铸造用泡沫陶瓷过滤器的生产工艺

2019-09-22 版权声明 举报文章

摘要本文详细介绍了泡沫陶瓷过滤器的生产工艺,并简单介绍了其过滤机理。对海绵加工、浆料调节及产品烧结等生产工序分别作了阐述,并提出了生产过滤器的技术要求和铸造使用过程中的注意事项。

关键词泡沫陶瓷,铸造,过滤器

1前 言

泡沫陶瓷是多孔材料的一种,它具备三维立体网络结构和高孔隙率特征。由于泡沫陶瓷的这种特殊结构,使其具有密度小、气孔率高、比强度高、抗热震性好、耐高温等优点。因此泡沫陶瓷被广泛应用在气体液体过滤、净化分离、化工催化、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料以及特种强体材料和传感器等多方面[1,2]。

铸造是泡沫陶瓷过滤器应用最为广泛的行业之一。它的作用是使紊乱、翻腾的金属液经过泡沫陶瓷蜂窝孔后变得平稳、均匀、干净,从而大大降低由于非金属夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品率,节约生产成本[3]。

2泡沫陶瓷的生产工艺

泡沫陶瓷过滤器(CFF,即Ceramic FoamFilter) 是采用聚氨酯泡沫塑料为载体,将其浸入到由陶瓷粉末、粘结剂、助烧结剂、悬浮剂等制成的料浆中,然后挤掉多余浆料,使陶瓷浆料均匀涂敷于载体骨架从而形成坯体,再把坯体烘干并经高温烧结而成[4]。这种工艺又称为有机泡沫浸渍法,是目前国内较为成熟的生产工艺。

2.1 工艺流程

泡沫陶瓷的生产工艺流程见下图。

2.1.1 海绵加工工序

所用的有机泡沫多指聚氨酯多孔海绵,按不同孔径进行分类,有10PPi、15PPi、20PPi、30PPi等。海绵的网孔分类与产品网孔的分类却不尽相同,一般来说,PPi(Pore Per Inch,每英寸的孔数)数值越大,对应孔径越小,过滤的夹杂物也越小。

海绵加工工序作为头道工序,也非常关键。首先是海绵的选择,由于每个海绵泡体可能网孔不一,即使同一批海绵,加工前也一定要仔细核对网孔标准;其次是海绵切削的尺寸要精确;最后是加工好的海绵制品保证无倾斜。

2.1.2 调浆工序

配方的选择必须要保证浆料稠度与流动性的最佳状况,才能保证上浆过程产品能均匀上浆,达到所规定的上浆重量。因为这都是保证产品强度与通孔率合格的前提。调好的浆料通过其比重和稠度来判断其使用性能。

2.1.3 海绵改性工序

海绵改性是为上浆工序作准备,提高海绵的挂浆性能,使上浆均匀。

2.1.4 浸渍上浆工序

将改性好的干燥海绵制品,通过调好的浆料在辊压机上均匀涂敷成坯体。对于不同网孔的海绵制品需要不同稠度的浆料来上浆,否则达不到上浆的效果。

2.1.5 干燥工序

干燥工序主要是让上好浆的半成品将水分挥发掉,一般控制在1.0%以下即可。对于较大规格的产品,需要控制好干燥的环境,如温度、湿度等,以防止出现干燥变形与裂纹缺陷。

2.1.6 烧成工序

烧成工序是生产中最后一道的工序,由于配方的改进,考虑到生产的成本,现在泡沫陶瓷企业大多数的SiC泡沫陶瓷烧成都不需要进行气氛保护,烧成温度一般在1350~1450℃。

2.1.7 质检工序

泡沫陶瓷由于自身的多孔结构,烧出的产品都或多或少地存在掉渣现象。对于铸造厂来说,除了考虑过滤器的强度和网孔外,掉渣现象也是他们最关注的热点问题。因为过滤器本身就是用来过滤夹杂物的,而自身的掉渣却会起到相反的作用,从而导致铸件的报废。因此,质检工序除了检测外观与内质的合格外,清理掉渣也十分必要。

3铸造用泡沫陶瓷的过滤机理和使用建议

3.1 泡沫陶瓷过滤器的过滤机理

泡沫陶瓷过滤器通过对金属液的三种物理化学作用来分离液态铸造合金中的夹杂物,从而达到净化金属液的效果[5~6]。

3.1.1 滤饼效应

复杂的泡沫陶瓷结构,可以高效率地进行机械挡渣,当金属液通过结构复杂的泡沫陶瓷过滤器时,过滤介质通过机械分离作用,把大于过滤器表面孔径的夹杂物滤除,并使之沉淀在过滤器液态金属的流入端。随着夹杂物在过滤器表面上堆积数量的增多,逐渐会形成一层“滤饼”,使金属液流道进一步变细,因此新增的过滤介质表面可以滤除更为细小的夹杂物,与此同时,介质内部也有过滤作用,在贯穿于陶瓷体的众多小孔中,有的呈现微小狭缝,有的存在死角,这些变化不同的区域都是截获夹杂物的可能位置,过滤器内部也存在“滤饼”效应。

3.1.2 表面效应

当金属液流经结构复杂的陶瓷体时,被分成许多细小的流股,增大了金属液中夹杂物与过滤介质的接触面积及接触几率,由于过滤器表面是极微小的凹凸面,凹块尺寸约为1~10μm ,对夹杂物有静电吸附和粘附截流作用。

3.1.3 整流效应

金属液流过泡沫陶瓷过滤器时被分割成许多细小单元的流股,其直径较小,从而使雷诺数(Re=vd/r)变小,使液流趋于层流运动。当金属液处于层流状态时,由于熔融金属液的密度远大于夹杂物的密度,因此夹杂物有充分的时间被上浮除去,也即泡沫陶瓷过滤器能辅助横浇道进行挡渣。浇注系统中放置过滤器后,金属液流动的阻力增加,在横浇道中流动的金属液容易形成充满运动,并使流速降低, 有利于夹杂物上浮, 并滞留在横浇道顶面。

3.2 泡沫陶瓷过滤器的使用建议

(1) 根据合金熔点来选用合适材料的过滤片,以免温度过高,损坏过滤片功能,达不到过滤效果。

(2) 选择相应的网孔,净化效果要与铸件要求相配。

(3) 浇铸温度尽量采用工艺上限,以增加金属流动性。

(4) 过滤网水平放置在交口杯下或分型面上时,浇铸高度不能超过20cm,最好金属液冲在交口杯壁,不直接冲向过滤网。

(5) 过滤片须轻拿轻放。不用时,放在干燥通风处,以免吸潮影响过滤片的强度。

4结论

有机泡沫浸渍法是目前泡沫陶瓷过滤器应用较广泛的生产工艺。但随着市场竞争的加剧、原材料价格的上升等因素影响,如何进一步改善该工艺,提高生产效率、提高产品质量、降低生产成本已成为当前研究的重要课题。国内泡沫陶瓷过滤器与国外相比,无论在外观与产品质量上都存在不小的差距。并且现有的品种单一,只能占有部分中低档市场。虽然也有泡沫陶瓷国产产品出口,但价格却不理想,供货也不稳定。另一方面,尽快制定泡沫陶瓷过滤器国家标准,有利于泡沫陶瓷行业的发展。

今后还需进一步加大研究、开发和应用力度,提高泡沫陶瓷性能,完善现有的制造工艺,彻底解决铸钢、高温合金和连铸用中高档泡沫陶瓷的实际生产问题。同时开发化工、环保、节能、医学、电子等领域的泡沫陶瓷。

参考文献

1 靳洪允.泡沫陶瓷材料的研究进展[J].现代技术陶瓷,2005(3):33~35

2 陈汉添.氧化锆基泡沫陶瓷的工艺原理及性能表征[J].陶瓷,2006(6):16

3 冯胜山,陈巨乔.泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势[J]. 耐火材料,2002,36(4):235~239

4 Sutton WH,et al.Development of Ceramic Foam Materials for Filtering High Temperature Alloys[J].AFS Transactions,1985,93:171~176

5 房文斌,耿耀宏等.泡沫陶瓷过滤器过滤净化液态金属的机制[J].铸造,2001,50(8):482~484

6 Wiser P F,Dutta I.Priming And Flow Through Filters[J].AFS Transactions,1986:85

The Process of Ceramic Foam Filter Used in Foundry

WangXia

(Foshan Ceramic Research InstituteFoshanGuangdong 528031)

Abstract: Production technology and filtering mechanism of ceramic foam filter was discussed in details.Foam processing,pulp conditioning and sintering processes are introduced respectively.The technical requirements of filters production and casting process are pointed out in this paper.

Keywords: foam ceramic,foundry,filter

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