فیلترهای سرامیکی مذاب

3

 

زمانی که فلز ریخته گری می شود در نتیجه نهایی تولید ، به طور غیر معمول عیوبی در آن وجود دارد . در بعضی موارد عیوب در اجزای ریخته گری به صورت کوچک و کم دیده می شود و عیوبی هم که مشاهده نمی شوند در مرحله ماشین کاری و شکل دهی آشکار می گردند.

بسیاری از روش های مدرن و پیشرفته سیستم های تولید و ساخت وابسته به زدودن کامل عیوب در مسیر تولید به منظور سهولت و افزایش تولید است . اگرچه ریخته گری بدون عیب بازده تولید را افزایش می دهد ولی لازم است ذرات غیرفلزی نیز حذف شوند که اولین و موثرترین روش استفاده از فیلترهای سرامیکی است .

فیلترهای فومی سرامیکی (CFFs  ) در سال ۱۹۷۴ معرفی و برای فیلتراسیون آلومینیوم مذاب که در تولید آلیاژ به کار می رفت استفاده شد . کاربرد تجاری این نوع آلومینیوم در سال ۱۹۷۶ و فیلتراسیون مذاب ریخته گری آلومینیوم تک جزئی رسما در ۱۹۷۷ و به دنبال آن چدن در ۱۹۸۳ آغاز شد .

امروزه از CFF ها در بیش از ۵۰% از ریخته گری آلومینیوم در دنیا استفاده می شود و این مقدار ۶۵۰۰۰۰ فیلتر در سال است. اندازه های فیلتر در این کاربرد از محدوده Cm 18-66 تا Cm 5 مربع و با ضخامت استاندارد شروع می شود . دومین استفاده و کاربرد بزرگ از CFF ها در ریخته گری اجزای چدنی می باشد که بیش از ۵۰% ریخته گری ها در سراسر دنیا را در بر می گیرد . استفاده از این فیلترها در این کاربرد حدود ۴۰۰۰۰۰۰ فیلتر در سال است و اندازه آن ها از محدوده mm 150-300 تا mm 35 و با ضخامت های متفاوت از mm 13-32 می باشد.

در دیگر تولیدات فلزی مانند ریخته گری فولاد ، آلیاژهای مس و سوپر آلیاژهای دما بالا به طور روتین از CFF ها استفاده می شود .

اغلب فیلترهایی که در فیلتراسیون مذاب استفاده می شوند از روش همتاسازی فوم (  Foam Replication ) ساخته می شوند . در این فرآیند فوم پلی یورتان از دوغاب سرامیکی پوشانده می شود ، بعد از آن خشک و سپس زینتر می گردد . در طول زینترینگ ، فوم پلی یورتان که از دوغاب سرامیکی پوشانده شده ، بخار و از ساختار خارج و پشت آن تخلخل بر جای می ماند .

سیکل دما و زمان برای ایجاد باندهای فیلتر ضروری است ( برای مثال ، باند سیلیکا در سیلیکون کاربید یا باند فسفات در آلومینا ) عموما ۲-۱ ساعت و حدود c1200 است و این سیکل برای زیرکونیای چقرمه شده با آلومینا یا زیرکونیای نیمه پایدار شده عموما ۲-۱ روز و دمای c1500 می باشد.

روش تولید با تکنیک همتاسازی فوم می تواند حجم بالایی از فیلترها با خواص قابل قبول و قیمت نسبتا پایین را ایجاد کند.

 

 تئوری فیلتراسیون مذاب فلز

در این فیلتراسیون سه مکانیزم وجود دارد ، که تنها یا به صورت ترکیبی به کار گرفته می شود این مکانزیم ها عبارتند از غربالی ، کیکی ، عمق بستری . شکل (۱) حالت مکانیزم های سه گانه فیلتراسیون را به صورت شماتیک نشان می دهد .

4

شکل (۱) سه حالت ممکن از فیلتراسیون.

در اغلب کاربردها مکانیزم فیلتراسیون عمق بستری استفاده می شود زیرا سطوح انرژی بزرگ وذرات محتوا که حذف می شوند کوچک هستند . وقتی واکنش با دیواره فیلتر رخ می دهد ، باید نیروی چسبندگی به اندازه کافی قوی و مقاوم باشد و نباید در برابر جریان های آلوده فلز کنده و به جریان مذاب راه بیفتد .

نیروی چسبندگی به جمع نیروهای سطحی بین / فیلتر ، فلز / فیلتر و فلز بستگی دارد . تغییرات انرژی آزاد گیبس برای جدایش مذاب از دیواره فیلتر قابل محاسبه می باشد. برای اینکه دیواره فیلتر ثابت بماند، کافی است انرژی آزاد گیبس زیر صفر باشد که باعث خواهد شد واکنش بین مواد فیلتر یا فلز باقی مانده که تر نشده و محتوای مواد افزایش یابد. برای مثال ، با توجه به شکل (۲) از رابط فلز صرف نظرشده، چون فیلتر یا محتوای آن را تر نکرده است.

 

5

شکل (۲) شماتیکی از ذره جامد محتوا در رابط بین فیلتر و مذاب فلز.

مدلی از فیلتراسیون توسط CFF ها برای مذاب آلومینیوم که در آلیاژسازی بکار می رفت ارائه شد ، در این مدل عملکرد فیلتر عمق بستری در نظر گرفته شد که در آن ذرات بالک از محتوا کوچکتر از اندازه تخلخل ها هستند ، بنابراین آن ها از طریق ساختار عمیق فیلتر حفظ می شوند.

سطح تماس بالا و پیچ و تاب در مسیر ، علت اصلی چسبندگی در CFF ها است . شکل (۳) به نحو بهتری عملکرد فیلتراسیون عمق بستری از طریق گرفتن ذرات در عمق را نمایش می دهد که در آن غلظت در سطوح ورودی بالاست و به سمت سطوح خروجی کاهش میابد.

 

6

شکل(۳) تصویر شماتیکی از فیلتراسیون عمق بستری.

کاربردهای تجاری

 – آلومینیوم

در تولید اجزای آلومینومی برای اینکه خواص نهایی محصول قابل قبول باشد ، نیاز است قبل از شکل دهی آلومینیوم مذاب آن فیلتر شود. زمانی که فیلتراسیون انجام شد ، آلومینیوم ریخته گری و به شکل نهایی در آورده می شود . شکل دادن اجزای آلومینیومی با فرآیند نورد یا اکستروژن صورت می گیرد که نیاز است فلز خیلی تمیز باشد . در این تولیدات گسترش فیلتراسیون تاکیده شده است تا محصول نهایی کیفیت مورد نیاز را داشته باشد .

عموما محتوایی که از مذاب آلومینوم توسط فیلتراسیون حذف می شود ، جامد هستند مانند پوسته های اکسیدی ، آلومینات منیزیم ، سپینل ها و بوریدها یا مایعاتی مانند نمک های کلراید منیزیم و آگلومره های نمکی – اکسیدی .

محصول تجاری فویل آلومینیومی کمتر از mm5 ضخامت دارد و برای تولید آن ضرروری است که مذاب تمیز باید . فلزی که برای قوطی آلومینیومی نوشیدنی استفاده می شود نیازمند کیفیت خیلی بالایی است ; ذرات محتوا عموما در حد PPb هستند ! برای بالا بردن کیفیت در نتیجه فرآیند اکستروژن آلومینیوم نیاز است سرعت اکستروژن یا بازده فرآیند را افزایش دهیم اما نتیجه وابسته به حساسیت مورد نیاز محصول نهایی است مانند ظروف استوانه ای و تیوپی .

در بدنه فیلتر ، به ندرت از فسفات یا سیلیکا در باند متراکم آلومینایی استفاده می شود . عموما ترکیبات بدنه را ۹۰ -۸۰ % آلومینا با درصد تعادلی از فسفات یا بایندر سیلیکایی تشکیل می دهد . بایندر اجازه می دهد تا فیلتر ساخته شده دارای ویژگی های کافی در حجم های بالا ، دمای نسبتا پایین ، انقباض جز نزدیک به صفر ، و هزینه کمتر داشته باشد .

انتخاب اندازه تخلخل فیلتر برای فرآیند بحرانی و مهم است . واحد اندازه گیری برای اندازه تخلخل ، تخلخل در اینچ ( PPi ) می باشد. اندازه تخلخل CFFها برای شکل دهی آلومینیوم متنوع و از PPi 20-7 است .انتخاب اندازه تخلخل تابع کیفیت فلز دریافتی و محصول نهایی مور نیاز است . فیلترهای ppi 20-40 برای کاربردهای مشترک ، ppi 50-70 برای تولید بالا استفاده می شوند . اندازه تخلخل بر دبی عبور آلومینیوم از فیلتر و محیط دهانه فیلتر اثر می گذارد .در شکل دهی آلیاژهای آلومینیوم دبی فیلتراسیون Kg/min 1200 – ۵ است . زمانی که کوره بین ۱۰۰۰۰ و ۱۰۰۰۰۰ کیلوگرم بارگذاری شود از فیلتر نیمه پیوسته استفاده می شود و در زمان ریخته گری فیلتر مذاب در معرض فیلتر قرار میگیرد . دبی ویژه در نرخ جرمی هر فیلتراسیون سطوح گوناگونی از kg/min –  ۰٫۱ تا ۰٫۲ می باشد . از لحاظ دهانه ، زمانی که مذاب آلومینیوم برای اولین بار با فیلتر برخورد می کند ، پوسته نازکی از آلومینیوم رابط بین فلز و فیلتر می شود . نیاز است فشار دهانه از طریق این پوسته شکسته شود تا اجازه دهد فلز وارد محیط فیلتر شود ، اندازه ریزتر تخلخل فیلتر ، نیاز به محیط دهانه بزرگتر دارد .  در این کاربرد ، الزام آور است اندازه تخلخل عبوری فیلتر نسبتا یک شکل باشد. اگر نباشد ، وقتی جریان فلز در محیط فیلتر شروع شود ، مسیری که کوچکترین  مقاومتی را داشته باشد ، گرفته می شود و فقط بخشی از محیط فیلتر باقی می ماند. فیلتراسیون نیازمند طراحی تجهیزاتی است که فیلتر را در مسیر فلز مذاب حمایت کند ، بنابراین فیلتر قبل از تماس با مذاب باید پیش گرم شود.

فیلتراسیون مذاب آلومینیوم در دمای C 800 – ۷۵۰ انجام می شود ، فیلترها آلومینایی قید شده اند ، اگر چه هزینه اثرگذار است ، اما برای تحمل شوک حرارتی طراحی نشده اند. با این حال ، نیاز است به دقت روش های پیش گرم کنترل شود و مطمئن شد که فیلتر زمانی که با مذاب رو به رو می شود دچار شوک حرارتی نگردد . روش های پیش گرم بحرانی هستند ، به ویژهبرای فیلترهای اندازه بزرگ ، cm 60 مربع یا بیشتر .

مراحل سیستم فیلتراسیون برای استفاده از دو فیلتر درون سری طراحی شده است . این سیستم ها به طور عادی برای تولید ، شکل دهی آلومینیوم استفاده می شوند . شکل ها و شماتیک ها در تصاویر ۹ – ۷ نشان داده شده است . فیلترهای ۶۰ سانتی اندازه تخلخل درشت تری دارند و در عمل محتوای درشت تری را از مذاب حذف می کنند در عوض فیلترهای ۵۰ سانتی اندازه تخلخل ریزتری دارند و ذرات کوچکتر که از فیلتر ۶۰ سانتی عبور کرده اند را گرفته و حذف می کنند . فلز غیر تمیز قادر است در این سیستم به کار بیافتد ، که در نتیجه باعث ایجاد محصول با کیفیت در انتها می شود.

 

7

شکل (۴) نمونه ای از یک سیستم فیلتراسیون مذاب آلومینیوم.

– ریخته گری آهن

فیلتراسیون مذاب آهن برای ساخت اجزا با اشکال پیچیده و مقیاس بزرگ که در خط مونتاژ می شوند مورد نیاز می باشد ، مانند بلوک های موتور ، شافت های میلنگ و روتورهای دیسک ترمز. این اجزا به طور منحصر به فردی در قالب های شنی جداگانه ریخته گری می شوند . عموما جرم کل در هر قالب گیری از Kg 200 – ۲ و شامل یک یا چند جز است . فیلترها در محل سیستم تغذیه قالب قرار می گیرند . شکل ۱۰ شماتیک دو سیستم تغذیه را نشان می دهد . فیلترهایی که استفاده می شوند سیلیکای یا باند های رسی – سیلیکون کاربایدی هستند که محدوده اندازه آن ها از mm 185 – ۳۵ مربع می باشد ، و عموما اندازه تخلخل آن ها از ppi 25 -10 است .

 

8

شکل (۵)  انواع کانال های تغذیه فلز که با فیلتر به صورت افقی و عمودی قرار گرفته اند.

اساسا انتخاب اندازه فیلتر و اندازه تخلخل بستگی به نوع آهن در شروع ریخته گری دارد .آهن خاکستری ( چدن) عموما مقدار کمتری محتوا دارد، بنابراین  به طور نسبی بیشترین بارگذاری فیلتر از kg/ ۵ – ۳٫۵ و از تخلخل های ریز به طور نسبی ppi  ۲۵ – ۱۵ استفاده می شود، بار گذاری فیلتر به سادگی صورت می گیرد و جرم فلز (مذاب) از طریق واحدهای سطحی فیلتر ریخته می شود . آهن داکتیل شامل محتوای بیشتری است ، پس بارگذاری فیلتر باید

کمتر و اندازه تخلخل درشت تر باشد . عموما بارگذاری فیلتر از kg/min 2.8 – ۲٫۱ و اندازه تخلخل ppi 15 و ۱۰ است. توصیه شده که اندازه فیلتر ، نیاز است نسبت به مساحت دریچه و بالاتر از ۶ نگه داشته شود . دریچه ، مسیر کوچکی بر روی مسیر سیستم تغذیه فلز است و سرعت جریان فلز را کنترل می کند . قوانین بالا شرایطی محیا می کنند که بتوان تغذیه قالب را محدود و اصلاح کرد ، که این به خوبی بر کیفیت نهایی اثر می گذارد .

در ریخته گری آهن ، محتوای مایع کاملا عادی هستند. سیلیکون ، آهن و منگنز از مذاب می توانند اکسیداسیون شوند و به فرم Si-FeO-MnO رسوب کنند . رسوب توسط اکسیداسیون مذاب در دمای کمتر از c 1170 تشکیل می شود. گرفتن رسوب مایع توسط باند – سیلیکا فیلتر CFF سیلیکون کاربیدی در شکل (۶) نشان داده شده است.

 

9

شکل (۶) تصویر SEM در حالت backscatter ( الکترون های برگشتی ) را نشان می دهد که رسوب سیلیکات منیزیم مایع  روی فیلتر سیلیکون کاربیدی با باند-سیلیکایی را تر کرده است.

 

فیلتراسیون مذاب آهن کار مشکلی است ، فیلتر در مواجه با افزایش سریع دما و بارگذاری زیاد مکانیکی در دمای بالا تاب بر می دارد . زمان ریخته گری فقط ۴۵ ثانیه طول می کشد ، اما دمای مذاب آهن بیش از c 1400 است. زمانی که مذاب آهن ریخته می شود ، فیلتر پیش گرم نشده است و دما به سرعت از  ۲۰ به c 1400 می رسد . فیلتر به سرعت با محتوا بارگیری میشود و فشار دهانه بالای فیلتر پیوسته افزایش می یابد.

سیلیکا -باند سیلیکون کاربید عالی ترین ماده برای استفاده در فیلتراسیون آهن است . فیلتر نمی تواند پیش گرم شود ، پس باید دارای ترافیک مقاومت به شوک حرارتی باشد ، که حاصل هدایت حرارتی سیلیکون کاربید است.کامپوزیت زمینه سیلیکایی و با تراکم سیلیکون کاربید ، اگر طراحی خوبی شده باشد ، می تواند باند قدرتمندی در دمای بالا ایجاد کند . فرمولاسیون فیلترها بر اساس هوفمن و السون ، دارای مقدار مدول گسیختگی بیشتر از kg/ ۷ هستند زمانی که به سرعت به دمای c1428 و مدت ۴۵ ریخته گری می رسند ، که نسبتا زمان طولانی است . ترکیب ، ویژگی های رئولوژیکی دوغاب ،  به سختی در دمای بالا دوام می آورند .

خصوصیت مهم دیگری که CFF ها در ریخته گری آهن دارند ، حالت های ورود جریان مذاب آهن در حین ریخته گری است. از تلاطم در جریان ورودی فلز مذاب در ریخته گری باید اجتناب شود چون با این تغییر الگو حباب گاز و آخال اکسیدی تشکیل می شود.مدل سازی با آب نشان می دهد فوم سرامیکی به خوبی تلاطم را در جریان مایع در مقایسه با فیلتر توری کاهش می دهد . در حالت واقعی ، تصاویر اشعه X از جریان فلز مذاب به قالب نشان می دهد CFF به طور قابل توجهی تلاطم مذاب را کاهش می دهد ، و مانع از تشکیل عیوب می شود .

 

– فولاد

فولاد برای ساخت اجزای مکانیکی پیچیده مانند بدنه پمپ ها و والو ها استفاده می شود. فولاد در قالب شنی ریخته گری می شود. ریخته گری قالب شنی برای فولاد و حتی در مورد آهن برای کاربرد فیلتراسیون طاقت فرسا است، به این دلیل که دمای ریخته گری بالاتر از c 1560 است و سیالیت پایین فلز با محدودیت کاربردی ترکیب شده و باعث می شود نتوان فیلتر را پیش گرم کرد . برای این منظور ترکیبات فیلتر را از زیرکونیای پایدار شده جزئی انتخاب می کنند . Mg به عنوان عامل پایدار کننده استفاده می شود.

گسترش استفاده از زیرکونیای پایدارشده در فیلتر ، برای عملکرد آن  بحرانی و ضروری است. اگر گسترش استفاده خیلی زیاد باشد می تواند باعث شکست فیلتر به علت پدیده شوک حرارتی شود و اگر گسترش به کافی نباشد فیلتر به دلیل مقاومت کم در دمای بالا شکست می خورد. با این دو مکانیزم ، ترکیبات و ساخت برای جلوگیری از شکست به طور بهینه طراحی می شوند.

فیلتراسیون مذاب فولاد برای ریخته گری مشکل است چون پیشگاه سطح یا زیر سطح اکسید های درشت – محتوا هستند که به طور چشمگیری باعث عیب و آسیب به خواصی مانند قابلیت ماشین کاری ، خواص مکانیکی و سفتی فشار می شود. اکسیدهای درشت-محتوا نتیجه اکسیداسیون مجدد در طول ریختن هستند. این محتوا باید قبل از ورود به سیستم راهگاهی  و حفره قالب حذف گردند.

کل جرم نهایی در هر قالب ، Kg 2000 – ۲ که شاید شامل یک یا بیشتر از یک جز باشد . اندازه فیلتر در محدوده cm 20 – ۵ مربع با ضخامت ۲ یا cm 3.8 می باشد . معمولا اندازه تخلخل فیلتر ۱۰ و ppi 15 است .  فولادهای با آلومینیوم احیا شده در kg/min 1.75 فیلتر می شوند ، فولادهای با سیلیکون احیا شده  و فولادهای زنگ نزن می توانند در بالاتر از  kg/min 7 ریخته شوند .

هر دو محتوای جامد و مایع در مذاب فولاد دیده می شوند . ذرات آلومینیوم از زمانی که آلومینیوم استفاده می شود، در فولاد احیا می شود .ذرات ریز به راحتی می توانند آگلومره شوند و توسط فیلتر نگه داشته شوند ،و رسوب های اکسیدی مایع مانند رسوب آلومینات کلسیوم در شکل (۷) نشان داده شده است. در این دمای بالا سطح انرژی بزرگی وجود دارد که به فیلتر اجازه می دهد که هر دو نوع محتوا را بگیرد.

 

10

شکل (۷) تصویر الکترون های برگشتی آلومینات های کلسیم مایع را نشان می دهد، که ساختار فیلتر را تر کرده اند. تحلیل انرژی پراکنده با آنالیز اشعه – X مخلوط ۳CaO و ۱۲CaO.7Al2O3 را نشان می دهد. احیا: تزریق سیم Al و Ca .

 

 

منبع نوشته:Cellular Ceramics in Metal Filtration by Rudolph A.Olson and Luiz C.B Martins

درباره نویسنده

مطالب مرتبط

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *