液态铸造合金用泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势

液态铸造合金用泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势冯胜山陈巨乔（湖北省机电研究设计院武汉430070）[摘要]本文介绍了液态铸造合金用过滤器的发展历史和性能特点，阐述了国内外泡沫陶瓷过滤器的研究状况和应用效果，探讨了泡沫陶瓷过滤器在新世纪的发展趋势。[关键词]铸造泡沫陶瓷过滤１液态铸造合金用过滤器的发展历史和性能特点在铸造生产中，由于非金属夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品率一般高达废品总数的50%~60%。夹杂缺陷不仅严重降低铸件的机械性能，也对其加工性能及外观产生有害影响。净化液态铸造合金，减少或消除其中的各种非金属夹杂物，无疑是获得高质量铸件的非常重要的技术措施。采用过滤技术可以有效地实现净化液态铸造合金的目的。过滤技术应用于铸造生产已有几十年的历史，但最初仅仅是用铁丝网、带孔的钢板、多孔泥芯等简单的过滤器插入浇注系统中来滤除大块夹杂物。从六十年代初起，在俄、美、英、中等国家陆续出现了硅酸铝纤维质、钼丝质、氮化硼纤维质等两维结构型内过滤网，并在生产中得到应用，取得了一定效果。但是，所有这些过滤网只能通过机械筛分作用滤除金属液中的大块夹杂物和极少数小夹杂物，而且硅酸铝纤维过滤网由于耐火度和强度均较低，只能用于有色合金、铸铁和小型铸钢件的过滤，难以长时间地承受高温金属流体的冲击；英国研制的钼丝质和美国研制的氮化硼纤维质过滤网虽能用于过滤铸钢等高温合金，但因其价格昂贵，使其应用受到限制。用于铸造合金过滤的还有直孔芯型陶瓷过滤器和耐火颗粒过滤器，但它们的孔隙率均小，而且前者的过滤效率仍较低，过滤效果不稳定，后者由于颗粒间无粘结作用使其易漏粒，使用也不方便。七十年代初美国最先研制成功的烧结型多孔陶瓷过滤器虽解决了耐火颗粒过滤器易漏粒和使用不便的问题，但和八十年代初美国最先研制成功的直孔型蜂窝陶瓷过滤器一样，孔隙率仍较小，一般小于50%，金属液过流率低。自从1978年铝合金用泡沫陶瓷过滤器首次研究成功以来，泡沫陶瓷过滤技术得到了迅速发展。这种过滤器（简称CFF，即CeramicFoamFilter）是采用聚氨酯泡沫塑料为载体，将它浸入由陶瓷粉末、粘结剂、助烧结剂、悬浮剂等制成的涂料中，然后挤掉多余涂料，使陶瓷涂料均匀涂敷于载体骨架成为坯体，再把坯体烘干并经高温焙烧而成。泡沫陶瓷过滤器又分为粘结型和烧结型，前者依靠粘结剂将陶瓷微细颗粒粘结在一起，后者是依靠在高温下保温，使较纯的陶瓷微细颗粒烧结熔合起来。泡沫陶瓷过滤器所具有的独特的三维连通曲孔网状骨架结构使其具有高达80%~90%的开口孔隙率，并具有以下三种过滤净化机制:其一是机械拦截；其二是整流浮渣，即过滤片的整流作用使过滤片前的横浇道处于充满状态，使过滤后的铁水呈平稳的层流状态，铁水的氧化和冲刷反应减弱，从而使夹杂物易于上浮和捕获，使过滤片后的二次夹杂物数量减少；其三是深层吸附，即进入过滤片内部的细小夹杂物由于与流径复杂的陶瓷网络充分接触而被吸附于骨架上或被滞留于网络死角中。它通过这三种过滤净化机制，可高效地滤除金属液中的大块夹杂物和很大部分小至数十微米的微小悬浮夹杂物（哈尔滨工业大学对铝青铜的试验表明：泡沫陶瓷过滤器的过滤效率高达95%，而双层纤维过滤网仅为67％），从而显著降低铸件废品率和焊补率。此外，还能简化浇注系统，改善金相组织，从而提高铸件工艺出品率和生产率，改善铸件内部质量、工作性能以及机加工性能。因此，泡沫陶瓷过滤器具有很好的应用前景。液态铸造合金用泡沫陶瓷过滤器应具备下列性能：1.1具有足够的常温和高温机械强度，使其能承受运输过程中的振动、挤压和使用过程中高温金属液的冲击。表１国内外典型泡沫陶瓷过滤器的主要技术性能对比国别及公司型号种类化学组成(Wt.%)孔尺寸(ppi)体积密度(g/cm3)开口孔隙率(%)常温抗压强度(MPa)常温抗弯强度(MPa)耐火度(℃)最高使用温度(℃)抗热冲击值(mg)200~1000℃热胀系数(10-6/℃)1000℃高温抗压强度(MPa)最高过滤效率(%)应用范围美国ConsolidatedAluminum公司Selee/AlAlPO4粘结刚玉Al2O3,AlPO410、20、300.850.351400较低Al及其它有色金属Selee/Fe莫来石3Al2O3.·2SiO215、252.00.7150097铁、非活性Ni基合金刚玉99Al2O315、250.66706.01700较低97铁、钢、高熔点有色金属、活性金属0.47813.00.9部分稳定化氧化锆97ZrO2，3MgO15、250.92707.01800很低97超级合金、钢0.64814.0氧化锆增韧莫来石75A2O3，17ZrO2，8SiO215、250.65704.5165097钢0.42812.5氧化锆增韧刚玉65PSZ，35Al2O315、252.00.7170097钢粘结SiCSiC15、25160097铁、铜基合金美国Hi-Tech陶瓷公司莫来石65Al2O3，35SiO210、20、300.45~0.4777~810.74~3.061.16~1.5716502.4~10.55.14高96铁、铜基合金刚玉98Al2O3，2SiO210、20、300.51~0.6677~822.08~2.831.50~3.2517504.1~8.18.61很高97高温合金氧化锆增韧刚玉79Al2O3，21ZrO210、20、300.57~0.6980~851.25~2.451.03~1.7817500.3~1.09.16很高97部分稳定化氧化锆97ZrO2，3MgO10、20、300.72~1.1276~851.01~2.511.10~3.3718000.2~2.28.23很高99日本Bridgestone株式会社堇青石2MgO·2Al2O3·5SiO26、13、200.35~0.6080~901.08~2.141.4~2.0堇青石－刚玉6、13、200.35~0.6080~901.45~2.764.4碳化硅SiC6851.091500日本品川白炼瓦公司氧化铝Al2O30.7802~315006.2碳化硅SiC0.5801.5~2.013003.5氮化硅Si3N40.6803~512003.5日本石桥政勇碳化硅SiC5、8、130.428515005.7铁合金英国Foseco公司Sivex10、20、30铝、铜等有色合金Sedex10、20、30铁、铜基合金Stelex氧化锆增韧刚玉ZTA10、20、3070高熔点合金，活性金属中国哈尔滨理工大学CFF/铁高铝矾土Al2O3，SiO2150.6850.8410.420＞170014500.530铁合金CFF/钢氧化锆增韧刚玉60Al2O3，11ZrO2，0.8TiO215800.9350.500＞175016000.828钢中国湖北机电研究设计院MF，AF，ZMF，ZAF高铝矾土，刚玉，氧化锆10、200.4~0.775~852.3~3.51650~180016502.9~4.25~91.3~2.0铝、铜、铁、钢等1.2具有合适的耐火度和较低的热膨胀系数，使其在高温金属液的长时间作用下不软化变形和开裂。1.3具有优良的高温化学稳定性，使其不受高温金属液的侵蚀，避免污染金属液。２国外泡沫陶瓷过滤器的发展状况最早的泡沫陶瓷过滤器是1978年美国ＣonsolidatedAluminum公司的R.R.Mollard和N.Davison研制成功的铝合金用泡沫陶瓷过滤器，其商品名为Selee/Al。1984年又研制出了用于过滤黑色金属的泡沫陶瓷过滤器Selee/Fe。Selee/Al是以磷酸铝(ALPO4)为粘结剂的粘结型刚玉质过滤器，其最高使用温度为1400℃，也可用于其它有色合金。Selee/Fe则主要为烧结型，根据不同的应用对象，可分别采用如下的耐火骨料：莫来石、刚玉、MgO部分稳定化ZrO2及其复合材料；此外还有粘结型SiC质的Selee/Fe。它们的孔尺寸有15、25ppi（每英寸长度上的孔数）两种，厚度一般为19~25mm。它们的化学成分和主要物理性能及其应用范围见表1。泡沫陶瓷过滤器在使用前如经预热，则最高使用温度可提高。尺寸为100×100×25mm的刚玉质烧结型泡沫陶瓷过滤器价格约为3美元，同样大小的氧化锆增韧刚玉质(ZTA)泡沫陶瓷过滤器则为4.6美元。R.R.Mollard等人对Al-Mg合金进行的对比试验表明：泡沫陶瓷过滤器可使合金的抗拉强度提高约4%，延伸率提高约14%。采用Selee/Fe的15ppi和25ppi过滤器过滤铸态球铁能使其疲劳强度提高21.4%和30.6%，过滤效率高达97%。铸件废品率在过滤后大幅度降低（见表２）。表２美国泡沫陶瓷过滤器Selee应用实例应用工厂铸造合金种类过滤前的问题过滤后的效果TeledyneCastProductsAl-Cu25%废品基本无废品HemetofFloridaAl-Si20%废品无废品AiresearchCastingCorp.Al-Cu大面积夹杂消除UniversalCastingCorp.Al-Cu30%废品无UniversalCastingCorp.球铁50%废品﹤2%UniversalCastingCorp.不锈钢气孔和夹杂量超标全部达标美国Hi-Tech陶瓷有限公司在八十年代前期也研制成功了四种用于过滤高温合金的泡沫陶瓷过滤器，其耐火骨料分别为莫来石、刚玉、氧化锆增韧刚玉(ZTA)和氧化镁部分稳定氧化锆(PSZ)。这些过滤器的耐火度为1650~1800℃，平均孔径为Φ0.5~1.4mm，骨架厚度为0.23~0.69mm，高温蠕变（试样在0.034MPa和1500℃下作用3h后的每小时变形量）为0.074~0.749%/h，过滤效率高达92~99%。美国AstroMet公司也生产用于铝、镁、铜、铸铁、铸钢和不锈钢等合金过滤的泡沫陶瓷过滤器，材质主要是刚玉、混有氧化钛和二氧化硅等的氧化锆。该公司的研究表明：用磷酸盐或铬酸盐粘结的泡沫陶瓷过滤器在1093~1260℃范围内就会破裂；用莫来石烧结的过滤器虽具有很好的抗热冲击性，但在1593℃附近软化；这二种泡沫陶瓷过滤器一般不适于或较少用于铸钢和铸铁合金过滤。美国还研制成功了SiC-Al2O3复合材料烧结型球铁过滤用泡沫陶瓷过滤器，其组成为：50%SiC、40%Al2O3，其余为助烧剂、粘结剂等。日本在铸造用泡沫陶瓷过滤器的开发和应用方面也发展较快，其材质有堇青石（2MgO·Al2O3·5SiO2）、莫来石（3Al2O3·2SiO2）、Al2O3、SiC和Si3N4等。日本桥石(Bridgestone)株式会社已开发出三种规格的泡沫陶瓷过滤器，即6、13、22ppi，孔隙率也高达80~90%，体积密度为0.35~0.60g/cm3，厚度为10~25mm。日本品川白炼瓦公司也生产以Al2O3、SiC和Si3N4为材质的泡沫陶瓷过滤器。据该公司报道：过滤有色合金时，以Si3N4质的寿命为最长；过滤1600℃以上的钢液时，宜用ZrO2、MgO、Cr2O3等复合氧化物。一般泡沫陶瓷过滤器要进行“末端处理”，即采用与本体相同的陶瓷材料封堵周边孔隙，以便阻挡流体向周围流动，并提高强度。日本有的泡沫陶瓷过滤器骨架表面涂敷树脂以提高强度，但这容易使铸件产生气孔。日本石桥政勇研制成功一种孔眼具有方向性（孔眼截面为椭圆形）的烧结型泡沫陶瓷过滤器，其厚度方向的孔眼层数较多，从而使过滤流体与过滤器骨架的碰撞次数增加，以提高过滤效果。石桥政勇研制用于铸铁过滤的过滤器材质为SiC，厚度为22mm，并已在生产中通过同时使用几十个过滤器（分别置于各个内浇道）成功地铸出重达20吨／箱的普通灰铸件。日本东芝陶瓷有限公司（Toshiba）于1987年向德国申请的泡沫陶瓷过滤器专利是以Si3N4为材质，外加1%以上的Al2O3、SiO2、TiO2、MgO、ZrO2和Cr2O3等作为烧结助剂，其烧结温度为1500~1800℃，体积密度为0.7g/cm3，抗压强度为11MPa；当无烧结助剂时，抗压强度只有1MPa。英国对铸造用泡沫陶瓷过滤器的研