碳化硅質泡沫陶瓷過濾片的研制

劉 磊 畢家林 張翠敏 高琳琳

遼寧省輕工科學研究院

碳化硅質泡沫陶瓷過濾片的研制

劉 磊 畢家林 張翠敏 高琳琳

遼寧省輕工科學研究院

質量是全部事業的基礎.有效地控制和提高鑄造合金和鑄件的質量已成為當今世界各國鑄造工業共同的技術發展目標。大量的實踐證明：鑄造中夾雜物及氣體對強度、疲勞拉力、耐腐蝕性、應力腐蝕、開裂性能均有重大影響。泡沫陶瓷過濾技術是一種凈化金屬溶液的新技術，它可以解決傳統的鑄造工藝不能去除合金中非金屬夾雜物的問題。介紹了研制碳化硅質泡沫陶瓷過濾片的工藝過程和使用情況，總結了這種過濾片的一些特性及使用價值和推廣價值。

碳化硅陶瓷；過濾器；夾雜物

沫陶瓷過濾片具有化學穩定性好﹑比強度高﹑耐高溫﹑抗熱震﹑比表面積大等優點，且除渣效果好﹑操作簡便﹑易于與其他部分搭配，成本較低，因此，泡沫陶瓷過濾已成為一種常規凈化手段。泡沫陶瓷過濾器的種類很多，不同材質的過濾器用于不同金屬液的過濾。鑄鋼一般選用氧化鋯質的過濾器，鑄鐵﹑鑄銅用碳化硅質的過濾器，鋁合金用氧化鋁質的過濾器，鎂合金用氧化鎂質的過濾器。

1 原材料及生產工藝

從西班牙﹑德國﹑美國引進的自動化鑄造生產線是為北京切諾基吉普車和豐田4Y系列車配套的，生產41缸體﹑缸蓋及491Q缸體和缸蓋。這幾種產品均屬薄壁復雜鑄件，對鑄件性能要求較高，鑄件所采用的材質為灰鑄鐵，為滿足過濾凈化要求，泡沫陶瓷過濾片應具備如下性能：

1.1 原材料要求

(l)足夠的機械強度。泡沫陶瓷過濾片受高溫液體金屬的沖力和壓力，尤其是較大的鑄鐵件，壓頭很大，密度也很大，在安裝時與型壁接觸，易使過濾片碎渣摻入型內，在運輸過程中，也易受振動﹑沖擊和擠壓等，為適應上述使用﹑安裝和運輸的要求，過濾片必須具備足夠的機械強度。

(2)較高的耐熱沖擊和耐沖刷性能。泡沫陶瓷過濾片開始工作時與高溫金屬溶液突然接觸.瞬間將濾片加熱，并很快加熱到金屬溶液的溫度(鐵水1400`C以上)，使之受熱膨脹。因此，濾片應具有小的熱膨脹系數及高的耐熱沖擊性能，突然受熱后不開裂。

(3)較高的耐火度。即在澆鑄溫度下過濾片不變形﹑不軟化。

(4)足夠的孔隙率及金屬液通過能力。為確保金屬溶液能順利地通過泡沫陶瓷過濾片，保證在允許的澆鑄時間內使金屬溶液全部通過，過濾片應有良好的通過能力。

(5)較高的化學穩定性。在高溫條件下，金屬液不能與過濾片發生化學反應，以防止污染金屬溶液。

(6)極低的發氣性。過濾片工作時，全部浸泡于金屬液中，因此不允許產生較多的氣體，以免造成氣孔和污染金屬液。

1.2 泡沫陶瓷的生產工藝

采用泡沫陶瓷進行型內過濾及中間過程鋁合金液的過濾是一種較先進的過濾方式。目前，泡沫陶瓷過濾已廣泛地應用在鑄鋁件﹑鑄銅件和鑄鐵件上。用于過濾的泡沫陶瓷是采用特殊的發泡工藝，通過高溫燒結再經過特殊處理來保證其通孔率。使用泡沫陶瓷過濾的基本原理是合金液在通過細密的孔道過程中，以吸附合金液中的氣體和機械攔截雜質方式去除合金液中的夾渣，從而減少鑄件中的缺陷，達到提高鑄件外觀質量和力學性能的目的。同時，通過泡沫陶瓷過濾裝置改變鋁液的流動方式，減少由于合金液翻滾形成的二次氧化夾雜。但如何將陶瓷過濾片固定在澆口中是操作過程中的難點，經過仔細分析﹑設計和試驗，最后確定在鐵澆口中設計一個臺階來支撐陶瓷過濾片，并通過澆口尺寸的控制來對其進行限位固定，巧妙地解決了陶瓷過濾片固定的難題。

2 泡沫陶瓷過濾技術

2.1 過濾器的作用和機理

泡沫陶瓷過濾器的主要作用是濾除金屬液中的雜質和氣泡，凈化金屬液，并通過過濾起到整流作用，使金屬液的流動更平穩，防止二次氧化。

泡沫陶瓷過濾器的過濾主要通過四個方面發揮作用：①機械篩分(攔截)：去除較大顆粒的夾雜氧化物，濾出金屬液中的氣體，減少雜質對鑄件的危害；②濾餅機制：大的顆粒夾雜氧化物聚集在過濾器上方，形成濾餅，增加了過濾器過濾小顆粒夾雜氧化物的能力；③深層過濾(化學吸附)：三維網狀結構，曲折彎曲的內孔增加了其吸附細小夾雜物的機率；④整流機制：使金屬液的流動由紊流狀態變為層流狀態，減緩流速，防止渦流，減輕金屬液的二次氧化和吸氣，提高鑄件性能。

2.2 陶瓷參數對過濾效率的影響

增加過濾體厚度可以提高過濾效率，但當過濾體泡沫微孔徑大到一定值后，增加過濾體厚度只會提高排氣負壓，而對改善過濾效率的影響不大。細密的泡沫陶瓷有利于碳煙微粒的過濾，但由于此時過濾主要集中在過濾體的入口端，微粒不能在過濾體內較均勻地分布，容易使過濾體在加熱再生時因不均勻的熱應力而破壞，而且整個過濾體長度也不能有效地用于過濾。因此，在一定的過濾體流通截面的條件下，應合理地選擇過濾體的厚度及泡沫微孔徑，使微粒在過濾體內盡量分布均勻，以保證過濾效率和合適的排氣背壓。另外，隨著泡沫陶瓷過濾體橫截面積的增加，過濾效率逐漸升高，這顯然是由于氣體流速下降的緣故，因為在高速氣流作用下，已沉積的微粒會發生重新分散。

3 結論

(l)研制的碳化硅質泡沫陶瓷過濾片具有較好的高溫強度﹑耐熱沖擊性﹑化學穩定性及通導能力，容重為0.4～0.79c/m，常溫耐壓強度為1.65MPa，孔隙率為70緯一80%，耐火度為1600℃，熱震穩定性(1100℃～水冷)大于5次，這些指標居國內領先地位，基本上達到了國外同類產品水平，另外，探索出的生產工藝便于批量生產，實現產業化。(2)碳化硅質泡沫陶瓷過濾片適用于鐵水的過濾凈化。不但能去除夾雜，還能明顯改善鑄件的組織結構，使鑄件硬度均勻化，從而改善加工性能，使合格率和力學性能有較大的提高，在鑄造行業推廣，可望得到顯著的經濟效益和社會效益。(3)碳化硅質泡沫陶瓷還可以用于有色金屬和柴油發動機尾氣凈化方面，有待于進一步研究開發。

[1] 楊瑩，陳斐，沈強，等.高強度碳化硅泡沫陶瓷的制備及其抗壓強度研究[J].稀有金屬材料與工程，2011，40(S1)：7–10.

[2]朱新文，江東亮，譚壽洪.碳化硅網眼多孔陶瓷的制備[J].無機材料學報，2000，15(6)：1055–1060.