專利名稱:過濾液態(tài)金屬的氣泡狀陶瓷材料過濾器及其制備工藝和用以過濾高熔點液態(tài)金屬和合金 ...的制作方法
本發(fā)明涉及用氣泡狀或蜂窩狀陶瓷材料制成的過濾液態(tài)金屬的過濾器、過濾器的制造工藝及用以過濾高熔點金屬或合金如鋼、鑄鐵和難熔金屬合金的方法。
已知的用于過濾極高熔點的液態(tài)金屬或合金的過濾器由二氧化鋯或氧化鋁的氣泡狀陶瓷材料制成。
這類過濾器的缺點是太重，又經(jīng)常出現(xiàn)熱脆性。
已知，汽車工業(yè)上使用的是成本較低的、由堇青石或氣泡狀的堇青石和富鋁紅柱石混合物制成的盤形或海綿狀過濾器。這種過濾器的使用溫度限于1500℃左右，不能用于過濾1650℃左右的熔融鋼。
申請人:提出一種氣泡狀陶瓷材料制成的新穎過濾器。這種過濾器在價格上有競爭性，與液態(tài)金屬的浸潤性好、耐高溫?zé)釠_擊，因而適合在1800℃左右的溫度下使用。
本發(fā)明提出的過濾液態(tài)金屬的過濾器用具有正面開口孔隙度為50～80%的氣泡狀陶瓷材料，其特征在于此陶瓷材料由10～20%SiO2，50～60%Al2O3和20～40%ZrO2組成，其中的百分數(shù)是該氧化物在三種氧化物總重量中所占的重量百分。Al2O3和SiO2是結(jié)合成富鋁紅柱石3Al2O32SiO2的，二氧化鋯和富鋁紅柱石的總重量至少是陶瓷材料重量的90%。
過濾器的生產(chǎn)，可以將三種分別的氧化物SiO2、Al2O3和ZrO2按重量比10～20/50～60/20～40做成混合物，或者將富鋁紅柱石和二氧化鋯按重量比60～80/20～40做成混合物，或者是將含45～55%(重量)的硅酸鋯(優(yōu)先選擇50±1%)和45～55%(重量)的氧化鋁(優(yōu)先選擇50±1%)的組合物(SiO2·Al2O3和ZrO2混合物的先驅(qū)體)做成混合，然后成型，使其具有50～80%的正面開口孔隙度的氣泡或蜂窩結(jié)構(gòu)。在1650～1750℃的燒固-燒結(jié)工序之前或之后，將按上述方法制得的氣泡狀材料加工成所需形狀的過濾器。
如果起始料是前驅(qū)體組合物，所說的組合物在燒結(jié)過程中完全地或部分地化學(xué)轉(zhuǎn)變成SiO2，Al2O3，2SiO23Al2O3和ZrO2的混合物。
起始組合物，即SiO2+Al2O3+ZrO2的混合物，富鋁紅柱石-二氧化鋯混合物或所說混合物的前驅(qū)體組合物一般都是1～5μm級的顆粒。
成型工序是根據(jù)所需要的蜂窩或氣泡狀結(jié)構(gòu)用熟知的方法進行的。
如果是制備海綿狀結(jié)構(gòu)，最普通的方法是制備起始混合物的水懸浮體(滑泥)，水懸浮體中的干提取物為50～80%，一般接近65%。將具有適當(dāng)正面開口孔隙度的有機海綿體浸在該懸浮體中，在不加熱的情況下干燥，然后在1650～1750℃溫度范圍內(nèi)燒固;隨后將得到的制品切成過濾器的所需形狀。
如果要制備多邊形幾何形狀的多孔結(jié)構(gòu)的過濾器，可以使用已知的擠壓工藝，特別是US3，905，743，US3，919，384等專利中所描述的工藝，這些工藝是關(guān)于從所說的氧化物混合物或前驅(qū)體組合物加水和擠壓添加劑以生產(chǎn)等壁厚的薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的。
起始材料為各種氧化物的混合物時，水的用量比是氧化物總重量的8～12%;起始材料是前驅(qū)體組合物時，水的用量比是氧化物總重量的10～15%。
常用的幾種擠壓添加劑如下-增塑劑(諸如有機凝膠體或各種規(guī)格的聚乙烯醇、羧基甲基纖維素)用量是氧化物總重量的0～3%，-潤滑劑(諸如各種油脂、油、蠟等)用量是氧化物總重量的0～15%。
加工成型后，所制得的未燒固的材料在60～90℃溫度范圍內(nèi)干燥除水，切成過濾器所需要的形狀和尺寸，然后在足夠高的溫度燒固足夠的時間，得到燒結(jié)的陶瓷材料。
燒固和燒結(jié)工序最好在1650～1750℃溫度范圍內(nèi)進行，在該溫度下保持15分鐘至2小時。
用上述方法可以生產(chǎn)由具有下述特性的材料制成的過濾器-在20～1000℃溫度范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)小于6.5×10-6/℃-開口孔隙度為0～30%-松裝密度為2.6～3.8這些特性使過濾器特別適合于過濾高熔點液態(tài)金屬或金屬合金，尤其是用于過濾在大約1650℃、甚至高達1800℃注入的各種金屬或合金，例如鋼。
過濾器的形狀采用常用的氣泡狀陶瓷材料過濾器的形狀，例如正方板狀、盤狀等。其尺寸由單位時間內(nèi)過濾的金屬或金屬合金的量和裝置過濾器的過濾箱的容積而定。過濾器的厚度一般是5～15mm。如為多邊形幾何形狀的多孔結(jié)構(gòu)時，每平方厘米可以有35～50個通道，截面是邊長1～5mm的正方形。
以本發(fā)明的過濾器過濾液態(tài)金屬或合金是用已知的方法進行的。該過濾器能機械地擋住粗顆粒雜質(zhì)并把非金屬夾雜(氧化物、碳化物、氮化物、鹵化物)物理吸附到過濾器的多孔網(wǎng)內(nèi)，即使非金屬夾雜物的尺寸小于過濾器的微孔。
本發(fā)明用下列實施例說明，但不能認為是對本發(fā)明的范圍和實質(zhì)的限制。
實施例1混合物由30.5%(重量)ZrO2SCCA4(Magnesium Electron G.B.)，17%(重量)SiO2和52%(重量)Al2O3組成。SiO2和Al2O3由電熔融的富鋁紅柱石(150號，取自Cadwoods Refractories G.B.)提供。該混合物在球磨機(或振動破碎機)內(nèi)破碎，直到顆粒的平均直徑達到2μm。
按下列組成制備擠壓組合物-79.6%(重量)的按上述方法制備混合物粉粒-9.6%(重量)的Gerland公司出售的工業(yè)級凡士林916-1.2%(重量)的Rhone-Poulenc出售的聚乙烯醇Rhodoviol PS 125-9.6%(重量)的水這些混合物在陶瓷工業(yè)常用的混料器中制成軟膏狀。(例如裝有Z型臂的混料器或有研磨石的混料器)用上述方法制成的配料在擠壓機或螺旋式壓力機上擠壓。擠壓力約200巴，速度為5厘米/秒。裝備有生產(chǎn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)的擠壓模。該模子有很多均勻隔開的又互相連接的排出口，在模子出口處形成邊長51mm的正方形格網(wǎng)，網(wǎng)上有很多邊長1.5mm的正方形開口，間距0.34mm。
所制得的均勻結(jié)構(gòu)物再于90℃下干燥。
經(jīng)干燥的結(jié)構(gòu)物，收縮后，切成邊長為49mm的正方形底、高11mm的平行六面體，然后在1700℃的煤氣爐中焙燒2小時。
制成的過濾器具有下述性能和特性材料的化學(xué)性能-礦物組成ZrO230%富鋁紅柱石70%-化學(xué)組成ZrO2+HfO2雜質(zhì) 30.5%Al2O352%SiO217%其他氧化物 0.5%材料的物理性能-松裝密度 3.23-開口孔隙度 15%-20～1000℃間的線膨脹系數(shù) 6×10-6/℃過濾器的特性-尺寸 44.5×44.5mm×mm-厚度 10mm-壁厚 0.3mm-通道的流量截面 1.3×1.3mm×mm-過濾器的流量截面 14cm2-每平方厘米的通道數(shù) 39
-正面開口孔隙度 66%上述性能和特性使得過濾器可用于過濾球墨鑄鐵。這種鑄鐵可用于制造柴油機汽缸蓋。
實施例2制備由下列成分組成的組合物-硅酸鋯(鋯英石) 38.3%(重量)-氧化鋁 38.3%(重量)-工業(yè)級凡士林910 8.1%(重量)-聚乙烯醇Rhodoviod PS 125 1.4%(重量)-水 13.9%(重量)按實施例1所述的工藝將該組合物進行制膏、干燥、切割和燒固-燒結(jié)。
制得的過濾器具有與實施例1所制成的過濾器相同的性能和特性。
實施例3按下列組成制備組合物(按重量計)-二氧化鋯SCCA430.5份-SiO217.5份(磨碎至2μ的Nemours沙)-氧化鋁A15(Alcoa)52份，再加入下列物質(zhì)·工業(yè)級凡士林910 12.1份·聚乙烯醇Rhodoviol PS 125 1.5份·水 12.5份按實施例1所述的工藝將該組合物進行制膏、干燥、切割和燒固-燒結(jié)。
制得的過濾器具有與實施例1所制成的過濾器相同的性能和特性。
權(quán)利要求
1.一種用于過濾液態(tài)金屬的過濾器，由正面開口孔隙度為50～80%的氣泡狀陶瓷材料制成。其特征是所說的陶瓷材料由10～20%SiO2，50～60%Al2O3和20～40%ZrO2組成，其中的百分數(shù)以該氧化物在三種氧化物總重量中所占的重量百分表示，Al2O3和SiO2是結(jié)合成富鋁紅柱石3Al2O32SiO2的，二氧化鋯和富鋁紅柱石的總重量至少是陶瓷材料重量的90%。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所說的過濾器的制備工藝，其特征是-制取混合物，可以是以SiO2、Al2O3、ZrO2三種氧化物為原料、其重量比為SiO2/Al2O3/ZrO2＝10～20/50～60/20～40的混合物;或者是以富鋁紅柱石和二氧化鋯為原料、重量比為富鋁紅柱石/二氧化鋯＝60～80/20～40的混合物;或者是SiO2、Al2O3、ZrO2混合物的前驅(qū)體組合物，含硅酸鋯和氧化鋁，其中硅酸鋯的重量百分比是45～55，氧化鋁的重量百分比是45～55，-將所說的混合物或所說的前驅(qū)體組合物加工成具有正面開口孔隙度為50～80%的氣泡狀結(jié)構(gòu)，-將用上述方法制成的氣泡狀材料加工成所需形狀的過濾器，該工序可以在燒固-燒結(jié)之前、也可以在燒固-燒結(jié)之后進行，燒固-燒結(jié)的溫度在1650～1750℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所說的工藝，其特征是所說的前驅(qū)體組合物含有50±1%(重量)的氧化鋁和50±1%(重量)的硅酸鋯。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2或3所說的工藝，其特征是加工成型工序在擠壓機上進行，以形成多孔結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所說的工藝，其特征是所說的擠壓機是生產(chǎn)蜂窩結(jié)構(gòu)的擠壓機。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4或5所說的工藝，其特征是將氣泡材料加工成所需形狀的過濾器這一工序是在燒固-燒結(jié)前，用切割方法完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求
2或3所說的工藝，其特征是加工成型工序是將帶開口微孔的有機海綿體以三種氧化物的混合物或者以富鋁紅柱石和二氧化鋯的混合物或者所說混合物的前驅(qū)體組合物浸漬;將氣泡狀材料加工成所需形狀的過濾器是在燒固-燒結(jié)之后用切割方法完成的。
8.按照權(quán)利要求
2～7中任一工藝制成的過濾器。
9.一種過濾液態(tài)金屬或合金的方法，是在1650～1800℃溫度范圍內(nèi)從過濾器的上方澆入液態(tài)金屬或合金，所說的過濾器是按權(quán)利要求
1或8所說的氣泡狀陶瓷材料制成的過濾器。
專利摘要
一種過濾液態(tài)金屬的過濾器，是由富鋁紅柱石和二氧化鋯組成的氣泡狀陶瓷材料制成，用于過濾熔點極高的液態(tài)金屬或合金。
文檔編號C22B9/02GK87101800SQ87101800
公開日1987年10月14日 申請日期1987年3月10日
發(fā)明者勞斯·明約勒 申請人:陶瓷與復(fù)合材料公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan