Исследования по применению керамических фильтров

Показать меню Технической информации

Исследования по применению керамических фильтров литейщиками США

(По статье из журнала "Foundry М&Т" №10, 1988 г.)

Фильтрация расплавленного металла, в особенности чугуна с шаровидным гра­фитом, стали и алюминия, имеет своим результатом улучшение механических свойств и снижение износа инструмента при механической обработке.

Керамические фильтры показали свою эффективность в производстве более ка­чественных отливок, способствуя удалению включений, могущих неблагоприятным об­разом влиять на пластичность, усталостную прочность и ударную вязкость. Было также показано, что фильтры позволяют увеличить скорость разливки и снизить ее темпе­ратуру в производственных условиях.

В докладе Американскому обществу литейщиков Г.А. Уитекер и P.J1. Мартин, представители фирмы "Катерпиллер, Инк" (Мэплтон, штат Иллинойс) заявили: "Мы обнаружили, что фильтры не только способны улучшать качество, но и являются эффективными с точки зрения затрат. Высказывались опасения относительно раз­ливки с близкого расстояния, а также влияния фильтров на время и температуру раз­ливки. Было обнаружено, что фильтры могут без особого риска устанавливаться в должным образом спроектированных литниковых системах с минимальными затратами на замену оснастки, что позволит улучшить качество при эффективных затратах".

В течение долгого времени на литейном предприятии фирмы "Катерпиллер" в Мэплтон включения считались основным дефектом, и там начались исследования по применению керамических фильтров как способа решения данной проблемы. В методи­ку проведения испытаний включались различные условия, такие как расположение фильтра (горизонтальное, вертикальное и в нижней части стояка), его разновидности (пенофильтры и фильтры ячеистого типа), влияние температуры чугуна и влияние фильтров на время разливки. Испытаниям подвергались ячеистые экструдированные фильтры размером 3x3x0,5 дюйма (76,2x76,2x12,7 мм) с 100 ячейками на I кв. дюйм (645,5 мм ), применявшиеся при отливке головки блока цилиндров.

Первоначальные испытания показали, что наилучшие результаты получаются при установке фильтра в вертикальном положении на каждой стороне стояка. При этом не только получались более чистые отливки, но данное положение фильтров обеспечи­вало минимальные затраты и время на внесение изменений в конструкцию модели. Зна­ки, необходимые для модели, были сделаны отъемными так, чтобы их можно было бы­стро установить в литниковую систему.

По сравнению с отливками головок блоков, полученных без фильтров (испыта­ния проводились параллельно) заметно улучшилось удаление шлакового материала из центральной литниковой системы. В литниках без фильтров на их протяжении были обнаружены большие шлаковые включения. Поскольку влияние фильтров на время разливки было минимальным и существовали веские доказательства того, что фильтры могут предотвратить унос смеси и шлака из центральной литниковой системы, в испы­тываемую модель были внесены изменения и площадь поперечного сечения централь­ного литника была уменьшена. Это снизило вес отливки с формой на 100 фунтов. От­ливки, полученные по измененной модели, не имели дефектов, и литники захватывали смесь и шлак до фильтров. Успех, связанный с головками блоков цилиндров, навел фирму "Катерпиллер" на мысль об установке фильтров при отливке самих блоков ци­линдров, вес каждого из них вместе с формой составлял 1279 фунтов (511 кг). Эта от­ливка имела основной дефект, связанный с подсосом газа в верхнюю полуформу, и по­пытки решить данную проблему путем увеличения скорости разливки провалились из- за появления песчаных и шлаковых включений всякий раз, когда время разливки сокращалось. В измененную литниковую систему был включен ячеистый фильтр и установлен между стояком и питателем.

После тщательных испытаний фильтров различного размера и литниковых сис­тем Уитекер и Мартин сообщили, что ячеистые фильтры размером 2x2x0,5 дюйма с 300 отверстиями, установленные в каждое из входных отверстий стояка, обеспечивали оп­тимальное время разливки и необходимое качество отливок. К тому же, вес отливки с формой уменьшился на 143 фунта.

Исследователи добавили, что введение фильтров уменьшило расход скрапа, уменьшило количество отходов на 30% и увеличило выход годных на 10%. Эти измене­ния, вкупе с запланированными на будущее, как ожидается, обеспечат снижение затрат на 5,6%, с учетом дополнительных расходов на установку фильтров.

Исследования в Case Western Reserve University в Кливленде имели своим итогом выработку некоторых основных методик подбора фильтров и времени разливки чугуна с шаровидным графитом через керамические фильтры. В статье, представленной на конгресс Американского общества литейщиков в 1988 году, исследователи сообщили о сравнительных характеристиках отверстий в пенофильтрах и ячеистых фильтрах, а так­же о влиянии числа отверстий на скорость разливки.

Эксперименты показали, что исходная скорость потока сквозь пенофильтр с 10 порами на погонный дюйм близка к соответствующей величине для ячеистых экструди- рованных фильтров с 150 порами на квадратный дюйм. К тому же, суммарный вес и ис­ходная скорость потока расплавленного чугуна с шаровидным графитом сквозь керами­ческие фильтры уменьшаются, поскольку количество отверстий на квадратный дюйм или "мелкость" фильтра увеличивается. Количество льющегося металла и скорость по­тока значительно уменьшаются по линейному закону с увеличением "мелкости" от 50 до 200 отверстий. Изменение не велико, если количество отверстий превышает 200.

Уменьшение температуры разливки с 1420 °С до 1290 °С уменьшило как сум­марный поток, так и исходную его скорость. Уменьшение температуры разливки на 130 °С снизило исходную скорость потока на 1 кг/сек.

Специальный эксперимент по изучению образования черных пятен в ходе раз­ливки показал, что фильтры могут быть эффективными для их удаления в случае отли­вок из чугуна с шаровидным графитом. Образование черных пятен по данным неразру- шающего контроля при помощи магнитных частиц и визуального осмотра сечений, сде­ланных сквозь поверхность верхней полуформы (толстая часть отливки), было наиболее максимальным в отсутствие фильтра и минимальным при использовании фильтра с 100 отверстиями. Второе место по эффективности занял фильтр с 200 отверстиями, а треть­ей была фильтровальная сетка с 50 ячейками. Наихудшими характеристиками обладал пенофильтр из карбида кремения с 10 порами на погонный дюйм.

Исследование показывает, что использование фильтров улучшает усталостную прочность плоского проката в состоянии после разливки. Различие между величинами усталостной прочности образцов, отлитых с использованием ячеистых фильтров с 100 отверстиями, фильтровальных сеток с 50 порами и пенофильтрзми с 10 порами было невелико, но соответствовало зависимости, полученной в ходе экспериментов по отде­лению включений (черных пятен).

Работа, проделанная фирмой "Корнинг Гласе" по разработке фильтров, исполь­зуемых при разливке стали, показала, что фильтры способны удалять большинство мак­ровключений и некоторое количество микровключений из расплава. Исследование фирмы "Корнинг Гласе" свидетельствует о том, что экструдированные ячеистые муллитовые фильтры, количество отверстий в которых составляет от 50 до 200 на квадратный дюйм, обеспечивают эффективное удаление вредных примесей.