高温稳定的陶瓷过滤器在镁液过滤净化中的应用

传统的镁合金铸造工艺中，防止夹杂物缺陷最常用的措施之一是在浇注系统的适当部位放置过滤介质。常用的过滤介质有冲孔铁片、钢丝棉、多层编织钢丝网。这些过滤介质共同的缺点是介质体表面没有吸附能力，很难清除直径在十几微米以下的细小夹杂物颗粒，更难清除在镁液中呈液态的熔剂。因此，使用这类过滤介质在生产高标准铸件时常常遇到很大困难。

泡沫陶瓷是一种高效合金熔体过滤介质，作为合金熔体的过滤材料，泡沫陶瓷必须有很好的高温性能，不但能够经受住高温金属液的热冲击与机械冲击作用，还必须在高温下保持化学稳定，不与合金元素起反应。十多年来，国内外已根据不同合金的特点，发展了多种不同材质的陶瓷，广泛应用于铝、铜等有色合金与铸铁、铸钢及高温合金过滤。

由于镁元素很活泼，极易氧化，镁合金不但熔炼工艺复杂，而且铸件很难避免氧化夹杂物与熔剂夹杂物造成的缺陷，因此往往导致镁合金铸件报废。但镁合金铸件绝不可采用普通的泡沫陶瓷过滤片，这是因为氧化镁的生成亥姆霍兹自由能很低，易与生成亥姆霍兹自由能较高的氧化物如氧化硅发生如下反应：

4Mg+SiO₂=2MgO+Mg₂Si

该反应在镁合金的浇注温度720～780℃时进行极快，凡是含氧化硅较多的泡沫陶瓷在此温度的镁合金液中都将迅速熔化，其结果是非但不能净化合金，反而给合金液中带来更多的夹杂物。目前国内研制的铝合金用泡沫陶瓷过滤片与高温合金用泡沫陶瓷过滤片都含有10%（质量分数）以上氧化硅，氧化硅在高温镁合金熔体中都将迅速溶解，因此不能用于镁合金铸造。针对镁合金对泡沫陶瓷过滤器材料有特殊的高温化学稳定性要求这一问题，目前已研制成功了氧化镁泡沫陶瓷过滤器，这种过滤器对镁合金有很好的高温化学稳定性，可在高温镁合金液中长时间浸泡而不与镁合金发生反应，而且由于氧化镁与镁合金液中的液态熔剂润湿角很小，氧化镁泡沫陶瓷过滤片极易吸附镁合金中的熔剂液滴，从而使镁合金铸件免除了熔剂夹杂物缺陷，这是过去在镁合金铸造中使用的冲孔铁片、钢丝绒等过滤介质难以实现的。

1.泡沫陶瓷过滤器的性能要求及检测

泡沫陶瓷过滤器必须具备下列各项性能，才能满足过滤金属的要求：

（1）具有足够的机械强度 陶瓷质的过滤板较脆和硬，在强度不足的情况下过滤板易破碎和掉屑，不但对储运不利，而且在过滤时一旦落入镁熔体中还会影响锭坯的质量。通常要求泡沫陶瓷过滤器手感质地坚硬，手按、轻拍无掉屑。将泡沫陶瓷过滤器制成ϕ40mm的圆柱形试样，在压力机上测其抗压强度，一般达到0.6MPa即可。

（2）高的耐热冲击性与高温强度 铸造时，高温镁液突然与过滤板表面接触，镁液的热量使过滤板很快升到接近金属温度，过滤板是瞬时受热膨胀，这就要求过滤板应具有较小的热膨胀系数，受热后不裂。另外，浸泡在镁液中的过滤板要能持续一定时间，工作时不允许被冲毁和软化变形。

耐热冲击性与高温强度试验方法之一如图2-12所示。将纯氧化镁泡沫陶瓷过滤器放置于图2-12所示的型腔内，在不预热的情况下一次浇入760℃镁合金液5kg，浇注高度约300mm，陶瓷过滤器下面型腔容积很大，浇注后合金液面远离陶瓷过滤器下表面，冷却后将陶瓷过滤器取出观察，陶瓷过滤器应完好无损。

（3）良好的高温化学稳定性 陶瓷过滤器在高温下不应与镁液发生化学反应。将纯氧化镁泡沫陶瓷过滤器在750～800℃的高温下浸泡于镁熔体中10min，陶瓷过滤器应不出现变化。

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图2-12 耐热冲击及高温强度试验

2.泡沫陶瓷过滤机理

泡沫陶瓷过滤器的孔隙率约为70%～85%，孔道成互相连接的迷宫式结构，当用它进行合金熔液过滤时，合金熔液从曲折的通道通过过滤块，有利于较大颗粒接触过滤块的网壁和网筋，使得过滤网对合金液中的非金属夹杂物有一定的捕捉能力。其阻隔非金属杂质的作用不仅是物理分离，还由于动力吸附作用以致夹杂物在过滤网上被烧结所至。过滤网从合金熔液中捕捉颗粒的能力主要取决于如下因素：合金熔液中夹杂物的颗粒类型、合金熔液的特性（组成、粘度、表面张力）、温度、过滤网特性（组成、结构、孔隙率、透气性）等。对于给定面积的过滤网来说，合金熔液通过过滤网的流速和过滤网的厚度是影响夹杂物排出的两个因素。合金熔液通过过滤网的过滤效果用过滤效率表示。过滤效率可用下式计算：

N=（C₀-C₁）/C₀=1-exp（-KL/V₀） （2-27）

式中N——过滤效率；

C₀——过滤前金属中夹杂物质量分数；

C₁——过滤后金属中夹杂物质量分数；

K——动力作用系数；

L——过滤网厚度（m）；

V₀——金属流过过滤网速度（m/s）。

泡沫陶瓷过滤器系由细密的陶瓷枝干骨架构成的三维连续网状结构，其过滤机理复杂。目前较为流行的看法认为，泡沫陶瓷过滤器在过滤金属熔体时至少有以下三个方面的作用：一是过滤作用，即在泡沫陶瓷过滤器的各个孔洞口处阻挡夹杂物颗粒，有的地方甚至积累形成“滤饼”，而“滤饼”又能阻挡住一些更细小的夹杂物；二是沉淀作用，即金属熔体通过泡沫陶瓷过滤器时，由于泡沫陶瓷过滤器内部通道曲折多变，熔体微元流速度变化较大，一些很细小的夹杂物颗粒即沉淀于泡沫陶瓷过滤器内部的一些角落；三是吸附作用，即由于泡沫陶瓷过滤器骨架具有巨大的表面，这种陶瓷表面不被金属熔体所润湿，对合金中不被金属熔体润湿的固态微细夹杂物有较强的吸附能力。同时，这种陶瓷表面又能被金属熔体中呈液态的夹杂物液滴（熔剂夹杂物或低熔点金属化合物）润湿，将夹杂物液滴吸附于其上而滤除，以上三种机制综合作用的结果，使得用泡沫陶瓷过滤器可以达到极好的效果，不但可以滤掉合金熔体中10～20_μm的微细夹杂物颗粒，而且能滤掉用一般过滤介质难以滤除的液态熔剂夹杂物。泡沫陶瓷过滤器不但过滤效果好，而且对合金无污染。