碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品性能的影響

楊晉鵬

（晉城富基新材料股份有限公司，晉城048000）

泡沫陶瓷過濾器是三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中的孔道相互貫通，具有氣孔率高、體積密度小的特點，還具有耐高溫、耐腐蝕、密度小、強度大、比表面積大、對流體自擾性強及過濾吸附性好等優(yōu)點。基于以上特點，泡沫陶瓷已經(jīng)廣泛應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，發(fā)展迅速［1］。

泡沫陶瓷過濾器的材質(zhì)有碳化硅、氧化鋯、氧化鋁等。碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器耐熱溫度高，具備很高的機械強度和很好的耐高溫沖擊力［2］，主要用于濾除鐵水中的雜質(zhì)［3］。鐵水具有較高溫度和一定壓力，因此碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器需要良好的低吸水率、掉渣率、抗熱震性、耐高溫和抗壓及抗折強度，如果這些性能不達(dá)標(biāo)，會嚴(yán)重影響金屬液澆鑄過程，甚至?xí)斐蛇^濾器開裂。而過濾器的性能主要受到原材料純度及粒度、混料均勻性、輥壓成形過程及燒結(jié)溫度的影響［4］。本文主要介紹了碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器的生產(chǎn)工藝，探究了生產(chǎn)工藝過程中的海綿目數(shù)、海綿切割厚度、氧化鋁粒度及燒結(jié)溫度對碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器性能的影響。

1 生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品性能的影響

碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器采用聚氨酯泡沫塑料為載體［3］，將其浸入到由陶瓷粉末、粘結(jié)劑、懸浮劑等制成的料漿中，然后通過輥壓機擠掉多余漿料，使得陶瓷漿料均勻涂覆于載體骨架而形成坯體，再把坯體烘干后經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成，這種工藝稱為有機泡沫浸漬法，是目前國內(nèi)較為成熟的生產(chǎn)工藝。基本工藝過程如下：

聚氨酯海綿切割（切割機切割厚度）→模切（模切機模切尺寸）→一次輥壓（輥壓機）→吹風(fēng)（風(fēng)扇）→二次輥壓→烘干（微波線）→燒結(jié)（梭式窯或隧道窯）→檢驗（性能及尺寸檢驗）→成品

碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器生產(chǎn)工藝流程各個環(huán)節(jié)深刻影響著產(chǎn)品性能，主要包括吸水率、抗壓強度、抗折強度、氣孔率、掉渣率、熱震性等。其中，吸水率間接反映了陶瓷體的致密度，吸水率越低，越致密；抗壓強度及抗折強度反映了陶瓷體受到外力時的抗沖擊能力，抗壓及抗折強度越高，抗沖擊能力越強；氣孔率反映了陶瓷體所含氣孔的體積與制品總體積的百分比，一般來說，氣孔率越高，強度越低；掉渣率指陶瓷體燒結(jié)后，輕拍陶瓷體后，掉落的渣與原重量的比值，反映陶瓷體結(jié)合的致密度，掉渣率越高，越不致密；熱震性指陶瓷體承受熱沖擊的能力，熱震性越好，承受熱沖擊能力越強。

2 海綿目數(shù)［5］（聚氨酯泡沫塑料）對產(chǎn)品性能的影響

2.1 實驗方法

取5種目數(shù)10 ppi、15 ppi、20 ppi、30 ppi、60 ppi海綿分別按照工藝流程，輥壓75×75×20 mm規(guī)格的產(chǎn)品數(shù)量100片，輥壓比重同為0.4 g/L，相同燃燒爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1340℃，燒結(jié)出爐后測試產(chǎn)品吸水率、抗壓強度、抗折強度、掉渣率、熱震性及氣孔率。

2.2 測試數(shù)據(jù)

海綿目數(shù)（聚氨酯泡沫塑料）對產(chǎn)品性能的影響見表1。

表1 海綿目數(shù)（聚氨酯泡沫塑料）對產(chǎn)品性能的影響

2.3 數(shù)據(jù)分析

從表1可以得出：隨著海綿目數(shù)的增加，抗壓及抗折強度均增加；產(chǎn)品吸水率基本保持不變；掉渣率基本保持不變；氣孔率隨著目數(shù)的增加在降低。海綿目數(shù)為10 ppi時，產(chǎn)品熱震性最佳；15 ppi，20 ppi及30 ppi的海綿熱震性一樣同為6裂1；60 ppi的海綿熱震性最差，為6裂2。

3 聚氨酯海綿切割厚度對產(chǎn)品性能的影響

工藝過程中，聚氨酯海綿切割是第一個過程，切割厚度有嚴(yán)格的要求，既要保證切割厚度在公差范圍內(nèi)，又要保證最終燒結(jié)產(chǎn)品的性能。

3.1 實驗方法

產(chǎn)品厚度公差為±0.5 mm，本實驗取75×75×20 mm規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行實驗，切割厚度分別為19.5 mm、19.7 mm、19.9 mm、20.1 mm、20.3 mm、20.5 mm，分別切割模切100片輥壓燒結(jié)，最終出爐測試產(chǎn)品性能。

3.2 測試數(shù)據(jù)

聚氨酯海綿切割厚度對產(chǎn)品性能的影響見表2。

表2 聚氨酯海綿切割厚度對產(chǎn)品性能的影響

3.3 數(shù)據(jù)分析

在19.9～20.5 mm厚度范圍內(nèi)，產(chǎn)品的抗壓強度和抗折強度隨著厚度的增加而增加，產(chǎn)品吸水率、掉渣濾、熱震性、氣孔率基本不變。從數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)品厚度只影響產(chǎn)品抗壓強度及抗折強度，并且隨著厚度的增加，產(chǎn)品的厚度與抗壓強度及抗折強度有正相關(guān)性。

4 氧化鋁粒度對產(chǎn)品性能的影響

制備碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器的原料有碳化硅A4、碳化硅A6、氧化鋁、硅微粉、纖維棉、硅溶膠、消泡劑，其中原材料中粉體的粒度有嚴(yán)格要求，因為粉體的粒度嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能。

4.1 實驗方法

分別選取粒度由小到大的5種氧化鋁，D50分別為1.545μm、1.673μm、1.766μm、2.012μm、2.224μm，經(jīng)過配料、輥壓、燒結(jié)等工藝過程，分別實驗100片75×75×20 mm規(guī)格的產(chǎn)品。燒結(jié)出爐后經(jīng)過測試，得出數(shù)據(jù)。

4.2 測試數(shù)據(jù)

氧化鋁粒度對產(chǎn)品性能的影響見表3。

表3 氧化鋁粒度對產(chǎn)品性能的影響

4.3 數(shù)據(jù)分析

從表1可以看出，隨著氧化鋁D50粒度的增大，產(chǎn)品的抗壓及抗折強度先增大后減小，當(dāng)氧化鋁D50粒度為1.766μm時，產(chǎn)品的抗壓及抗折強度最大，為產(chǎn)品抗壓及抗折強度的最適粒度。吸水率隨著氧化鋁D50粒度的增大一直在增大。掉渣率隨著氧化鋁D50粒度的增大而增大，說明氧化鋁粒度的增大不利于產(chǎn)品的致密性，產(chǎn)品易出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象。氧化鋁D50粒度為1.766μm時，產(chǎn)品熱震性最好，為6裂2。產(chǎn)品氣孔率也是隨著氧化鋁D50粒度的增大而增大，說明氧化鋁D50粒度的增大使得產(chǎn)品更加疏松，從而使得產(chǎn)品氣孔率增大。

5 燒結(jié)溫度對產(chǎn)品性能的影響

產(chǎn)品燒結(jié)溫度影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的致密度，從而影響產(chǎn)品的性能。

5.1 實驗方法

本實驗的燒結(jié)是用煤氣燃燒爐采用反應(yīng)燒結(jié)方式燒結(jié)碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器，探究碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器最適宜燒結(jié)溫度。碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器的參考燒結(jié)溫度為1300℃左右，具體方法為：海綿選擇30 ppi目數(shù)的，相同條件下輥壓900片75×75×20 mm規(guī)格產(chǎn)品，以10℃為一個梯度，取下限1280℃，上限1360℃。分別取100片碳化硅質(zhì)坯體，入爐燒結(jié)，設(shè)置燒結(jié)程序，燒結(jié)最終溫度按照溫度梯度設(shè)置，燒結(jié)出爐后，測試產(chǎn)品吸水率、掉渣率、熱震性、抗壓及抗折強度、氣孔率。

5.2 測試數(shù)據(jù)

燒結(jié)溫度對產(chǎn)品性能的影響見表4。

表4 燒結(jié)溫度對產(chǎn)品性能的影響

5.3 數(shù)據(jù)分析

從產(chǎn)品的抗折強度和抗壓強度來看，通過以上表格可以看出1280℃～1360℃升溫過程中，隨著燒結(jié)溫度的升高，碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過濾器的抗壓及抗折強度先升高后降低，當(dāng)溫度在1340℃時，碳化硅泡沫陶瓷過濾器的抗壓及抗折強度最高，可知最佳燒結(jié)溫度為1340℃。

從產(chǎn)品吸水率來看，1280℃～1360℃升溫過程中，隨著溫度的升高，產(chǎn)品吸水率逐漸降低。

從產(chǎn)品的掉渣率來看，1280℃～1330℃升溫過程中，產(chǎn)品掉渣率基本呈現(xiàn)下降趨勢，1330℃時，產(chǎn)品掉渣率最低，以后隨著溫度升高，掉渣率不變。掉渣率高，過濾金屬液時，會有雜質(zhì)混入，影響金屬鑄件質(zhì)量。可得出：過濾器的最佳燒結(jié)溫度為1330℃以上。

從產(chǎn)品熱震性來看，隨著溫度升高，熱震性越來越好。如果熱震性差，過濾器在過濾金屬液時，過濾器會被沖垮，造成巨大的經(jīng)濟損失。可得出產(chǎn)品的最佳燒結(jié)溫度為1350℃以上。

從產(chǎn)品的氣孔率來看，隨著溫度的升高，產(chǎn)品的氣孔率呈現(xiàn)無規(guī)律變化。

綜合以上數(shù)據(jù)來看，泡沫陶瓷過濾器的最佳燒結(jié)溫度為大于等于1340℃。

6 結(jié)論

（1）原材料進(jìn)廠時應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)海綿質(zhì)量，生產(chǎn)產(chǎn)品時嚴(yán)格根據(jù)客戶需求選擇海綿型號及海綿目數(shù)。

（2）生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)把厚度檢驗關(guān)，同時要根據(jù)客戶對產(chǎn)品性能的要求選擇海綿的切割厚度，防止出現(xiàn)質(zhì)量事故。

（3）把握原料進(jìn)廠氧化鋁的粒度關(guān)口，防止質(zhì)量事故的發(fā)生。

（4）得出了在1280℃～1360℃升溫過程中，產(chǎn)品的主要性能包括吸水率、掉渣率、熱震性、抗壓及抗折強度、氣孔率隨溫度的變化特點，為產(chǎn)品的燒結(jié)提供了寶貴試驗數(shù)據(jù)，便于為以后燒結(jié)溫度的調(diào)節(jié)提供參考。本實驗所用燒結(jié)溫度為1340℃，此溫度是否為最佳燒結(jié)溫度，此溫度下產(chǎn)品各項性能綜合比較是否為最佳還有待進(jìn)一步實驗驗證。

本文只驗證了燒結(jié)溫度對產(chǎn)品性能的影響，燒結(jié)工藝中影響產(chǎn)品性能除了燒結(jié)溫度外，還涉及到升溫速率及保溫時間，可以做相關(guān)實驗，得出有用數(shù)據(jù)，進(jìn)一步改進(jìn)燒結(jié)工藝，提高產(chǎn)品性能。