锆合金用接触材料、采用该材料的过滤介质和浇道的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锆合金净化领域，尤其是用于锆合金净化的接触材料、过滤介质及净 化装置。
【背景技术】
[0002] 目前，锆在地壳中的含量很丰富，按丰度居第20位，金属锆的高抗腐蚀性能和极 高的熔点（1860°C)等特性，是航空航天以及船舶和核电领域中极具应用潜力的新型结 构材料。锆在室温时为密排六方结构，称为a相，其显著特点是室温抗拉强度很低，不到 400MPa，无法满足结构材料对力学性能的要求，因此，除在核工业中得到应用外，在其它工 程领域很少作为结构材料来应用，至今很少见报道。随着其他工程材料的应用范围开始出 现局限性，由于锆合金具有其独特的力学和抗腐蚀性能，锆合金开始进入工程领域、电子消 费品领域。
[0003] 由于金属锆及其合金的化学活性很高，在熔炼过程中几乎和所有常见的耐火材料 发生反应，进而导致锆合金受到污染，致使其使用性能下降，因此锆合金的熔炼过程的净化 一直是该领域的一大技术难题。生产中产生的返回料，例如：浇冒口、不合格品、切肩、料头、 废料，由于受到铸型材料、油脂类润滑材料等污染，往往不能再次投入使用，只能降级使用， 返回料的再生利用是材料行业的一个重大的技术难题。
[0004] -个好的零部件需要有好的材料，除材料的成分之外，材料中的夹杂物是影响材 料使用性能的很大的一个因素，洁净度高的母合金是锻件、铸件的保障，有效地清除锆合金 母合金铸锭及锆合金返回料中的夹杂物，提高零部件的性能，从而为社会创造经济效益，是 循环经济、绿色生产和中华复兴的使命召唤。
[0005] 另外，由于无法将过滤介质安装于一体成型浇道中，一般采取组装式浇道，然而这 种浇道存在密封性以及强度的问题，存在无法净化所有熔体的缺陷，净化效果难以比得上 一体成型的浇道，故亟需过滤介质一体成型于内部的浇道。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种可在锆合金熔铸和净化过程中避免与锆合 金发生反应而污染锆合金的接触材料及其制备方法，还提供了利用该接触材料制备用于净 化锆合金的过滤介质的方法以及利用该接触材料和过滤介质制备浇道的方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锆合金用接触材料，由陶瓷粉料和增 强稳定剂制成，所述陶瓷粉料由MgO和2抑2按摩尔比6-12:100组成，增强稳定剂按重量比 为陶瓷粉料的〇. 5% -1%，所述增强稳定剂为富铈稀土。
[0008] 本发明还提供了一种上述锆合金用接触材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1，将陶瓷粉料和增强稳定剂混合均匀；
[0010] 步骤2,湿法球磨20-24小时，80-100°C干燥后粉碎；
[0011] 步骤3,于1400-1450°c下煅烧1. 5-6小时，冷却，粉碎；
[0012] 步骤4,湿法球磨24-48小时，80-100°C下干燥后粉碎、筛选。
[0013] 本发明还提供了一种利用所述接触材料制备过滤介质的方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤1，前处理，将三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入浓度为10%~20%质量比的 NaOH溶液中，在40~60°C温度下水解2~4h，然后反复揉搓并用清水冲洗后晾干，从而清 洗干净海绵；
[0015] 步骤2,制衆，首先将聚乙烯醇添加在水中，聚乙烯醇与水的比例为10~12:100重 量比，水溶液温度控制在35~45°C，进行搅拌，同时加入消泡剂，将200目和400目接触材 料按照3 :1的重量比倒入上述溶液中，进行搅拌，获得浆料，200目接触材料和400目接触 材料的重量占浆料重量的75-85% ;
[0016] 步骤3,涂挂，将步骤1得到的三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入到步骤2得到的浆料 中，充分排出骨架中的气体，使其表面及内部均匀涂挂上浆料，捞出；
[0017] 步骤4,干燥，将涂挂三维聚氨酯泡沫海绵骨架的放置于阴凉通风处，进行阴干处 理，阴干24-48小时，制成陶瓷过滤器的待烘干半成品，将阴干后的过滤介质半成品放入烘 干炉内进行烘干，烘干炉的升温速度为〇. 5-5°C /min，升温到90-120°C，保温1-2小时，然后 随炉冷却，制成过滤介质的待烧结半成品；
[0018] 步骤5,烧结，即在500°C以下的低温区、500°C以上到1200°C~1570°C的中温区和 1570 °C的高温区中烧结，在低温区中烧结时，200 °C以下升温速度为2-5 °C /min，200 °C以上 到 400 °C升温速度为1-3 °C /min，升至400 °C时保温30分钟，然后以3 °C /min的速度升温到 500°C;在中温区中烧结时，500°C以上到1150°C，速度为4-5°C/min ;1150°C到1570°C，此阶 段将升温速度控制在3-4°C /min并在1300°C保温1小时；在高温区中烧结时，在1570°C保 温6-10小时，然后随炉冷却，制成过滤介质。
[0019] 作为优选方式，所述步骤2中，搅拌聚乙烯醇和水的转速为70~100转/分钟。
[0020] 作为优选方式，所述步骤2中，加入接触材料后搅拌的速度为80-150转/分钟。
[0021] 作为优选方式，所述步骤2中，消泡剂占聚乙烯醇和水总重量的0. 1%~1%。
[0022] 本发明还提供了一种利用所述接触材料和所述过滤介质制备浇道的方法，包括以 下步骤：
[0023] 步骤1、制作铝模，制作两个对称的、合上后与浇道内的中空部位匹配的铝模；
[0024] 步骤2、注蜡，打开铝模，将过滤介质放入铝模与过滤腔体对应的部位，合上铝模后 注蜡，使蜡充满铝模内部以及过滤介质的孔隙；
[0025]步骤3、挂砂制壳，待蜡凝固后，打开铝模并取出带有过滤介质的蜡模，为避免过滤 介质表面的蜡太厚、涂挂接触材料时接触材料无法紧贴过滤介质，用电吹风吹融蜡模过滤 介质处表面的蜡，直至蜡模表面露出过滤介质，将蜡模浸入粘结剂后在其表面涂挂接触材 料作为面层，阴干12~128小时后，浸入粘结剂中并在面层表面涂挂耐火材料，阴干12~ 128小时，重复进行浸入粘结剂、涂挂耐火材料和阴干12~128小时的步骤，获得嵌有过滤 介质和以接触材料为面层的壳体；
[0026] 步骤4、融錯，将步骤3获得的产物放入热水中，蜡融化脱离，捞出壳体后阴干8~ 24小时；
[0027]步骤5、烧结，在1050~1250°C下烧结步骤4获得的壳体产物并保温30min~2h， 接触材料壳体烧结成型壳，且过滤介质嵌在型壳中，获得带有过滤介质的浇道。
[0028] 作为优选方式步骤3中，在蜡模表面涂挂接触材料作为面层时，先涂挂400目的接 触材料，然后在400目的接触材料上涂挂200目的接触材料。
[0029] 本发明锆合金用接触材料采用Zr02作为主体材料以避免与锆合金反应，在Zr0 2* 添加MgO和富铈稀土，通过湿法球磨后煅烧，煅烧有利于使接触材料更均匀和晶型更稳定， MgO和富铈稀土的加入及上述处理有利于晶型稳定化，获得稳定的四方晶型Zr0 2，避免纯 zro2因晶型转变导致的体积变化和热效应，从而保证其性能。除了锆合金外，本接触材料及 过滤介质还可用于净化活泼性比锆低的金属或合金。
[0030] 本发明还提供了利用该接触材料制备过滤介质的方法，该方法利用三维聚氨酯泡 沫海绵作为骨架，在骨架涂挂浆料并经过烘干和烧结程序得到过滤介质，通过选择不同孔 隙密度的三维聚氨酯泡沫海绵作为骨架制备不同孔隙密度的过滤介质，从而拦截不同尺寸 的杂质；由于升温速度超过8°C /min时过滤介质会产生细微裂纹，抗热震性差，一接触金 属熔体就会破裂，本发明降低了烧结时的升温速度，使过滤介质完成应力消除，避免产生细 微裂纹，具有良好的常温强度和高温强度，能够适应在净化过程中的温度变化，保证净化效 果。
[0031] 另外，本发明还提供了利用上述接触材料和净化介质制备浇道的方法，该方法充 分利用过滤介质表面布满孔隙的特点，通过制作铝模、将过滤介质放入铝模并注蜡形成蜡 模、在蜡模表面同时也在过滤介质表面挂砂形成浇道、融蜡和烧结成型壳，过滤介质在此过 程中嵌入浇道中，从而制备出一体成型的浇道，过滤介质嵌入浇道中能保证所有锆合金熔 体均无死角地被过滤介质拦截，提高净化效果。
【附图说明】
[0032] 图1为过滤设备的剖视图。
[0033] 图2为过滤介质的立体图。
【具体实施方式】
[0034] 为有效净化锆合金，避免锆合金熔体与接触材料反应，本发明首先需要制备可避 免与锆合金反应的接触材料，本接触材料主要采用氧化锆，氧化锆能有效避免与锆合金反 应，但氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，高温为四方晶系，更高温度下转变为立方晶系， 单斜晶与四方晶之间的转变伴随有7% -9%的体积变化，加热时，单斜晶转变为四方晶，体 积收缩；冷却时，四方晶转变为单斜晶，体积膨胀，由于晶型转变引起体积效应，所以用纯 ZrOjA很难制造稳定的成品，必须进行晶型稳定化处理。
[0035] 实施例1
[0036] 本实施例的接触材料由陶瓷粉料和增强稳定剂制成，所述陶瓷粉料由MgO和Zr02 按摩尔比6:100组成，增强稳定剂按重量比为陶瓷粉料的0. 5%，所述增强稳定剂优选为富 铈稀土。MgO的阳离子半径与Zr4+相近，它们在ZrO#的溶解度很大，可以和Zr0 2形成单 斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。
[0037] 该接触材料的制备方法如下：
[0038] 步骤1，将陶瓷粉料和增强稳定剂混合均匀；
[0039] 步骤2，湿法球磨20小时，80°C烘箱干燥后粉碎；
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