鑄鋼與高溫合金泡沫陶瓷過濾技術現狀與發展趨勢

    摘要：介紹了目前國內外鑄鋼與高溫合金用各種泡沫陶瓷的材料成分與性能，重點描述了國外將高純部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷應用于鑄鋼件與大型鑄鋼錠生產中所帶來的鑄造技術革新，同時探討了國內鑄鋼與高溫合金用泡沫陶瓷過濾器的市場前景與發展趨勢。

    泡沫陶瓷過濾器(CFF~Pceramic foam filter)是采用軟質聚胺脂泡沫塑料為基材，加工成所需形狀、尺寸，浸漬陶瓷漿料后干燥，然后經高溫燒結而成。因骨架和孑L隙結構同泡沫塑料相似，氣孑L率高達85％90％，稱泡沫陶瓷。泡沫陶瓷主要用于金屬液過濾凈化。在過濾凈化金屬液時，通過飄浮分離、 “濾餅”和吸附凈化機制，不但可去除金屬液中大部小至數微米的微小固相懸浮夾雜物，且可濾除液態熔渣，改善鑄件的顯微組織和力學性能，生產出高質量致密鑄件，降低鑄件廢品率，減少鑄件切削加工時刀具的磨損，經濟和社會效益明顯。有研究表明【 叫，其過濾效率高達72％~97％，同時泡沫陶瓷過濾器還可促進部分氣體的析出。

    合金泡沫陶瓷過濾技術包含泡沫陶瓷制作技術和泡沫陶瓷在各種合金過濾環境中的應用技術。對鑄鋼與高溫合金熔體過濾而言，一方面，由于合金澆注溫度高達1 6OO℃以上，對泡沫陶瓷材料的高溫性能有很高的要求，制作技術有較高難度。另一方面，由于鑄鋼與高溫合金的凝固與流動性的特點，各種澆注系統設計復雜，對泡沫陶瓷過濾片的應用技術也有特殊要求。

1 泡沫陶瓷制作技術

    技術發達國家在近20年中研制和開發了多種材質的鑄鋼與高溫合金鑄造生產用泡沫陶瓷過濾材料及相應的制品 叫4J，性能數據可參考表lfls]。由于高純部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷性能優良，目前在國外應用廣泛，用量很大。根據英國Foseco公司最近公布的數據，采用高純部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷澆注的鑄鋼件重量可以從幾盎司到4 t。高純部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷已成為國外幾家大型鑄造耗材公司如Foseco、SeIee、Hi—Tech等的重要產品。 氧化鋁泡沫陶瓷與氧化鋯一氧化鋁泡沫陶瓷等產品一般用于80 kg1)5~下的中小型鑄鋼或高溫合金鑄件生產。

    鑄造合金用泡沫陶瓷過濾器在國內的發展始于上世紀8O年代。約有近十家單位開展了泡沫陶瓷過濾器的研究和生產。目前國內已有多條生產有色合金與鑄鐵用泡沫陶瓷的生產線。但鑄鋼與高溫合金用泡沫陶瓷的研制，尚處于探索和開發過程中。

    哈爾濱理 T：大學以A1 0 為基料添加適量ZrO 增韌劑和少量TiO：、耐火粘土助燒劑，并以磷酸二氧釩為粘結劑，1 560℃燒結，研制 鑄鋼用泡沫陶瓷過濾器。研究表明，采用過濾技術后，不銹鋼的伸長率可提高67％左右，沖擊韌性提高I 8％左右 I。

    北T業大學和33 I廠于上世紀90年代初聯合研制開發了町用于鑄鋼和高溫合金的Al O 一SiO 質泡沫陶瓷過濾器，只能用于10 kg[,2下鑄鋼件和高溫合金鑄件的鑄造生產『I61。

    營口市鎂質材料研究所的曹盛斌、李松、平振豐等人選用電熔剛玉作為高溫合金液過濾網的基體材料，另加少最莫來石作為添加劑，于1998年聯合研制成功了一種剮玉一莫來石質泡沫陶瓷過濾器。結果表明，最高使用溫度達I 600℃ ，用于澆注溫度為1 500℃～1 580℃左右的K3、KI7高溫合金可使精鑄件的夾雜報廢率下降30％~50％，并能提高合金鑄件的性能舊。

    哈爾濱T業大學房文斌、耿耀宏等人于2002年以耐火粘土為基體材料研制成功一種氧化鋯增韌泡沫陶瓷過濾器，材料配IZ8％的ZrO 、0．5％的Ti0：、40％的Al 0 ，余為耐火粘土。據稱，此型泡沫陶瓷過濾器可在液態球墨鑄鐵中浸泡10 minA'：破壞，在鑄鋼熔液中浸泡至破壞所維持的時間可達8 minII 。

    北京科技大學殷聲、曹宏、李汶霞等研制成氧化鎂部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷過濾器，填補了國內窄白，所研制的這種泡沫陶瓷過濾器在鎳基合金單晶葉片生產中應用，取得很好效果『I 。遼寧工程學院穆柏春、 志剛等以氧化鋁粉和鋯英石粉為原料，通過反應燒結制成鋯剛玉／莫來石泡沫陶瓷過濾器，并研究了鋯英石對抗彎強度和抗熱震性的影響 。上述單位在泡沫陶瓷過濾器的研究上均取得一定成果，但在可過濾大量鋼液的高純部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷過濾器研究方面，國內長期以來處于空向狀態。

    氧化鋯熔點高達2 715℃，且生成自F}1能很低，化學穩定性高，是非常優良的耐火材料。但因氧化鋯有3種晶型，低溫為單斜晶系，高溫為四方晶系，更高溫度下轉變為 力 晶系，轉化關系為：單斜ZrO，四療ZrO 。 _÷立方ZrO， 旦 羔_÷液體 、立方相到四方相的相變屬擴散型相變，四方相到單斜相的相變屬馬氏體轉變，對材料高溫性能有重要影響和意義的是四方相到單斜相的馬氏體轉變『21 。當氧化鋯的這一品型轉變控制不當時，不呵能獲得完整的氧化鋯陶瓷制品。 于泡沫陶瓷結構的特殊性，制坯方法系用陶瓷漿料在 i維網狀泡沫塑料上涂掛成形，粉體堆積密度低，與加 成形的氧化錯陶瓷相比，燒結傳質過程 同溶反應另有特點，燒結收縮更大，故部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷研制有較大難度，圍外也一直在這方面嚴守技術肇牟。

    南昌航空T業學院鑄造教研竄近年來一直從事高純部分穩定氧化鍺泡沫陶瓷的研究丁作，現已取得一定突破。所研制的高純部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷常溫強度已接近同際水平，孔隙率90％左右，密度2．2 g／cm 。經x射線衍射分析，常溫下四療相穩定保有量可達40％以卜。高溫性能以澆注高溫鋼液總量與在高溫鋼液中浸泡時間來衡量。高溫澆注試驗如圖l所示，澆注時，泡沫陶瓷上方的鋼液壓頭約300 mwl，鋼液溫度l 580℃，氧化鋯泡沫陶瓷過濾片尺寸 85 ram~15 mm，過濾鋼液82 ，全部澆注完，用時間約31 S。多次澆注無一失敗一目．澆灃后泡沫陶瓷仍保持原有強度。浸泡試驗是將泡沫陶瓷過濾片投人熔煉爐，使在1600℃ 左有沸騰鋼液中浸泡30 min，試驗結果表明，30 min后過濾片仍保持原有形狀未損壞。這兩個試驗充分預示了所研制的高純部分穩定氧化鋯泡沫陶瓷有很好的高溫性能，達到同際間類產-r占的性能指標。