在鑄造生產(chǎn)中,由于非金屬夾雜物等鑄造缺陷導(dǎo)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(shù)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(jié)劑、助燒結(jié)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(jī)理

     泡沫陶瓷過濾器通過對金屬液的3種物理化學(xué)作用,分離液態(tài)鑄造合金中的夾雜物,達(dá)到凈化金屬液的效果[4 5]。

     1)濾餅機(jī)制:復(fù)雜的泡沫陶瓷結(jié)構(gòu),可以高效率地機(jī)械擋渣,當(dāng)金屬液通過結(jié)構(gòu)復(fù)雜的泡沫陶瓷過濾器時,通過過濾介質(zhì)的機(jī)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(jìn)一步變細(xì),因而新增的過濾介質(zhì)表面可以濾除更為細(xì)小的夾雜物,與此同時,介質(zhì)內(nèi)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(nèi)部也存在“濾餅”效應(yīng)。

    2)表面效應(yīng):當(dāng)金屬液流經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷體時,被分割成許多細(xì)小的流股,增大了金屬液中夾雜物與過濾介質(zhì)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(yīng):金屬液流過泡沫陶瓷過濾器時,被分割成許多細(xì)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(dāng)金屬液處于層流狀態(tài)時,由于熔融金屬液的密度遠(yuǎn)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(yīng)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(chǎn)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(luò)和彎曲的通孔,能充分地濾除鋁合金熔體中的細(xì)小非金屬夾雜物,從而提高了鑄件的質(zhì)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(zhì),網(wǎng)眼尺寸為0.8～1.0ｍｍ。西安飛機(jī)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì),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(qiáng)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(zhì)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(zhuǎn)化成ＣＯ2,Ｈ2Ｏ,Ｎ2,轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上;用在柴油車上,碳粒凈化率在50%以上。當(dāng)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(dá)到長期使用的目的。

    2.5　其他應(yīng)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(qiáng)化傳熱和多孔介質(zhì)的燃燒技術(shù)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(qiáng)烈的光催化氧化降解特性,可催化降解有機(jī)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?xì)獠牧?煤氣灶節(jié)能燃燒板等。

     綜上所述,泡沫陶瓷的應(yīng)用將會給現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代生活帶來極大的經(jīng)濟(jì)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(zhì)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(chǎn)品。具有優(yōu)良特性的泡沫陶瓷已被越來越多的人所認(rèn)識,他將廣泛應(yīng)用于冶金、化工、環(huán)保、節(jié)能、醫(yī)學(xué)、電子等領(lǐng)域,前景十分廣闊。

    3　試驗結(jié)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(chǎn)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(jié)果表明:

   1)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷過濾器的制備應(yīng)選用80%的磷酸二氫鋁水溶液作黏結(jié)劑;

   2)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷過濾器(燒結(jié)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(qiáng)度隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但當(dāng)Ａｌ2Ｏ3含量達(dá)到10%時抗壓強(qiáng)度增長緩慢;

   4)泡沫陶瓷的抗彎強(qiáng)度隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但當(dāng)Ａｌ2Ｏ3含量達(dá)到20%時抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,之后隨Ａｌ2Ｏ3含量的增加而減小;

   5)燒結(jié)過程中的升溫制度是關(guān)鍵,應(yīng)采用慢速升溫制度。燒結(jié)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(lǐng)域的應(yīng)用已得到了長足的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計,國內(nèi)迄今已有近10條泡沫陶瓷過濾器生產(chǎn)線投入生產(chǎn),年生產(chǎn)總量已達(dá)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(jì),泡沫陶瓷過濾器的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用推廣工作尚需繼續(xù)加強(qiáng),而且工作重點應(yīng)放在以下幾個方面:

    1)開發(fā)生產(chǎn)燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短的新型低成本泡沫陶瓷過濾器;

    2)開發(fā)生產(chǎn)適用于各種活性合金、高溫物理化學(xué)性能穩(wěn)定的新型泡沫陶瓷過濾器;

    3)開發(fā)生產(chǎn)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(jī)制和對金屬凝固過程的影響機(jī)制;

    5)系統(tǒng)研究泡沫陶瓷過濾器的應(yīng)用技術(shù),包括孔徑和厚度的選擇、安放方式和澆鑄系統(tǒng)的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化工作