过滤技术在铸造中的重要作用-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

(1.济南圣泉集团股份有限公司,山东济南250204;2.沈阳机床银丰铸造有限公司,辽宁沈阳110200)摘要:介绍了铸造生产中产生夹杂缺陷的原因、消除方法、各种过滤器的性能、特点、消除铸件夹杂缺陷的机理,过滤对提高铸件质量的重要作用,及我国近几年使用过滤技术的状况。
关键词:夹杂;过滤;过滤器
中图分类号:TF125.6文献标识码:B文章编号:1001-4977(2008)09-0963-04
近几年我国铸造业发展迅猛,铸件年产量连创新高,2006年超过2 800万t[1],远远领先于其他国家。我国铸件产量快速增加,一方面是国内铸件需求量大幅度增加,另一方面是发达国家和地区的铸造生产向国内转移的结果,使得铸件出口量逐年增加。在保持铸造大国地位的同时,我国铸造工艺技术也得到了快速提升,逐步向铸造强国目标迈进。在铸造技术水平方面的提高主要得益于几方面:①出口铸件对质量的严格要求,②国内对高品质铸件的需求迅速增加,如汽车行业的快速发展,风力发电行业的兴起等[2-3],③外商独资、合资铸造企业带来的先进成熟工艺技术。
过滤技术作为一种先进的工艺技术对减少夹杂类、气孔类缺陷,提高铸件力学性能、加工性能有显著作用。在19世纪50年代我国就有过使用过滤技术的报道[4]。
过滤技术在铸造中的应用经历了一个发展过程:60年代开始应用玻璃纤维过滤网,70年代末出现泡沫陶瓷过滤器,80年代出现蜂窝型过滤器,过滤技术的应用是生产高品质铸件一个非常主要的工艺手段[5-6],在西方发达国家得到普遍应用,我国铸造业也越来越认识到其重要性,近几年过滤技术的应用范围迅速扩大。
1现代铸造生产特点
我国铸造业正在朝着扩大生产规模、提高铸件品质方向发展,现已有多家年产量超过5万t的铸造企业[7],而且产量还在不断扩大。高品质铸件的要求一是外在质量好,包括表面粗糙度、尺寸精度、缺陷数量等都有严格限制,二是内在质量高,包括力学性能、夹杂物数量、微观组织指标等要符合相关标准,如汽车发动机铸件、风力发电机铸件、汽轮机铸件、大型水轮机铸件等,要大批量、稳定地生产高品质铸件,仅仅沿用传统的工艺已不能满足要求,必须有先进的设备、材料、工艺做保证。目前我国铸造新技术、新工艺、新材料的广泛应用主要表现在:先进造型线、制芯中心数量越来越多,树脂砂工艺大量应用、铸钢VOD熔炼、过滤技术应用、消失模铸造、计算机模拟技术[8]、快速成形技术的应用等,这些先进技术的应用对提高铸件质量起到了非常关键的作用。
2铸件中的夹杂物及消除方法
众所周知,夹杂是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,在所有的铸件中都可能存在这种缺陷,只是严重程度不同,图1是发动机缸体上的夹杂。对夹杂缺陷控制的标准主要依据铸件性能、用途而定,越是精密的铸件、工作条件苛刻的铸件对夹杂缺陷的限制越严格。
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。

夹杂物的产生可以追溯到铸造生产的多个环节。
(1)炉料如果炉料锈蚀严重或存放不当就会使金属液夹杂含量超标。
(2)熔化、溶液处理在孕育处理、球化处理、精炼处理等过程中,如工艺参数不当、操作不当会造成渣子进入金属液。
(3)型、芯砂强度如果型芯砂强度不足以抵抗高温金属液的冲击,就会造成冲砂。
(4)金属液二次氧化由于铸件结构的原因或浇注系统设计不当,在浇注过程中金属液激烈飞溅形成二次夹杂。
针对夹杂产生的原因,相应的消除这种缺陷的方法主要有以下几方面。
(1)使用合格的清洁炉料,避免露天存放,对锈蚀炉料进行预处理。
(2)制定合理的熔化、中间处理工艺并严格照章操作。
(3)保证足够的型芯强度,可以采用树脂砂工艺,在受热冲击强烈部位使用特种材料。
(4)合理设计浇注系统,避免金属液飞溅,增加集渣包,延长浇道。
(5)使用过滤器等。
其中过滤器是减少、消除夹杂和气孔缺陷最有效的措施,能起到其他工艺措施无法达到的作用。
3铸造生产中常用的过滤器
3.1玻璃纤维过滤网
由耐高温玻璃纤维布经特殊处理而成,过滤效果差,价格便宜。
3.2直孔过滤器
目前生产中使用的直孔过滤器分为冲压式过滤器(如图2)和挤出式过滤器。

冲压式过滤器有诸多优点: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,使用量是挤出式过滤器的5倍
3.3泡沫陶瓷过滤器
图3为分别用于铸铝、铸钢和铸铁的泡沫陶瓷过滤器。这种过滤器由泡沫塑料做骨架,涂敷上陶瓷浆料烧制而成,过滤效果最好,广泛应用。常用于不同金属过滤的耐火骨料见表1。

3.4大型铸件用硅胶质泡沫陶瓷过滤器
硅胶泡沫陶瓷过滤器是最新出现的一种过滤器,如图4,这种比常规泡沫陶瓷过滤器有更好的高温性能,制作的尺寸可以更大,适于过滤大型铸钢、铸铁件,其蓄热系数更低,对头股金属液降温小。


4过滤器过滤机理及使用原则
过滤器过滤机制有多种[9],以泡沫陶瓷过滤器为例,说明主要的过滤机理。
(1)机械过滤在金属液流经过滤器时,大于孔径的夹杂被挡在过滤器上。
(2)整流作用金属液在浇注时一般都呈紊流状态,当通过过滤器后金属液趋于层流状态,有利于夹杂物上浮,减少对造型的冲击,减少冲砂和二次氧化夹杂。
(3)滤饼作用随着过滤的进行,过滤器孔会逐渐被夹杂堵塞而变小,从而对更小的夹杂物起到过滤作用。
(4)吸附作用泡沫陶瓷过滤器有很大的表面积,而过滤器材料对夹杂物有很强的吸附作用,在金属液流过这些弯曲通道时,微小的夹杂物很容易被吸附到过滤器通道壁上。
各种过滤器之所以过滤效果不同,主要是其所具有的上述几种作用的强弱不同,见表3。
总地来说,具有三维立体结构的过滤器过滤效果好,多种过滤机制同时作用能最大程度地消除金属液中的夹杂。图5为直孔过滤器过滤球墨铸铁后,夹杂滞留在过滤器处的情况。
过滤器原则上可以安放在浇注系统的任何位置,但越靠近铸件过滤效果越好,为防止高温铁液高压冲碎过滤器,尽量避免安放在直浇道下方。由于过滤器对金属液的阻流作用和过滤过程中部分网孔被堵塞,过滤面积应是原浇道面积的2~4倍。

5过滤带来的益处
金属液经过过滤可以带来诸多好处[10-12],主要表现在以下几方面。
(1)减少夹杂缺陷能有效减少夹杂物数量,减少、消除夹杂及相关废品,见表4中实例。

(3)稳定铸件质量使铸件的各项质量指标更加稳定。
(4)提高加工性能金属基体中夹杂物数量的减少,可以明显提高切削刀具的寿命。
(5)提高工艺出品率过滤的有效作用允许简化原来为消除夹杂物而设计的复杂浇注系统,提高工艺出品率。
6过滤技术在我国的应用
近几年随着我国铸件产量的持续、快速增长,对高品质铸件的需求也同步增加,带动了过滤器技术的广泛应用,过滤器的使用量逐年增加。由于过滤器的应用比较简单,对原有浇注系统稍加改动即可,目前从几公斤的小铸件到上百吨的大型铸件都有应用。过滤器应用在多个领域:汽车铸件、发动机铸件(图6)、机床铸件、风电铸件(图7)、液压铸件、纺织机械铸件、其他精密铸件等。实践表明,过滤技术可以有效消除夹杂、气孔缺陷,是提高铸件质量必不可少的工艺手段。

目前我国泡沫陶瓷过滤器和直孔过滤器得到广泛应用另一个重要原因,就是过滤器国产化工作做得很好,有些厂家生产规模也很大,产品的各种性能指标达到了国外同类产品水平,完全能满足铸造要求,不仅供应国内市场,而且大量出口。国产化使过滤器价格更具有竞争力,使铸造企业更容易接受这项先进技术。
7 结束语
针对现代铸造生产对铸件的质量要求更高的特点,过滤技术可以有效地减少和消除夹杂物、提高铸件质量、降低废品率,为铸造企业带来明显经济效益,在我国应用范围迅速增加,随着越来越多高品质铸件的需求,人们对过滤技术的认识将不断深入,应用必将越来越广泛。

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