鑄鋼與高溫合金泡沫陶瓷過濾技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

    介紹了目前國內(nèi)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(wěn)定氧化鋯泡沫陶瓷應(yīng)用于鑄鋼件與大型鑄鋼錠生產(chǎn)中所帶來的鑄造技術(shù)革新，同時探討了國內(nèi)鑄鋼與高溫合金用泡沫陶瓷過濾器的市場前景與發(fā)展趨勢。

    泡沫陶瓷過濾器(CFF~Pceramic foam filter)是采用軟質(zhì)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(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。因骨架和孑L隙結(jié)構(gòu)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(shù)微米的微小固相懸浮夾雜物，且可濾除液態(tài)熔渣，改善鑄件的顯微組織和力學(xué)性能，生產(chǎn)出高質(zhì)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(jīng)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(shù)包含泡沫陶瓷制作技術(shù)和泡沫陶瓷在各種合金過濾環(huán)境中的應(yīng)用技術(shù)。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(shù)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(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，對泡沫陶瓷過濾片的應(yīng)用技術(shù)也有特殊要求。

    1 泡沫陶瓷制作技術(shù)

    技術(shù)發(fā)達國家在近20年中研制和開發(fā)了多種材質(zhì)的鑄鋼與高溫合金鑄造生產(chǎn)用泡沫陶瓷過濾材料及相應(yīng)的制品 叫4J，性能數(shù)據(jù)可參考表lfls]。由于高純部分穩(wěn)定氧化鋯泡沫陶瓷性能優(yōu)良，目前在國外應(yīng)用廣泛，用量很大。根據(jù)英國Foseco公司最近公布的數(shù)據(jù)，采用高純部分穩(wěn)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(wěn)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(chǎn)品。 氧化鋁泡沫陶瓷與氧化鋯一氧化鋁泡沫陶瓷等產(chǎn)品一般用于80 kg1)5~下的中小型鑄鋼或高溫合金鑄件生產(chǎn)。
    
    鑄造合金用泡沫陶瓷過濾器在國內(nèi)的發(fā)展始于上世紀(jì)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(chǎn)。目前國內(nèi)已有多條生產(chǎn)有色合金與鑄鐵用泡沫陶瓷的生產(chǎn)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(fā)過程中。
    
    哈爾濱理 T：大學(xué)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(jié)劑，1 560℃燒結(jié)，研制 鑄鋼用泡沫陶瓷過濾器。研究表明，采用過濾技術(shù)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(yè)大學(xué)和33 I廠于上世紀(jì)90年代初聯(lián)合研制開發(fā)了町用于鑄鋼和高溫合金的Al O 一SiO 質(zhì)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(chǎn)『I61。
    
    營口市鎂質(zhì)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(wǎng)的基體材料，另加少最莫來石作為添加劑，于1998年聯(lián)合研制成功了一種剮玉一莫來石質(zhì)泡沫陶瓷過濾器。結(jié)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(yè)大學(xué)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(jù)稱，此型泡沫陶瓷過濾器可在液態(tài)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(xué)殷聲、曹宏、李汶霞等研制成氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯泡沫陶瓷過濾器，填補了國內(nèi)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(chǎn)中應(yīng)用，取得很好效果『I 。遼寧工程學(xué)院穆柏春、 志剛等以氧化鋁粉和鋯英石粉為原料，通過反應(yīng)燒結(jié)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(wěn)定氧化鋯泡沫陶瓷過濾器研究方面，國內(nèi)長期以來處于空向狀態(tài)。
    
    氧化鋯熔點高達2 715℃，且生成自F}1能很低，化學(xué)穩(wěn)定性高，是非常優(yōu)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(zhuǎn)變?yōu)?力 晶系，轉(zhuǎn)化關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變『21 。當(dāng)氧化鋯的這一品型轉(zhuǎn)變控制不當(dāng)時，不呵能獲得完整的氧化鋯陶瓷制品。 于泡沫陶瓷結(jié)構(gòu)的特殊性，制坯方法系用陶瓷漿料在 i維網(wǎng)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(jié)傳質(zhì)過程 同溶反應(yīng)另有特點，燒結(jié)收縮更大，故部分穩(wěn)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(yán)守技術(shù)肇牟。
    
    南昌航空T業(yè)學(xué)院鑄造教研竄近年來一直從事高純部分穩(wěn)定氧化鍺泡沫陶瓷的研究丁作，現(xiàn)已取得一定突破。所研制的高純部分穩(wěn)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(jīng)x射線衍射分析，常溫下四療相穩(wěn)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(jié)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(yù)示了所研制的高純部分穩(wěn)定氧化鋯泡沫陶瓷有很好的高溫性能，達到同際間類產(chǎn)-r占的性能指標(biāo)。