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    鑄造用泡沫陶瓷過濾器

    曹大力 , 周靜一, 尹國利 , 王慧華 , 方慶紅
    摘要: 介紹了國內20 年來泡沫陶瓷過濾器的發展、現狀及存在的問題, 分析了泡沫陶瓷過濾器的過濾機制, 總結了制造中的原料選取、制造工藝、技術性能標, 評述了應用中的實際效果和注意事項。
    關鍵詞: 鑄造; 泡沫陶瓷; 過濾器
        泡沫陶瓷是由陶瓷構成的泡沫體, 其孔隙率高達80 %~90 % , 且通道曲折, 表面積大, 可與流體充分接觸。大量的研究實踐證明〔1 - 9〕, 泡沫陶瓷過濾器可有效去除金屬中的夾雜物和氣體等有害雜質, 提高金屬內在質量。
        中國加入WTO 后, 鑄造業的發展勢頭強勁〔10〕,對高性能鑄件的需求劇增, 因而對泡沫陶瓷過濾器的需求日益增加。據統計〔11 - 12〕, 我國鑄造業對泡沫陶瓷過濾器年需求量近1 億片, 產值可達5~7 億元,而提高鑄件質量所帶來的實際利潤遠遠超過這一數字, 世界鑄造業對泡沫陶瓷過濾器的年需求量近十億片, 其經濟效益極為可觀。我國政府、科研機構及生產廠家對泡沫陶瓷的發展給予高度重視, 在泡沫陶瓷的研制和生產方面做了大量的工作。
    1  應用現狀
        鑄造合金用泡沫陶瓷過濾器在國內的發展始于上世紀80 年代。80 年代中期, 葉榮茂〔13〕等成功研制了用于鋁合金、鑄鐵、不銹鋼過濾的泡沫陶瓷過濾器; 1985 年, 曹文龍、豆柱〔14〕等申請了用于鋁合金、銅合金、鎂合金和鑄鐵件的過濾除渣的泡沫陶瓷過濾器專利; 在此期間, 沈陽鑄造研究所、上海機械制造工藝研究所、湖北省機電研究設計院、南昌航空工業學院、東風汽車公司等單位也先后開展了泡沫陶瓷過濾器的研究工作, 并均取得豐碩成果〔11〕。
        90 年代, 深圳漢力高技術陶瓷有限公司建成我國第一條泡沫陶瓷生產線并投入批量生產。1993 年,北京市昌平縣特種陶瓷材料研究所與清華大學和中國建材科學院共同研制、開發出系列可用于鑄鋼、鑄鐵和有色合金的泡沫陶瓷過濾器, 并建成一條200 萬標件的生產線。
        2001 年12 月, 貴州新材料礦業發展有限公司與清華大學、中國科學院上海硅酸鹽研究所等單位, 聯合承擔了國家“十五”863 計劃《耐高溫、高強、耐磨、耐腐蝕陶瓷部件的關鍵制備技術》重大專項中的“碳化硅泡沫陶瓷熔融金屬過濾器”的研發和產業化建設, 計劃在“十五”后期建成年產2 000 萬片的碳化硅基泡沫陶瓷過濾器中試生產線, 再用2~3 年時間達到上億片的生產能力〔12〕。
        2002 年6 月, 中國建材工業出版社出版了《泡沫陶瓷過濾器》國家標準。
        據不完全統計, 目前國內已有10 多條泡沫陶瓷過濾器生產線, 年生產總量已達數千萬片〔11〕。用于鎂、鋁、銅等有色金屬合金的泡沫陶瓷過濾器性能穩定, 已形成了一定的生產規模, 其性能可以與美國Selee 公司的產品相媲美。
        用于鑄鋼、鑄鐵和連鑄等耐高溫泡沫陶瓷過濾器, 如碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等材質, 目前還未形成生產規模, 有的正處于開發階段, 所需的產品尚須大量進口。據海關統計, 僅2001 年天津港進口的碳化硅質的過濾器就達2 000 萬片。
    2  凈化機理
        泡沫陶瓷過濾器可以有效地攔截液態金屬中的夾雜物, 提高鑄件品質和成品率。研究其凈化液態金屬的機制, 可為過濾器的完善及應用提供理論依據。房文斌、賈天敏等對此做了大量工作〔13 ,15 - 16〕。
        飄浮分離機制在澆注系統中放置泡沫陶瓷過濾器后, 金屬液流阻力增大, 液態金屬在澆注系統中呈充滿狀態, 從而發揮澆注系統擋渣功能。同時, 從直澆道注入的液流通過過濾器節流, 金屬液在直澆道內短暫停留, 密度小的渣子上浮分離, 即可產生底注式澆注系統的同樣效果。當金屬液經泡沫陶瓷過濾器繼續澆注時, 一方面密度小的渣子上浮, 另一方面有效地減輕或消除了渦流。
         “濾餅”機制 泡沫陶瓷過濾器是彎彎曲曲的通道, 可以高效率地機械擋渣, 許多大于過濾器孔洞的夾雜被捕獲在過濾器入口端。隨著捕獲夾雜物數量的增多, 在過濾器入口端表面形成了由大塊夾雜構成的“濾餅”!盀V餅”使液流變細, 這樣小于過濾器網孔尺寸的夾雜也被部分捕獲在“濾餅”上。
        吸附機制 過濾器置于型腔的橫澆道或內澆道中, 過濾操作屬深層過濾。當第1 股液流抵達過濾器入口端表面時, 產生液流與泡沫網架的吸附現象, 同時, 會發生液流的“撞擊”現象。過濾器本身又有阻流作用, 有些夾雜質點在一定壓力下, 由于夾雜物與固態的泡沫陶瓷網架更具有相近的“共格對應”關系, 從而易于潤滑而產生吸附。這種吸附主要是以無選擇的多分子層物理吸附為主, 夾雜物在過濾器網架上逐層粘附, 直至堵塞為止。
    3  制備工藝
        我國關于泡沫陶瓷制備工藝的報道相對較少。泡沫陶瓷的制備工藝流程主要有下料、配料、制漿、浸漬、烘干和燒結等工序, 具體工藝參數因材質和使用要求而異。
    3.1  下料
        下料即切制泡沫塑料。網狀聚氨酯泡沫塑料作為過濾器的載體, 其性能直接影響過濾器的質量, 應具備如下特征: ①網孔均勻, 確保陶瓷漿料自由滲透, 涂掛均勻; ②親水性, 可牢固地吸附漿料; ③足夠的回彈性, 擠出多余漿料后能迅速恢復原形; ④中溫揮發性, 低于陶瓷燒成溫度下揮發, 且不污染陶瓷。
        目前, 國產普通的聚氨酯泡沫孔徑偏大、均勻性稍差, 細孔泡沫還不過關, 網狀聚氨酯泡沫多依賴進口。網狀聚氨酯泡沫國產化的問題亟待解決。
    3.2  配料、制漿
        泡沫陶瓷的漿料由耐火骨料、燒結助劑、粘結劑等微粉加水制成, 漿料的制備是一道至關重要的工序, 陶瓷漿料應具有盡可能高的固相含量(漿料的密度1.8~22 g/ cm3 , 固相含量50 %~65 %) 、較好的觸變性和潤濕性。高的固相含量保證陶瓷顆粒最大限度地附著在泡沫塑料的絲網上, 提高過濾器強度; 好的觸變性便于漿料均勻成型, 防止塞孔。若漿料與泡沫陶瓷的潤濕性差, 漿料會聚集在泡沫結構的交叉處, 而棱線處較少, 燒結后強度下降, 甚至造成廢
    品。
    3.2.1  耐火骨料的選材
        耐火骨料的選取以合金的種類為依據, 表1 例舉了部分國內的研究成果〔17 - 28〕。


    3.2.2  助劑的選取
        助劑的作用主要有兩個: 一是增強增韌, 增加致密度; 二是降低燒結溫度。助劑與耐火骨料可形成低熔點相或進行固相燒結。若助劑加入量不合適, 反而妨礙低溫燒結。
        助劑的種類很多, 氟化物、ZrO2 、Al2O3 、Cr2O3 、Fe2O3 及TiO2 等均可提高泡沫陶瓷過濾器的性能。氟化物對降低陶瓷的燒結溫度效果極為明顯, 但氟化物會腐蝕設備、污染環境; ZrO2 顯著提高剛玉質泡沫陶瓷過濾器的斷裂韌性; 氧化鎂和氧化鈦增強其燒結致密度〔29〕; SiO2 + Al2O3 可降低碳化硅質過濾器的燒結溫度; 稀土氧化物和耐火粘土等可縮短鋁礬土質陶瓷過濾器的燒結時間、降低燒結溫度〔20〕等。
    3.2.3  粘結劑的選取
        粘結劑可分常溫和高溫粘結劑, 其作用是提高素坯的強度。常溫過濾器一般選用有機粘結劑, 中溫后隨泡沫塑料一起揮發; 高溫粘結劑一般選用無機粘結劑。但有時粘結劑會降低過濾器的高溫性能, 故有的漿料不添加粘結劑。
        泡沫陶瓷的生產過程中常用的粘結劑有聚乙烯醇、Al (H2PO4) 3 、水玻璃、硅溶膠等。
    (1) 聚乙烯醇為有機粘結劑, 其特點是高溫時隨泡沫塑料一起揮發, 不會污染陶瓷, 適用于過濾高活性合金及高溫合金; 
    (2) 磷酸二氫鋁膠凝性較強, 但在過濾液態金屬過程時易產生五氧化二磷, 造成污染, 而且抗壓強度不高;
    (3) 水玻璃燒結時易形成玻璃相, 降低陶瓷的強度和軟化溫度, 不適于燒制用于高溫合金的過濾器; 
    (4) 硅溶膠中SiO2 呈網狀結構, 結合力較強, 失水后的硅溶膠有很高的活性, 有利于陶瓷的燒結。
    3.2.4  其他助劑
        有些助劑加入量較少, 但可增加漿料的均一性、穩定性、涂掛性和觸變性等性能, 制備出性能較好的漿料。如: 為使泡沫母體能飽吸陶瓷漿料需加入增塑劑; 為防止氣泡進入母體, 形成架空現象, 需加入消泡劑; 陶瓷漿料中加入表面活性劑可改善陶瓷漿料與有機泡沫的潤濕性; 為增加漿料觸變性可加入一些交聯劑等。因此, 正確選擇微量助劑, 有時對泡沫陶瓷的性能會產生較大影響。
    3.3  浸漬
        用泡沫塑料均勻飽和浸吸陶瓷漿料, 然后反復擠壓泡沫塑料, 除去多余的漿料, 使陶瓷顆粒充分、均勻的附著在泡沫塑料上, 制成素坯。此工序的關鍵是擠壓的力度和均勻性, 若泡沫塑料中殘存陶瓷漿料, 則會造成孔徑變小或塞孔等缺陷, 反之, 陶瓷漿料附著過少會影響制品的強度。
    3.4  烘干和燒結
        此工序可分為如下三個階段〔13 ,30 - 31〕。坯體烘干期 將素坯于低溫下烘干一段時間, 排除游離水, 并獲得初步強度; 此階段應控制升溫速度和保溫溫度, 避免出現變形、掉渣和裂紋等缺陷。
        泡沫揮發期 將烘干的坯體以一定的速度加熱至泡沫的燃點以上, 保溫一段時間, 使泡沫完全揮發; 此階段升溫不易過快, 否則會降低制品的強度甚至造成廢品。
        ;纱善凇∫暂^快的速度加熱至燒結溫度, 保溫一段時間, 使坯體充分燒結; 此階段升溫速度也不易過快, 否則會造成裂紋和瓷前塌落。
        制品燒成之后, 為防止過濾器產生裂紋, 冷卻速度不宜過快。

    4  應用效果
        大量實踐表明, 使用泡沫陶瓷過濾器可以去除夾雜, 改善鑄件的組織, 改善加工性能, 降低機加成本; 提高產品的合格率和力學性能。
        在經過過濾的高錳鋼中, 金屬夾雜物明顯減小, 密度提高0153 % , 沖擊韌性提高3915 % , 耐磨性能提高1104 倍; 批量生產結果表明, 過濾的高錳鋼球磨機襯板的使用壽命提高016~017 倍〔7〕。
        在澆注系統中放置泡沫陶瓷過濾器可以減少鑄鐵中非金屬夾雜物的含量, 使硫含量平均下降18161 %, 磷含量平均下降7121 %, 石墨最大長度變小, 珠光體彌散度增大, 磷共晶數量減少, 流動性提高1016 % ,強度、硬度等機械性能大幅度提高〔5〕。
        某航空機輪公司〔18 ,34〕利用泡沫陶瓷過濾器生產鎂合金鑄件, 如用普通過濾手段, 高標準的鑄件合格率不超過40 % , 采用泡沫陶瓷過濾后, 合格率提高到70 %~95 %以上。根據車間統計, 每個報廢鑄件損耗費用約為1 000 元, 成品率提高30 %~50 % , 其直接經濟效益是十分可觀的。
        沈陽雙喜壓力鍋制造總公司一分廠〔35〕利用泡沫陶瓷過濾器生產鑄鋁件, 減少了夾雜, 提高了一級品率和板材的凈利用率, 提高了經濟效益。僅壓力鍋一項, 一年就可增加經濟效益7816 萬元。
        哈爾濱汽輪機廠〔36〕利用泡沫陶瓷過濾器澆注錫青銅鑄件, 東安公司〔21〕利用泡沫陶瓷過濾器過濾鑄鐵件, 均取得令人滿意的效果。此外, 泡沫陶瓷過濾器在精鑄件、高錳鋼、高溫合金和鋼錠〔4 ,7 ,37〕等方面的應用也取得了初步效果。
    5  使用中應注意的問題〔15 ,18 - 26 ,29 - 32〕
    (1) 初始壓頭: 金屬熔體要通過過濾器的細孔, 需要克服表面張力, 沿程流動和局部流動的阻力, 必須要有一定的初始壓頭, 否則, 難以實現過濾。
    (2) 溫度: 在過濾的初始階段, 過濾器要吸收金屬液的熱量, 故金屬液需要一定的過熱度, 同時過濾器也需預熱。
    (3) 澆道的橫截面: 為不影響正常填充, 安放過濾器的澆道的橫截面尺寸要適當擴大, 并將過濾器前后挖成喇叭口狀。
    (4) 密封性: 過濾器與鑄型連接邊緣應密封, 若此處稍有間隙, 液體就可能大部分甚至全部從間隙處流走而不通過過濾器, 可采用石棉繩或泥條纏繞在過濾器周圍進行密封。
    (5) 過濾精度: 過濾器的孔徑越細, 越厚, 過濾的精度越高, 但易出現塞孔的問題; 最好用較大孔徑的纖維過濾網進行粗過濾。
    (6) 過濾流量: 過濾流量與過濾器的通孔率成正比; 用過濾器過濾, 金屬熔體中的大顆粒對過濾器的細孔有阻塞作用和不潤濕的大顆粒的表面張力, 都會使熔體流量變小, 嚴重時造成塞孔。
    6  結語
        經過鑄造工作者20 多年的努力, 泡沫陶瓷過濾器已被越來越多的人所認同, 到目前為止, 我國的泡沫陶瓷從科研到生產已基本形成體系, 初具規模。泡沫陶瓷在鎂合金、鋁合金、銅合金及鑄鐵等領域已獲得大規模的應用, 提高了鑄件的質量和成品率, 取得了巨大的經濟效益。
        今后要進一步加大研究、開發和應用力度, 提高泡沫陶瓷性能, 完善制造工藝, 實現規;a, 解決鑄鋼、高溫合金和連鑄用泡沫陶瓷的國產化問題。同時要進一步開發冶金、化工、環保、節能、醫學、電子等領域的泡沫陶瓷。
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