鋯合金用接觸材料、采用該材料的過濾介質(zhì)和澆道的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋯合金凈化領(lǐng)域，尤其是用于鋯合金凈化的接觸材料、過濾介質(zhì)及凈 化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，鋯在地殼中的含量很豐富，按豐度居第20位，金屬鋯的高抗腐蝕性能和極 高的熔點（1860°C)等特性，是航空航天以及船舶和核電領(lǐng)域中極具應(yīng)用潛力的新型結(jié) 構(gòu)材料。鋯在室溫時為密排六方結(jié)構(gòu)，稱為a相，其顯著特點是室溫抗拉強度很低，不到 400MPa，無法滿足結(jié)構(gòu)材料對力學(xué)性能的要求，因此，除在核工業(yè)中得到應(yīng)用外，在其它工 程領(lǐng)域很少作為結(jié)構(gòu)材料來應(yīng)用，至今很少見報道。隨著其他工程材料的應(yīng)用范圍開始出 現(xiàn)局限性，由于鋯合金具有其獨特的力學(xué)和抗腐蝕性能，鋯合金開始進入工程領(lǐng)域、電子消 費品領(lǐng)域。
[0003] 由于金屬鋯及其合金的化學(xué)活性很高，在熔煉過程中幾乎和所有常見的耐火材料 發(fā)生反應(yīng)，進而導(dǎo)致鋯合金受到污染，致使其使用性能下降，因此鋯合金的熔煉過程的凈化 一直是該領(lǐng)域的一大技術(shù)難題。生產(chǎn)中產(chǎn)生的返回料，例如：澆冒口、不合格品、切肩、料頭、 廢料，由于受到鑄型材料、油脂類潤滑材料等污染，往往不能再次投入使用，只能降級使用， 返回料的再生利用是材料行業(yè)的一個重大的技術(shù)難題。
[0004] -個好的零部件需要有好的材料，除材料的成分之外，材料中的夾雜物是影響材 料使用性能的很大的一個因素，潔凈度高的母合金是鍛件、鑄件的保障，有效地清除鋯合金 母合金鑄錠及鋯合金返回料中的夾雜物，提高零部件的性能，從而為社會創(chuàng)造經(jīng)濟效益，是 循環(huán)經(jīng)濟、綠色生產(chǎn)和中華復(fù)興的使命召喚。
[0005] 另外，由于無法將過濾介質(zhì)安裝于一體成型澆道中，一般采取組裝式澆道，然而這 種澆道存在密封性以及強度的問題，存在無法凈化所有熔體的缺陷，凈化效果難以比得上 一體成型的澆道，故亟需過濾介質(zhì)一體成型于內(nèi)部的澆道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可在鋯合金熔鑄和凈化過程中避免與鋯合 金發(fā)生反應(yīng)而污染鋯合金的接觸材料及其制備方法，還提供了利用該接觸材料制備用于凈 化鋯合金的過濾介質(zhì)的方法以及利用該接觸材料和過濾介質(zhì)制備澆道的方法。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種鋯合金用接觸材料，由陶瓷粉料和增 強穩(wěn)定劑制成，所述陶瓷粉料由MgO和2抑2按摩爾比6-12:100組成，增強穩(wěn)定劑按重量比 為陶瓷粉料的〇. 5% -1%，所述增強穩(wěn)定劑為富鈰稀土。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種上述鋯合金用接觸材料的制備方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1，將陶瓷粉料和增強穩(wěn)定劑混合均勻；
[0010] 步驟2,濕法球磨20-24小時，80-100°C干燥后粉碎；
[0011] 步驟3,于1400-1450°c下煅燒1. 5-6小時，冷卻，粉碎；
[0012] 步驟4,濕法球磨24-48小時，80-100°C下干燥后粉碎、篩選。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種利用所述接觸材料制備過濾介質(zhì)的方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟1，前處理，將三維聚氨酯泡沫海綿骨架浸入濃度為10%~20%質(zhì)量比的 NaOH溶液中，在40~60°C溫度下水解2~4h，然后反復(fù)揉搓并用清水沖洗后晾干，從而清 洗干凈海綿；
[0015] 步驟2,制衆(zhòng)，首先將聚乙烯醇添加在水中，聚乙烯醇與水的比例為10~12:100重 量比，水溶液溫度控制在35~45°C，進行攪拌，同時加入消泡劑，將200目和400目接觸材 料按照3 :1的重量比倒入上述溶液中，進行攪拌，獲得漿料，200目接觸材料和400目接觸 材料的重量占漿料重量的75-85% ;
[0016] 步驟3,涂掛，將步驟1得到的三維聚氨酯泡沫海綿骨架浸入到步驟2得到的漿料 中，充分排出骨架中的氣體，使其表面及內(nèi)部均勻涂掛上漿料，撈出；
[0017] 步驟4,干燥，將涂掛三維聚氨酯泡沫海綿骨架的放置于陰涼通風(fēng)處，進行陰干處 理，陰干24-48小時，制成陶瓷過濾器的待烘干半成品，將陰干后的過濾介質(zhì)半成品放入烘 干爐內(nèi)進行烘干，烘干爐的升溫速度為〇. 5-5°C /min，升溫到90-120°C，保溫1-2小時，然后 隨爐冷卻，制成過濾介質(zhì)的待燒結(jié)半成品；
[0018] 步驟5,燒結(jié)，即在500°C以下的低溫區(qū)、500°C以上到1200°C~1570°C的中溫區(qū)和 1570 °C的高溫區(qū)中燒結(jié)，在低溫區(qū)中燒結(jié)時，200 °C以下升溫速度為2-5 °C /min，200 °C以上 到 400 °C升溫速度為1-3 °C /min，升至400 °C時保溫30分鐘，然后以3 °C /min的速度升溫到 500°C;在中溫區(qū)中燒結(jié)時，500°C以上到1150°C，速度為4-5°C/min ;1150°C到1570°C，此階 段將升溫速度控制在3-4°C /min并在1300°C保溫1小時；在高溫區(qū)中燒結(jié)時，在1570°C保 溫6-10小時，然后隨爐冷卻，制成過濾介質(zhì)。
[0019] 作為優(yōu)選方式，所述步驟2中，攪拌聚乙烯醇和水的轉(zhuǎn)速為70~100轉(zhuǎn)/分鐘。
[0020] 作為優(yōu)選方式，所述步驟2中，加入接觸材料后攪拌的速度為80-150轉(zhuǎn)/分鐘。
[0021] 作為優(yōu)選方式，所述步驟2中，消泡劑占聚乙烯醇和水總重量的0. 1%~1%。
[0022] 本發(fā)明還提供了一種利用所述接觸材料和所述過濾介質(zhì)制備澆道的方法，包括以 下步驟：
[0023] 步驟1、制作鋁模，制作兩個對稱的、合上后與澆道內(nèi)的中空部位匹配的鋁模；
[0024] 步驟2、注蠟，打開鋁模，將過濾介質(zhì)放入鋁模與過濾腔體對應(yīng)的部位，合上鋁模后 注蠟，使蠟充滿鋁模內(nèi)部以及過濾介質(zhì)的孔隙；
[0025]步驟3、掛砂制殼，待蠟?zāi)毯?，打開鋁模并取出帶有過濾介質(zhì)的蠟?zāi)＃瑸楸苊膺^濾 介質(zhì)表面的蠟太厚、涂掛接觸材料時接觸材料無法緊貼過濾介質(zhì)，用電吹風(fēng)吹融蠟?zāi)＿^濾 介質(zhì)處表面的蠟，直至蠟?zāi)１砻媛冻鲞^濾介質(zhì)，將蠟?zāi)＝胝辰Y(jié)劑后在其表面涂掛接觸材 料作為面層，陰干12~128小時后，浸入粘結(jié)劑中并在面層表面涂掛耐火材料，陰干12~ 128小時，重復(fù)進行浸入粘結(jié)劑、涂掛耐火材料和陰干12~128小時的步驟，獲得嵌有過濾 介質(zhì)和以接觸材料為面層的殼體；
[0026] 步驟4、融錯，將步驟3獲得的產(chǎn)物放入熱水中，蠟融化脫離，撈出殼體后陰干8~ 24小時；
[0027]步驟5、燒結(jié)，在1050~1250°C下燒結(jié)步驟4獲得的殼體產(chǎn)物并保溫30min~2h， 接觸材料殼體燒結(jié)成型殼，且過濾介質(zhì)嵌在型殼中，獲得帶有過濾介質(zhì)的澆道。
[0028] 作為優(yōu)選方式步驟3中，在蠟?zāi)１砻嫱繏旖佑|材料作為面層時，先涂掛400目的接 觸材料，然后在400目的接觸材料上涂掛200目的接觸材料。
[0029] 本發(fā)明鋯合金用接觸材料采用Zr02作為主體材料以避免與鋯合金反應(yīng)，在Zr0 2* 添加MgO和富鈰稀土，通過濕法球磨后煅燒，煅燒有利于使接觸材料更均勻和晶型更穩(wěn)定， MgO和富鈰稀土的加入及上述處理有利于晶型穩(wěn)定化，獲得穩(wěn)定的四方晶型Zr0 2，避免純 zro2因晶型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的體積變化和熱效應(yīng)，從而保證其性能。除了鋯合金外，本接觸材料及 過濾介質(zhì)還可用于凈化活潑性比鋯低的金屬或合金。
[0030] 本發(fā)明還提供了利用該接觸材料制備過濾介質(zhì)的方法，該方法利用三維聚氨酯泡 沫海綿作為骨架，在骨架涂掛漿料并經(jīng)過烘干和燒結(jié)程序得到過濾介質(zhì)，通過選擇不同孔 隙密度的三維聚氨酯泡沫海綿作為骨架制備不同孔隙密度的過濾介質(zhì)，從而攔截不同尺寸 的雜質(zhì)；由于升溫速度超過8°C /min時過濾介質(zhì)會產(chǎn)生細(xì)微裂紋，抗熱震性差，一接觸金 屬熔體就會破裂，本發(fā)明降低了燒結(jié)時的升溫速度，使過濾介質(zhì)完成應(yīng)力消除，避免產(chǎn)生細(xì) 微裂紋，具有良好的常溫強度和高溫強度，能夠適應(yīng)在凈化過程中的溫度變化，保證凈化效 果。
[0031] 另外，本發(fā)明還提供了利用上述接觸材料和凈化介質(zhì)制備澆道的方法，該方法充 分利用過濾介質(zhì)表面布滿孔隙的特點，通過制作鋁模、將過濾介質(zhì)放入鋁模并注蠟形成蠟 模、在蠟?zāi)１砻嫱瑫r也在過濾介質(zhì)表面掛砂形成澆道、融蠟和燒結(jié)成型殼，過濾介質(zhì)在此過 程中嵌入澆道中，從而制備出一體成型的澆道，過濾介質(zhì)嵌入澆道中能保證所有鋯合金熔 體均無死角地被過濾介質(zhì)攔截，提高凈化效果。
【附圖說明】
[0032] 圖1為過濾設(shè)備的剖視圖。
[0033] 圖2為過濾介質(zhì)的立體圖。
【具體實施方式】
[0034] 為有效凈化鋯合金，避免鋯合金熔體與接觸材料反應(yīng)，本發(fā)明首先需要制備可避 免與鋯合金反應(yīng)的接觸材料，本接觸材料主要采用氧化鋯，氧化鋯能有效避免與鋯合金反 應(yīng)，但氧化鋯有三種晶型，低溫為單斜晶系，高溫為四方晶系，更高溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄担?單斜晶與四方晶之間的轉(zhuǎn)變伴隨有7% -9%的體積變化，加熱時，單斜晶轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，體 積收縮；冷卻時，四方晶轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡本Вw積膨脹，由于晶型轉(zhuǎn)變引起體積效應(yīng)，所以用純 ZrOjA很難制造穩(wěn)定的成品，必須進行晶型穩(wěn)定化處理。
[0035] 實施例1
[0036] 本實施例的接觸材料由陶瓷粉料和增強穩(wěn)定劑制成，所述陶瓷粉料由MgO和Zr02 按摩爾比6:100組成，增強穩(wěn)定劑按重量比為陶瓷粉料的0. 5%，所述增強穩(wěn)定劑優(yōu)選為富 鈰稀土。MgO的陽離子半徑與Zr4+相近，它們在ZrO#的溶解度很大，可以和Zr0 2形成單 斜、四方和立方等晶型的置換型固溶體。
[0037] 該接觸材料的制備方法如下：
[0038] 步驟1，將陶瓷粉料和增強穩(wěn)定劑混合均勻；
[0039] 步驟2，濕法球磨20小時，80°C烘箱干燥后粉碎；
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