铸钢与高温合金泡沫陶瓷过滤技术现状与发展趋势分析

   摘要：介绍了目前国内外铸钢与高温合金用各种泡沫陶瓷的材料成分与性能，重点描述了国外将高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷应用于铸钢件与大型铸钢锭生产中所带来的铸造技术革新，同时探讨了国内铸钢与高温合金用泡沫陶瓷过滤器的市场前景与发展趋势。

    泡沫陶瓷过滤器(CFF~Pceramic foam filter)是采用软质聚胺脂泡沫塑料为基材，加工成所需形状、尺寸，浸渍陶瓷浆料后干燥，然后经高温烧结而成。因骨架和孑L隙结构同泡沫塑料相似，气孑L率高达85％90％，称泡沫陶瓷。泡沫陶瓷主要用于金属液过滤净化。在过滤净化金属液时，通过飘浮分离、 “滤饼”和吸附净化机制，不但可去除金属液中大部小至数微米的微小固相悬浮夹杂物，且可滤除液态熔渣，改善铸件的显微组织和力学性能，生产出高质量致密铸件，降低铸件废品率，减少铸件切削加工时刀具的磨损，经济和社会效益明显。有研究表明【 叫，其过滤效率高达72％~97％，同时泡沫陶瓷过滤器还可促进部分气体的析出。

    合金泡沫陶瓷过滤技术包含泡沫陶瓷制作技术和泡沫陶瓷在各种合金过滤环境中的应用技术。对铸钢与高温合金熔体过滤而言，一方面，由于合金浇注温度高达1 6OO℃以上，对泡沫陶瓷材料的高温性能有很高的要求，制作技术有较高难度。另一方面，由于铸钢与高温合金的凝固与流动性的特点，各种浇注系统设计复杂，对泡沫陶瓷过滤片的应用技术也有特殊要求。

    1 泡沫陶瓷制作技术

    技术发达国家在近20年中研制和开发了多种材质的铸钢与高温合金铸造生产用泡沫陶瓷过滤材料及相应的制品 叫4J，性能数据可参考表lfls]。由于高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷性能优良，目前在国外应用广泛，用量很大。根据英国Foseco公司最近公布的数据，采用高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷浇注的铸钢件重量可以从几盎司到4 t。高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷已成为国外几家大型铸造耗材公司如Foseco、SeIee、Hi—Tech等的重要产品。 氧化铝泡沫陶瓷与氧化锆一氧化铝泡沫陶瓷等产品一般用于80 kg1)5~下的中小型铸钢或高温合金铸件生产。
    
    铸造合金用泡沫陶瓷过滤器在国内的发展始于上世纪8O年代。约有近十家单位开展了泡沫陶瓷过滤器的研究和生产。目前国内已有多条生产有色合金与铸铁用泡沫陶瓷的生产线。但铸钢与高温合金用泡沫陶瓷的研制，尚处于探索和开发过程中。

    哈尔滨理 T：大学以A1 0 为基料添加适量ZrO 增韧剂和少量TiO：、耐火粘土助烧剂，并以磷酸二氧钒为粘结剂，1 560℃烧结，研制 铸钢用泡沫陶瓷过滤器。研究表明，采用过滤技术后，不锈钢的伸长率可提高67％左右，冲击韧性提高I 8％左右 I。

    北T业大学和33 I厂于上世纪90年代初联合研制开发了町用于铸钢和高温合金的Al O 一SiO 质泡沫陶瓷过滤器，只能用于10 kg[,2下铸钢件和高温合金铸件的铸造生产『I61。

    营口市镁质材料研究所的曹盛斌、李松、平振丰等人选用电熔刚玉作为高温合金液过滤网的基体材料，另加少最莫来石作为添加剂，于1998年联合研制成功了一种剐玉一莫来石质泡沫陶瓷过滤器。结果表明，最高使用温度达I 600℃ ，用于浇注温度为1 500℃～1 580℃左右的K3、KI7高温合金可使精铸件的夹杂报废率下降30％~50％，并能提高合金铸件的性能旧。

    哈尔滨T业大学房文斌、耿耀宏等人于2002年以耐火粘土为基体材料研制成功一种氧化锆增韧泡沫陶瓷过滤器，材料配IZ8％的ZrO 、0．5％的Ti0：、40％的Al 0 ，余为耐火粘土。据称，此型泡沫陶瓷过滤器可在液态球墨铸铁中浸泡10 minA'：破坏，在铸钢熔液中浸泡至破坏所维持的时间可达8 minII 。

    北京科技大学殷声、曹宏、李汶霞等研制成氧化镁部分稳定氧化锆泡沫陶瓷过滤器，填补了国内窄白，所研制的这种泡沫陶瓷过滤器在镍基合金单晶叶片生产中应用，取得很好效果『I 。辽宁工程学院穆柏春、 志刚等以氧化铝粉和锆英石粉为原料，通过反应烧结制成锆刚玉／莫来石泡沫陶瓷过滤器，并研究了锆英石对抗弯强度和抗热震性的影响 。上述单位在泡沫陶瓷过滤器的研究上均取得一定成果，但在可过滤大量钢液的高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷过滤器研究方面，国内长期以来处于空向状态。

    氧化锆熔点高达2 715℃，且生成自F}1能很低，化学稳定性高，是非常优良的耐火材料。但因氧化锆有3种晶型，低温为单斜晶系，高温为四方晶系，更高温度下转变为 力 晶系，转化关系为：单斜ZrO，四疗ZrO 。 _÷立方ZrO， 旦 羔_÷液体 、立方相到四方相的相变属扩散型相变，四方相到单斜相的相变属马氏体转变，对材料高温性能有重要影响和意义的是四方相到单斜相的马氏体转变『21 。当氧化锆的这一品型转变控制不当时，不呵能获得完整的氧化锆陶瓷制品。 于泡沫陶瓷结构的特殊性，制坯方法系用陶瓷浆料在 i维网状泡沫塑料上涂挂成形，粉体堆积密度低，与加 成形的氧化错陶瓷相比，烧结传质过程 同溶反应另有特点，烧结收缩更大，故部分稳定氧化锆泡沫陶瓷研制有较大难度，围外也一直在这方面严守技术肇牟。

    南昌航空T业学院铸造教研窜近年来一直从事高纯部分稳定氧化锗泡沫陶瓷的研究丁作，现已取得一定突破。所研制的高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷常温强度已接近同际水平，孔隙率90％左右，密度2．2 g／cm 。经x射线衍射分析，常温下四疗相稳定保有量可达40％以卜。高温性能以浇注高温钢液总量与在高温钢液中浸泡时间来衡量。高温浇注试验如图l所示，浇注时，泡沫陶瓷上方的钢液压头约300 mwl，钢液温度l 580℃，氧化锆泡沫陶瓷过滤片尺寸 85 ram~15 mm，过滤钢液82 ，全部浇注完，用时间约31 S。多次浇注无一失败一目．浇沣后泡沫陶瓷仍保持原有强度。浸泡试验是将泡沫陶瓷过滤片投人熔炼炉，使在1600℃ 左有沸腾钢液中浸泡30 min，试验结果表明，30 min后过滤片仍保持原有形状未损坏。这两个试验充分预示了所研制的高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷有很好的高温性能，达到同际间类产-r占的性能指标。

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