在鑄造生產中,由于非金屬夾雜物等鑄造缺陷導致的鑄件廢品一般占廢品總數(shù)的50%～60%。采用金屬液過濾器技術可以有效地減少或消除其中的各種非金屬夾雜物,凈化液態(tài)鑄造合金[1]。
泡沫陶瓷過濾器(ＣＦＦ,即ＣｅｒａｍｉｃＦｏａｍＦｉｌ ｔｅｒ)是采用聚氨酯泡沫塑料為載體,經(jīng)過水解后將他浸入到由陶瓷粉末、黏結劑、助燒結劑、懸浮劑等制成的涂料中,然后擠掉多余涂料,使陶瓷涂料均勻涂敷于載體骨架成為坯體,再把坯體烘干并經(jīng)高溫焙燒而成[2 3]。
1 過濾機理
泡沫陶瓷過濾器通過對金屬液的3種物理化學作用,分離液態(tài)鑄造合金中的夾雜物,達到凈化金屬液的效果[4 5]。
1)濾餅機制:復雜的泡沫陶瓷結構,可以高效率地機械擋渣,當金屬液通過結構復雜的泡沫陶瓷過濾器時,通過過濾介質的機械分離作用,把大于過濾器表面孔眼的夾雜物濾除,并使之沉淀在過濾器液態(tài)金屬流入端,成為過濾器的一個組成部分。隨著夾雜物在過濾器表面上堆積數(shù)量的增多,逐漸形成了一層“濾餅”,使金屬液流道進一步變細,因而新增的過濾介質表面可以濾除更為細小的夾雜物,與此同時,介質內部也有過濾作用,在貫穿于陶瓷體的眾多小孔中,有的呈現(xiàn)微小狹縫,有的存在死角,這些變化不同的區(qū)域都是截獲夾雜物的可能位置,過濾器內部也存在“濾餅”效應。
2)表面效應:當金屬液流經(jīng)結構復雜的陶瓷體時,被分割成許多細小的流股,增大了金屬液中夾雜物與過濾介質的接觸面積及接觸幾率,由于過濾器表面是極微小的凸凹面,凹塊尺寸約為1～10μｍ,對夾雜物有靜電吸附和黏附截流作用。
3)整流效應:金屬液流過泡沫陶瓷過濾器時,被分割成許多細小單元的流股,其直徑較小,從而使雷諾數(shù)(Ｒｅ=ｖｄ/ｒ)變小,使液流趨于層流運動。當金屬液處于層流狀態(tài)時,由于熔融金屬液的密度遠大于夾雜物的密度,因而使夾雜物有充分的時間上浮除去,也即泡沫陶瓷過濾器能輔助橫澆道擋渣。澆注系統(tǒng)中放置過濾器后,金屬液流動的助力增加,在橫澆道中流動的金屬液容易形成充滿運動,并使流速降低,有利于夾雜物上浮,并滯留在橫澆道頂面。
2 泡沫陶瓷的應用
2.1 鋁合金鑄造過濾鋁合金在熔化和形成鑄件的過程中,容易吸收氣體和混入非金屬雜物,從而降低了鑄件的使用性能和加工性能。目前研制成功的泡沫陶瓷過濾片為鋁合金鑄件生產提供了一種新型的、高效率的過濾器。不同于通常的單層鉆孔篩板和玻璃纖維篩網(wǎng),而是有著多層網(wǎng)絡和彎曲的通孔,能充分地濾除鋁合金熔體中的細小非金屬夾雜物,從而提高了鑄件的質量。泡沫陶瓷過濾片用于鋁合金熔體的過濾,通常選用堇青石質,網(wǎng)眼尺寸為0.8～1.0ｍｍ。西安飛機制造公司采用(90ｍｍ×80ｍｍ×20ｍｍ)泡沫陶瓷濾片,使油泵彎管頭、離合器殼、變扭器殼體等鑄件的合格率提高了40%～70%,僅此一項,就為該公司每年新增產值200萬元,實現(xiàn)利稅30萬元。
2.2 銅合金鑄造過濾
有色金屬熔體(黃銅、青銅、鋅、錫)在鑄造過程中,同樣也會產生氧化和非金屬雜物,出現(xiàn)大量的廢品,若采用泡沫陶瓷濾片可大大降低廢品率。過濾銅合金熔體通常選用堇青石質,網(wǎng)眼尺寸為1.0～1.2ｍｍ。
2.3 鋼鐵鑄造過濾
泡沫陶瓷同樣適用于球磨鑄鐵、合金鋼、不銹鋼等高溫合金的鑄造過濾。鋼鐵合金比重較大,熔點高,要求泡沫陶瓷的高溫強度、軟化溫度以及抗熱沖擊性都要比過濾鋁、銅高。通常選用氧化鋁和碳化硅質的泡沫陶瓷過濾片,濾片的網(wǎng)眼尺寸為2～3ｍｍ。
2.4 汽車尾氣凈化處理器催化劑載體
隨著我國汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,汽車尾氣排放已成為環(huán)境污染的主要來源。由于泡沫陶瓷具有比表面積高、熱穩(wěn)定性好、耐磨、不易中毒、低密度,已廣泛作為汽車尾氣催化凈化器載體使用。將泡沫陶瓷汽車尾氣催化凈化器安裝在汽油車排氣管中,可以使汽油車排出的ＣＯ,ＨＣ,ＮＯｘ有害氣體轉化成ＣＯ2,Ｈ2Ｏ,Ｎ2,轉化率可達90%以上;用在柴油車上,碳粒凈化率在50%以上。當泡沫陶瓷濾芯積滿碳粒時,可以采用催化氧化法或電控燃燒法再生,不斷消除沉積的碳粒,達到長期使用的目的。
2.5 其他應用在高溫條件下,泡沫陶瓷具有優(yōu)良的熱輻射特性,被用于強化傳熱和多孔介質的燃燒技術中,效果顯著。泡沫陶瓷還可以做成光觸媒載體,在泡沫陶瓷載體上涂覆納米二氧化鈦,受紫外線激發(fā),具有強烈的光催化氧化降解特性,可催化降解有機物和微生物,從而凈化空氣。泡沫陶瓷還可以做成化工塔填料,布氣材料,煤氣灶節(jié)能燃燒板等。
綜上所述,泡沫陶瓷的應用將會給現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代生活帶來極大的經(jīng)濟和社會效益。由于泡沫陶瓷使用方便、價格便宜、制造工藝簡單,通過材質的選擇和工藝控制,可以制成適合于不同用途的泡沫陶瓷產品。具有優(yōu)良特性的泡沫陶瓷已被越來越多的人所認識,他將廣泛應用于冶金、化工、環(huán)保、節(jié)能、醫(yī)學、電子等領域,前景十分廣闊。
3 試驗結果
在泡沫陶瓷材料方面,本試驗室也開展了一些研究工藝。主要是通過試驗驗證各種工藝參數(shù)對泡沫陶瓷過濾器性能的影響,找出更加合理的、完善的工藝參數(shù),以提高過濾器性能和生產出過濾溫度更高的、過濾鋼液及高溫合金的氧化鋯基泡沫陶瓷過濾器。試驗結果表明:
1)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷過濾器的制備應選用80%的磷酸二氫鋁水溶液作黏結劑;
2)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷過濾器(燒結助劑為Ａｌ2Ｏ3)的陶瓷粉料最佳比例為:ｗ(ＺｒＯ2)=80%,ｗ(Ａｌ2Ｏ3)=20%;
3)泡沫陶瓷的抗壓強度隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但當Ａｌ2Ｏ3含量達到10%時抗壓強度增長緩慢;
4)泡沫陶瓷的抗彎強度隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但當Ａｌ2Ｏ3含量達到20%時抗彎強度出現(xiàn)峰值,之后隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而減小;
5)燒結過程中的升溫制度是關鍵,應采用慢速升溫制度。燒結速率如下:500℃以下1～2℃/ｍｉｎ;500℃以上為3℃/ｍｉｎ。
4 泡沫陶瓷過濾器的發(fā)展趨勢如前所述,
近20年來,經(jīng)過鑄造工作者的努力,泡沫陶瓷過濾器及其在液態(tài)鑄造合金過濾領域的應用已得到了長足的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計,國內迄今已有近10條泡沫陶瓷過濾器生產線投入生產,年生產總量已達數(shù)百萬片。但據(jù)測算,我國鑄造行業(yè)的潛在年需求量約1億片左右。因此,在新的世紀,泡沫陶瓷過濾器的研究、生產和應用推廣工作尚需繼續(xù)加強,而且工作重點應放在以下幾個方面:
1)開發(fā)生產燒結溫度低、燒結時間短的新型低成本泡沫陶瓷過濾器;
2)開發(fā)生產適用于各種活性合金、高溫物理化學性能穩(wěn)定的新型泡沫陶瓷過濾器;
3)開發(fā)生產適用于熔模鑄造、金屬型鑄造等特種鑄造工藝的異形泡沫陶瓷過濾器;
4)深入研究泡沫陶瓷過濾器的過濾凈化機制和對金屬凝固過程的影響機制;
5)系統(tǒng)研究泡沫陶瓷過濾器的應用技術,包括孔徑和厚度的選擇、安放方式和澆鑄系統(tǒng)的設計、澆鑄溫度和速度及金屬液壓頭的控制等;
6)開展泡沫陶瓷過濾器的系列化和標準化工作
