泡沫陶瓷過濾技術對金屬液充型狀態的影響
　　諸葛勝
　　一、過濾的種類：當前鑄造使用的過濾器主要有以下幾種：
　　（1）纖維網狀（篩網狀）（圖1）
　　（2）擠壓直孔陶瓷過濾片（圖2）
　　（3）模壓直孔陶瓷過濾片（圖3）
　　（4）泡沫陶瓷過濾器 （圖4）
　　二、過濾的原理
　　1、一般纖維過濾網、直孔陶瓷過濾片只能將表面的夾雜去除，而且小于最小孔徑的夾雜物則無法過濾，會流入了砂型中，如圖5所示。
　　2、而與之相反，泡沫陶瓷過濾片（圖6）是曲孔網格，金屬液必須通過彎彎曲曲的通道才能進入型腔。大的夾雜物，由于過大無法通過通道則被捕捉在過濾片的表面。隨著夾雜的增加，夾雜物積累在過濾片的表面，逐漸形成了過濾餅，這樣只有很細的顆粒能通過，如圖7所示。
　　3、熔化的金屬液流過過濾餅進入下層的曲折通道，泡沫過濾的機理就是多次改變金屬液的方向，減小流速，導致更小的顆粒被過濾片內部粘附在過濾器表面上，如圖8 所示。
　　4、泡沫過濾片去除熔化時產生的非金屬夾雜物也十分有效，金屬液充型的過程可見圖9。第一張照片中，砂粒塞住了過濾片的微孔；第二張照片夾渣在過濾片的表面累積；第三張照片，在通道面上可見較細的硫化鎂。
　　三、泡沫陶瓷過濾器對金屬液流的影響
　　除了上述以外，泡沫陶瓷過濾器通過改變金屬液的流動狀態，減少紊流進入型腔來防止二次氧化夾渣的形成，并有效防止了卷氣，圖10 是模擬試驗。
　　1、對于所有合金，尤其是容易產生氧化的合金，在澆注過程中必須盡可能消除紊流現象。紊流會導致卷入氣夾渣，產生二次氧化物，而且由于清潔的金屬液暴露在大氣中而產生新的氧化夾渣。
　　2、過濾片的選擇、放置和澆注系統的設計是消除二次氧化的關鍵。水流試驗、X 射線研究和流體力學的分析都證明了正確地選擇泡沫過濾片，正確地應用對防止二次氧化可起非常大的作用。
　　3、直孔陶瓷過濾片在表面由于壁厚的關系，通過面積實際是減小的，因此，金屬液通過時是一個加速過程。會在過濾片后的金屬液中重新產生氣泡。而當水流通過泡沫過濾片后變得很寬，金屬液流出慢，很少紊流，而且幾乎沒有氣泡。圖11 是不同過濾法的水流對比。
　　4、用含氣的水重復同樣的試驗，直孔過濾片對捕捉氣泡沒有效果。相反，通過泡沫過濾片的水流慢，所以空氣可被排除。同樣，減少紊流使泡沫過濾片具有更高的過濾能力，如圖12所示。
　　圖13 的實時 X 射線證明了金屬液通過泡沫過濾片時的流動平穩的特性。
　　5、綜上可以看出，泡沫陶瓷過濾器具有使金屬液平穩的性能，但這只是過濾器的本身特性，要使其充分發揮此特性，必須要有合理設計的澆注系統相配合，才能達到充型平穩，減少紊流和卷氣的作用。過濾器具有這樣的優秀特性，但如若整個澆注系統設計不合理，過濾器放置不合理，則并不能發揮這樣的作用。
　　6、泡沫陶瓷過濾器的正確使用從某種意義上來說，其重要性大于過濾器本身的作用。因此，采用過濾器的澆注系統的合理設計至關重要。
　　四、應用案例：下面以6缸柴油機缸體為例，說明合理的含有過濾器的澆注系統對充型的影響。
　　1、鑄件的相關信息：
　　此缸體使用5片40*40*15—20ppi泡沫陶瓷過濾器，鑄件及澆注系統的設計如圖14所示。
　　2、鑄件仍然具有氣孔和夾雜缺陷，夾雜物有一部分是渣，還有一些認為是涂料沖刷造成的。
　　3、鑄件的相關參數：
　　- 材料牌號: GG25
　　- 鑄件重量： 156Kg
　　- 澆注重量： 220Kg
　　- 澆注時間： 20-22 秒
　　- 澆注溫度： 1420~1430°C
　　4、對原有的澆注系統用 MAGMA 進行模擬，模擬結果顯示，金屬液從位于鑄型或型芯高處的過濾器中流出時，金屬液流相當難以控制，這種影響會導致如下結果：
　　- 金屬液流速過高（液流是自由落體運動）
　　- 紊流（產生氧化）
　　- 澆注系統沒有充滿（有卷氣）
　　當達7%澆注時間時，在橫澆道中明顯有紊流存在，在下部的澆注系統中流速較高，當達到 17%澆注時間時，在型腔的底部明顯可見高流速及紊流。
　　圖17顯示當澆注完成后，鑄件的溫度分布，可以看出溫度分布相當不均勻，亮橙色表示了高溫(1360℃)，淡藍色表示了溫度較低(1225℃)，這些區域很可能會有氣孔類缺陷發生。
　　5、從上述模擬可以看出，原有的澆注系統，雖已使用了過濾技術，但對金屬流的充型來說并不太理想，流速高，紊流嚴重，氣孔發生的危險性大。因此這一帶有過濾器的澆注系統設計存在著一定的不合理性。
　　6、為此，對上述原有設計進行了修改，修改為圖 18 所示的設計。
　　修改后的澆注系統具有以下特征：
　　? 單一直澆道開至砂芯的上表面后，拐一 90度彎，減輕金屬液的自由下落。
　　? 在分型面上，直澆道再度 90 拐彎，進一步減輕金屬液的自由下落。
　　? 使用變截面比例化的橫澆道，使得每個內澆道均勻分配金屬液。
　　7、通過對改進后的澆注系統的模擬分析可以明顯看出，直澆道的拐彎和比例化的變截面橫澆道的設計降低了金屬液的流動速度。
　　8、當6%的澆注時間時，直澆道全部充滿，過濾器開始工作的 1.4 秒鐘內，沒有一個內澆道開始工作（如圖20 所示），當10%澆注時，直澆道仍然是充滿的，并且下層所有的內澆口在 2 秒鐘內全部開始進水。金屬液的流速較低，并且沒有嚴重的紊流。同原先的設計相比，有了較大的不同，流動平穩，沒有紊流卷氣，如圖 21 所示。
　　從圖 22 可以看到，調整后，當鑄件澆注結束后，溫度分布相對原先要均勻得多，但還有淡藍色的區域(1220℃)，該區域仍有產生氣孔的傾向。
　　9、從上述模擬分析可以得出：
　　? 所采用的90度拐彎的直澆道有助于在金屬液流到過濾器前降低流速。
　　? 內澆口設在橫澆道上方，保證了當橫澆道充滿后金屬液才進入型腔。
　　? 比例分配的橫澆道保證了多個內澆道能在同一時間開始工作并且通過的金屬液量均衡。
　　? 鑄件上表面的溫度低是由于底注形成的，其影響需要要一步評估，但較原先設計來說，已有較大改進。
　　? 進一步采用大流量、低流速澆注，進一步縮短澆注時間，則有利于溫度的均勻。
　　從上述例子可以看出，過濾器能減少紊流，濾除夾雜物，減少氣孔缺陷，但這些效果必須要有合理的澆注系統來配合，才能達到事辦功倍的效果。
　　五、結論
　　綜上所述，通過研究分析以及實際應用的經驗，可以得出以下結論：
　　1、同纖維過濾網和直孔陶瓷過濾片相比，泡沫陶瓷過濾器能有效地濾除金屬液中的夾雜物。
　　2、當金屬液通過泡沫陶瓷過濾器時，液流將減速，變紊流為層流。
　　3、由于泡沫陶瓷過濾器對金屬液流動狀態的改變，能有效地減少金屬液在澆注過程中的卷氣，減少氣孔類缺陷。
　　4、泡沫陶瓷過濾器具有相當強的凈化金屬作用，但充分發揮其作用需要合理的澆注系統設計來相配合才能實現，所以針對泡沫陶瓷過濾器，如何設計澆注系統，如何放置過濾器這類應用技術尤其重要。