这种吸附主要是以无选择的多分子层物理吸附为主，夹杂物在过滤器网架的逐层吸附直至堵塞为止。

5.1.4整流机制

上述3种过滤净化机制理论对一些现象还不能解释，例如金属网过滤，其净化原理一般解释为机械拦截(筛分)，但是通过对钼丝网和不锈钢网浇注钢液和铁液，让金属液从过滤网上完全通过的实验发现，过滤网上并没有被机械拦截的夹杂物。采用8#铁丝编织的过滤网和用铁板钻孔制成的直孔过滤网过滤净化金属液，更是不能用上述3种观点得到解释。对铸钢件中杂物来源的研究发现，二次氧化夹杂占总夹杂物的83％，由于造型材料被冲刷而产生的夹杂物占13％，只有4％是由于浇注前去渣不净造成的，由此可见，铸件内的夹杂物主要是在浇注过程中形成的。采用过滤器过滤净化金属取得的巨大净化效果启示我们从金属液的流动形态研究其净化机制。

金属液在浇注过程中，大多数的情况，都是以紊流状态充入型腔的，尤其是浇注初期金属液是从一定高度进入到型腔的。由于泡沫陶瓷过滤器的流道内曲折弯转，其对液态金属由紊流到层流的整流能力是很强的。由于过滤器的整流作用，使得原来具有极强的紊流流动的金属液在经过过滤器时变为层流状态。当其流经过滤器之后，再要恢复原来的紊流状态则需要经过一个较长的过渡区，在这一过渡区内液流来不及再发展成紊流或较小的紊流，避免了金属的二次氧化和对铸型的冲刷，从而起到了防止二次氧化物夹杂形成的“挡渣”作用。

5.2泡沫陶瓷过滤器的选用

5.2.1泡沫陶瓷过滤器材质的选择

根据铸造合金种类和浇注温度选择所用泡沫陶瓷过滤器的材质。铸钢件一般选用氧化锆质，铸铁件一般选用碳化硅质，大型铸钢、铸铁件可选用硅胶质，铝合金一般选用氧化铝质，镁合金一般选用氧化镁质。

5.2.2泡沫陶瓷过滤器孔径的选择

一般情况下：①10孔／英寸(10 ppi)可用于球铁件、大型灰铁件和铸钢件；②20孔／英寸(20 ppi)的用于小型灰铸铁件、可锻铸铁件、有色金属铸件；③30孔／英寸(30 ppi)的用于铜合金铸件、铝合金铸件。

5.2.3泡沫陶瓷过滤器厚度的选择

依据泡沫陶瓷过滤净化的机理，为使其充分发挥净化作用，并能承受高温金属液流的冲击，过滤器必须有一定的厚度，防止过滤器烧穿。过滤器烧穿会人为的造成添渣，导致铸件报废。推荐：①小型铝合金等轻质合金铸件选用厚度为12～15 mm；②大型有色合金铸件选20～25 mm；③铸铁件选用10～22 mm；④铸钢件选≥20 mm。

6.直孔陶瓷过滤器

直孔过滤器按生产方式分为冲压式和挤出式，其中冲压式直孔过滤器有诸多优点：①强度高：独特的生产工艺保证了过滤器比同类过滤器强度高，杜绝了浇注过程中破碎现象，可以用在更大铸件的生产中；②过滤效果好：对金属液有很好的整流、过滤复合作用，能有效去除其中的大块夹杂物，吸附金属液中的细小夹杂物，通过率稳定；③尺寸精度高：保证了过滤器与铸型的配合精度；④性价比高：可以进一步降低生产成本；因此，由于冲压式直孔过滤器的突出优点，在欧美国家大量使用，其使用量是挤出式过滤器的5倍。