陶瓷泡沫过滤器23的制作方法

专利名称:陶瓷泡沫过滤器23的制作方法
本发明是关于过滤熔融金属的陶瓷过滤器体的技术，此种陶瓷过滤器体，包括一种具有许多可让液态金属流过的孔道的粘结或烧结陶瓷坯体。有代表性的陶瓷坯体是在美国专利第3，893，917号、4，081，371号和3，962，081号中所叙述的那些坯体。
通常，熔融金属含有对最终浇铸金属产物有害的夹杂固体。这些夹杂固体，在熔融金属固化后，在最终浇铸产物中，是作为夹物物出现的，并使最终产物具有缺陷。夹杂物有许多来源，例如，表面氧化物膜以及象碳化物、硼化物等等一类不溶性杂质。
陶瓷过滤器，例如在上述专利中所叙述的那些陶瓷过滤器，特别适用于过滤熔融金属，尤其是那些陶瓷过滤器，它们叫做陶瓷泡沫过滤器，具有开孔结构，其特征在于用所述的陶瓷网膜将许多内部互相连接的空隙包围起来以提供曲析的通道。由于种种理由，其中包括极好的过滤效率、低成本、容易使用和能够用后即弃，所以这些陶瓷过滤器是特别有用的。鉴于制造陶瓷泡沫过滤器特别方便和便宜并且可以用后即弃，所以，近年来，已大大地扩大了它们的用途。
但是，在过滤具有低流动性的熔融金属，例如钢时，发生了特殊的问题。已经发现，在过滤这类材料时，往往难以使熔融金属流过过滤器。此种情况即导致在过滤器引动(prime)之前，即，熔融金属开始流过过滤器之前，在过滤器上形成熔融金属的大头。此外，已经发现，在有些情况下，熔融金属不能通过整个过滤器，或者是熔融金属不能通过过滤器的所有表面。此外，在其他情况下，过滤器根本就不能引动，而在过滤器引动之前，在过滤器上即形成过大的熔融金属头。虽然，对于钢来说，此问题特别明显，但是，对于其他金属来说，也同样存在此问题，其具体情况则取决于所过滤的特定合金和浇铸温度。
克服此问题的一种方法是将合金过热，以便使其具有更好的流动性。已经发现，过热可改进流动性并促进过滤器引动。但是，过热并不是一种完全令人满意的解决办法，因为过度的过热往往会导致其他的问题，其具体情况则取决于所过热的特定合金。此外，对于解决此问题来说，高于正常的过热作用并不总是成功的。
此外美国专利第4，302，502号公开了涂层陶瓷泡沫过滤器，该专利提供一种实际上是活化的涂层，用来从熔融金属中除去特定的杂质。但是，这并不能解决上文所讨论的形成熔融金属头的问题。
因此，本发明的一个主要目的是，提供一种过滤熔融金属的改进陶瓷过滤器，此种过滤器可促进低流动性金属的过滤而不会有过多的熔融金属头形成。
本发明的另一个目的是，提供一种用上述粘结陶瓷坯体制成的改进陶瓷过滤器，此种过滤器制作费用低廉，制作效率高，而且不会干扰过滤步骤或成品铸件的性质。
本发明的再一个目的是，提供一种上述的改进过滤器，此种过滤器消除了为了使过滤器引动所需要的过度过热。
本发明的其他目的和优点将在下面叙述。
根据本发明，现在已经发现，可以很容易地实现上述目的和优点。
本发明提供一种过滤熔融金属的高效率陶瓷过滤器，此种过滤器克服了低流动性金属，例如钢的问题并同时使过滤器很容易引动，而不会形成过多的熔融金属头和不需要将被过滤的金属材料过度过热。
本发明的陶瓷过滤器，包括一种具有许多可让液态金属流过的孔道的粘结陶瓷坯体、一层粘附在实际上是整个所述的陶瓷坯体上的薄涂层，此种薄层是用无机材料制成的，厚度约为5埃至1微米，很容易被所述的熔融金属所润湿，当所述的涂层与所述的熔融金属接触时，此种涂层即实际上被除去。较好的陶瓷过滤器是具有开孔结构，其特征在于用所述的陶瓷网膜将许多内部互相连接的空隙包围起来的陶瓷泡沫过滤器。优选的涂层厚度为10至100埃，而对于钢来说，较好的是一种氧化硅涂层。
如上所述，低流动性金属，例如钢不能很容易地流过陶瓷过器，一直是本技术领域：
的一个问题。此问题是由于陶瓷过滤器的材料不容易被熔融金属润湿所引致的，即，熔融金属在过滤器材料的表面上不能流动或散开所造成的，例如，对于用氧化硅作为过滤材料的陶瓷过滤器来说，此种材料是不容易被钢所润湿的。
在理想的情况下，当被过滤的主要金属的材料不容易润湿过滤器材料，而希望除去的夹杂物又的确容易润湿过滤器材料时，则可获得高过滤效率。例如，钢中的氧化铝夹杂物的确容易润湿氧化铝基陶瓷过滤器，但是钢不容易润湿过滤器。因此，夹杂物必然会离开熔融金属流体流并粘附在过滤器上，而主要金属则不会仍然与过滤器材料或夹杂物材料保持接触。此外，主要金属最好是不润湿过滤器，因为，这样，就会对过滤器材料造成较少的侵蚀。但是，这只是说明熔融金属在开始流过过滤器后，即过滤器已经引动后的理想情况。因此，最理想的是提供一种能满足这些特性而同时又能容易引动的过滤器。因此，最好是提供一种过滤器，此种过滤器很容易使熔融金属开始流过，而不会干扰过滤器的所需特性或干扰过滤效率。
本发明的陶瓷坯体是一种具有许多可让液态金属流过的孔道的粘结或烧结陶瓷坯体。任何一种此类适用的陶瓷坯体均可应用，例如，挤出陶瓷坯体、烧结陶瓷颗粒或较好的是具有开孔结构，其特征在于用所述的陶瓷网膜将许多内部互相连接的空隙包围起来以提供曲折通道的陶瓷泡沫过滤器。在1984年9月24日申请的、与本发明专利同时待批的美国专利申请系列第654，391号中叙述了一种特别有用的陶瓷泡沫过滤器，本发明参考了该专利申请的内容。
根据本发明，在所述的陶瓷坯体上形成一层薄涂层，此薄涂层粘附在所述的陶瓷坯体上并在实际上是整个陶瓷坯体上提供一层涂层。此涂层是一种无机材料，厚度约为5埃至1微米，很容易被熔融金属所润湿。在优选的实施方案中，涂层的厚度约为10至100埃。因此，可以看出此涂层是很薄的。此外，此涂层在与熔融金属接触时即被除去，所以当熔融金属开始流动后，此涂层即被除去，以便提供有利的过滤器表面。较好的是，涂层在不到5秒钟内即由于溶解在熔融金属中或由于熔融金属在过滤器上的机械作用，而基本上被除去。因此，较好的是，涂层是可溶于或部分可溶于熔融金属的。为了在熔融金属开始流过过滤器时便于方便地迅速地除去涂层，较好的是应用厚度小于100埃的涂层;但是，当然厚度达到1微类的涂层也能应用，尤其是如果依靠机械作用来除去该涂层时，就更可以应用厚度达到1微米的涂层了。
如上所述，涂层应实际上覆盖住整个陶瓷坯体;但是，并不需要将陶瓷坯体均匀地覆盖，也不需要将整个陶瓷网膜都覆盖上涂层，因此，有未覆盖的表面是可以容许的。不过，为了促进过滤器引动，涂层应实际上覆盖住整个陶瓷网膜，而且最好应实际上是均匀的。
涂层材料应是对被过滤的熔融金属或最终浇铸产物无害的材料。因此，最好是利用涂层溶于或部分溶于熔融金属的方法，而不是利用机械分离的方法将涂层从陶瓷网膜上除去，因为，用机械的方法分离的涂层可进入最终铸件而成为夹杂物。此外，涂层的材料不应对熔融金属产生有害的影响，例如，降低机械性能、晶粒过多或不希望有的第二相。
在优选的实施方案中，应用胶体氧化硅涂层，因为，已经发现此种胶体氧化硅特别有利于钢的过滤和在陶瓷坯体上形成一层所需要的氧化硅涂层。鉴于在陶瓷坯体上是应用薄的涂层，所以氧化硅涂层对被过滤的钢是无有害影响的，不过，大量的氧化硅是具有有害影响的。此外，本发明的薄氧化硅涂层，在与熔融钢接触时，是很容易除去的。
在此优选实施方案中，应用胶体氧化硅在水中的浓度为1/2至10%，较好的是大约1%的胶体氧化硅水分散体。当然，在水分散体中可以应用添加剂，例如润湿剂、分散剂或有机材料，以提高涂层的作用和其他性能。
根据本优选实施方案，制备上述分散体，并将陶瓷坯体在此分散体中浸一段较短的时间，以提供实际上在整个陶瓷坯体上覆盖着一层薄涂层，甩掉多余的分散体，将湿陶瓷坯体在例如大约200°F至300°F(93℃至149℃)，较好的是250°F(121℃)下干燥，然后再在大约1800°F至1900°F(982℃至1038℃)，较好的是大约1823°F(1000℃)进行再烘烤。处理温度应足够高，使氧化硅不会再进行水化并牢固地粘附在陶瓷坯体上。可以用分开的步骤或连续操作的方式来进行干燥和再烘烤。而且不需要保持在某一温度下。已经发现此种涂层材料对过滤钢特别有利。
当然，不能应用需要太高烘烤温度的涂层，因为烘烤温度太高会破坏特定陶瓷坯体的组合物。
但是，当然，除氧化硅外，也可以应用其他的材料，只要此种材料是一种很容易被熔融金属所润湿的而且在与熔融金属接触时能被除去的无机材料。在过滤钢的过程中，氧化硅是特别优选的，因为它非常容易被钢润湿而且很容易被熔融金属溶解。可以应用的有代表性的其他无机材料包括，象硅酸钠一类的硅酸盐水分散体和诸如氯化钠或氯化钙一类的盐，其中后一类盐可简单地干燥在陶瓷网膜上而不必进行再烘烤。此外，还可以应用氧化物，例如钙和镁的氧化物，首先可将这些氧化物以盐的形式进行沉积，例如碳酸盐的形式，然后再进行干燥和再烘烤，而形成氧化物。也可以应用诸如镍、铁和铬一类的金属，首先可将这些金属以有机金属溶液或分散体的形式进行涂布，然后再进行干燥和烘烤，而形成金属。由于这些金属在涂层中所用的数量是非常少的，因此它们对熔融金属是不会有不利影响的的。
本发明的涂层组合物的效力的关键是应用了一层容易被熔融金属润湿的和在熔融金属的作用下容易除去的无机材料的薄涂层。因此，如果应用优选的陶瓷泡沫材料，由于涂层很容易被熔融金属润湿，所以熔融金属就很容易通过陶瓷坯体并通过陶瓷坯体上的曲折通道，从而显著地缩短了陶瓷过滤器的引动时间和显著地减少了熔融金属大头的形成。
此外，已经发现，此种涂层组合物的确不仅仅只是缩短了过滤器的引动时间。已经发现，此种涂层过滤器还令人意想不到地促进过滤过程更迅速的完成，即，通过本发明的涂层陶瓷坯体的总熔融金属的流速一般比通过无涂层陶瓷坯体的高。因此，在过滤器引动后，令人意想不到地，本发明的涂层过滤器可保持比无涂层过滤器更高的流速，尽管在与熔融金属接触时涂层已被除去。这种情况可能是由于整个陶瓷过滤器体更迅速地引动和在陶瓷过滤器体中所有的微孔均更迅速地引动所造成的。
从下列所举的实例，即可容易地了解本发明及其所引致的优点。
实例1提供具有开孔结构的厚度为3/4英寸的粘结陶瓷过滤器体，其特征在于用陶瓷网膜将许多内部互相连接的空隙包围起来，其中过滤器体是用氧化铝陶瓷作为基本材料。所应用的特定过滤器的特征是每英寸有25个微孔。根据本发明的方法，将过滤器体在含有1%胶体氧化硅的水分散体中浸一段较短的时间，来对过滤器试样进行涂布，以保证实际上进行了彻底的浸渍并获得如上所述的薄涂层，然后在250°F(121℃)干燥和在1832°F(1000℃)烘烤。烘烤后，涂层厚度约为10埃，在实际上是整个陶瓷坯体上，涂层是以成串的氧化硅颗粒形式存在的。将涂层过滤器和无涂层过滤器的试样粘结成为2英寸直径的空心引动管。将每一只引动管缓慢地浸入铝脱氧钢浴中，并保持在2950°F(1621℃)下。目视观察铝脱氧钢流过管中心，确定何时开始引动。试验结果显示，在将涂层过滤器浸入铝脱氧钢浴中大约2英寸深度时，引动立即开始。而无涂层过滤器在浸大约2英寸深度时则无引动发生。将此种无涂层过滤器再浸入至大约4英寸时，于是由于热冲击而使管子破裂。在无涂层过滤器中始终未观察到有过滤器引动现象发生。
实例2应用实际上按实例1的方法制备的涂层，提供实际上是实例1中所示组成的涂层过滤器和无涂层过滤器。将厚度为3/4英寸的涂层过滤器和无涂层过滤器并排地放在底浇中间包(bottom pour tundish)中。将熔融钢直接从2950°F(1621℃)的感应电炉中放入浇注中间包(pouring tundish)中。当灌注中间包时，过滤器上的金属静压力即随之增加，直至熔融金属液面达到溢流口高度为止。目视观察过滤器出口一侧，确定过滤器引动的时间。试验结果显示，涂层过滤器比无涂层过滤器早引动4至5秒。流过涂层过滤器的熔融金属的流动性相当好;而流过无涂层过滤器的熔融金属则相当粘滞而且缓慢。在浇注完成后，通过涂层过滤器的熔融金属共有169磅，而通过无涂层过滤器的熔融金属仅有25磅。此外，所得到的铸件的质量高，而且在过滤器上的涂层对铸件并无有害影响。再者，氧化硅涂层在与熔融金属接触时，实际上是通过熔融金属将其溶解后除去的。
实例3按实例1的方法，制备实际上是实例1中所示组成的涂层过滤器和无涂层过滤器，但过滤器体的特征是每英寸有15个微孔。制备4个砂模，其中有三个装有过滤器装置。将450磅铝脱氧中碳钢直接从感应电炉浇入此4个砂模中。结果列于表1。
表1浇铸试验号 试验条件 浇注温度，°F 结果1 涂层过滤器 2950 过滤器引动铸件表面干净2 无过滤器 2910 在铸件表面有大量夹渣3 无涂层过滤器 2950 过滤器不能引动4 涂层过滤器 2904 过滤器部分引动上述结果清楚地显示，应用涂层过滤器的浇铸试验1，具有完全无夹杂物的铸件表面，而未装过滤器的浇铸试验2，铸件表面上有大量夹杂物。装有无涂层滤器的浇铸试验3，即使在浇铸试验1的温度下浇注，过滤器亦完全不能引动。应用涂层过滤器的浇铸试验4，即使浇铸温度低46°F，过滤器亦能部分引动。
在不违背本发明的精神或主要特征的条件下，可以用其他的方式或方法来实施本发明。因此，无论从哪一点来看，都应认为本实施方案只是对所附权利要求
书中所指出的本发明的范围的说明而不是限制，所有包括在本发明的目的和等效范围内的变化均应包括在本发明内。
权利要求
1.过滤熔融金属的陶瓷过滤器，其中包括一种具有许多可让液态金属流过的孔道的粘结陶瓷坯体、一层粘附在实际上是整个所述的陶瓷坯体上的薄涂层，此种薄涂层是用无机材料制成的，厚度约为5埃至1微米，很容易被所述的熔融金属所润湿，当所述的涂层与所述的熔融金属接触时，引种涂层即实际上被除去。
2.根据权利要求
1的过滤器，其中所述陶瓷坯体是具有开孔结构，其特征在于用所述的陶瓷网膜将许多内部互相连接的空隙包围起来的陶瓷泡沫过滤器。
3.根据权利要求
1的过滤器，其中所述的涂层的厚度约为10至100埃。
4.根据权利要求
1的过滤器，其中所述的涂层实际上是均匀的。
5.根据权利要求
1的过滤器，其中所述的涂层是氧化硅涂层。
6.根据权利要求
1的过滤器，其中所述的陶瓷坯体包括氧化铝。
专利摘要
本发明公开了一种具有许多可让液态金属流过的孔道的粘结陶瓷坯体，其中在实际上是整个所述的陶瓷坯体上有一层无机材料的薄涂层，此种涂层很容易被所述的熔融金属所润湿。
文档编号B01D39/20GK87106034SQ87106034
公开日1988年3月16日 申请日期1987年8月27日
发明者杰里·W·布罗克迈尔, 詹姆斯·E·多尔, 伦纳德·S·奥布里 申请人:瑞士铝公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan