CN116239373B - 二氧化硅质陶瓷材料、泡沫陶瓷过滤器及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铸造技术领域，提供了二氧化硅质陶瓷材料、泡沫陶瓷过滤器及制备方法和应用。本发明提供的二氧化硅质陶瓷材料包括陶瓷粉末和辅料；所述陶瓷粉末包括以下质量分数的组分：二氧化硅40~80%，氧化铝8~30%，碳化硅8~30%；所述辅料包括粘结剂和分散剂。采用本发明的二氧化硅质陶瓷材料制备的泡沫陶瓷过滤器，以二氧化硅为主要成分，二氧化硅来源广泛、成本低，所得二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的成本和本领域常见的碳化硅、氧化锆质泡沫陶瓷过滤器相比，大幅降低；并且，本发明提供的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器耐热性好，最高使用温度达到1600℃，填补了泡沫陶瓷过滤器在1500~1600℃范围内的空白。
Description
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及二氧化硅质陶瓷材料、泡沫陶瓷过滤器及制备方法和应用。
背景技术
随着铸造业的快速发展，对铸件在性能及外观方面的要求越来越严格。铸件中的非金属夹杂物是导致铸件缺陷的最主要的因素，它们影响铸件的表面光洁度、机械及加工性能并导致废品率上升，因而在充型之前，需要对金属液中的夹杂物进行过滤。
目前，在铸造行业，铸铁件及铸钢件一般使用泡沫陶瓷过滤器进行金属液的过滤。泡沫陶瓷过滤器为三维立体网状骨架结构，能够有效去除金属液中的夹杂物、减少紊流，使金属液快速稳定地达到充型流速，从而提高铸件品质。目前常用的泡沫陶瓷过滤器为碳化硅质泡沫陶瓷过滤器或氧化锆质泡沫陶瓷过滤器。这两种泡沫陶瓷过滤器采用的主要原料为碳化硅粉或氧化锆粉，成本均较高，其中又以氧化锆质泡沫陶瓷过滤器的成本更高（约为碳化硅质泡沫陶瓷过滤器的5倍），而泡沫陶瓷过滤器为一次性消耗品，给用户带来很大经济压力；并且，碳化硅质泡沫陶瓷过滤器的最高使用温度为1500℃，氧化锆质泡沫陶瓷过滤器的最高使用温度为1700℃，针对一些温度为1500~1600℃的金属液，只能使用氧化锆质泡沫陶瓷过滤器进行过滤。目前，本领域中尚没有最高使用温度能够达到1600℃，且成本低的泡沫陶瓷过滤器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了二氧化硅质陶瓷材料、泡沫陶瓷过滤器及制备方法和应用。本发明提供的二氧化硅质陶瓷材料以二氧化硅为主要成分，利用其制备成的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，成本低，且最高使用温度达到1600℃，适用于过滤温度为1600℃以下的金属液。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种二氧化硅质陶瓷材料，包括陶瓷粉末和辅料；
所述陶瓷粉末包括以下质量分数的组分：二氧化硅40~80%，氧化铝8~30%，碳化硅8~30%；
所述辅料包括粘结剂和分散剂；所述粘结剂的质量为所述陶瓷粉末质量的1~5%；所述分散剂的质量为所述陶瓷粉末质量的0.5~1%。
优选的，所述氧化铝为α-氧化铝；所述氧化铝的目数大于等于200目，纯度≥98%；
所述二氧化硅的目数大于等于1000目，纯度≥95%；
所述碳化硅的目数大于等于200目，纯度≥95%。
优选的，所述粘结剂包括硅溶胶、甲基纤维素、白乳胶、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂和硅酸乙酯中的一种或几种；所述分散剂包括六偏磷酸钠和/或三聚磷酸钠。
本发明还提供了一种二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，由上述方案所述的二氧化硅质陶瓷材料制备得到。
优选的，所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器中二氧化硅的晶相为β-石英、α-石英、γ-鳞石英、β-鳞石英、α-鳞石英、β-方石英、α-方石英和石英玻璃中的一种或几种。
本发明还提供了上述方案所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的制备方法，包括以下步骤：
将陶瓷粉末、辅料和水混合，得到陶瓷浆料；
将泡沫基体在所述陶瓷浆料中浸渍，然后去除吸附在泡沫基体中的多余浆料，得到泡沫浸渍坯体；
将所述泡沫浸渍坯体依次进行干燥和烧结，得到所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器。
优选的，所述水的用量为所述陶瓷粉末质量的15~25%。
优选的，所述干燥为烘干或自然干燥，所述烘干的温度为100~120℃，时间为60~90min；所述自然干燥的时间为6~12h。
优选的，所述烧结的温度为1150~1300℃，保温时间为2~4h；
升温至所述烧结的温度的程序为：以第一升温速率升温至第一温度，再以第二升温速率升温至第二温度，之后以第三升温速率升温至所述烧结的温度；所述第一升温速率为70~90℃/h，所述第一温度为500~550℃；所述第二升温速率为200~250℃/h，所述第二温度为1000~1100℃；所述第三升温速率为70~90℃/h。
本发明还提供了上述方案所述的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器或上述方案所述制备方法制备的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器在铸造中的应用。
本发明提供了一种二氧化硅质陶瓷材料，包括陶瓷粉末和辅料；所述陶瓷粉末包括以下质量分数的组分：二氧化硅40~80%，氧化铝8~30%，碳化硅8~30%；所述辅料包括粘结剂和分散剂；所述粘结剂的质量为所述陶瓷粉末质量的1~5%；所述分散剂的质量为所述陶瓷粉末质量的0.5~1%。本发明提供的二氧化硅质陶瓷材料以二氧化硅为主要成分，原料来源广泛，成本低，且耐高温性好。
本发明还提供了一种二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，由上述方案所述的二氧化硅质陶瓷材料制备得到。本发明提供的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器以二氧化硅为主要原料，二氧化硅来源广泛、成本低，价格仅为碳化硅粉末的50%左右，所得泡沫陶瓷过滤器的成本和本领域常见的碳化硅、氧化锆质泡沫陶瓷过滤器相比，大幅降低；并且，本发明提供的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器耐热性好，最高使用温度达到1600℃，填补了泡沫陶瓷过滤器在1500~1600℃范围内的空白；此外，本发明提供的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器过滤性能好，能够有效过滤金属液中的夹杂物。
附图说明
图1为本发明实施例中制备二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种二氧化硅质陶瓷材料，包括陶瓷粉末和辅料；
所述陶瓷粉末包括以下质量分数的组分：二氧化硅40~80%，氧化铝8~30%，碳化硅8~30%；
所述辅料包括粘结剂和分散剂；所述粘结剂的质量为所述陶瓷粉末质量的1~5%；所述分散剂的质量为所述陶瓷粉末质量的0.5~1%。
如无特殊说明，本发明采用的各个原料均为市售产品。
本发明提供的二氧化硅质陶瓷材料包括陶瓷粉末和辅料，下面分别进行详细说明。
以质量分数计，所述陶瓷粉末包括二氧化硅40~80%，优选为40~75%。在本发明中，所述二氧化硅的目数优选大于等于200目（即二氧化硅的粒径小于等于74μm），纯度优选≥95%；本发明对所述二氧化硅没有特殊要求，采用本领域常见的二氧化硅粉即可；在本发明中，所述二氧化硅主要起骨架作用，有利于提高泡沫陶瓷过滤器在高温下的抗冲击性。在本领域中，二氧化硅常作为烧结助剂添加到碳化硅质泡沫陶瓷过滤器中，目的是降低烧结温度，提高烧结效果，但是添加量很少，而本发明以二氧化硅为主要原料，提供一种二氧化硅质的陶瓷材料，利用本发明的陶瓷材料制备的泡沫陶瓷过滤器不仅过滤性能好，耐热性好，而且成本大幅降低。
以质量分数计，所述陶瓷粉末包括氧化铝8~30%，优选为10~25%。在本发明中，所述氧化铝优选为α-氧化铝；所述氧化铝的目数优选大于等于1000目（即氧化铝的粒径≤13μm），纯度优选≥98%；所述氧化铝起到基质作用，有利于提高泡沫陶瓷过滤器的烧结强度，降低产品的烧成温度。
以质量分数计，所述陶瓷粉末包括碳化硅8~30%，优选为10~20%，进一步优选为10~15%。在本发明中，所述碳化硅的目数优选大于等于1000目（即碳化硅的粒径≤13μm），纯度优选≥95%；所述碳化硅能够提高泡沫陶瓷过滤器的导热系数、降低膨胀系数，进而提高产品的热稳定性。
在本发明中，所述辅料优选包括粘结剂和分散剂；所述粘结剂的质量为所述陶瓷粉末质量的1~5%，优选为2~4%；所述分散剂的质量为所述陶瓷粉末质量的0.5~1%，优选为0.6~0.8%。
在本发明中，所述粘结剂优选包括硅溶胶、甲基纤维素、白乳胶、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂和硅酸乙酯中的一种或几种；所述硅溶胶的浓度优选为30~50wt%，更优选为40wt%；所述分散剂优选包括六偏磷酸钠和/或三聚磷酸钠。
本发明还提供了一种二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，由上述方案所述的二氧化硅质陶瓷材料制备得到；所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器中二氧化硅的晶相优选为β-石英、α-石英、γ-鳞石英、β-鳞石英、α-鳞石英、β-方石英、α-方石英和石英玻璃中的一种或几种；本发明严格控制二氧化硅质陶瓷材料中陶瓷粉末以及辅料的配比，能够在以二氧化硅为主要原料的情况下，得到过滤性能好、耐热性好的泡沫陶瓷过滤器，满足金属液过滤的要求。在本发明中，所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的总气孔率优选为78~85%，开口气孔率优选为80~83%。
本发明还提供了上述方案所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的制备方法，包括以下步骤：
将陶瓷粉末、辅料和水混合，得到陶瓷浆料；
将泡沫基体在所述陶瓷浆料中浸渍，然后去除吸附在泡沫基体中的多余浆料，得到泡沫浸渍坯体；
将所述泡沫浸渍坯体依次进行干燥和烧结，得到所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器。
本发明将陶瓷粉末、辅料和水混合，得到陶瓷浆料。在本发明中，所述水的用量优选为所述陶瓷粉末质量的15~25%，更优选为18~22%；所述混合优选采用高速混合机进行；所述陶瓷浆料的粘度优选为20000~50000mpa·s，更优选为20000~30000mpa·s或40000~50000mpa·s。
得到陶瓷浆料后，本发明将泡沫基体在所述陶瓷浆料中浸渍，然后去除吸附在泡沫基体中的多余浆料，得到泡沫浸渍坯体。在本发明中，所述泡沫基体优选为多孔聚氨酯泡沫，所述多孔聚氨酯泡沫的孔数优选为10~20PPI；所述聚氨酯泡沫的尺寸优选为(75~100)mm×(75~100)mm×22mm；在本发明的具体实施例中，所述多孔聚氨酯泡沫在浸渍前还包括下料切片和模切成型的步骤，以得到符合尺寸要求的多孔聚氨酯泡沫；在本发明中，所述浸渍的温度优选为室温，浸渍的时间优选为1~3min；本发明对所述浸渍的具体操作条件没有特殊要求，将所述多孔聚氨酯泡沫置于所述陶瓷浆料中，充分浸浆即可；在本发明中，所述去除吸附在泡沫基体中的多余浆料的方法优选为挤压，所述挤压优选采用辊压机进行，所述辊压机的间隙优选为2~10mm，本发明通过控制辊压机的间隙将浸渍到泡沫基体中的浆料挤压出60%左右，得到泡沫浸渍坯体。
得到泡沫浸渍坯体后，本发明将所述泡沫浸渍坯体依次进行干燥和烧结，得到所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器。在本发明中，所述干燥优选为烘干或自然干燥，所述烘干的温度优选为100~120℃，优选为105~110℃，所述烘干的时间优选为60~90min，更优选为60~70min；所述自然干燥的时间优选为6~12h，更优选为8~10h。
在本发明中，所述烧结的温度优选为1150~1300℃，更优选为1200~1250℃，所述烧结的保温时间优选为2~4h，更优选为2.5~3.5h；升温至所述烧结的温度的程序优选为：以第一升温速率升温至第一温度，再以第二升温速率升温至第二温度，之后以第三升温速率升温至所述烧结的温度；所述第一升温速率优选为70~90℃/h，更优选为75~85℃/h；所述第一温度优选为500~550℃，更优选为500~520℃；所述第二升温速率优选为200~250℃/h，更优选为230~250℃/h，所述第二温度优选为1000~1100℃，更优选为1000~1050℃；所述第三升温速率优选为70~90℃/h，更优选为75~85℃/h；本发明优选按照以上方式进行升温，有利用使泡沫浸渍坯体受热均匀，提高烧结效果；在烧结过程中，泡沫基体受热分解，留下泡沫状的陶瓷制品，即为本发明的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器；保温结束后，将所得产品随炉冷却至100℃后取出即可。
本发明还提供了上述方案所述的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器或上述方案所述制备方法制备的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器在铸造中的应用。在本发明中，所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器用于铸造过程中金属液的过滤，所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的使用温度优选≤1600℃，更优选为1500~1600℃。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中制备二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的工艺流程图，其中先将多孔聚氨酯泡沫（即聚氨酯海绵）下料切片、模切成型，然后浸渍陶瓷浆料，之后进行干燥和烧制，所得产品检测合格后包装入库。
实施例1
采用市售的纯度为95%、200目的二氧化硅40公斤，纯度98%、1000目的α-氧化铝30公斤，纯度95%、1000目的碳化硅30公斤，15公斤纯净水，再加入5公斤的硅溶胶（浓度为40wt%）以及1.0公斤的六偏磷酸钠，经高速混合机搅拌均匀，形成黏度为40000mpa.s的触变型泥浆，即为陶瓷浆料。将10PPI 100×100×22mm聚氨酯泡沫浸入到所制备的陶瓷浆料中，充分浸浆然后通过辊压机挤出约60%的浆料，得到泡沫浸渍坯体；将所得泡沫浸渍坯体在110℃干燥1h，然后将坯体置于烧结炉中，以90℃/h的升温速率升温至500℃，再以250℃/h的升温速率升温至1000℃，之后以90℃/h升温至1150℃，保温2h，随炉冷却至100℃左右取出，即获得二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，规格为100×100×22mm-10PPI。经检测，所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的开口气孔率为82%。
采用实施例1制备的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器对温度为1527℃的钢液进行过滤，能够实现钢液中夹杂物的有效过滤，过滤效率达到95%，且过滤钢液800kg不会被冲散；采用实施例1制备的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器过滤800kg钢液后，过滤器仍能保持完整，说明其抗冲击性较好。
采用普通碳化硅质泡沫陶瓷过滤器对温度为1527℃的钢液进行过滤，结果表明，过滤500kg时碳化硅质泡沫陶瓷过滤器已被冲碎，说明普通的碳化硅质泡沫陶瓷过滤器难以实现1500℃以上金属液的过滤，本发明提供的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器不仅成本低，而且耐高温和抗冲击性好，适用于1500~1600℃的金属液的过滤。
实施例2
采用市售的纯度为98%、325目的二氧化硅75公斤，纯度99%、2000目的α-氧化铝10公斤，纯度96%、3000目的碳化硅15公斤，18公斤纯净水，再加入3公斤的聚乙烯醇以及0.5公斤的三聚磷酸钠，经高速混合机搅拌均匀，得到黏度为30000mpa.s的触变型泥浆，即为陶瓷浆料。将20PPI 75×75×22mm聚氨酯泡沫浸入到所制备的陶瓷浆料中，充分浸浆后辊压挤出约60%的浆料，得到泡沫浸渍坯体；将所得泡沫浸渍坯体自然干燥12h，然后将坯体置于烧结炉中，以90℃/h的升温速率升温至500℃，再以250℃/h的升温速率升温至1000℃，之后以90℃/h升温至1250℃，保温2h，随炉冷却至100℃后取出，即获得二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，规格为75×75×22mm-20PPI。经检测，所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的开口气孔率为81%。
采用实施例2制备的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器对温度为1600℃的钢液进行过滤，能够实现钢液中夹杂物的有效过滤，过滤效率达到96%，且过滤钢液500kg不会被冲散。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，其特征在于，由二氧化硅质陶瓷材料制备得到；所述二氧化硅质陶瓷材料包括陶瓷粉末和辅料；所述陶瓷粉末包括以下质量分数的组分：二氧化硅75~80%，氧化铝8~10%，碳化硅8~15%；所述陶瓷粉末中各个组分的总质量分数为100%；
所述辅料包括粘结剂和分散剂；所述粘结剂的质量为所述陶瓷粉末质量的1~5%；所述分散剂的质量为所述陶瓷粉末质量的0.5~1%；所述粘结剂为硅溶胶、甲基纤维素、白乳胶、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂和硅酸乙酯中的一种或几种；所述分散剂为六偏磷酸钠和/或三聚磷酸钠；
所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的制备方法，由以下步骤组成：
将陶瓷粉末、辅料和水混合，得到陶瓷浆料；
将泡沫基体在所述陶瓷浆料中浸渍，然后去除吸附在泡沫基体中的多余浆料，得到泡沫浸渍坯体；
将所述泡沫浸渍坯体依次进行干燥和烧结，得到所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器；
所述烧结的温度为1150~1300℃，保温时间为2~4h；
升温至所述烧结的温度的程序为：以第一升温速率升温至第一温度，再以第二升温速率升温至第二温度，之后以第三升温速率升温至所述烧结的温度；所述第一升温速率为70~90℃/h，所述第一温度为500~550℃；所述第二升温速率为200~250℃/h，所述第二温度为1000~1100℃；所述第三升温速率为70~90℃/h；
所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的总气孔率为78~85%，开口气孔率为80~83%；所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器用于过滤温度为1600℃以下的金属液。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器，其特征在于，所述氧化铝为α-氧化铝；所述氧化铝的目数大于等于200目，纯度≥98%；
所述二氧化硅的目数大于等于1000目，纯度≥95%；
所述碳化硅的目数大于等于200目，纯度≥95%。
3.权利要求1~2任意一项所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：
将陶瓷粉末、辅料和水混合，得到陶瓷浆料；
将泡沫基体在所述陶瓷浆料中浸渍，然后去除吸附在泡沫基体中的多余浆料，得到泡沫浸渍坯体；
将所述泡沫浸渍坯体依次进行干燥和烧结，得到所述二氧化硅质泡沫陶瓷过滤器；
所述烧结的温度为1150~1300℃，保温时间为2~4h；
升温至所述烧结的温度的程序为：以第一升温速率升温至第一温度，再以第二升温速率升温至第二温度，之后以第三升温速率升温至所述烧结的温度；所述第一升温速率为70~90℃/h，所述第一温度为500~550℃；所述第二升温速率为200~250℃/h，所述第二温度为1000~1100℃；所述第三升温速率为70~90℃/h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述水的用量为所述陶瓷粉末质量的15~25%。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述干燥为烘干或自然干燥，所述烘干的温度为100~120℃，时间为60~90min；所述自然干燥的时间为6~12h。
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