劉 磊 畢家林 張翠敏 高琳琳

遼寧省輕工科學(xué)研究院

碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過(guò)濾片的研制

劉 磊 畢家林 張翠敏 高琳琳

遼寧省輕工科學(xué)研究院

質(zhì)量是全部事業(yè)的基礎(chǔ).有效地控制和提高鑄造合金和鑄件的質(zhì)量已成為當(dāng)今世界各國(guó)鑄造工業(yè)共同的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。大量的實(shí)踐證明：鑄造中夾雜物及氣體對(duì)強(qiáng)度、疲勞拉力、耐腐蝕性、應(yīng)力腐蝕、開裂性能均有重大影響。泡沫陶瓷過(guò)濾技術(shù)是一種凈化金屬溶液的新技術(shù)，它可以解決傳統(tǒng)的鑄造工藝不能去除合金中非金屬夾雜物的問(wèn)題。介紹了研制碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過(guò)濾片的工藝過(guò)程和使用情況，總結(jié)了這種過(guò)濾片的一些特性及使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

碳化硅陶瓷；過(guò)濾器；夾雜物

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

1 原材料及生產(chǎn)工藝

從西班牙﹑德國(guó)﹑美國(guó)引進(jìn)的自動(dòng)化鑄造生產(chǎn)線是為北京切諾基吉普車和豐田4Y系列車配套的，生產(chǎn)41缸體﹑缸蓋及491Q缸體和缸蓋。這幾種產(chǎn)品均屬薄壁復(fù)雜鑄件，對(duì)鑄件性能要求較高，鑄件所采用的材質(zhì)為灰鑄鐵，為滿足過(guò)濾凈化要求，泡沫陶瓷過(guò)濾片應(yīng)具備如下性能：

1.1 原材料要求

(l)足夠的機(jī)械強(qiáng)度。泡沫陶瓷過(guò)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(shí)與型壁接觸，易使過(guò)濾片碎渣摻入型內(nèi)，在運(yùn)輸過(guò)程中，也易受振動(dòng)﹑沖擊和擠壓等，為適應(yīng)上述使用﹑安裝和運(yùn)輸?shù)囊?，過(guò)濾片必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

(2)較高的耐熱沖擊和耐沖刷性能。泡沫陶瓷過(guò)濾片開始工作時(shí)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(yīng)具有小的熱膨脹系數(shù)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(guò)濾片不變形﹑不軟化。

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

(5)較高的化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫條件下，金屬液不能與過(guò)濾片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以防止污染金屬溶液。

(6)極低的發(fā)氣性。過(guò)濾片工作時(shí)，全部浸泡于金屬液中，因此不允許產(chǎn)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(chǎn)工藝

采用泡沫陶瓷進(jìn)行型內(nèi)過(guò)濾及中間過(guò)程鋁合金液的過(guò)濾是一種較先進(jìn)的過(guò)濾方式。目前，泡沫陶瓷過(guò)濾已廣泛地應(yīng)用在鑄鋁件﹑鑄銅件和鑄鐵件上。用于過(guò)濾的泡沫陶瓷是采用特殊的發(fā)泡工藝，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)再經(jīng)過(guò)特殊處理來(lái)保證其通孔率。使用泡沫陶瓷過(guò)濾的基本原理是合金液在通過(guò)細(xì)密的孔道過(guò)程中，以吸附合金液中的氣體和機(jī)械攔截雜質(zhì)方式去除合金液中的夾渣，從而減少鑄件中的缺陷，達(dá)到提高鑄件外觀質(zhì)量和力學(xué)性能的目的。同時(shí)，通過(guò)泡沫陶瓷過(guò)濾裝置改變鋁液的流動(dòng)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(guò)濾片固定在澆口中是操作過(guò)程中的難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析﹑設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，最后確定在鐵澆口中設(shè)計(jì)一個(gè)臺(tái)階來(lái)支撐陶瓷過(guò)濾片，并通過(guò)澆口尺寸的控制來(lái)對(duì)其進(jìn)行限位固定，巧妙地解決了陶瓷過(guò)濾片固定的難題。

2 泡沫陶瓷過(guò)濾技術(shù)

2.1 過(guò)濾器的作用和機(jī)理

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

泡沫陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾主要通過(guò)四個(gè)方面發(fā)揮作用：①機(jī)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(zhì)對(duì)鑄件的危害；②濾餅機(jī)制：大的顆粒夾雜氧化物聚集在過(guò)濾器上方，形成濾餅，增加了過(guò)濾器過(guò)濾小顆粒夾雜氧化物的能力；③深層過(guò)濾(化學(xué)吸附)：三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，曲折彎曲的內(nèi)孔增加了其吸附細(xì)小夾雜物的機(jī)率；④整流機(jī)制：使金屬液的流動(dòng)由紊流狀態(tài)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，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(shù)對(duì)過(guò)濾效率的影響

增加過(guò)濾體厚度可以提高過(guò)濾效率，但當(dāng)過(guò)濾體泡沫微孔徑大到一定值后，增加過(guò)濾體厚度只會(huì)提高排氣負(fù)壓，而對(duì)改善過(guò)濾效率的影響不大。細(xì)密的泡沫陶瓷有利于碳煙微粒的過(guò)濾，但由于此時(shí)過(guò)濾主要集中在過(guò)濾體的入口端，微粒不能在過(guò)濾體內(nèi)較均勻地分布，容易使過(guò)濾體在加熱再生時(shí)因不均勻的熱應(yīng)力而破壞，而且整個(gè)過(guò)濾體長(zhǎng)度也不能有效地用于過(guò)濾。因此，在一定的過(guò)濾體流通截面的條件下，應(yīng)合理地選擇過(guò)濾體的厚度及泡沫微孔徑，使微粒在過(guò)濾體內(nèi)盡量分布均勻，以保證過(guò)濾效率和合適的排氣背壓。另外，隨著泡沫陶瓷過(guò)濾體橫截面積的增加，過(guò)濾效率逐漸升高，這顯然是由于氣體流速下降的緣故，因?yàn)樵诟咚贇饬髯饔孟拢殉练e的微粒會(huì)發(fā)生重新分散。

3 結(jié)論

(l)研制的碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過(guò)濾片具有較好的高溫強(qiáng)度﹑耐熱沖擊性﹑化學(xué)穩(wěn)定性及通導(dǎo)能力，容重為0.4～0.79c/m，常溫耐壓強(qiáng)度為1.65MPa，孔隙率為70緯一80%，耐火度為1600℃，熱震穩(wěn)定性(1100℃～水冷)大于5次，這些指標(biāo)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，基本上達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平，另外，探索出的生產(chǎn)工藝便于批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。(2)碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷過(guò)濾片適用于鐵水的過(guò)濾凈化。不但能去除夾雜，還能明顯改善鑄件的組織結(jié)構(gòu)，使鑄件硬度均勻化，從而改善加工性能，使合格率和力學(xué)性能有較大的提高，在鑄造行業(yè)推廣，可望得到顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。(3)碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷還可以用于有色金屬和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化方面，有待于進(jìn)一步研究開發(fā)。

[1] 楊瑩，陳斐，沈強(qiáng)，等.高強(qiáng)度碳化硅泡沫陶瓷的制備及其抗壓強(qiáng)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(wǎng)眼多孔陶瓷的制備[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2000，15(6)：1055–1060.