CN105837241B - 铸钢及高温合金用泡沫陶瓷过滤器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本铸钢及高温合金用泡沫陶瓷过滤器。本发明是选用氧化锆、氧化铝、锆英粉为主要原料，并添加少量的助烧剂、粘结剂，经泡沫裁切、挂浆、干燥、烧成，生成氧化锆‑刚玉‑莫来石复合质泡沫陶瓷过滤器。本发明采用的原料成本低，产品烧结温度范围宽，烧结过程易于控制，烧结后形成的氧化锆‑刚玉‑莫来石复合质泡沫陶瓷过滤器，具有热震好，机械强度大，抗渣侵蚀性强，荷重软化点高等特点，可耐1650℃以上高温熔融钢水的冲击，用于铸钢及高温合金液的过滤。

Description

铸钢及高温合金用泡沫陶瓷过滤器及其制造方法

技术领域

本发明属于铸造行业用的泡沫陶瓷过滤器，特别涉及一种以低成本材料制备高性能铸钢用过滤器及生产工艺。

背景技术

泡沫陶瓷过滤器的发展始于二十世纪六十年代，是一种气孔率高达70～90％，具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品。作为一种新型的无机非金属过滤材料，它除了具有耐高温、耐腐蚀等一般陶瓷所具有的性能外，泡沫陶瓷还具有质量轻、气孔率高、比表面积大、强度高、耐高温、耐腐蚀，抗热震性好等优点，被广泛地应用于过滤熔融金属，能大幅度降低铸件砂眼、渣孔，气孔，夹杂等缺陷，提高表面质量，改善机加工性能，提高机械性能。

在所有的熔融金属用泡沫过滤器当中，对于铸钢用泡沫过滤器的要求最高，这是由于铸钢熔融金属有着较高的熔融温度。传统的用于铸钢的泡沫过滤器的制备依赖于氧化锆。例如CN200710139288.0即披露一种氧化锆质泡沫陶瓷过滤器。这是由于氧化锆具有耐腐蚀、高熔点的特点，制备的过滤器具有高的机械强度，即使采用多孔的泡沫结构，也能保持良好的机械性能，但是，氧化锆是一种合成转化的材料，虽然过滤效果好，其高昂的价格严重限制其在铸钢及其他高温金属液过滤领域中的广泛应用，只是用于特种钢或者高附加值的钢或合金的铸造。

中国专利申请200710115193.5公布了一种氧化锆质陶瓷过滤器，其主要以单斜晶氧化锆为原料，配合少量稳定剂及粘结剂制得，与采用预先稳定锆制成的过滤器相比，降低了成本，但是，由于单斜晶氧化锆本身也很昂贵，由其制得的产品在大规模使用上还是有困难。穆柏春等(硅酸盐通报，1997年第4期)研究了一种锆刚玉—莫来石泡沫陶瓷过滤器，以氧化铝粉和锆英石粉为原料,通过反应烧结制成了锆刚玉—莫来石泡沫陶瓷过滤器,该种工艺烧结温度太高，达到1700℃，限制了产品的工业化生产，并且经过试验验证，这种过滤器无法承受1600℃左右铸钢金属液的冲击。中国专利申请第92109540.6号以莫来石为基础配以氧化铝，锆英砂，磷酸铝等主要原料，制备出高温过滤器，可在1620℃使用，可用于熔融金属的过滤，高温气体的过滤，多种腐蚀液体的过滤。但使用温度偏低，含有磷酸盐，会引入磷，对铸件属于有害元素。中国专利申请第03111617.5号以锆刚玉粉料和锆英粉为主要原料，再加入上述组合物重量的20～60％的粘合剂，制成锆刚玉多孔陶瓷过滤器。由于在制作过程中选用电熔锆刚玉为主要原料，并用高熔点的无机胶作为粘结剂，具有更好的耐高温性能和耐热冲击性，但是仅能用于铸铝或铸铁，无法用于铸钢件金属液的过滤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、易于生产的铸钢用复合泡沫陶瓷过滤器。该泡沫陶瓷过滤器选用原材料成本低廉，经高温一次合成，可用于1650℃高温钢水或高温合金液的过滤。

本发明所采取的技术方案是：具体原料选择成本低的氧化铝粉、锆英粉及氧化锆为主要原料，辅以无机纤维及粘土、滑石、硅微粉，氧化镁、氧化钛等助烧剂，经泡沫切割、配料、混料、成型、烘干及高温烧结而成的复合型泡沫陶瓷陶瓷过滤器，该类型过滤器由于含有氧化锆及莫来石高温材料，加之纤维的增加强度的作用，使得制备的过滤器具有良好的高温强度、抗热冲击性能及抗热震性,可以替代达到氧化锆质泡沫陶瓷过滤器的性能，用于铸钢及高温合金金属液的过滤。

本发明通过原料配比，使烧结后泡沫陶瓷过滤器材质为氧化锆-莫来石-刚玉质-玻璃相四相共存体。原材料配比(重量百分比)如下：

经1500℃-1650℃烧成1-2h后，其相组成如下：

本发明的制备方法为：氧化锆、氧化铝、锆英粉为主要原料，添加无机纤维及助烧剂，按一定比例添加粘结剂、混成浆料，再经泡沫切割、成型、烘干及高温烧结而成的复合型泡沫陶瓷陶瓷过滤器。

所述的粘结剂外加量为6％-15％，为羟甲基纤维素、聚乙烯醇、糊精、淀粉、木质素、硅溶胶中的一种或一种以上；所指的助烧剂为粘土、滑石、硅微粉，氧化镁、氧化钛中的一种或一种以上，无机纤维为硅酸铝纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维及氧化锆纤维的一种或一种以上，再加入水，混成浆料，经过浸渍成型，在60-120℃干燥0.5-2h，在1500℃-1650℃烧成1-3h。

具体实施方式

除非特别说明，本文在提到成分比例时皆以质量百分比计算。

根据本发明的过滤器是莫来石-刚玉-氧化锆-玻璃相四相共存，并且四相的比例按质量计算为莫来石占20-45％，刚玉占0.5-10％，氧化锆占30-75％，玻璃相占0.1-5％。在本发明的优选实施方案中，四相的比例为莫来石占29-45％，刚玉占0.05-5％，氧化锆占47-70％，玻璃相占0.1-3％。具有本发明的相组成，所获得的过滤器具有可靠的机械强度和抗热震性，可以承受至少1650℃的浇注温度，在成本远低于纯氧化锆过滤器的情况下，在使用性能上完全可以替代后者。

在一种具体实施方式中，为获得本发明的过滤器，选用氧化铝粉、锆英粉和氧化锆三种陶瓷材料按照特定的比例进行复配，其中，氧化锆占20-60％，氧化铝占20-45％，锆英粉占20-45％。在更优选的方案中，氧化锆占25-45％，氧化铝占25-40％，锆英粉占30-40％。采用该比例，氧化锆的投入量较小，产品的抗压强度更佳。

本发明的另一个特征是使用了较少量的粘结剂，使用量为陶瓷材料质量的5-15％，优选不超过10％。发明人发现，使用该限量的粘结剂，过滤器烧结后相组成稳定、可控性好。本发明优选使用的粘结剂为羟甲基纤维素、聚乙烯醇、糊精、淀粉、木质素、硅溶胶，其中更优选羟甲基纤维素和聚乙烯醇。这两种粘结剂在烧结后基本全部挥发掉，对相组成没有干扰。

在根据本发明的产品中，通常还需要加入助烧剂，其选自粘土、滑石、硅微粉，氧化镁、氧化钛中的一种或一种以上。助烧剂的引入量为上述陶瓷材料量的0.1-5％。本发明优选使用的助烧剂是硅微粉，一方面可以提高陶瓷的致密度，提高抗压强度，另一方面，还可以提高浆料的流动性，便于浆料涂覆到聚氨酯泡沫上。

本发明中，一个更加优选的实施方式是进一步引入无机纤维，引入无机纤维可以提高产品的抗压强度，(实施例使用了1和3无机纤维，2和4没有纤维)。本发明优选使用的无机纤维包括硅酸铝纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维及氧化锆纤维。本发明优选硅酸铝纤维。无机纤维的加入量为陶瓷材料的0.1-3％，优选不少于1.5％。

为了制备本发明的过滤器，将上述各成分与液体载体混合，形成浆料。所使用的液体载体可以水、甲醇、乙醇、石油醚等，实际使用中水是优选的。

将配制好的浆料涂挂在泡沫材料上形成至少一层耐火涂层。泡沫材料例如为聚氨酯泡沫，用于为过滤器提供多孔，使得制成的过滤器中包含不规则或随机分布的孔，这些孔作为熔融金属的通道。这些孔可以全部或部分互通或可以有多个通道，使熔融金属通过。涂挂后将涂有浆料的泡沫材料烘干，然后在1550-1630℃下烧结，在升温阶段，在1450℃保温30min，以促使锆英粉的分解转化及莫来石相的形成，提高过滤器的高温性能。

实施例1

将原材料250g电熔氧化锆、400g氧化铝、350g锆英粉、35g TiO₂、20g Al₂O₃、15g硅酸铝纤维、50g聚乙烯醇和200g水，按上述比例放入球磨罐中球磨2小时，混合均匀；

将制备好的浆料涂覆在规格为75*75*25mm的聚氨酯泡沫上，制得泡沫陶瓷过滤器坯体，在120℃烘干1小时；然后在1590℃烧结2小时制成产品。产品性能见表1所示。

表1 实施例1产品性能测试结果

实施例2

将原材料250g电熔氧化锆、400g氧化铝、350g锆英粉、35g TiO₂、20g Al₂O₃、50g聚乙烯醇和200g水，按上述比例放入球磨罐中球磨2小时混合均匀。

将制备好的浆料涂覆在规格为75*75*25mm的聚氨酯泡沫上，制得泡沫陶瓷过滤器坯体，在120℃烘干1小时；然后在1590℃烧结2小时制成产品。产品性能见表2所示。

表2 实施例2产品性能测试结果

实施例3

将原材料电熔氧化锆400g，氧化铝250g，锆英粉250g，滑石30g，硅微粉20g，粘土47g，氧化铝纤维30g，羟甲基纤维素50g，200g水，按上述比例放入球磨罐中球磨1小时，混合均匀；

将制备好的浆料涂覆在规格为50*50*22聚氨酯泡沫上，制得泡沫陶瓷过滤器坯体，在80℃烘干1.5小时，再在1625℃烧结1.5小时制成产品。产品性能见表3所示。

表3 实施例3的产品性能

实施例4

将原材料电熔氧化锆400g，氧化铝250g，锆英粉250g，滑石30g，硅微粉20g，粘土47g，羟甲基纤维素50g，200g水，按上述比例放入球磨罐中球磨1小时，混合均匀。

将制备好的浆料涂覆在规格为50*50*22聚氨酯泡沫上，制得泡沫陶瓷过滤器坯体，然后在80℃烘干1.5小时。

将(3)步所得材料坯体在1625℃烧结1.5小时制成产品。产品性能见表4所示。

表4 实施例4的产品性能

比较例1

将500g锆刚玉粉、500g锆英粉、300g硅溶胶配成浆料，用球磨机球磨。将制备好的浆料涂覆在规格为50*50*22聚氨酯泡沫上，制得泡沫陶瓷过滤器坯体，然后在80℃烘干1.5小时。将所得材料坯体在1600-17000℃保持1.5-2.5小时，产品性能见表5所示。

表5 比较例1的产品性能

比较例2

将300g锆刚玉粉、300g锆英粉、200g氧化铝和200g磷酸铝硅溶胶配成浆料，用球磨机球磨。将制备好的浆料涂覆在规格为50*50*22聚氨酯泡沫上，制得泡沫陶瓷过滤器坯体，然后在80℃烘干1.5小时。将所得材料坯体在1600-17000℃保持1.5-2.5小时，产品性能见表2所示。

制成尺寸为50*50*15mm的过滤器，对所得过滤器进行测试，测试结果见表6。

表6 比较例2的产品性能

各实施例中，抗压强度是按照GB/T25139-2010在常温下测得，反映过滤器的机械强度。常温耐压强度越高，过滤器在运输和使用过程中越不易破损。另外，通常来说，常温耐压强度高，过滤器的高温耐压强度会高。高温抗弯强度是按照GB/T25139-2010在1200℃高温下测得，其反映过滤器的在高温下能承受的极限弯曲应力，高温抗弯强度越高，过滤器的高温承受钢水冲击的强度会越高。

Claims (7)

1.一种铸钢及高温合金用泡沫陶瓷过滤器，其特征在于具有如下相组成：

其中，使用的陶瓷材料的组成为：

氧化锆 25％-45％

氧化铝 20％-40％

锆英粉 30％-40％。

2.如权利要求1所述的泡沫陶瓷过滤器，其中，进一步包含无机纤维，其选自硅酸铝纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维及氧化锆纤维的一种或一种以上。

3.如权利要求1所述的过滤器，其中，所述无机纤维的引入量为所述陶瓷材料质量的0.1％-3％。

4.如权利要求1所述的泡沫陶瓷过滤器，进一步包含助烧剂，其为粘土、滑石、硅微粉、氧化镁、氧化钛中的一种或一种以上。

5.用于生产权利要求1至4任一项所述的过滤器的方法，包括下列步骤：

1)将所述陶瓷材料、粘结剂以及助烧剂配制成浆料，所述的粘结剂选自羟甲基纤维素、聚乙烯醇、糊精、淀粉、木质素和硅溶胶中；

2)将配制好的浆料涂挂在开孔多孔材料上形成至少一层耐火涂层；

3)将形成耐火涂层的开孔多孔材料任选地进行浸渍处理，干燥后形成型坯；

4)在还原气氛和1500-1650℃烧成下进行烧结。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述粘结剂的加入量为所述陶瓷材料5-10％。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述粘结剂为聚乙烯醇或者羟甲基纤维素。