摘要: 介绍了国内20 年来泡沫陶瓷过滤器的发展、现状及存在的问题, 分析了泡沫陶瓷过滤器的过滤机制, 总结了制造中的原料选取、制造工艺、技术性能指标, 评述了应用中的实际效果和注意事项。
关键词: 铸造; 泡沫陶瓷; 过滤器
泡沫陶瓷是由陶瓷构成的泡沫体, 其孔隙率高达80 %～90 % , 且通道曲折, 表面积大, 可与流体充分接触。大量的研究实践证明〔1 - 9〕, 泡沫陶瓷过滤器可有效去除金属中的夹杂物和气体等有害杂质, 提高金属内在质量。
中国加入WTO 后, 铸造业的发展势头强劲〔10〕,对高性能铸件的需求剧增, 因而对泡沫陶瓷过滤器的需求日益增加。据统计〔11 - 12〕, 我国铸造业对泡沫陶瓷过滤器年需求量近1 亿片, 产值可达5～7 亿元,而提高铸件质量所带来的实际利润远远超过这一数字, 世界铸造业对泡沫陶瓷过滤器的年需求量近十亿片, 其经济效益极为可观。我国政府、科研机构及生产厂家对泡沫陶瓷的发展给予高度重视, 在泡沫陶瓷的研制和生产方面做了大量的工作。
1 应用现状
铸造合金用泡沫陶瓷过滤器在国内的发展始于上世纪80 年代。80 年代中期, 叶荣茂〔13〕等成功研制了用于铝合金、铸铁、不锈钢过滤的泡沫陶瓷过滤器; 1985 年, 曹文龙、豆柱〔14〕等申请了用于铝合金、铜合金、镁合金和铸铁件的过滤除渣的泡沫陶瓷过滤器专利; 在此期间, 沈阳铸造研究所、上海机械制造工艺研究所、湖北省机电研究设计院、南昌航空工业学院、东风汽车公司等单位也先后开展了泡沫陶瓷过滤器的研究工作, 并均取得丰硕成果〔11〕。
90 年代, 深圳汉力高技术陶瓷有限公司建成我国第一条泡沫陶瓷生产线并投入批量生产。1993 年,北京市昌平县特种陶瓷材料研究所与清华大学和中国建材科学院共同研制、开发出系列可用于铸钢、铸铁和有色合金的泡沫陶瓷过滤器, 并建成一条200 万标件的生产线。
2001 年12 月, 贵州新材料矿业发展有限公司与清华大学、中国科学院上海硅酸盐研究所等单位, 联合承担了国家“十五”863 计划《耐高温、高强、耐磨、耐腐蚀陶瓷部件的关键制备技术》重大专项中的“碳化硅泡沫陶瓷熔融金属过滤器”的研发和产业化建设, 计划在“十五”后期建成年产2 000 万片的碳化硅基泡沫陶瓷过滤器中试生产线, 再用2～3 年时间达到上亿片的生产能力〔12〕。
2002 年6 月, 中国建材工业出版社出版了《泡沫陶瓷过滤器》国家标准。
据不完全统计, 目前国内已有10 多条泡沫陶瓷过滤器生产线, 年生产总量已达数千万片〔11〕。用于镁、铝、铜等有色金属合金的泡沫陶瓷过滤器性能稳定, 已形成了一定的生产规模, 其性能可以与美国Selee 公司的产品相媲美。
用于铸钢、铸铁和连铸等耐高温泡沫陶瓷过滤器, 如碳化硅、氧化铝、氧化锆等材质, 目前还未形成生产规模, 有的正处于开发阶段, 所需的产品尚须大量进口。据海关统计, 仅2001 年天津港进口的碳化硅质的过滤器就达2 000 万片。
2 净化机理
泡沫陶瓷过滤器可以有效地拦截液态金属中的夹杂物, 提高铸件品质和成品率。研究其净化液态金属的机制, 可为过滤器的完善及应用提供理论依据。房文斌、贾天敏等对此做了大量工作〔13 ,15 - 16〕。
飘浮分离机制在浇注系统中放置泡沫陶瓷过滤器后, 金属液流阻力增大, 液态金属在浇注系统中呈充满状态, 从而发挥浇注系统挡渣功能。同时, 从直浇道注入的液流通过过滤器节流, 金属液在直浇道内短暂停留, 密度小的渣子上浮分离, 即可产生底注式浇注系统的同样效果。当金属液经泡沫陶瓷过滤器继续浇注时, 一方面密度小的渣子上浮, 另一方面有效地减轻或消除了涡流。
“滤饼”机制 泡沫陶瓷过滤器是弯弯曲曲的通道, 可以高效率地机械挡渣, 许多大于过滤器孔洞的夹杂被捕获在过滤器入口端。随着捕获夹杂物数量的增多, 在过滤器入口端表面形成了由大块夹杂构成的“滤饼”。“滤饼”使液流变细, 这样小于过滤器网孔尺寸的夹杂也被部分捕获在“滤饼”上。
吸附机制 过滤器置于型腔的横浇道或内浇道中, 过滤操作属深层过滤。当第1 股液流抵达过滤器入口端表面时, 产生液流与泡沫网架的吸附现象, 同时, 会发生液流的“撞击”现象。过滤器本身又有阻流作用, 有些夹杂质点在一定压力下, 由于夹杂物与固态的泡沫陶瓷网架更具有相近的“共格对应”关系, 从而易于润滑而产生吸附。这种吸附主要是以无选择的多分子层物理吸附为主, 夹杂物在过滤器网架上逐层粘附, 直至堵塞为止。
3 制备工艺
我国关于泡沫陶瓷制备工艺的报道相对较少。泡沫陶瓷的制备工艺流程主要有下料、配料、制浆、浸渍、烘干和烧结等工序, 具体工艺参数因材质和使用要求而异。
3.1 下料
下料即切制泡沫塑料。网状聚氨酯泡沫塑料作为过滤器的载体, 其性能直接影响过滤器的质量, 应具备如下特征: ①网孔均匀, 确保陶瓷浆料自由渗透, 涂挂均匀; ②亲水性, 可牢固地吸附浆料; ③足够的回弹性, 挤出多余浆料后能迅速恢复原形; ④中温挥发性, 低于陶瓷烧成温度下挥发, 且不污染陶瓷。
目前, 国产普通的聚氨酯泡沫孔径偏大、均匀性稍差, 细孔泡沫还不过关, 网状聚氨酯泡沫多依赖进口。网状聚氨酯泡沫国产化的问题亟待解决。
3.2 配料、制浆
泡沫陶瓷的浆料由耐火骨料、烧结助剂、粘结剂等微粉加水制成, 浆料的制备是一道至关重要的工序, 陶瓷浆料应具有尽可能高的固相含量(浆料的密度1.8～22 g/ cm3 , 固相含量50 %～65 %) 、较好的触变性和润湿性。高的固相含量保证陶瓷颗粒最大限度地附着在泡沫塑料的丝网上, 提高过滤器强度; 好的触变性便于浆料均匀成型, 防止塞孔。若浆料与泡沫陶瓷的润湿性差, 浆料会聚集在泡沫结构的交叉处, 而棱线处较少, 烧结后强度下降, 甚至造成废
品。
3.2.1 耐火骨料的选材
耐火骨料的选取以合金的种类为依据, 表1 例举了部分国内的研究成果〔17 - 28〕。
3.2.2 助剂的选取
助剂的作用主要有两个: 一是增强增韧, 增加致密度; 二是降低烧结温度。助剂与耐火骨料可形成低熔点相或进行固相烧结。若助剂加入量不合适, 反而妨碍低温烧结。
助剂的种类很多, 氟化物、ZrO2 、Al2O3 、Cr2O3 、Fe2O3 及TiO2 等均可提高泡沫陶瓷过滤器的性能。氟化物对降低陶瓷的烧结温度效果极为明显, 但氟化物会腐蚀设备、污染环境; ZrO2 显著提高刚玉质泡沫陶瓷过滤器的断裂韧性; 氧化镁和氧化钛增强其烧结致密度〔29〕; SiO2 + Al2O3 可降低碳化硅质过滤器的烧结温度; 稀土氧化物和耐火粘土等可缩短铝矾土质陶瓷过滤器的烧结时间、降低烧结温度〔20〕等。
3.2.3 粘结剂的选取
粘结剂可分常温和高温粘结剂, 其作用是提高素坯的强度。常温过滤器一般选用有机粘结剂, 中温后随泡沫塑料一起挥发; 高温粘结剂一般选用无机粘结剂。但有时粘结剂会降低过滤器的高温性能, 故有的浆料不添加粘结剂。
泡沫陶瓷的生产过程中常用的粘结剂有聚乙烯醇、Al (H2PO4) 3 、水玻璃、硅溶胶等。
(1) 聚乙烯醇为有机粘结剂, 其特点是高温时随泡沫塑料一起挥发, 不会污染陶瓷, 适用于过滤高活性合金及高温合金;
(2) 磷酸二氢铝胶凝性较强, 但在过滤液态金属过程时易产生五氧化二磷, 造成污染, 而且抗压强度不高;
(3) 水玻璃烧结时易形成玻璃相, 降低陶瓷的强度和软化温度, 不适于烧制用于高温合金的过滤器;
(4) 硅溶胶中SiO2 呈网状结构, 结合力较强, 失水后的硅溶胶有很高的活性, 有利于陶瓷的烧结。
3.2.4 其他助剂
有些助剂加入量较少, 但可增加浆料的均一性、稳定性、涂挂性和触变性等性能, 制备出性能较好的浆料。如: 为使泡沫母体能饱吸陶瓷浆料需加入增塑剂; 为防止气泡进入母体, 形成架空现象, 需加入消泡剂; 陶瓷浆料中加入表面活性剂可改善陶瓷浆料与有机泡沫的润湿性; 为增加浆料触变性可加入一些交联剂等。因此, 正确选择微量助剂, 有时对泡沫陶瓷的性能会产生较大影响。
3.3 浸渍
用泡沫塑料均匀饱和浸吸陶瓷浆料, 然后反复挤压泡沫塑料, 除去多余的浆料, 使陶瓷颗粒充分、均匀的附着在泡沫塑料上, 制成素坯。此工序的关键是挤压的力度和均匀性, 若泡沫塑料中残存陶瓷浆料, 则会造成孔径变小或塞孔等缺陷, 反之, 陶瓷浆料附着过少会影响制品的强度。
3.4 烘干和烧结
此工序可分为如下三个阶段〔13 ,30 - 31〕。坯体烘干期 将素坯于低温下烘干一段时间, 排除游离水, 并获得初步强度; 此阶段应控制升温速度和保温温度, 避免出现变形、掉渣和裂纹等缺陷。
泡沫挥发期 将烘干的坯体以一定的速度加热至泡沫的燃点以上, 保温一段时间, 使泡沫完全挥发; 此阶段升温不易过快, 否则会降低制品的强度甚至造成废品。
玻化成瓷期 以较快的速度加热至烧结温度, 保温一段时间, 使坯体充分烧结; 此阶段升温速度也不易过快, 否则会造成裂纹和瓷前塌落。
制品烧成之后, 为防止过滤器产生裂纹, 冷却速度不宜过快。
315 国产的泡沫陶瓷过滤器的技术指标如表2〔33〕。
4 应用效果
大量实践表明, 使用泡沫陶瓷过滤器可以去除夹杂, 改善铸件的组织, 改善加工性能, 降低机加成本; 提高产品的合格率和力学性能。
在经过过滤的高锰钢中, 金属夹杂物明显减小, 密度提高0153 % , 冲击韧性提高3915 % , 耐磨性能提高1104 倍; 批量生产结果表明, 过滤的高锰钢球磨机衬板的使用寿命提高016～017 倍〔7〕。
在浇注系统中放置泡沫陶瓷过滤器可以减少铸铁中非金属夹杂物的含量, 使硫含量平均下降18161 %, 磷含量平均下降7121 %, 石墨最大长度变小, 珠光体弥散度增大, 磷共晶数量减少, 流动性提高1016 % ,强度、硬度等机械性能大幅度提高〔5〕。
某航空机轮公司〔18 ,34〕利用泡沫陶瓷过滤器生产镁合金铸件, 如用普通过滤手段, 高标准的铸件合格率不超过40 % , 采用泡沫陶瓷过滤后, 合格率提高到70 %～95 %以上。根据车间统计, 每个报废铸件损耗费用约为1 000 元, 成品率提高30 %～50 % , 其直接经济效益是十分可观的。
沈阳双喜压力锅制造总公司一分厂〔35〕利用泡沫陶瓷过滤器生产铸铝件, 减少了夹杂, 提高了一级品率和板材的净利用率, 提高了经济效益。仅压力锅一项, 一年就可增加经济效益7816 万元。
哈尔滨汽轮机厂〔36〕利用泡沫陶瓷过滤器浇注锡青铜铸件, 东安公司〔21〕利用泡沫陶瓷过滤器过滤铸铁件, 均取得令人满意的效果。此外, 泡沫陶瓷过滤器在精铸件、高锰钢、高温合金和钢锭〔4 ,7 ,37〕等方面的应用也取得了初步效果。
5 使用中应注意的问题〔15 ,18 - 26 ,29 - 32〕
(1) 初始压头: 金属熔体要通过过滤器的细孔, 需要克服表面张力, 沿程流动和局部流动的阻力, 必须要有一定的初始压头, 否则, 难以实现过滤。
(2) 温度: 在过滤的初始阶段, 过滤器要吸收金属液的热量, 故金属液需要一定的过热度, 同时过滤器也需预热。
(3) 浇道的横截面: 为不影响正常填充, 安放过滤器的浇道的横截面尺寸要适当扩大, 并将过滤器前后挖成喇叭口状。
(4) 密封性: 过滤器与铸型连接边缘应密封, 若此处稍有间隙, 液体就可能大部分甚至全部从间隙处流走而不通过过滤器, 可采用石棉绳或泥条缠绕在过滤器周围进行密封。
(5) 过滤精度: 过滤器的孔径越细, 越厚, 过滤的精度越高, 但易出现塞孔的问题; 最好用较大孔径的纤维过滤网进行粗过滤。
(6) 过滤流量: 过滤流量与过滤器的通孔率成正比; 用过滤器过滤, 金属熔体中的大颗粒对过滤器的细孔有阻塞作用和不润湿的大颗粒的表面张力, 都会使熔体流量变小, 严重时造成塞孔。
6 结语
经过铸造工作者20 多年的努力, 泡沫陶瓷过滤器已被越来越多的人所认同, 到目前为止, 我国的泡沫陶瓷从科研到生产已基本形成体系, 初具规模。泡沫陶瓷在镁合金、铝合金、铜合金及铸铁等领域已获得大规模的应用, 提高了铸件的质量和成品率, 取得了巨大的经济效益。
今后要进一步加大研究、开发和应用力度, 提高泡沫陶瓷性能, 完善制造工艺, 实现规模化生产, 解决铸钢、高温合金和连铸用泡沫陶瓷的国产化问题。同时要进一步开发冶金、化工、环保、节能、医学、电子等领域的泡沫陶瓷。
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