碳化硅质泡沫陶瓷过滤片的研制

刘 磊 毕家林 张翠敏 高琳琳

辽宁省轻工科学研究院

碳化硅质泡沫陶瓷过滤片的研制

刘 磊 毕家林 张翠敏 高琳琳

辽宁省轻工科学研究院

质量是全部事业的基础.有效地控制和提高铸造合金和铸件的质量已成为当今世界各国铸造工业共同的技术发展目标。大量的实践证明：铸造中夹杂物及气体对强度、疲劳拉力、耐腐蚀性、应力腐蚀、开裂性能均有重大影响。泡沫陶瓷过滤技术是一种净化金属溶液的新技术，它可以解决传统的铸造工艺不能去除合金中非金属夹杂物的问题。介绍了研制碳化硅质泡沫陶瓷过滤片的工艺过程和使用情况，总结了这种过滤片的一些特性及使用价值和推广价值。

碳化硅陶瓷；过滤器；夹杂物

沫陶瓷过滤片具有化学稳定性好﹑比强度高﹑耐高温﹑抗热震﹑比表面积大等优点，且除渣效果好﹑操作简便﹑易于与其他部分搭配，成本较低，因此，泡沫陶瓷过滤已成为一种常规净化手段。泡沫陶瓷过滤器的种类很多，不同材质的过滤器用于不同金属液的过滤。铸钢一般选用氧化锆质的过滤器，铸铁﹑铸铜用碳化硅质的过滤器，铝合金用氧化铝质的过滤器，镁合金用氧化镁质的过滤器。

1 原材料及生产工艺

从西班牙﹑德国﹑美国引进的自动化铸造生产线是为北京切诺基吉普车和丰田4Y系列车配套的，生产41缸体﹑缸盖及491Q缸体和缸盖。这几种产品均属薄壁复杂铸件，对铸件性能要求较高，铸件所采用的材质为灰铸铁，为满足过滤净化要求，泡沫陶瓷过滤片应具备如下性能：

1.1 原材料要求

(l)足够的机械强度。泡沫陶瓷过滤片受高温液体金属的冲力和压力，尤其是较大的铸铁件，压头很大，密度也很大，在安装时与型壁接触，易使过滤片碎渣掺入型内，在运输过程中，也易受振动﹑冲击和挤压等，为适应上述使用﹑安装和运输的要求，过滤片必须具备足够的机械强度。

(2)较高的耐热冲击和耐冲刷性能。泡沫陶瓷过滤片开始工作时与高温金属溶液突然接触.瞬间将滤片加热，并很快加热到金属溶液的温度(铁水1400`C以上)，使之受热膨胀。因此，滤片应具有小的热膨胀系数及高的耐热冲击性能，突然受热后不开裂。

(3)较高的耐火度。即在浇铸温度下过滤片不变形﹑不软化。

(4)足够的孔隙率及金属液通过能力。为确保金属溶液能顺利地通过泡沫陶瓷过滤片，保证在允许的浇铸时间内使金属溶液全部通过，过滤片应有良好的通过能力。

(5)较高的化学稳定性。在高温条件下，金属液不能与过滤片发生化学反应，以防止污染金属溶液。

(6)极低的发气性。过滤片工作时，全部浸泡于金属液中，因此不允许产生较多的气体，以免造成气孔和污染金属液。

1.2 泡沫陶瓷的生产工艺

采用泡沫陶瓷进行型内过滤及中间过程铝合金液的过滤是一种较先进的过滤方式。目前，泡沫陶瓷过滤已广泛地应用在铸铝件﹑铸铜件和铸铁件上。用于过滤的泡沫陶瓷是采用特殊的发泡工艺，通过高温烧结再经过特殊处理来保证其通孔率。使用泡沫陶瓷过滤的基本原理是合金液在通过细密的孔道过程中，以吸附合金液中的气体和机械拦截杂质方式去除合金液中的夹渣，从而减少铸件中的缺陷，达到提高铸件外观质量和力学性能的目的。同时，通过泡沫陶瓷过滤装置改变铝液的流动方式，减少由于合金液翻滚形成的二次氧化夹杂。但如何将陶瓷过滤片固定在浇口中是操作过程中的难点，经过仔细分析﹑设计和试验，最后确定在铁浇口中设计一个台阶来支撑陶瓷过滤片，并通过浇口尺寸的控制来对其进行限位固定，巧妙地解决了陶瓷过滤片固定的难题。

2 泡沫陶瓷过滤技术

2.1 过滤器的作用和机理

泡沫陶瓷过滤器的主要作用是滤除金属液中的杂质和气泡，净化金属液，并通过过滤起到整流作用，使金属液的流动更平稳，防止二次氧化。

泡沫陶瓷过滤器的过滤主要通过四个方面发挥作用：①机械筛分(拦截)：去除较大颗粒的夹杂氧化物，滤出金属液中的气体，减少杂质对铸件的危害；②滤饼机制：大的颗粒夹杂氧化物聚集在过滤器上方，形成滤饼，增加了过滤器过滤小颗粒夹杂氧化物的能力；③深层过滤(化学吸附)：三维网状结构，曲折弯曲的内孔增加了其吸附细小夹杂物的机率；④整流机制：使金属液的流动由紊流状态变为层流状态，减缓流速，防止涡流，减轻金属液的二次氧化和吸气，提高铸件性能。

2.2 陶瓷参数对过滤效率的影响

增加过滤体厚度可以提高过滤效率，但当过滤体泡沫微孔径大到一定值后，增加过滤体厚度只会提高排气负压，而对改善过滤效率的影响不大。细密的泡沫陶瓷有利于碳烟微粒的过滤，但由于此时过滤主要集中在过滤体的入口端，微粒不能在过滤体内较均匀地分布，容易使过滤体在加热再生时因不均匀的热应力而破坏，而且整个过滤体长度也不能有效地用于过滤。因此，在一定的过滤体流通截面的条件下，应合理地选择过滤体的厚度及泡沫微孔径，使微粒在过滤体内尽量分布均匀，以保证过滤效率和合适的排气背压。另外，随着泡沫陶瓷过滤体横截面积的增加，过滤效率逐渐升高，这显然是由于气体流速下降的缘故，因为在高速气流作用下，已沉积的微粒会发生重新分散。

3 结论

(l)研制的碳化硅质泡沫陶瓷过滤片具有较好的高温强度﹑耐热冲击性﹑化学稳定性及通导能力，容重为0.4～0.79c/m，常温耐压强度为1.65MPa，孔隙率为70纬一80%，耐火度为1600℃，热震稳定性(1100℃～水冷)大于5次，这些指标居国内领先地位，基本上达到了国外同类产品水平，另外，探索出的生产工艺便于批量生产，实现产业化。(2)碳化硅质泡沫陶瓷过滤片适用于铁水的过滤净化。不但能去除夹杂，还能明显改善铸件的组织结构，使铸件硬度均匀化，从而改善加工性能，使合格率和力学性能有较大的提高，在铸造行业推广，可望得到显著的经济效益和社会效益。(3)碳化硅质泡沫陶瓷还可以用于有色金属和柴油发动机尾气净化方面，有待于进一步研究开发。

[1] 杨莹，陈斐，沈强，等.高强度碳化硅泡沫陶瓷的制备及其抗压强度研究[J].稀有金属材料与工程，2011，40(S1)：7–10.

[2]朱新文，江东亮，谭寿洪.碳化硅网眼多孔陶瓷的制备[J].无机材料学报，2000，15(6)：1055–1060.