CN115300955B - 用于金属铸造的陶瓷过滤器的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷泡沫过滤器系统包括过滤器主体，过滤器主体具有穿过过滤器主体以过滤熔融液体的多个曲径通道。限定流道内的筒体的过滤器支架结构容纳过滤器主体。过滤器主体的上游端接收含有多种夹杂物的熔融液体。主要部分的夹杂物大于多个曲径通道并且被截留在过滤器主体的上游端。多个曲径通道的大小设计成将熔融液体内主要部分的多种氧化物截留成为过滤器主体内的截留氧化物。经过滤去除了含有的多种夹杂物和多种氧化物的熔融材料作为排出流经多个曲径通道引导至过滤器主体的下游端排出。
Description
技术领域
本公开涉及在金属铸造操作中使用以在金属浇注过程中去除液态金属中的夹杂物和氧化物的陶瓷过滤器。
背景技术
诸如汽车发动机气缸盖之类的部件通常使用半永久性模具来铸造，该模具填充有诸如铝的熔融金属，利用重力将该熔融金属注入模具。半永久性模具(SPM)涉及一种铸造工艺，该工艺可利用可重复使用的金属模具和砂芯生产铝合金铸件，以在所得铸件内形成内部通道。液态金属铸造操作用于例如将液态铝倒入模具中以生产汽车发动机缸体和发动机缸体部件，例如气缸盖。
在已知的铸造方法中，陶瓷过滤器位于模具上游的液态金属浇注路径中，用于过滤液态金属中的夹杂物和氧化物，从而提高铸造纯度。已知的用于液态铝材料浇注的陶瓷过滤器由适合铝熔体温度的陶瓷泡沫制成。然而，此类材料容易受到不均匀和不一致的孔径的影响，因此可能导致过滤效率低。不均匀和不一致的孔径会导致金属通过过滤器并因此通过系统的流速发生显着变化，这会对模具填充和固化时间产生负面影响。目前的陶瓷泡沫过滤器无法100％去除液态铝中的污染物，其效率可能低至60％至70％。
因此，虽然目前用于液态金属浇注操作的陶瓷过滤器达到了其预期目的，但需要一种新型改进的系统和方法，用于在模具浇注操作期间过滤液态金属中的夹杂物和氧化物。
发明内容
根据若干方面，一种陶瓷泡沫过滤器包括过滤器主体，过滤器主体具有形成多个曲径通道的部分，多个曲径通道穿过过滤器主体以过滤熔融液体(molten liquid)，熔融液体含有多种夹杂物。过滤器主体的上游端用于接收熔融液体。多个曲径通道的大小设计成将熔融液体内主要部分的多种氧化物截留为过滤器主体内的截留氧化物。
在本公开的另一方面，熔体处理材料结合在多个曲径通道内。
在本公开的另一方面，熔体处理材料涂覆在曲径通道的壁上。
在本公开的另一方面，当熔融材料穿过多个曲径通道时，熔体处理材料的熔体处理部分被熔融材料截留并结合到熔融材料中。
在本公开的另一方面，熔体处理材料包括晶粒细化剂、共晶改性剂和化学助熔剂中的至少一种。
在本公开的另一个方面，晶粒细化剂包括硼化钛材料、硼化物材料、硼化镧材料、铌材料、硼化铌材料、钛-镁-铈材料和镧-铈材料中的至少一种。
在本公开的另一方面，共晶改性剂包括有机硅改性剂，该有机硅改性剂包括锶(Sr)材料、钠(Na)材料、锑(Sb)材料、磷(P)材料、钙(Ca)材料、钡(Ba)材料、钇(Y)材料、铕(Eu)材料、镱(Yb)材料、镧(La)材料、铈(Ce)材料、镨(Pr)材料和钕(Nd)材料中的一种或多种。
在本公开的另一方面，化学助熔剂包括氧化膜去除剂中的至少一种，氧化膜去除剂包括含氟材料或无氟材料。
在本公开的另一方面，多个曲径通道中连续的通道相对设置，多个曲径通道中单独的通道包括多个圆形槽。
在本公开的另一方面，多个曲径通道中连续的通道相对设置，多个曲径通道中单独的通道包括多个矩形槽。
根据若干方面，陶瓷泡沫过滤器系统包括过滤器主体，过滤器主体具有穿过过滤器主体的多个曲径通道以过滤熔融液体。过滤器主体设置在具有类似于筒体结构的流道内。过滤器主体的上游端接收含有多种夹杂物的熔融液体。主要部分夹杂物大于多个曲径通道并且被截留在过滤器主体的上游端。多个曲径通道的大小设计成将熔融液体内主要部分的多种氧化物截留成为过滤器主体内的截留氧化物。经过滤去除了含有的多种夹杂物和多种氧化物的熔融材料作为排出流经多个曲径通道引导至过滤器主体的下游端排出。
在本公开的另一方面，生产铸件的模具限定汽车的铝气缸盖。
在本公开的另一方面，具有浇注系统的进料部连接至模具。
在本公开的另一方面，包括浇注盆，熔融液体浇注其中，熔融液体在重力作用通过向下方向的浇口向下流出浇注盆并通过过滤器结构，过滤器结构限定流道内的筒体并包括陶瓷泡沫过滤器。
在本公开的另一方面，熔融材料作为过滤后的熔融材料排出陶瓷泡沫过滤器并被引导至水平方向的流道内，并且过滤后的熔融材料从流道被分流并通过多个浇口流入模具。
在本公开的另一方面，通过增材制造工艺将熔体处理材料结合到多个曲径通道内，其中当过滤后的熔融材料穿过多个曲径通道时，一部分熔体处理材料被过滤后的熔融材料截留并结合到过滤后的熔融材料中作为熔体处理部分。
在本公开的另一方面，熔体处理材料包括晶粒细化剂、共晶改性剂和化学助熔剂中的至少一种。
根据若干方面，一种制造陶瓷泡沫过滤器的方法包括：在结合操作中结合陶瓷粉末和至少一种粘合剂；设计陶瓷泡沫过滤器单元几何形状；使用结合操作中增材制造操作使用的陶瓷粉末和粘合剂打印陶瓷泡沫过滤器；以及在烧结温度高于所述陶瓷泡沫过滤器所过滤的熔融材料的预期温度的条件下烧结所述陶瓷泡沫过滤器。
在本公开的另一方面，该方法还包括对陶瓷泡沫过滤器进行元件表面处理。
在本公开的另一方面，该方法还包括将陶瓷泡沫过滤器组装到滤筒内。
通过本文的描述，其他适用领域显而易见。应当理解，描述和具体示例仅用于说明目的，并不用于限制本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据示例性方面的限定流道内的筒体的陶瓷泡沫过滤器和过滤器支架结构的前立面剖视图；
图2是使用图1所示的陶瓷泡沫过滤器生产铸件的熔融材料浇注系统的左前透视图；
图3是根据第一方面的图1所示的陶瓷泡沫过滤器的左上方透视图；
图4是根据第二方面的图1所示的陶瓷泡沫过滤器的左上方透视图；
图5是图3中截面5的剖视图；
图6是图4中截面6的剖视图；
图7是用于形成图1所示的陶瓷泡沫过滤器的示例性方法步骤的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
参见图1，示出了陶瓷过滤器系统10，其包括具有过滤器主体14的陶瓷泡沫过滤器12，过滤器主体14提供穿过过滤器主体14的多个曲径通道16，用于过滤诸如铝熔融液体。下文讨论的熔融液体在上游端18进入过滤器主体14，通过多个曲径通道16穿过过滤器主体14并在下游端20从过滤器主体14排出。过滤器主体14设置在过滤器支架结构，该结构限定流道22内的筒体，流道通道22具有适于容纳和保持过滤器主体14的扩大部分24。限定流道22内的筒体的过滤器支架结构包括过滤器主体14上游的入口段26和过滤器主体14下游的出口段28。过滤器支架结构的入口端接收诸如加热的液态铝熔融液体30的输入流，该过滤器支架结构限定了流道22内的筒体。熔融液体30通常夹带所述熔融液体30不需要的夹杂物34和氧化物36，因此旨在使用所述过滤器主体14将其去除。
当熔融液体30来到过滤器主体14时，主要部分夹杂物34由于体积过大而无法进入多个曲径通道16并且因此截留在过滤器主体14的上游端18。多个曲径通道16的大小也设计成截留主要部分氧化物36，这些氧化物36显示为过滤器主体14内的截留氧化物38。经过滤去除了含有的夹杂物34和氧化物36的熔融材料40作为排出流被引导至限定流道22内的筒体的过滤器支架结构的出口端44以排出出口段28。
根据几个方面，通过增材制造工艺制造过滤器主体14并且可压印有熔体处理材料46结合在多个曲径通道内。当过滤后的熔融材料40穿过多个曲径通道时，一部分熔体处理材料46被过滤后的熔融材料40截留并结合到过滤后的熔融材料40中作为熔体处理部分48。根据若干方面，熔体处理材料46可以包括晶粒细化剂、共晶改性剂、化学助熔剂等中的至少一种。晶粒细化剂可以是硼化钛(TiB)材料、硼化物(B)材料、硼化镧(La-B)材料、铌(Nb)材料、硼化铌(Nb-B)材料、钛-镁-铈(Ti-Mg-Ce)材料、镧-铈(La-Ce)材料等。共晶改性剂可以是有机硅改性剂，该有机硅改性剂包括锶(Sr)材料、钠(Na)材料、锑(Sb)材料、磷(P)材料、钙(Ca)材料、钡(Ba)材料、钇(Y)材料、铕(Eu)材料、镱(Yb)材料、镧(La)材料、铈(Ce)材料、镨(Pr)材料、钕(Nd)材料等的一种或多种。化学助熔剂可以是氧化膜去除剂，例如含氟材料或无氟熔剂。
参见图2并再次参见图1，根据若干方面，陶瓷过滤器系统10结合在模具填充系统50中并且可以用于填充半永久性模具52，其端部如图所示，用于生产铸件54，例如限定汽车内燃机(未示出)的铝气缸盖。熔融液体30通过进料部56利用重力送入模具52。进料部56提供了浇注系统，该浇注系统包括作用类似于漏斗的浇注盆58，所述熔融液体30浇注其中。熔融液体30在重力作用下通过向下方向的浇口60向下流出浇注盆58并通过过滤器支架结构，过滤器结构限定流道22内的筒体并包括陶瓷泡沫过滤器12，作为过滤后的熔融材料40排出陶瓷泡沫过滤器12并且被引导至大致水平定向的流道64内。过滤后的熔融材料40从流道64分流并流经多个浇口66进入模具52。
当过滤后的熔融材料40填充模具52时，为了使大量可能包含孔隙的铸造金属远离成品铸件54，过滤后的熔融材料40的溢流通常是在模具52上方的冒口68，以在凝固过程中供给铸件收缩，此时冷却速度最慢，因此最有可能出现孔隙。由于在冷却过程中过滤后的熔融材料40的预期收缩，预先确定冒口68的尺寸和体积以计算要添加到浇注盆58和/或浇口60的过滤后的熔融材料40的总体积。为了确保依靠重力流动，预先确定浇注盆58的高度，使其位于或高于冒口68的最大预期高度。设计浇口60和流道64的大小以允许依靠重力流动。
参见图3并再次参见图1和2，根据若干方面，第一陶瓷泡沫过滤器12A包括位于多个曲径通道16A内的熔体处理材料。参见图5更详细地示出和描绘了熔体处理材料。
参见图4并再次参见图2和3，根据若干方面，第二陶瓷泡沫过滤器12B包括位于多个曲径通道16B内的熔体处理材料。参见图6更详细地示出和描绘了熔体处理材料。
参见图5并再次参见图3，第一陶瓷泡沫过滤器12A的多个曲径通道16A中的示例性通道描绘为曲径通道16A1、16A2、16A3和16A4。根据若干方面，多个曲径通道16A中连续的通道相对设置，例如曲径通道16A1和曲径通道16A2。多个曲径通道16A中单独的通道包括多个圆形槽70。在增材制造过程中，将熔体处理材料46放置在单独通道的圆形槽70内。如前所述，当诸如熔融铝之类的熔融材料通过第一陶瓷泡沫过滤器12A的多个曲径通道16A时，熔体处理材料46熔化并被熔融材料带走，成为过滤后的熔融材料40的一部分。
参见图6并再次参见图4，第二陶瓷泡沫过滤器12B的多个曲径通道16B中的示例性通道描绘为曲径通道16B1、16B2、16B3和16B4。根据若干方面，多个曲径通道16B中连续的通道相对设置，例如曲径通道16B1和曲径通道16B2。多个曲径通道16B中单独的通道包括多个矩形槽72。在增材制造过程中，将熔体处理材料46放置在单独通道的矩形槽72内。如前所述，当诸如熔融铝之类的熔融材料通过第二陶瓷泡沫过滤器12B的多个曲径通道16B时，熔体处理材料46熔化并被熔融材料带走，成为过滤后的熔融材料40的一部分。
参考图7并再次参考图1至图6，制造陶瓷泡沫过滤器74的方法包括在结合操作76中将陶瓷粉末和至少一种粘合剂结合。在设计操作78中，设计和选择过滤器元件几何形状。在打印操作80中，使用来自结合操作76的陶瓷粉末和粘合剂打印在设计操作78中选择的陶瓷泡沫过滤器。在打印操作80之后的烧结操作82中，在烧结温度高于待过滤的熔融材料例如熔融铝的预期温度的条件下烧结陶瓷泡沫过滤器。在处理操作84中，可在烧结操作完成后进行元件表面处理。在烧结操作82和处理操作84之后，将完成的陶瓷泡沫过滤器主体组装到过滤器支架结构中，该支架结构限定了参见图1所述的流道22中的筒体。
如上所述，根据图5和图6，在进行打印操作80时，可在增材制造过程中加入熔体处理材料46。预先确定熔体处理材料46的类型和位置，以形成曲径通道16的几何形状。
本公开的陶瓷泡沫过滤器主体可以使用增材制造工艺通过直接打印陶瓷粉末和粘合添加剂来制造。熔体处理材料或合金元素也可以打印或集成在陶瓷泡沫过滤器主体内，通过允许熔体处理材料均匀地释放在熔融材料流中，以进一步提高熔体清洁度和微观结构细化。控制过滤器的几何形状，以允许在熔融材料流过过滤器主体时有效去除夹杂物和材料氧化物。
均匀的多孔通道几何形状和尺寸可以一致地打印在整个陶瓷泡沫过滤器主体上。可以通过增材制造工艺控制多孔通道的几何图案和尺寸。增材制造工艺会产生复杂的几何形状，这些几何形状在整个陶瓷泡沫过滤器主体的内部特征中都是精确且可重复的。与使用的已知陶瓷过滤器相比，由本公开生产的陶瓷泡沫过滤器主体的效率提高了70％以上。可以一个或多层结构提供一个或多个喷嘴。在打印过程中可以添加合金材料，例如晶粒细化、共晶改性、化学助熔剂等。在过滤器计算机辅助设计(CAD)模型的生产期间，通过调整打印参数或增加表面纹理时选择的任何合金材料，可以控制或预设过滤器元件的粗糙度。
本公开的陶瓷泡沫过滤器具有若干优点。包括提供多孔通道几何形状和受控过滤器通道尺寸以实现过滤器的一致性。可以在陶瓷泡沫过滤器中加入多种润湿性不同的材料。过滤器的一部分或多个曲径通道内的部分可以包括熔体处理材料和合金元素。陶瓷泡沫过滤器可以与诸如熔模铸造的模具一起打印。
本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在属于本公开的范围内。这种变型不应被视为背离本公开的精神和范围。
Claims (7)
1.一种陶瓷泡沫过滤器，包括：
过滤器主体，所述过滤器主体具有形成多个曲径通道的部分，所述多个曲径通道穿过过滤器主体以过滤熔融液体，熔融液体含有多种夹杂物；
所述过滤器主体的上游端用于接收熔融液体；并且
所述多个曲径通道的大小设计成将熔融液体内的多种氧化物的主要部分截留为过滤器主体内的截留氧化物；
所述多个曲径通道中连续的通道相对设置形成均匀的多孔通道几何形状和尺寸；
熔体处理材料结合在所述多个曲径通道内，当过滤后的熔融材料穿过所述多个曲径通道时，一部分所述熔体处理材料被所述过滤后的熔融材料截留并结合到所述过滤后的熔融材料中，其中所述熔体处理材料包括晶粒细化剂、共晶改性剂和化学助熔剂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的陶瓷泡沫过滤器，所述熔体处理材料涂覆在所述曲径通道的壁上。
3.根据权利要求1所述的陶瓷泡沫过滤器，其中所述晶粒细化剂包括硼化钛材料、硼化物材料、硼化镧材料、铌材料、硼化铌材料、钛-镁-铈材料和镧-铈材料中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的陶瓷泡沫过滤器，其中所述共晶改性剂包括有机硅改性剂，所述有机硅改性剂包括锶(Sr)材料、钠(Na)材料、锑(Sb)材料、磷(P)材料、钙(Ca)材料、钡(Ba)材料、钇(Y)材料、铕(Eu)材料、镱(Yb)材料、镧(La)材料、铈(Ce)材料、镨(Pr)材料和钕(Nd)材料中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的陶瓷泡沫过滤器，其中所述化学助熔剂包括氧化膜去除剂中的至少一种，所述氧化膜去除剂包括含氟材料和无氟材料中的一种。
6.根据权利要求1所述的陶瓷泡沫过滤器，其中所述多个曲径通道中单独的通道包括多个圆形槽。
7.根据权利要求1所述的陶瓷泡沫过滤器，其中所述多个曲径通道中单独的通道包括多个矩形槽。
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