CN102989236A - 用于过滤熔融金属的过滤器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于过滤熔融金属的泡沫过滤器，包含粘接材料和被该粘接材料粘接在一起的陶瓷材料，所述粘接材料包含网络状碳连接的碳基体，所述陶瓷材料中一部分是以纳米粒径。本发明通过将陶瓷材料的一部分以纳米粒径引入，意外地提高了熔融金属过滤器的抗压强度。在本发明的其他方面，通过对配方、粒径等进行了优选，进一步改善了抗热震性和抗压强度。尤其通过向产品中引入了高比例的碳成分，不仅降低了成本，而且降低了产品的比热容，易于启动过滤，不易导致熔融金属在启动时的结晶。

Description

用于过滤熔融金属的过滤器及其制造方法

技术领域

本发明涉及过滤器的制造领域，更具体地说，涉及一种用于过滤熔融金属的过滤器及其制造方法。

背景技术

金属液的净化对提高铸件的力学性能起到重要作用。目前用于金属液净化的过滤装置为陶瓷过滤器，可有效截获金属液中的有害杂质并使金属液由紊流变为层流，起到净化和均质作用。陶瓷过滤器按照结构可分为泡沫陶瓷过滤器和直孔陶瓷过滤器。对于用于过滤熔融金属液的过滤器，尤其是泡沫陶瓷过滤器而言，人们总是希望具有良好的机械性能，以致在运输和使用过程中不至于发生断裂。

CN1662286披露一种过滤器，其通过其中的纤维材料提高机械强度。CN1449312披露一种用于熔融金属的过滤器，其为包含耐火材料粒子的开孔多孔材料，其中所述耐火材料粒子包埋在碳基体粘接材料中并且由碳基体粘接材料粘接在一起。该含碳基体的粘接材料一定程度上提高了过滤器的机械强度。CN1700948提供一种用于过滤熔融金属的泡沫陶瓷过滤器，该过滤器基体由含有碳化硅、胶体二氧化硅结合剂以及至少10 ％的煅制二氧化硅的陶瓷泥浆制成。该发明的目的也是提高过滤器的强度。CN101810973A披露一种过滤器，其包含大于50%质量的粘结剂，以获得较高的机械强度。CN101257957披露一种用于熔融金属过滤的陶瓷过滤器装置，其包括通过磷酸盐粘结剂粘结的主要陶瓷相和少量碳相，该发明解决的一个技术问题是获得可靠的机械性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于改进熔融金属过滤器的机械强度的新的技术方案。

根据本发明的用于过滤熔融金属的泡沫过滤器包含粘接材料和被该粘接材料粘接在一起的陶瓷材料，所述粘接材料包含网络状碳连接的碳基体，所述陶瓷材料中一部分是纳米材料。

可以用于本发明的陶瓷材料可以是选自由矾土、氧化铝、锆英粉、氧化镁、锆莫来石、氧化铝、氧化锆、氧化钛、锆刚玉、锆刚玉莫来石、刚玉粉、粘土、叶腊石、硅灰石、蓝晶石、硅线石、尖晶石、阿隆、镁阿隆、塞隆、塞隆-碳化硅、塞隆-刚玉-碳化硅、和橄榄石构成的组中的一种或多种。

在典型实施方式中，所述粘接材料由沥青、焦油、和富碳树脂的一种或多种在无氧条件下加热至500-1100℃形成。

在本发明的一种优选实施方式中，过滤器的制备原料包含25-44%的陶瓷材料、56-75%的富碳材料，其中，所述富碳材料包含所述粘接材料和无机碳。进一步地，所述无机碳是石墨，含量不超过过滤器总重的20%。更进一步地，该无机碳是石墨和炭黑的混合物，石墨含量不超过过滤器总重的15%，炭黑含量不超过过滤器总重的10%。

在本发明中，所述纳米材料的引入量为陶瓷材料的5~30%。

本发明还涉及上述过滤器的方法，包括下列步骤：1）将包含陶瓷材料、粘接材料以及其他成分用液体载体配制成浆料；2）将配制好的浆料涂挂在开孔多孔材料上形成至少一层耐火涂层；3）将形成耐火涂层的开孔多孔材料任选地进行浸渍处理；4）在还原气氛下进行烧结。

作为优选方式，所述浸渍材料是树脂、木质素、纤维素、沥青或焦油中的一种或多种。

作为进一步的优选，在步骤2）和3）之间还包括：在100-200℃之间干燥涂挂有耐火涂层的开孔多孔材料。

本发明通过将陶瓷材料的一部分以纳米形式引入，意外地提高了熔融金属过滤器的机械强度。在本发明的其他方面，通过对配方、粒径等进行了优选，进一步改善了抗热震性和抗压强度。尤其通过向产品中引入了高比例的碳成分，不仅降低了成本，而且降低了产品的比热容，易于启动过滤，不易导致熔融金属在启动时的结晶。

具体实施方式

除非特别说明，本文在提到成分比例时皆以质量百分比计算。

在本发明中，由粘接材料粘接的陶瓷材料可以是本领域中任何已知的耐火陶瓷材料，其提供过滤器所要求的对熔融金属的侵蚀作用和高温的耐受性。适用于本发明的耐火陶瓷材料的例子包括矾土、氧化铝、锆英粉、氧化镁、莫来石、氧化铝、氧化锆、氧化钛、锆刚玉、锆刚玉莫来石、刚玉粉、粘土、叶腊石、硅灰石、蓝晶石、硅线石、碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳化钙、碳化铝、尖晶石、阿隆、镁阿隆、塞隆、塞隆-碳化硅、塞隆-刚玉-碳化硅、橄榄石、富铝红柱石等。

本发明的一个重要特点在于，将陶瓷材料的一部分使用纳米材料。发明人在一次偶然尝试中发现，将部分陶瓷材料以纳米粒径引入，会提高泡沫过滤器的断裂强度。发明人因此提出本发明。

造成纳米材料具有优势效果的原因可能是：纳米材料容易烧成；其高活性、高表面能使其更容易与其他原子结合，提高产品的高温性能、抗热震性和韧性；纳米材料容易填充到微小空隙中，起到密实和隔断毛细孔的作用。

在一种具体实施方式中，纳米材料的用量为过滤器总重的3~30%，具体地可以为5~20%、7~15%。

粘接材料包括碳基体，其将耐火材料粘接在一起。粘接材料优选是焦炭或者半焦炭的形式，其通过在无氧气条件下将有机富碳材料加热至500~1100℃而得到。

陶瓷材料与粘接材料的相对比例的优选范围是至少50%的耐火材料，不多于50%的粘接材料；更优选至少55%的耐火材料，不多于45%的粘接材料；更优选至少60%的耐火材料，不多于40%的粘接材料。

在本发明的另一种实施方式中，用于过滤熔融金属的过滤器的制备原料包含25-44%的陶瓷材料、56-75%的富碳材料。其中，富碳材料包含上述粘接材料和无机碳。在一种具体实施方式中，该无机碳是石墨，含量不超过过滤器总重的20%；在另一种实施方式中，该无机碳是石墨和炭黑的混合物，其中炭黑含量不超过过滤器总重的10%。

在前一段所述的实施方式中，本发明过滤器具有高比例的碳相，该高碳相充分利用了碳材料的高的耐火度、良好的导热性、低的热膨胀系数、化学性质稳定和耐侵蚀性，使得制得的产品具有很好的抗热震性、抗热冲击性、高的抗折强度等性能。同时碳的来源广泛，价格低廉，可以降低过滤器的原料成本。

在本发明的优选实施方式中，在原料配方中引入金属硅粉和/或铝粉。金属硅有利于提高产品的抗氧化性。加入少量铝粉可以进一步提高产品的常温耐压强度和高温抗折强度。另外，金属Al/Si释放出的一氧化硅、一氧化铝气体遇氧气或二氧化碳气体会反应生成氧化铝和氧化硅，沉积在气孔内的固体表面上，堵塞气孔，有利于抗氧化性的提高。在本发明中，硅粉和铝粉的引入量合计在1~5%之间。

在存在金属硅的情况下，优选在富碳材料中包含炭黑，炭黑粒度优选小于10微米。炭黑属非晶质碳素材料，易与金属硅反应，在钢中难于溶解，可改善产品的显微结构，提高机械性能和高温性能。

一般地，将上述各成分与液体载体混合，形成浆料。所使用的液体载体可以水、甲醇、乙醇、石油醚等，实际使用中水是优选的。浆料中还可以包含少量的其他助剂，例如悬浮剂、消泡剂、湿润剂、分散剂等等。这些助剂是现有技术所已知的。

接下来，将配制好的浆料涂挂在泡沫材料上形成至少一层耐火涂层。泡沫材料例如为聚氨酯泡沫，用于为过滤器提供多孔，使得制成的过滤器中包含不规则或随机分布的孔，这些孔作为熔融金属的通道。这些孔可以全部或部分互通或可以有多个通道，使熔融金属通过。

在涂挂后，优选将涂有浆料的泡沫材料进行烘干，烘干后的产品进行浸渍处理。所述浸渍处理，是指用含有树脂、木质素、纤维素、沥青或焦油的稀溶液浸渍中的干燥的坯体。作为替换方式，该浸渍步骤也可以在烧结之后进行。通过浸渍工艺使制品开口气孔降低，残炭提高，从而提高产品的常温/高温强度、抗热震性和抗热冲击性。为更好的提高浸渍效率，可采用专用真空－压力油浸设备。即将烘干好的产品放入容器中，盖上容器盖，抽真空注入浸渍料并保压一段时间。

接下来，在惰性气氛或者还原气氛下进行烧结，烧结温度适宜控制在500℃~1100℃。在烧结之前，可选地在100-200℃之间干燥涂挂有耐火涂层的开孔多孔材料。

实施例1

将38wt%锆莫来石粉、38 wt %的沥青、20%的纳米氧化钛、0.5%的金属硅粉和0.5%的铝粉、1.5 wt %分散剂和1.5 wt %活性剂中加入水制成浆料。

将该浆料用来涂覆切割好的50*50*22、10PPI聚氨酯泡沫。涂挂好浆料的泡沫进行干燥后再用稀释的浆料进行喷涂后再干燥，干燥后的产品采用170℃左右的沥青在真空气氛下进行浸渍，然后在950℃下进行烧结。测得样品的常温耐压强度为1.55Mpa。

比较例1

重复实施例1，不同之处在于，氧化钛是粒径为3~5μm的粉末。测得样品的常温耐压强度为1.03Mpa。

实施例2

将19%的尖晶石粉、42%的沥青、35%的纳米刚玉粉、3%硅溶胶、0.5%金属铝粉、0.5%的分散剂混合。用高效混料器把粉料及水混合制成浆料，该浆料用来涂覆50*50*22、10PPI聚氨酯泡沫。涂挂好的泡沫进行干燥后再用稀释的浆料涂挂一次后再干燥，然后产品采用液体酚醛树脂进行浸渍处理，最后在1000℃下进行烧结。测得样品的常温耐压强度为1.60Mpa。

比较例2

重复实施例2，不同之处在于，刚玉粉是粒径为1~4μm的粉末。测得样品的常温耐压强度为1.15Mpa。

实施例3

将27%的塞隆-碳化硅粉、18%石墨、42.5%的沥青、10%的纳米氧化锆粉、2%活性二氧化硅、0.5%的分散剂混合。用一个高效混料器把上述材料及水混合制成一定黏度的浆料。混制的浆料用来涂覆50*50*22、10PPI聚氨酯泡沫。涂挂好的聚氨酯泡沫进行干燥后再用稀释的浆料喷涂一次后再干燥，然后产品采用焦油进行浸渍处理，在800℃下在无氧气氛下进行烧结。测得样品的常温耐压强度为1.68Mpa。

比较例3

重复实施例3，不同之处在于，氧化锆是粒径为5~10μm的粉末。测得样品的常温耐压强度为1.33Mpa。

实施例4

将20%的纳米锆刚玉粉、19%的氧化铝粉、15%的石墨、10%的炭黑、34%的沥青，1%金属硅粉、0.5%的分散剂和0.5%活性剂的混合物用水形成浆料。混制的浆料用来涂覆50*50*22、10PPI聚氨酯泡沫。涂挂好的聚氨酯泡沫进行干燥后再用稀释的浆料喷涂一次后再干燥，然后产品采用焦油进行浸渍处理，在800℃下在无氧气氛下进行烧结。测得样品的常温耐压强度为1.81Mpa。

比较例4

重复实施例4，不同之处在于，锆刚玉是粒径为3~6μm的粉末。测得样品的常温耐压强度为1.44 Mpa。

实施例5

采用纳米叶腊石40%、石墨15%、沥青40%、硅溶胶2%、聚乙烯醇1%、气相二氧化硅2%，在一个高速混料机内依次加入上述粉料和水制成浆料，然后涂挂于50*50*22、10PPI的聚氨酯海绵上干燥，最后于900℃无氧气氛下烧结。测得样品的常温耐压强度为1.45Mpa。

比较例5

重复实施例5，不同之处在于，叶腊石是粒径为2~10μm的粉末。测得样品的常温耐压强度为1.02Mpa。

尽管本文中披露以典型的原料和典型的制备方式制备出若干样品，并取得了预期效果，但是本领域技术人员可以预期，采用其他的原料也可能制备出本发明的产品，甚至取得了优于本发明的技术效果，这些均涵盖在权利要求书所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于过滤熔融金属的泡沫过滤器，包含粘接材料和被该粘接材料粘接在一起的陶瓷材料，所述粘接材料包含网络状碳连接的碳基体，所述陶瓷材料中一部分是纳米材料。

2.如权利要求1所述的过滤器，其中，所述陶瓷材料是选自矾土、氧化铝、锆英粉、氧化镁、锆莫来石、氧化铝、氧化锆、氧化钛、锆刚玉、锆刚玉莫来石、刚玉粉、粘土、叶腊石、硅灰石、蓝晶石、硅线石、尖晶石、阿隆、镁阿隆、塞隆、塞隆-碳化硅、塞隆-刚玉-碳化硅、和橄榄石中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的过滤器，其中，所述粘接材料由沥青、焦油、和富碳树脂的一种或多种在无氧条件下加热至500-1100℃形成。

4.如权利要求1所述的过滤器，其中，过滤器的制备原料包含25-44%的陶瓷材料、56-75%的富碳材料，其中，所述富碳材料包含所述粘接材料和无机碳。

5.如权利要求4所述的过滤器，其中，所述无机碳是石墨，含量不超过过滤器总重的20%。

6.如权利要求4所述的过滤器，其中，所述无机碳是石墨和炭黑的混合物，石墨含量不超过过滤器总重的15%，炭黑含量不超过过滤器总重的10%。

7.如权利要求6所述的过滤器，其特征在于，所述纳米材料的引入量为陶瓷材料的5~30%。

8.用于生产权利要求1至7任一项所述的过滤器的方法，包括下列步骤：

1）将包含陶瓷材料、粘接材料以及其他成分用液体载体配制成浆料；

2）将配制好的浆料涂挂在开孔多孔材料上形成至少一层耐火涂层；

3）将形成耐火涂层的开孔多孔材料任选地进行浸渍处理；

4）在还原气氛下进行烧结。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述浸渍材料是树脂、木质素、纤维素、沥青或焦油中的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤2）和3）之间还包括：在100-200℃之间干燥涂挂有耐火涂层的开孔多孔材料。