液态铸造合金用泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势

标准化工作室编码[XX968T-XX89628-XJ668-XT689N] 液态铸造合金用泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势 冯胜山 陈巨乔（湖北省机电研究设计院 武汉430070） [摘要]本文介绍了液态铸造合金用过滤器的发展历史和性能特点，阐述了国内外泡沫陶瓷过滤器的研究状况和应用效果，探讨了泡沫陶瓷过滤器在新世纪的发展趋势。 [关键词]铸造 泡沫陶瓷 过滤 １液态铸造合金用过滤器的发展历史和性能特点 在铸造生产中，由于非金属夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品率一般高达废品总数的50%~60%。夹杂缺陷不仅严重降低铸件的机械性能，也对其加工性能及外观产生有害影响。净化液态铸造合金，减少或消除其中的各种非金属夹杂物，无疑是获得高质量铸件的非常重要的技术措施。采用过滤技术可以有效地实现净化液态铸造合金的目的。 过滤技术应用于铸造生产已有几十年的历史，但最初仅仅是用铁丝网、带孔的钢板、多孔泥芯等简单的过滤器插入浇注系统中来滤除大块夹杂物。从六十年代初起，在俄、美、英、中等国家陆续出现了硅酸铝纤维质、钼丝质、氮化硼纤维质等两维结构型内过滤网，并在生产中得到应用，取得了一定效果。但是，所有这些过滤网只能通过机械筛分作用滤除金属液中的大块夹杂物和极少数小夹杂物，而且硅酸铝纤维过滤网由于耐火度和强度均较低，只能用于有色合金、铸铁和小型铸钢件的过滤，难以长时间地承受高温金属流体的冲击；英国研制的钼丝质和美国研制的氮化硼纤维质过滤网虽能用于过滤铸钢等高温合金，但因其价格昂贵，使其应用受到限制。用于铸造合金过滤的还有直孔芯型陶瓷过滤器和耐火颗粒过滤器，但它们的孔隙率均小，而且前者的过滤效率仍较低，过滤效果不稳定，后者由于颗粒间无粘结作用使其易漏粒，使用也不方便。七十年代初美国最先研制成功的烧结型多孔陶瓷过滤器虽解决了耐火颗粒过滤器易漏粒和使用不便的问题，但和八十年代初美国最先研制成功的直孔型蜂窝陶瓷过滤器一样，孔隙率仍较小，一般小于50%，金属液过流率低。 自从1978年铝合金用泡沫陶瓷过滤器首次研究成功以来，泡沫陶瓷过滤技术得到了迅速发展。这种过滤器（简称CFF，即CeramicFoamFilter）是采用聚氨酯泡沫塑料为载体，将它浸入由陶瓷粉末、粘结剂、助烧结剂、悬浮剂等制成的涂料中，然后挤掉多余涂料，使陶瓷涂料均匀涂敷于载体骨架成为坯体，再把坯体烘干并经高温焙烧而成。泡沫陶瓷过滤器又分为粘结型和烧结型，前者依靠粘结剂将陶瓷微细颗粒粘结在一起，后者是依靠在高温下保温，使较纯的陶瓷微细颗粒烧结熔合起来。泡沫陶瓷过滤器所具有的独特的三维连通曲孔网状骨架结构使其具有高达80%~90%的开口孔隙率，并具有以下三种过滤净化机制:其一是机械拦截；其二是整流浮渣，即过滤片的整流作用使过滤片前的横浇道处于充满状态，使过滤后的铁水呈平稳的层流状态，铁水的氧化和冲刷反应减弱，从而使夹杂物易于上浮和捕获，使过滤片后的二次夹杂物数量减少；其三是深层吸附，即进入过滤片内部的细小夹杂物由于与流径复杂的陶瓷网络充分接触而被吸附于骨架上或被滞留于网络死角中。它通过这三种过滤净化机制，可高效地滤除金属液中的大块夹杂物和很大部分小至数十微米的微小悬浮夹杂物（哈尔滨工业大学对铝青铜的试验表明：泡沫陶瓷过滤器的过滤效率高达95%，而双层纤维过滤网仅为67％），从而显着降低铸件废品率和焊补率。此外，还能简化浇注系统，改善金相组织，从而提高铸件工艺出品率和生产率，改善铸件内部质量、工作性能以及机加工性能。因此，泡沫陶瓷过滤器具有很好的应用前景。 液态铸造合金用泡沫陶瓷过滤器应具备下列性能： 1.1具有足够的常温和高温机械强度，使其能承受运输过程中的振动、挤压和使用过程中 高温金属液的冲击。 表１ 国内外典型泡沫陶瓷过滤器的主要技术性能对比 国别及公司 型号 种类 化学组成 (Wt.%) 孔尺寸 (ppi) 体积 密度(g/cm3) 开口 孔隙率 (%) 常温 抗压强度 (MPa) 常温 抗弯强度(MPa) 耐火度 (℃) 最高使用温度 (℃) 抗热 冲击值(mg) 200~1000℃ 热胀系数(10-6/℃) 1000℃高温抗压强度(MPa) 最高 过滤 效率 (%) 应用范围

美国 Consolidated Aluminum 公司

Selee/Al AlPO4粘结刚玉 Al2O3,AlPO4 10、20、30 0.85 0.35 1400 较低 Al及其它有色金属

Selee/Fe 莫来石 3Al2O3.·2SiO2 15、25 2.0 0.7 1500 97 铁、非活性Ni基合金

刚玉 99Al2O3 15、25 0.66 70 6.0 1700 较低 97 铁、钢、高熔点有色 金属、活性金属 0.47 81 3.0 0.9

部分稳定化 氧化锆 97ZrO2，3MgO 15、25 0.92 70 7.0 1800 很低 97 超级合金、钢 0.64 81 4.0

氧化锆增韧 莫来石 75 A2O3， 17ZrO2，8SiO2

15、25 0.65 70 4.5 1650 97 钢 0.42 81 2.5

氧化锆增韧刚玉 65PSZ，35Al2O3 15、25 2.0 0.7 1700 97 钢

粘结SiC SiC 15、25 1600 97 铁、铜基合金

美国 Hi-Tech 陶瓷公司

莫来石 65Al2O3，35SiO2 10、20、30 0.45~0.47 77~81 0.74~3.06 1.16~1.57 1650 2.4~10.5 5.14 高 96 铁、铜基合金 刚玉 98Al2O3，2SiO2 10、20、30 0.51~0.66 77~82 2.08~2.83 1.50~3.25 1750 4.1~8.1 8.61 很高 97 高温合金 氧化锆增韧刚玉 79Al2O3，21ZrO2 10、20、30 0.57~0.69 80~85 1.25~2.45 1.03~1.78 1750 0.3~1.0 9.16 很高 97 部分稳定化氧化锆 97ZrO2，3MgO 10、20、30 0.72~1.12 76~85 1.01~2.51 1.10~3.37 1800 0.2~2.2 8.23 很高 99

日本 Bridgestone 株式会社

堇青石 2MgO·2Al2O3·5SiO2 6、13、20 0.35~0.60 80~90 1.08~2.14 1.4~2.0

堇青石－刚玉 6、13、20 0.35~0.60 80~90 1.45~2.76 4.4 碳化硅 SiC 6 85 1.09 1500 日本 品川白炼瓦 氧化铝 Al2O3 0.7 80 2~3 1500 6.2

碳化硅 SiC 0.5 80 1.5~2.0 1300 3.5 公司 氮化硅 Si3N4 0.6 80 3~5 1200 3.5

日本石桥政勇 碳化硅 SiC 5、8、13 0.42 85 1500 5.7 铁合金

英国 Foseco 公司 Sivex 10、20、30 铝、铜等有色合金 Sedex 10、20、30 铁、铜基合金

Stelex 氧化锆增韧刚玉 ZTA 10、20、30 70 高熔点合金，活性金属

中国哈尔滨 理工大学

CFF/铁 高铝矾土 Al2O3，SiO2 15 0.6 85 0.841 0.420 ＞1700 1450 0.530 铁合金

CFF/钢 氧化锆增韧刚玉 60Al2O3，11ZrO2，0.8TiO2 15 80 0.935 0.500 ＞1750 1600 0.828 钢 中国湖北 机电研究设计院 MF，AF，ZMF，ZAF 高铝矾土，刚玉，氧化锆 10、20 0.4~0.7 75~85 2.3~3.5 1650~1800 1650 2.9~4.2 5~9 1.3~2.0 铝、铜、铁、钢等 1.2具有合适的耐火度和较低的热膨胀系数，使其在高温金属液的长时间作用下不软化变形和开裂。 1.3具有优良的高温化学稳定性，使其不受高温金属液的侵蚀，避免污染金属液。 ２国外泡沫陶瓷过滤器的发展状况 最早的泡沫陶瓷过滤器是1978年美国ＣonsolidatedAluminum公司的和N.Davison研制成功的铝合金用泡沫陶瓷过滤器，其商品名为Selee/Al。1984年又研制出了用于过滤黑色金属的泡沫陶瓷过滤器Selee/Fe。Selee/Al是以磷酸铝(ALPO4)为粘结剂的粘结型刚玉质过滤器，其最高使用温度为1400℃，也可用于其它有色合金。Selee/Fe则主要为烧结型，根据不同的应用对象，可分别采用如下的耐火骨料：莫来石、刚玉、MgO部分稳定化ZrO2及其复合材料；此外还有粘结型SiC质的Selee/Fe。它们的孔尺寸有15、25ppi（每英寸长度上的孔数）两种，厚度一般为19~25mm。它们的化学成分和主要物理性能及其应用范围见表1。泡沫陶瓷过滤器在使用前如经预热，则最高使用温度可提高。尺寸为100×100×25mm的刚玉质烧结型泡沫陶瓷过滤器价格约为3美元，同样大小的氧化锆增韧刚玉质(ZTA)泡沫陶瓷过滤器则为4.6美元。等人对Al-Mg合金进行的对比试验表明：泡沫陶瓷过滤器可使合金的抗拉强度提高约4%，延伸率提高约14%。采用Selee/Fe的15ppi和25ppi过滤器过滤铸态球铁能使其疲劳强度提高21.4%和30.6%，过滤效率高达97%。铸件废品率在过滤后大幅度降低（见表２）。 表２ 美国泡沫陶瓷过滤器Selee应用实例 应用工厂 铸造合金种类 过滤前的问题 过滤后的效果 TeledyneCastProducts Al-Cu 25%废品 基本无废品 HemetofFlorida Al-Si 20%废品 无废品 AiresearchCastingCorp. Al-Cu 大面积夹杂 消除 UniversalCastingCorp. Al-Cu 30%废品 无 UniversalCastingCorp. 球铁 50%废品 ﹤2% UniversalCastingCorp. 不锈钢 气孔和夹杂量超标 全部达标

美国Hi-Tech陶瓷有限公司在八十年代前期也研制成功了四种用于

过滤高温合金的泡沫陶瓷过滤器，其耐火骨料分别为莫来石、刚玉、氧化锆增韧刚玉(ZTA)和氧化镁部分稳定氧化锆(PSZ)。这些过滤器的耐火度为1650~1800℃，平均孔径为Φ0.5~1.4mm，骨架厚度为0.23~0.69mm，高温蠕变（试样在0.034MPa和1500℃下作用3h后的每小时变形量）为0.074~0.749%/h，过滤效率高达92~99%。 美国AstroMet公司也生产用于铝、镁、铜、铸铁、铸钢和不锈钢等合金过滤的泡沫陶瓷过滤器，材质主要是刚玉、混有氧化钛和二氧化硅等的氧化锆。该公司的研究表明：用磷酸盐或铬酸盐粘结的泡沫陶瓷过滤器在1093~1260℃范围内就会破裂；用莫来石烧结的过滤器虽具有很好的抗热冲击性，但在1593℃附近软化；这二种泡沫陶瓷过滤器一般不适于或较少用于铸钢和铸铁合金过滤。