泡沫陶瓷过滤技术对金属液充型状态的影响
　　诸葛胜
　　一、过滤的种类：当前铸造使用的过滤器主要有以下几种：
　　（1）纤维网状（筛网状）（图1）
　　（2）挤压直孔陶瓷过滤片（图2）
　　（3）模压直孔陶瓷过滤片（图3）
　　（4）泡沫陶瓷过滤器 （图4）
　　二、过滤的原理
　　1、一般纤维过滤网、直孔陶瓷过滤片只能将表面的夹杂去除，而且小于最小孔径的夹杂物则无法过滤，会流入了砂型中，如图5所示。
　　2、而与之相反，泡沫陶瓷过滤片（图6）是曲孔网格，金属液必须通过弯弯曲曲的通道才能进入型腔。大的夹杂物，由于过大无法通过通道则被捕捉在过滤片的表面。随着夹杂的增加，夹杂物积累在过滤片的表面，逐渐形成了过滤饼，这样只有很细的颗粒能通过，如图7所示。
　　3、熔化的金属液流过过滤饼进入下层的曲折通道，泡沫过滤的机理就是多次改变金属液的方向，减小流速，导致更小的颗粒被过滤片内部粘附在过滤器表面上，如图8 所示。
　　4、泡沫过滤片去除熔化时产生的非金属夹杂物也十分有效，金属液充型的过程可见图9。第一张照片中，砂粒塞住了过滤片的微孔；第二张照片夹渣在过滤片的表面累积；第三张照片，在通道面上可见较细的硫化镁。
　　三、泡沫陶瓷过滤器对金属液流的影响
　　除了上述以外，泡沫陶瓷过滤器通过改变金属液的流动状态，减少紊流进入型腔来防止二次氧化夹渣的形成，并有效防止了卷气，图10 是模拟试验。
　　1、对于所有合金，尤其是容易产生氧化的合金，在浇注过程中必须尽可能消除紊流现象。紊流会导致卷入气夹渣，产生二次氧化物，而且由于清洁的金属液暴露在大气中而产生新的氧化夹渣。
　　2、过滤片的选择、放置和浇注系统的设计是消除二次氧化的关键。水流试验、X 射线研究和流体力学的分析都证明了正确地选择泡沫过滤片，正确地应用对防止二次氧化可起非常大的作用。
　　3、直孔陶瓷过滤片在表面由于壁厚的关系，通过面积实际是减小的，因此，金属液通过时是一个加速过程。会在过滤片后的金属液中重新产生气泡。而当水流通过泡沫过滤片后变得很宽，金属液流出慢，很少紊流，而且几乎没有气泡。图11 是不同过滤法的水流对比。
　　4、用含气的水重复同样的试验，直孔过滤片对捕捉气泡没有效果。相反，通过泡沫过滤片的水流慢，所以空气可被排除。同样，减少紊流使泡沫过滤片具有更高的过滤能力，如图12所示。
　　图13 的实时 X 射线证明了金属液通过泡沫过滤片时的流动平稳的特性。
　　5、综上可以看出，泡沫陶瓷过滤器具有使金属液平稳的性能，但这只是过滤器的本身特性，要使其充分发挥此特性，必须要有合理设计的浇注系统相配合，才能达到充型平稳，减少紊流和卷气的作用。过滤器具有这样的优秀特性，但如若整个浇注系统设计不合理，过滤器放置不合理，则并不能发挥这样的作用。
　　6、泡沫陶瓷过滤器的正确使用从某种意义上来说，其重要性大于过滤器本身的作用。因此，采用过滤器的浇注系统的合理设计至关重要。
　　四、应用案例：下面以6缸柴油机缸体为例，说明合理的含有过滤器的浇注系统对充型的影响。
　　1、铸件的相关信息：
　　此缸体使用5片40*40*15—20ppi泡沫陶瓷过滤器，铸件及浇注系统的设计如图14所示。
　　2、铸件仍然具有气孔和夹杂缺陷，夹杂物有一部分是渣，还有一些认为是涂料冲刷造成的。
　　3、铸件的相关参数：
　　- 材料牌号: GG25
　　- 铸件重量： 156Kg
　　- 浇注重量： 220Kg
　　- 浇注时间： 20-22 秒
　　- 浇注温度： 1420~1430°C
　　4、对原有的浇注系统用 MAGMA 进行模拟，模拟结果显示，金属液从位于铸型或型芯高处的过滤器中流出时，金属液流相当难以控制，这种影响会导致如下结果：
　　- 金属液流速过高（液流是自由落体运动）
　　- 紊流（产生氧化）
　　- 浇注系统没有充满（有卷气）
　　当达7%浇注时间时，在横浇道中明显有紊流存在，在下部的浇注系统中流速较高，当达到 17%浇注时间时，在型腔的底部明显可见高流速及紊流。
　　图17显示当浇注完成后，铸件的温度分布，可以看出温度分布相当不均匀，亮橙色表示了高温(1360℃)，淡蓝色表示了温度较低(1225℃)，这些区域很可能会有气孔类缺陷发生。
　　5、从上述模拟可以看出，原有的浇注系统，虽已使用了过滤技术，但对金属流的充型来说并不太理想，流速高，紊流严重，气孔发生的危险性大。因此这一带有过滤器的浇注系统设计存在着一定的不合理性。
　　6、为此，对上述原有设计进行了修改，修改为图 18 所示的设计。
　　修改后的浇注系统具有以下特征：
　　? 单一直浇道开至砂芯的上表面后，拐一 90度弯，减轻金属液的自由下落。
　　? 在分型面上，直浇道再度 90 拐弯，进一步减轻金属液的自由下落。
　　? 使用变截面比例化的横浇道，使得每个内浇道均匀分配金属液。
　　7、通过对改进后的浇注系统的模拟分析可以明显看出，直浇道的拐弯和比例化的变截面横浇道的设计降低了金属液的流动速度。
　　8、当6%的浇注时间时，直浇道全部充满，过滤器开始工作的 1.4 秒钟内，没有一个内浇道开始工作（如图20 所示），当10%浇注时，直浇道仍然是充满的，并且下层所有的内浇口在 2 秒钟内全部开始进水。金属液的流速较低，并且没有严重的紊流。同原先的设计相比，有了较大的不同，流动平稳，没有紊流卷气，如图 21 所示。
　　从图 22 可以看到，调整后，当铸件浇注结束后，温度分布相对原先要均匀得多，但还有淡蓝色的区域(1220℃)，该区域仍有产生气孔的倾向。
　　9、从上述模拟分析可以得出：
　　? 所采用的90度拐弯的直浇道有助于在金属液流到过滤器前降低流速。
　　? 内浇口设在横浇道上方，保证了当横浇道充满后金属液才进入型腔。
　　? 比例分配的横浇道保证了多个内浇道能在同一时间开始工作并且通过的金属液量均衡。
　　? 铸件上表面的温度低是由于底注形成的，其影响需要要一步评估，但较原先设计来说，已有较大改进。
　　? 进一步采用大流量、低流速浇注，进一步缩短浇注时间，则有利于温度的均匀。
　　从上述例子可以看出，过滤器能减少紊流，滤除夹杂物，减少气孔缺陷，但这些效果必须要有合理的浇注系统来配合，才能达到事办功倍的效果。
　　五、结论
　　综上所述，通过研究分析以及实际应用的经验，可以得出以下结论：
　　1、同纤维过滤网和直孔陶瓷过滤片相比，泡沫陶瓷过滤器能有效地滤除金属液中的夹杂物。
　　2、当金属液通过泡沫陶瓷过滤器时，液流将减速，变紊流为层流。
　　3、由于泡沫陶瓷过滤器对金属液流动状态的改变，能有效地减少金属液在浇注过程中的卷气，减少气孔类缺陷。
　　4、泡沫陶瓷过滤器具有相当强的净化金属作用，但充分发挥其作用需要合理的浇注系统设计来相配合才能实现，所以针对泡沫陶瓷过滤器，如何设计浇注系统，如何放置过滤器这类应用技术尤其重要。