Filtr ceramiczny piankowy – jak dobrać materiał i gęstość porów (PPI)

Filtr ceramiczny piankowy zatrzymuje wtrącenia niemetaliczne i uspokaja strugę ciekłego metalu, zanim trafi ona do wnęki formy. Żeby rzeczywiście tak działał, trzeba podjąć trzy decyzje: dobrać materiał ceramiki do stopu, gęstość porów (PPI) do wymagań czystości i przepływu oraz wymiar do układu wlewowego. Poniżej porządkujemy je w kolejności, w jakiej podejmuje się je w odlewni.

Jak działa filtr ceramiczny piankowy

Filtr piankowy to ceramika o przestrzennej, otwartej strukturze połączonych ze sobą porów – porowatość filtrów SEFU wynosi 80–90%. Metal płynie przez labirynt kanałów, a wtrącenia zostają w filtrze. Producent opisuje cztery mechanizmy, które działają jednocześnie:

• uspokojenie przepływu – burzliwa struga za filtrem przechodzi w przepływ zbliżony do laminarnego, co ogranicza powstawanie wtórnych tlenków i porywanie powietrza,
• odsiewanie – większe cząstki zatrzymują się na powierzchni wlotowej,
• filtracja plackowa – zatrzymane wtrącenia tworzą warstwę, która sama zaczyna wyłapywać drobniejsze cząstki,
• adsorpcja – drobne wtrącenia przywierają do ścianek kanałów wewnątrz filtra.

Według danych producenta stosowanie filtrów piankowych zmniejsza udział braków spowodowanych wtrąceniami o ponad 50%, wydłuża trwałość narzędzi przy obróbce skrawaniem o ponad 30% i podnosi uzysk technologiczny o ponad 10%.

Krok 1: dobierz materiał filtra do stopu

Ceramika musi wytrzymać temperaturę zalewania i nie reagować z ciekłym metalem. To pierwsza decyzja i jedyna, której nie warto sprawdzać metodą prób i błędów. Filtr do aluminium nie nadaje się do staliwa, nawet jeśli wymiarami pasuje do gniazda.

Aluminium – tlenek glinu (Al₂O₃)

Filtry z tlenku glinu pracują do 1100°C, czyli z dużym zapasem względem temperatur zalewania stopów aluminium. Stosuje się je w dwóch rolach: jako małe kształtki w układzie wlewowym formy oraz jako duże płyty o grubości 50 mm w skrzyniach filtracyjnych odlewni aluminium.

Żeliwo – węglik krzemu (SiC)

SiC to standard w odlewniach żeliwa szarego i sferoidalnego: temperatura pracy do 1500°C, wytrzymałość na ściskanie co najmniej 0,9 MPa. Producent przewiduje je także do stopów metali nieżelaznych, np. stopów miedzi.

Staliwo – tlenek cyrkonu (ZrO₂)

Staliwo węglowe i nierdzewne wymaga ceramiki o wyższej odporności temperaturowej niż SiC. Filtry cyrkonowe pracują do 1700°C i mają najwyższą wytrzymałość w tej grupie: co najmniej 1,0 MPa na zginanie i 1,2 MPa na ściskanie. Producent poleca je również do dużych odlewów żeliwnych.

Magnez – tlenek magnezu (MgO)

Do magnezu i jego stopów stosuje się filtry z tlenku magnezu (99% MgO), pracujące do 1200°C, w szerszym zakresie gęstości porów: 10–60 PPI.

Krok 2: dobierz gęstość porów (PPI)

PPI (pores per inch) to liczba porów przypadająca na cal długości filtra. Im wyższa wartość, tym drobniejsza struktura. Filtry SEFU z Al₂O₃, SiC i ZrO₂ są produkowane w zakresie 10–40 PPI.

Dwie rzeczy, o których łatwo zapomnieć:

• PPI to nie rozmiar w mikronach. Na skuteczność wpływa też grubość filtra, jego powierzchnia czynna, czystość kąpieli i warunki zalewania.
• Wyższe PPI nie oznacza automatycznie lepszego odlewu. Jeśli kąpiel niesie dużo wtrąceń, drobny filtr zapcha się przed końcem zalewania.

Jak duża jest różnica, pokazują dane producenta dla filtra SiC 100 × 100 × 22 mm: przy 10 PPI przepływ wynosi 24 kg/s (żeliwo szare), przy 30 PPI – 15 kg/s. Ten sam wymiar, o ponad jedną trzecią mniejsza przepustowość.

Krok 3: sprawdź przepływ i pojemność filtra

Wymiar filtra dobiera się do dwóch wielkości:

1. Średniego wymaganego przepływu – masa metalu podzielona przez czas zalewania. Przykład: 60 kg w 30 s daje 2 kg/s.
2. Pojemności filtra – masy metalu, którą filtr przepuści, zanim zatrzymane wtrącenia zaczną go dławić.

W przykładzie z 60 kg żeliwa sferoidalnego przepływ 2 kg/s nie jest problemem nawet dla filtra 50 × 50 × 22 mm, ale pojemność już tak: producent podaje dla tego wymiaru 50 kg. Rozsądnym kandydatem do próby jest 75 × 75 × 22 mm (110 kg). Ten sam odlew z żeliwa szarego mieści się w danych dla 50 × 50 × 22 mm (100 kg).

Pamiętaj, że obliczony przepływ to średnia. Nie dowodzi jeszcze, że filtr go zapewni w Twoim układzie wlewowym – rozstrzyga próba.

Krok 4: uwzględnij proces odlewania

• Formy piaskowe – filtr leży w układzie wlewowym, zwykle w gnieździe lub komorze filtra. Sprawdź wymiary gniazda, gatunek stopu, masę odlewu i czas zalewania.
• Odlewanie precyzyjne (metoda wytapianych modeli) – materiał musi pasować do stopu i temperatury, a filtr musi być stabilnie podparty w ceramicznej skorupie.
• Odlewanie kokilowe i ciśnieniowe – przydatność filtra zależy od konkretnej technologii. Przy klasycznym odlewaniu wysokociśnieniowym trzeba ją potwierdzić z wymaganiami maszyny i procesu.

Szybka diagnostyka: objaw, przyczyna, co sprawdzić

Tabela wskazuje kierunek poszukiwań, a nie gotową diagnozę. Jeśli przepływ się zmienia, zapchania wracają albo pojawiają się nowe wady, sprawdź to od razu – nie przy kolejnej dostawie.

Jakie dane przygotować do doboru filtra

• rodzaj stopu i proces odlewania,
• obecne lub docelowe PPI,
• wymiary filtra albo gniazda, w którym ma pracować,
• masę odlewu i czas zalewania,
• ilość: na próbę i w produkcji seryjnej,
• główny problem, który chcesz rozwiązać (wtrącenia, niedolewy, pękanie filtrów),
• zdjęcie lub rysunek obecnego filtra.

Filtry SEFU Ceramic – piankowe, komórkowe i siatki z włókna szklanego – znajdziesz w naszej ofercie filtrów odlewniczych, a pełne parametry w katalogu SEFU Ceramic (PDF).

Najczęściej zadawane pytania

Opracowanie: zespół Mammut Polska – oficjalnego dystrybutora SEFU Ceramic w Polsce. Dane techniczne: katalog SEFU Ceramic (PDF) oraz karty techniczne filtrów piankowych producenta. Wartości producenta są orientacyjne – ostateczną specyfikację potwierdza próba w Twoim procesie.