專利名稱:陶瓷泡沫過濾器23的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于過濾熔融金屬的陶瓷過濾器體的技術(shù)，此種陶瓷過濾器體，包括一種具有許多可讓液態(tài)金屬流過的孔道的粘結(jié)或燒結(jié)陶瓷坯體。有代表性的陶瓷坯體是在美國(guó)專利第3，893，917號(hào)、4，081，371號(hào)和3，962，081號(hào)中所敘述的那些坯體。
通常，熔融金屬含有對(duì)最終澆鑄金屬產(chǎn)物有害的夾雜固體。這些夾雜固體，在熔融金屬固化后，在最終澆鑄產(chǎn)物中，是作為夾物物出現(xiàn)的，并使最終產(chǎn)物具有缺陷。夾雜物有許多來源，例如，表面氧化物膜以及象碳化物、硼化物等等一類不溶性雜質(zhì)。
陶瓷過濾器，例如在上述專利中所敘述的那些陶瓷過濾器，特別適用于過濾熔融金屬，尤其是那些陶瓷過濾器，它們叫做陶瓷泡沫過濾器，具有開孔結(jié)構(gòu)，其特征在于用所述的陶瓷網(wǎng)膜將許多內(nèi)部互相連接的空隙包圍起來以提供曲析的通道。由于種種理由，其中包括極好的過濾效率、低成本、容易使用和能夠用后即棄，所以這些陶瓷過濾器是特別有用的。鑒于制造陶瓷泡沫過濾器特別方便和便宜并且可以用后即棄，所以，近年來，已大大地?cái)U(kuò)大了它們的用途。
但是，在過濾具有低流動(dòng)性的熔融金屬，例如鋼時(shí)，發(fā)生了特殊的問題。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在過濾這類材料時(shí)，往往難以使熔融金屬流過過濾器。此種情況即導(dǎo)致在過濾器引動(dòng)(prime)之前，即，熔融金屬開始流過過濾器之前，在過濾器上形成熔融金屬的大頭。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在有些情況下，熔融金屬不能通過整個(gè)過濾器，或者是熔融金屬不能通過過濾器的所有表面。此外，在其他情況下，過濾器根本就不能引動(dòng)，而在過濾器引動(dòng)之前，在過濾器上即形成過大的熔融金屬頭。雖然，對(duì)于鋼來說，此問題特別明顯，但是，對(duì)于其他金屬來說，也同樣存在此問題，其具體情況則取決于所過濾的特定合金和澆鑄溫度。
克服此問題的一種方法是將合金過熱，以便使其具有更好的流動(dòng)性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，過熱可改進(jìn)流動(dòng)性并促進(jìn)過濾器引動(dòng)。但是，過熱并不是一種完全令人滿意的解決辦法，因?yàn)檫^度的過熱往往會(huì)導(dǎo)致其他的問題，其具體情況則取決于所過熱的特定合金。此外，對(duì)于解決此問題來說，高于正常的過熱作用并不總是成功的。
此外美國(guó)專利第4，302，502號(hào)公開了涂層陶瓷泡沫過濾器，該專利提供一種實(shí)際上是活化的涂層，用來從熔融金屬中除去特定的雜質(zhì)。但是，這并不能解決上文所討論的形成熔融金屬頭的問題。
因此，本發(fā)明的一個(gè)主要目的是，提供一種過濾熔融金屬的改進(jìn)陶瓷過濾器，此種過濾器可促進(jìn)低流動(dòng)性金屬的過濾而不會(huì)有過多的熔融金屬頭形成。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種用上述粘結(jié)陶瓷坯體制成的改進(jìn)陶瓷過濾器，此種過濾器制作費(fèi)用低廉，制作效率高，而且不會(huì)干擾過濾步驟或成品鑄件的性質(zhì)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是，提供一種上述的改進(jìn)過濾器，此種過濾器消除了為了使過濾器引動(dòng)所需要的過度過熱。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將在下面敘述。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)上述目的和優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種過濾熔融金屬的高效率陶瓷過濾器，此種過濾器克服了低流動(dòng)性金屬，例如鋼的問題并同時(shí)使過濾器很容易引動(dòng)，而不會(huì)形成過多的熔融金屬頭和不需要將被過濾的金屬材料過度過熱。
本發(fā)明的陶瓷過濾器，包括一種具有許多可讓液態(tài)金屬流過的孔道的粘結(jié)陶瓷坯體、一層粘附在實(shí)際上是整個(gè)所述的陶瓷坯體上的薄涂層，此種薄層是用無機(jī)材料制成的，厚度約為5埃至1微米，很容易被所述的熔融金屬所潤(rùn)濕，當(dāng)所述的涂層與所述的熔融金屬接觸時(shí)，此種涂層即實(shí)際上被除去。較好的陶瓷過濾器是具有開孔結(jié)構(gòu)，其特征在于用所述的陶瓷網(wǎng)膜將許多內(nèi)部互相連接的空隙包圍起來的陶瓷泡沫過濾器。優(yōu)選的涂層厚度為10至100埃，而對(duì)于鋼來說，較好的是一種氧化硅涂層。
如上所述，低流動(dòng)性金屬，例如鋼不能很容易地流過陶瓷過器，一直是本技術(shù)領(lǐng)域：
的一個(gè)問題。此問題是由于陶瓷過濾器的材料不容易被熔融金屬潤(rùn)濕所引致的，即，熔融金屬在過濾器材料的表面上不能流動(dòng)或散開所造成的，例如，對(duì)于用氧化硅作為過濾材料的陶瓷過濾器來說，此種材料是不容易被鋼所潤(rùn)濕的。
在理想的情況下，當(dāng)被過濾的主要金屬的材料不容易潤(rùn)濕過濾器材料，而希望除去的夾雜物又的確容易潤(rùn)濕過濾器材料時(shí)，則可獲得高過濾效率。例如，鋼中的氧化鋁夾雜物的確容易潤(rùn)濕氧化鋁基陶瓷過濾器，但是鋼不容易潤(rùn)濕過濾器。因此，夾雜物必然會(huì)離開熔融金屬流體流并粘附在過濾器上，而主要金屬則不會(huì)仍然與過濾器材料或夾雜物材料保持接觸。此外，主要金屬最好是不潤(rùn)濕過濾器，因?yàn)?，這樣，就會(huì)對(duì)過濾器材料造成較少的侵蝕。但是，這只是說明熔融金屬在開始流過過濾器后，即過濾器已經(jīng)引動(dòng)后的理想情況。因此，最理想的是提供一種能滿足這些特性而同時(shí)又能容易引動(dòng)的過濾器。因此，最好是提供一種過濾器，此種過濾器很容易使熔融金屬開始流過，而不會(huì)干擾過濾器的所需特性或干擾過濾效率。
本發(fā)明的陶瓷坯體是一種具有許多可讓液態(tài)金屬流過的孔道的粘結(jié)或燒結(jié)陶瓷坯體。任何一種此類適用的陶瓷坯體均可應(yīng)用，例如，擠出陶瓷坯體、燒結(jié)陶瓷顆?；蜉^好的是具有開孔結(jié)構(gòu)，其特征在于用所述的陶瓷網(wǎng)膜將許多內(nèi)部互相連接的空隙包圍起來以提供曲折通道的陶瓷泡沫過濾器。在1984年9月24日申請(qǐng)的、與本發(fā)明專利同時(shí)待批的美國(guó)專利申請(qǐng)系列第654，391號(hào)中敘述了一種特別有用的陶瓷泡沫過濾器，本發(fā)明參考了該專利申請(qǐng)的內(nèi)容。
根據(jù)本發(fā)明，在所述的陶瓷坯體上形成一層薄涂層，此薄涂層粘附在所述的陶瓷坯體上并在實(shí)際上是整個(gè)陶瓷坯體上提供一層涂層。此涂層是一種無機(jī)材料，厚度約為5埃至1微米，很容易被熔融金屬所潤(rùn)濕。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，涂層的厚度約為10至100埃。因此，可以看出此涂層是很薄的。此外，此涂層在與熔融金屬接觸時(shí)即被除去，所以當(dāng)熔融金屬開始流動(dòng)后，此涂層即被除去，以便提供有利的過濾器表面。較好的是，涂層在不到5秒鐘內(nèi)即由于溶解在熔融金屬中或由于熔融金屬在過濾器上的機(jī)械作用，而基本上被除去。因此，較好的是，涂層是可溶于或部分可溶于熔融金屬的。為了在熔融金屬開始流過過濾器時(shí)便于方便地迅速地除去涂層，較好的是應(yīng)用厚度小于100埃的涂層;但是，當(dāng)然厚度達(dá)到1微類的涂層也能應(yīng)用，尤其是如果依靠機(jī)械作用來除去該涂層時(shí)，就更可以應(yīng)用厚度達(dá)到1微米的涂層了。
如上所述，涂層應(yīng)實(shí)際上覆蓋住整個(gè)陶瓷坯體;但是，并不需要將陶瓷坯體均勻地覆蓋，也不需要將整個(gè)陶瓷網(wǎng)膜都覆蓋上涂層，因此，有未覆蓋的表面是可以容許的。不過，為了促進(jìn)過濾器引動(dòng)，涂層應(yīng)實(shí)際上覆蓋住整個(gè)陶瓷網(wǎng)膜，而且最好應(yīng)實(shí)際上是均勻的。
涂層材料應(yīng)是對(duì)被過濾的熔融金屬或最終澆鑄產(chǎn)物無害的材料。因此，最好是利用涂層溶于或部分溶于熔融金屬的方法，而不是利用機(jī)械分離的方法將涂層從陶瓷網(wǎng)膜上除去，因?yàn)?，用機(jī)械的方法分離的涂層可進(jìn)入最終鑄件而成為夾雜物。此外，涂層的材料不應(yīng)對(duì)熔融金屬產(chǎn)生有害的影響，例如，降低機(jī)械性能、晶粒過多或不希望有的第二相。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，應(yīng)用膠體氧化硅涂層，因?yàn)?，已?jīng)發(fā)現(xiàn)此種膠體氧化硅特別有利于鋼的過濾和在陶瓷坯體上形成一層所需要的氧化硅涂層。鑒于在陶瓷坯體上是應(yīng)用薄的涂層，所以氧化硅涂層對(duì)被過濾的鋼是無有害影響的，不過，大量的氧化硅是具有有害影響的。此外，本發(fā)明的薄氧化硅涂層，在與熔融鋼接觸時(shí)，是很容易除去的。
在此優(yōu)選實(shí)施方案中，應(yīng)用膠體氧化硅在水中的濃度為1/2至10%，較好的是大約1%的膠體氧化硅水分散體。當(dāng)然，在水分散體中可以應(yīng)用添加劑，例如潤(rùn)濕劑、分散劑或有機(jī)材料，以提高涂層的作用和其他性能。
根據(jù)本優(yōu)選實(shí)施方案，制備上述分散體，并將陶瓷坯體在此分散體中浸一段較短的時(shí)間，以提供實(shí)際上在整個(gè)陶瓷坯體上覆蓋著一層薄涂層，甩掉多余的分散體，將濕陶瓷坯體在例如大約200°F至300°F(93℃至149℃)，較好的是250°F(121℃)下干燥，然后再在大約1800°F至1900°F(982℃至1038℃)，較好的是大約1823°F(1000℃)進(jìn)行再烘烤。處理溫度應(yīng)足夠高，使氧化硅不會(huì)再進(jìn)行水化并牢固地粘附在陶瓷坯體上?？梢杂梅珠_的步驟或連續(xù)操作的方式來進(jìn)行干燥和再烘烤。而且不需要保持在某一溫度下。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此種涂層材料對(duì)過濾鋼特別有利。
當(dāng)然，不能應(yīng)用需要太高烘烤溫度的涂層，因?yàn)楹婵緶囟忍邥?huì)破壞特定陶瓷坯體的組合物。
但是，當(dāng)然，除氧化硅外，也可以應(yīng)用其他的材料，只要此種材料是一種很容易被熔融金屬所潤(rùn)濕的而且在與熔融金屬接觸時(shí)能被除去的無機(jī)材料。在過濾鋼的過程中，氧化硅是特別優(yōu)選的，因?yàn)樗浅Ｈ菀妆讳摑?rùn)濕而且很容易被熔融金屬溶解。可以應(yīng)用的有代表性的其他無機(jī)材料包括，象硅酸鈉一類的硅酸鹽水分散體和諸如氯化鈉或氯化鈣一類的鹽，其中后一類鹽可簡(jiǎn)單地干燥在陶瓷網(wǎng)膜上而不必進(jìn)行再烘烤。此外，還可以應(yīng)用氧化物，例如鈣和鎂的氧化物，首先可將這些氧化物以鹽的形式進(jìn)行沉積，例如碳酸鹽的形式，然后再進(jìn)行干燥和再烘烤，而形成氧化物。也可以應(yīng)用諸如鎳、鐵和鉻一類的金屬，首先可將這些金屬以有機(jī)金屬溶液或分散體的形式進(jìn)行涂布，然后再進(jìn)行干燥和烘烤，而形成金屬。由于這些金屬在涂層中所用的數(shù)量是非常少的，因此它們對(duì)熔融金屬是不會(huì)有不利影響的的。
本發(fā)明的涂層組合物的效力的關(guān)鍵是應(yīng)用了一層容易被熔融金屬潤(rùn)濕的和在熔融金屬的作用下容易除去的無機(jī)材料的薄涂層。因此，如果應(yīng)用優(yōu)選的陶瓷泡沫材料，由于涂層很容易被熔融金屬潤(rùn)濕，所以熔融金屬就很容易通過陶瓷坯體并通過陶瓷坯體上的曲折通道，從而顯著地縮短了陶瓷過濾器的引動(dòng)時(shí)間和顯著地減少了熔融金屬大頭的形成。
此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，此種涂層組合物的確不僅僅只是縮短了過濾器的引動(dòng)時(shí)間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，此種涂層過濾器還令人意想不到地促進(jìn)過濾過程更迅速的完成，即，通過本發(fā)明的涂層陶瓷坯體的總?cè)廴诮饘俚牧魉僖话惚韧ㄟ^無涂層陶瓷坯體的高。因此，在過濾器引動(dòng)后，令人意想不到地，本發(fā)明的涂層過濾器可保持比無涂層過濾器更高的流速，盡管在與熔融金屬接觸時(shí)涂層已被除去。這種情況可能是由于整個(gè)陶瓷過濾器體更迅速地引動(dòng)和在陶瓷過濾器體中所有的微孔均更迅速地引動(dòng)所造成的。
從下列所舉的實(shí)例，即可容易地了解本發(fā)明及其所引致的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)例1提供具有開孔結(jié)構(gòu)的厚度為3/4英寸的粘結(jié)陶瓷過濾器體，其特征在于用陶瓷網(wǎng)膜將許多內(nèi)部互相連接的空隙包圍起來，其中過濾器體是用氧化鋁陶瓷作為基本材料。所應(yīng)用的特定過濾器的特征是每英寸有25個(gè)微孔。根據(jù)本發(fā)明的方法，將過濾器體在含有1%膠體氧化硅的水分散體中浸一段較短的時(shí)間，來對(duì)過濾器試樣進(jìn)行涂布，以保證實(shí)際上進(jìn)行了徹底的浸漬并獲得如上所述的薄涂層，然后在250°F(121℃)干燥和在1832°F(1000℃)烘烤。烘烤后，涂層厚度約為10埃，在實(shí)際上是整個(gè)陶瓷坯體上，涂層是以成串的氧化硅顆粒形式存在的。將涂層過濾器和無涂層過濾器的試樣粘結(jié)成為2英寸直徑的空心引動(dòng)管。將每一只引動(dòng)管緩慢地浸入鋁脫氧鋼浴中，并保持在2950°F(1621℃)下。目視觀察鋁脫氧鋼流過管中心，確定何時(shí)開始引動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在將涂層過濾器浸入鋁脫氧鋼浴中大約2英寸深度時(shí)，引動(dòng)立即開始。而無涂層過濾器在浸大約2英寸深度時(shí)則無引動(dòng)發(fā)生。將此種無涂層過濾器再浸入至大約4英寸時(shí)，于是由于熱沖擊而使管子破裂。在無涂層過濾器中始終未觀察到有過濾器引動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。
實(shí)例2應(yīng)用實(shí)際上按實(shí)例1的方法制備的涂層，提供實(shí)際上是實(shí)例1中所示組成的涂層過濾器和無涂層過濾器。將厚度為3/4英寸的涂層過濾器和無涂層過濾器并排地放在底澆中間包(bottom pour tundish)中。將熔融鋼直接從2950°F(1621℃)的感應(yīng)電爐中放入澆注中間包(pouring tundish)中。當(dāng)灌注中間包時(shí)，過濾器上的金屬靜壓力即隨之增加，直至熔融金屬液面達(dá)到溢流口高度為止。目視觀察過濾器出口一側(cè)，確定過濾器引動(dòng)的時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果顯示，涂層過濾器比無涂層過濾器早引動(dòng)4至5秒。流過涂層過濾器的熔融金屬的流動(dòng)性相當(dāng)好;而流過無涂層過濾器的熔融金屬則相當(dāng)粘滯而且緩慢。在澆注完成后，通過涂層過濾器的熔融金屬共有169磅，而通過無涂層過濾器的熔融金屬僅有25磅。此外，所得到的鑄件的質(zhì)量高，而且在過濾器上的涂層對(duì)鑄件并無有害影響。再者，氧化硅涂層在與熔融金屬接觸時(shí)，實(shí)際上是通過熔融金屬將其溶解后除去的。
實(shí)例3按實(shí)例1的方法，制備實(shí)際上是實(shí)例1中所示組成的涂層過濾器和無涂層過濾器，但過濾器體的特征是每英寸有15個(gè)微孔。制備4個(gè)砂模，其中有三個(gè)裝有過濾器裝置。將450磅鋁脫氧中碳鋼直接從感應(yīng)電爐澆入此4個(gè)砂模中。結(jié)果列于表1。
表1澆鑄試驗(yàn)號(hào) 試驗(yàn)條件 澆注溫度，°F 結(jié)果1 涂層過濾器 2950 過濾器引動(dòng)鑄件表面干凈2 無過濾器 2910 在鑄件表面有大量夾渣3 無涂層過濾器 2950 過濾器不能引動(dòng)4 涂層過濾器 2904 過濾器部分引動(dòng)上述結(jié)果清楚地顯示，應(yīng)用涂層過濾器的澆鑄試驗(yàn)1，具有完全無夾雜物的鑄件表面，而未裝過濾器的澆鑄試驗(yàn)2，鑄件表面上有大量夾雜物。裝有無涂層濾器的澆鑄試驗(yàn)3，即使在澆鑄試驗(yàn)1的溫度下澆注，過濾器亦完全不能引動(dòng)。應(yīng)用涂層過濾器的澆鑄試驗(yàn)4，即使?jié)茶T溫度低46°F，過濾器亦能部分引動(dòng)。
在不違背本發(fā)明的精神或主要特征的條件下，可以用其他的方式或方法來實(shí)施本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，都應(yīng)認(rèn)為本實(shí)施方案只是對(duì)所附權(quán)利要求
書中所指出的本發(fā)明的范圍的說明而不是限制，所有包括在本發(fā)明的目的和等效范圍內(nèi)的變化均應(yīng)包括在本發(fā)明內(nèi)。
權(quán)利要求
1.過濾熔融金屬的陶瓷過濾器，其中包括一種具有許多可讓液態(tài)金屬流過的孔道的粘結(jié)陶瓷坯體、一層粘附在實(shí)際上是整個(gè)所述的陶瓷坯體上的薄涂層，此種薄涂層是用無機(jī)材料制成的，厚度約為5埃至1微米，很容易被所述的熔融金屬所潤(rùn)濕，當(dāng)所述的涂層與所述的熔融金屬接觸時(shí)，引種涂層即實(shí)際上被除去。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的過濾器，其中所述陶瓷坯體是具有開孔結(jié)構(gòu)，其特征在于用所述的陶瓷網(wǎng)膜將許多內(nèi)部互相連接的空隙包圍起來的陶瓷泡沫過濾器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的過濾器，其中所述的涂層的厚度約為10至100埃。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的過濾器，其中所述的涂層實(shí)際上是均勻的。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的過濾器，其中所述的涂層是氧化硅涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的過濾器，其中所述的陶瓷坯體包括氧化鋁。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種具有許多可讓液態(tài)金屬流過的孔道的粘結(jié)陶瓷坯體，其中在實(shí)際上是整個(gè)所述的陶瓷坯體上有一層無機(jī)材料的薄涂層，此種涂層很容易被所述的熔融金屬所潤(rùn)濕。
文檔編號(hào)B01D39/20GK87106034SQ87106034
公開日1988年3月16日 申請(qǐng)日期1987年8月27日
發(fā)明者杰里·W·布羅克邁爾, 詹姆斯·E·多爾, 倫納德·S·奧布里 申請(qǐng)人:瑞士鋁公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan