铸造合金用泡沫陶瓷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。

1、泡沫陶瓷过滤器的发展历史

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60年代初起，在美、英、日等国家陆续出现了硅酸铝纤维质、玻璃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、铸铁和小型碳钢件的过滤，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。70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80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Ceramic Foam Filter）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结合，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，由于与流经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（对灰铁HT250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：

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。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。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年美国的Dr.R.R.Mollard和Dr.N.Davison研制成功的铝合金用泡沫陶瓷过滤器。1984年又研制出了用于过滤黑色金属的泡沫陶瓷过滤器，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。根据不同的应用对象，可分别采用如下的耐火骨料：碳化硅莫来石、刚玉、MgO部分稳定化ZrO2及其复合材料；此外还有粘结型的。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。

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

美国某公司

Selee/Al

AlPO4粘结刚玉

Al2O3,AlPO4

10、20、30

0.85

0.35

1400

较低

Al及其他有色金属

Selee/Fe

莫来石

3Al2O3.·2SiO2

15、25

2.0

0.7

1500

97

铁、非活性Ni基合金

刚玉

99Al2O3

15、25

0.66

70

6.0

1700

较低

97

铁、钢、高熔点有色金属、活性金属

0.47

81

3.0

0.9

部分稳定化氧化锆

97ZrO2，3MgO

15、25

0.92

70

7.0

1800

很低

97

超级合金、钢

0.64

81

4.0

氧化锆增韧莫来石

75A2O3，17ZrO2，8SiO2

15、25

0.65

70

4.5

1650

97

钢

0.42

81

2.5

氧化锆增韧刚玉

65PSZ，35Al2O3

15、25

2.0

0.7

1700

97

钢

粘结SiC

SiC

15、25

1600

97

铁、铜基合金

美国某陶瓷公司

莫来石

65Al2O3，35SiO2

10、20、30

0.45～0.47

77～81

0.74～3.06

1.16～1.57

1650

2.4～10.5

5.14

高

96

铁、铜基合金

刚玉

98Al2O3，2SiO2

10、20、30

0.51～0.66

77～82

2.08～2.83

1.50～3.25

1750

4.1～8.1

8.61

很高

97

高温合金

氧化锆增韧刚玉

79Al2O3，21ZrO2

10、20、30

0.57～0.69

80～85

1.25～2.45

1.03～1.78

1750

0.3～1.0

9.16

很高

97

部分稳定化氧化锆

97ZrO2，3MgO

10、20、30

0.72～1.12

76～85

1.01～2.51

1.10～3.37

1800

0.2～2.2

8.23

很高

99

日本某株式会社

堇青石

2MgO·2Al2O3·5SiO2

6、13、20

0.35～0.60

80～90

1.08～2.14

1.4～2.0

堇青石－刚玉

6、13、20

0.35～0.60

80～90

1.45～2.76

4.4

碳化硅

SiC

6

85

1.09

1500

日本某公司

氧化铝

Al2O3

0.7

80

2～3

1500

6.2

碳化硅

SiC

0.5

80

1.5～2.0

1300

3.5

氮化硅

Si3N4

0.6

80

3～5

1200

3.5

日本某研究院

碳化硅

SiC

5、8、13

0.42

85

1500

5.7

铁合金

英国某公司

Sivex

10、20、30

铝、铜等有色合金

Sedex

10、20、30

铁、铜基合金

Stelex

氧化锆增韧刚玉

ZTA

10、20、30

70

高熔点合金，活性金属

中国某大学

CFF/铁

高铝矾土

Al2O3，SiO2

15

0.6

85

0.841

0.420

＞1700

1450

0.530

铁合金

CFF/钢

氧化锆增韧刚玉

60Al2O3，11ZrO2，0.8TiO2

15

80

0.935

0.500

＞1750

1600

0.828

钢

中国某机电研究设计院

MF，AF，ZMF，ZAF

高铝矾土，刚玉，氧化锆

10、20

0.4～0.7

75～85

2.3～3.5

1650～1800

1650

2.9～4.2

5～9

1.3～2.0

铝、铜、铁、钢等

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46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10ppi和15ppi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

Teledyne Cast Products

Al～Cu

25％废品

基本无废品

Hemet of Florida

Al～Si

20％废品

无废品

Airesearch Casting Corp.

Al～Cu

大面积夹杂

消除

Universal Casting Corp.

Al～Cu

30％废品

无

Universal Casting Corp.

球铁

50％废品

﹤2％

Universal Casting Corp.

不锈钢

气孔和夹杂量超标

全部达标

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；这两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。80年代日本已开发出工业化泡沫陶瓷过滤器，孔隙率也高达80～90％，体积密度为0.35～0.60g/cm3，厚度为10～25mm。

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。

日本还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。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。

英国对铸造用泡沫陶瓷过滤器的研制和开发也起步较早,英国在80年代前期就已成功地研制出了过滤有色合金（特别是铝基和铜基合金）的泡沫陶瓷过滤器，及过滤大部分铸铁、部分高熔点铜合金的泡沫陶瓷过滤器，孔尺寸规格有10、20、30ppi三种，开口孔隙率最高达90％，它可清除比10um小得多的夹渣；过滤铝合金一般采用10和20ppi的过滤器。经过滤的铝合金压铸件在机加工时的刀具磨损量比未经过滤铸件减小50％；过滤可使铁素体球铁的疲劳强度提高10％左右，刀具磨损减少0.04～0.1mm；球铁箱体件采用过滤技术后，由于浇注系统简化而使铸造工艺出品率从39％提高到63％。

英国航空工业铸件生产在80年代末期的泡沫陶瓷过滤器使用量已高达2.5万片/月。除美国、日本和英国外，德国和瑞士等国家也相继研制成功了用于铸造合金过滤的泡沫陶瓷过滤器，并已在砂型铸造、压铸、熔模铸造等的各种材质铸件上得到广泛应用。瑞士铝有限公司在1988年获得的一个泡沫陶瓷过滤器专利所采用的材料成分是50％以上的SiC、30％以上的SiO2，其余为Al2O3。其中SiO2用作胶质粘结剂。该泡沫陶瓷过滤器主要用于铸铁合金的过滤。综合分析以上结果和表1数据，可以看出：

2.1 烧结型泡沫陶瓷过滤器的强度和使用温度均比同材质的粘结型泡沫陶瓷过滤器高，因而其适用范围更广，但成本也更高。

2.2 在同类过滤器中，开口孔隙率越高，则体积密度和强度均越低。

2.3 最高使用温度从高到低的泡沫陶瓷过滤器材质排列顺序为：部分稳定化氧化锆—碳化硅—莫来石（高铝矾土）。其中部分稳定化氧化锆特别适用于各种高温合金，刚玉较适用于铸钢，碳化硅较适用于铸铁，莫来石（高铝矾土）则适用于有色合金。

2.4 碳化硅泡沫陶瓷过滤器加入少量氧化锆增韧后，强度有所降低，但抗热冲击性显著提高从而可扩大其应用范围。

3、国内泡沫陶瓷过滤器的发展状况

铸造合金用泡沫陶瓷过滤器在国内的发展始于80年代初。哈尔滨理工大学于1982年最早研制成功的泡沫陶瓷过滤器只能用于铝合金的过滤。此后，该校又陆续开发了可用于黑色金属过滤的泡沫陶瓷过滤器。哈尔滨理工大学于八十年中期开发的用于黑色金属的过滤器系采用高铝矾土为耐火骨料，孔尺寸为15ppi，厚度为22mm。此后又通过添加少量Y2O3、CeO2作为助烧剂研制出了铸铁用过滤器，其烧结保温时间由原来的数小时缩短至10分钟左右，烧结温度也比原来降低200℃左右，但制品性能变化不大。为了提高泡沫陶瓷过滤器过滤高温合金时抵抗脆性破坏的能力，该校又通过在刚玉粉基料中适量添加ZrO2增韧剂和TiO2、耐火粘土等助烧剂，并以磷酸二氢铝为粘结剂，在1560℃的烧结温度下研制出铸钢用泡沫陶瓷过滤器，其主要物理性能有明显提高（见表1）。

该校对各种金属液的过滤试验表明：泡沫陶瓷过滤器能有效地去除非金属夹杂物等夹渣和部分气体，改善铸件金相组织，细化晶粒，可使铝合金的抗拉强度提高4～5％，延伸率提高7～11％；可使铜合金的抗拉强度提高22％，延伸率提高将近一倍，硬度提高8～20HB；可使灰铁抗弯强度提高5％左右，抗拉强度提高16％左右；可使球铁抗拉强度提高约17％，延伸率提高约40％，硬度提高约10％，而且硬度分布更为均匀；可使不锈钢延伸率提高67％，冲击韧性提高18％。

西南某冶金学院重点研究了镁合金过滤用的纯氧化镁泡沫陶瓷过滤器。由于氧化镁的标准生成自由焓很低，高温下熔融镁极易与一些标准生成自由焓较高的氧化物如SiO2和Al2O3等生成MgO，会使以和SiO2等为陶瓷基料的过滤器的陶瓷骨架被迅速侵蚀以至消失，MgO等反应生成物均进入镁液中而严重污染镁液。该校针对镁合金的特性，研制成功一种高温固相烧结型纯氧化镁泡沫陶瓷过滤器。这种过滤器的陶瓷骨架本身是不致密的，显气孔率为5～10％。这种微观上粗糙多孔的陶瓷骨架不但容易吸附微细夹杂物，而且能吸附在镁液中呈液滴状态的熔剂夹杂（MgO与熔剂是完全润湿的）。采用纯MgO泡沫陶瓷过滤器净化ZM～5镁合金液后，铸件基本不存在夹杂物，抗拉强度可提高25.2％，延伸率提高82％，浇注系统的镁合金可完全回收，其中的泡沫陶瓷可以在合金重熔时浮出液面而撇去。

该学院还以碳化硅为陶瓷基料，外加少量硼化物作为烧结助剂，在较低的烧结温度下烧制出铸铁用泡沫陶瓷过滤器，其强度较高，成本较低，能承受高温铁水冲击3min以上。该过滤器与耐高温纤维过滤网在球铁曲轴上的对比应用结果表明：石墨球的平均直径比采用纤维过滤网时明显减小，分布也更为均匀。

苏州德鑫陶瓷新材料有限公司联合研究机构于2005年开始进行泡沫陶瓷过滤器的实用化研究，根据不同的工况，研制出了Al2O3质、SiC质、ZrO2质等三种材质的泡沫陶瓷材料，其主要技术性能和适用范围也如表1所示，其开口孔隙率为75～85％，常温抗压强度和高温抗压强度分别达2.5～3.5Mpa和1.3～2.0MPa，耐火度为1640～1800℃，最高使用温度可达1750℃，接近国际先进水平。

该系列泡沫陶瓷过滤器的生产工艺特点是：选用了一种热膨胀系数小、本身耐火度较高、同时具有优良的助烧结能力和陶瓷浆料悬浮分散能力的新型助剂；选用的陶瓷浆料粘结剂是一种强度高、发气量小、价格低廉的无机粘结剂。

通过实验和分析发现：随着开口孔隙率的降低，抗压强度沿开口孔隙率的幂函数趋势升高，过滤效率也提高，但对液态合金的流动阻力也增大；当开口孔隙率为80％左右时，过滤器具有过滤效率、强度和流动阻力三方面的最佳综合效果。该系列泡沫陶瓷过滤器在多家铸造企业生产现场的应用实践表明：通过其对各种夹杂物的高效滤除和对晶相组织的细化作用，可使铸造缺陷显著减少以至消除；并使灰铁的抗拉强度、冲击韧性和硬度分别提高6.9％、14.3％和19.4％，相当于提高了一个牌号等级；可使高铬合金耐磨铸铁的抗弯强度、冲击韧性和硬度分别提高14％、15％和30％左右，而且以上机械性能的分散度可降低33～67％，亦即性能更为稳定；可使碳钢的抗拉强度、屈服点和延伸率分别提高4％、13％和6％左右。

近年的进一步研究已使泡沫陶瓷材料成功应用于高温废气的过滤净化、高温隔热保温、高温高湿消声降噪等领域。在球铁生产流水线上对SiC质泡沫陶瓷过滤器的应用实践表明：球铁抗强度和延伸率分别比不过滤时提高15.3％和12.5％，且分散度减小，铸件工艺出品率比采用蜂窝状直孔陶瓷过滤片时提高2.8％，铸件废品率降低50％左右，机加工时刀具使用寿命提高1倍多，取得了良好的经济和技术效益。

4、泡沫陶瓷过滤器的发展趋势

如前所述，近二十年来，经过铸造工作者的努力，泡沫陶瓷过滤器及其在液态铸造合金过滤领域的应用已得到了长足的发展。据不完全统计，仅国内迄今已有十几条泡沫陶瓷过滤器生产线投入生产，年生产总量已达数千万片。根据测算，我国铸造行业的潜在年需求量约1亿片左右。随着我国铸件行业的高端化进程使用量会进一步铺开。因此泡沫陶瓷过滤器的研究、生产和应用推广工作尚需继续加强，而且工作重点应放在以下几个方面：

4.1 开发生产烧结温度低、烧结时间短的新型低成本泡沫陶瓷过滤器。

4.2 开发生产适用于各种活性合金、高温物化性能稳定的新型泡沫陶瓷过滤器。

4.3 开发生产适用于熔模铸造、金属型铸造等特种铸造工艺的异形泡沫陶瓷过滤器。

4.4 深入研究泡沫陶瓷过滤器的过滤净化机制和对金属凝固过程的影响机制。

4.5 开发国产化的高温钢、合金铜连熔连铸长效使用的大型泡沫陶瓷过滤板。

苏州德鑫陶瓷新材料有限公司正在对这几个方面投入资金联合相关科研院所进行相关的研究，相信在不远的将来随着这方面的技术的发展一定会带动中国铸造技术的提升，为我国工业的进步做出贡献！（本文所涉及到的所有产品信息和参数，均由苏州德鑫陶瓷新材料有限公司提供，部分数据来源网络。）

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