施加有耐腐蚀玻璃涂层的用于过滤熔融金属的多孔陶瓷的制作方法

专利名称：施加有耐腐蚀玻璃涂层的用于过滤熔融金属的多孔陶瓷的制作方法
施加有耐腐蚀玻璃涂层的用于过滤熔融金属的多孔陶瓷相关专利申请的交叉引用本申请要求于2009年8月M日提交的美国临时专利申请No. 61/236，340的优先权。
背景技术：
本发明涉及用于过滤熔融金属的多孔陶瓷过滤器。更具体而言，本发明涉及包含局部玻璃涂层的多孔陶瓷过滤器。多孔陶瓷过滤器广泛用于过滤金属。该过滤器通常由海绵复制技术(sponge replication technique)形成，其中用陶瓷浆料涂覆聚氨酯泡沫，然后进行干燥和焙烧。焙烧时，内部的聚氨酯泡沫气化，并且浆料中的陶瓷颗粒结合在一起以形成陶瓷支柱的连接网，从而得到外骨骼状泡沫结构，其原级复制了最初的聚氨酯泡沫。采用海绵复制技术制备的多孔陶瓷过滤器表面的支柱往往本身不牢固。几乎不施加压力，小的过滤器片段就会容易从表面脱落。如果这些过滤器片段脱离其所在的位置，其就会最终到达铸件中，而这是非常不期望的。为了增强多孔陶瓷表面的強度，制造者通常在焙烧前用额外的陶瓷浆料喷射过滤器表面。已经显示，该技术能够减少在使用前从过滤器脱离(其由包装、运输、操作、碰撞等引起)的颗粒的量。用陶瓷浆料喷射过滤器的过程是存在问题的。人们必须使用相对细的喷嘴将浆料充分雾化为细薄雾，以产生平滑、连续的涂层。由于通过细喷嘴的剪切速率高，因此需要浆料具有低粘度和剪切变稀行为。这进而需要使用相对细的粉末，而这样的粉末往往是昂贵的，并且需要高的水含量。如果喷射浆料不具有足够低的粘度或者不具有剪切变稀特性，则喷嘴就会堵塞。在第一干燥步骤后，通常用浆料喷射过滤器，这往往会使过滤器表面软化。因此必须非常小心处理，以避免损坏其表面。在将过滤器插入干燥炉中之前，可能需要额外的干燥步骤。对过滤器进行喷射还会降低表面上的孔隙窗ロ的尺寸，并且可能使孔隙的至少某些部分完全封闭。这在第一次向过滤器加注熔融铝时可能产生问题，并且在加注过滤器后， 这能够抑制铝流动。如果孔隙的平均窗ロ尺寸太小，或表面上孔隙的体积分数过于封闭，则过滤器可能不被加注或只能部分被加注，并且过滤器可能以不可接受的水平限制流动。由于喷射改变了表面的孔结构，涂层的非均勻施加可使加注过滤器所需的压力、完全加注过滤器相对于部分加注过滤器的成功率以及过滤器之间的金属流动速率产生显著变化。本领域仍然需要一种避免现有技术的缺陷的经改良的多孔陶瓷过滤器。

发明内容
本发明的ー个目的在于提供ー种特别适于过滤熔融铝的改良的多孔陶瓷过滤器。本发明的ー个独特的优点在于该过滤器的牢固性，其中几乎没有过滤器颗粒被携带到穿过该过滤器的熔融金属中。
下列过滤器提供了将会实现的这些优点以及其他优点。该过滤器包括开孔的多孔陶瓷体，该多孔陶瓷体包含由支柱隔开的孔隙，其中所述支柱的一部分用玻璃致密化。另ー个实施方案还提供了形成过滤器的方法。该方法包括提供开孔有机泡沫；用陶瓷前体浸渍所述开孔有机泡沫；将玻璃料粉末施加至所述经浸渍的开孔有机泡沫的第一表面；干燥所述经浸渍的开孔有机泡沫；翻转所述经浸渍的开孔有机泡沫；向所述经浸渍的开孔有机泡沫的第二表面喷射粘结剂溶液；将玻璃料粉末施加至所述经浸渍的开孔有机泡沫的第二表面；将施加有所述玻璃料粉末的经浸渍的开孔的多孔陶瓷加热至足以熔化所述玻璃料粉末的温度，以形成玻璃涂覆的泡沫前体；以及加热所述玻璃涂覆的泡沫前体以烧结所述陶瓷前体。另ー个实施方案还提供了一种过滤熔融金属的方法。该方法包括提供开孔的多孔陶瓷体，其包含由支柱隔开的孔隙，其中所述支柱的一部分用玻璃致密化；熔融所述金属；使所述熔融金属通过所述过滤器以形成经过滤的熔融金属；收集所述经过滤的熔融金属，以及使所述经过滤的熔融金属凝固。附图简要说明

图1为本发明的实施方案的示意性立体图。图2为图1中实施方案的局部视图。图3为示出本发明ー个实施方案的流程图。图4为示出本发明ー个实施方案的流程图。代表性实施方案说明本发明涉及ー种向多孔陶瓷过滤器施加局部耐腐蚀玻璃涂层的方法，以及由此获得的多孔陶瓷过滤器。虽然并不限于此，但是本发明的多孔陶瓷过滤器特别适于过滤熔融铝。玻璃涂层加强了多孔陶瓷表面支柱的強度和牢固性，并减轻了由本身脆弱的表面造成或由表面损坏(这在使用之前经常发生)造成的陶瓷颗粒脱离进入熔融金属的程度。玻璃涂层组合物优选对镁含量高(magnesium-bearing)的铝合金具有耐腐蚀性。 施加涂层的过程将玻璃添加至多孔陶瓷的表面，并通过在不显著降低铝能够流过的表面孔隙的情况下，降低支柱内的颗粒间孔隙率来使结构致密化。孔隙率降低的支柱在本文中被称为致密化支柱。表面孔隙率是指本体特性，并且与结构中铝能够流过的孔隙的百分比有关。支柱孔隙率与支柱材料自身的密度和在其中形成的孔隙有关。可采用干玻璃料粉末代替本领域通常要求的水基浆料从而将玻璃涂层施加于湿态的、刚刚浸渍过的过滤器表面或施加至干燥的过滤器表面。可采用振动供料机以降帘 (falling curtain)的方式施加玻璃料粉末。过滤器在供料机的下方移动并穿过帘子，同时按照指定的沉积速率均勻涂覆表面。
在干燥的过滤器中，如果使过滤器的表面稍有粘性(如具有轻轻喷涂的聚乙烯醇粘结剂溶液或其他液体)，则粉末粘附到干燥的过滤器表面上而不需要另外的干燥步骤。可以在刚刚浸渍后，用玻璃料粉末将涂层施加于湿态过滤器的ー侧。可以如上所述通过幕帘涂敷法将玻璃料粉末施加至其他表面。由于在干燥前过滤器仍然是非常潮湿的，因此玻璃料容易粘附到过滤器上。然后常规干燥过滤器，最终玻璃料良好地粘结到过滤器的表面上。施加玻璃料吋，在焙烧前过滤器可能看上去像是被严重阻塞。焙烧吋，玻璃料末熔化并通过毛细作用进入多孔陶瓷的颗粒间的孔隙中。玻璃料湿润并顺应经浸渍的多孔陶瓷的原始结构。窗ロ尺寸和孔隙率基本得到保持。玻璃料优选具有足够低的熔点并在熔化后具有低粘度，以使得多孔陶瓷的表面能够被润湿并且在毛细作用下进入多孔陶瓷的间隙中。玻璃料优选对含镁的铝合金具有耐腐蚀性。耐腐蚀性玻璃料优选是硼-铝-氧化钙玻璃。优选玻璃料的組成为约30重量％ -50重量％的氧化硼、约30重量％ -36重量％的氧化铝、约20重量％ -28重量％的氧化钙和约0重量％ -5重量％的其他成分。特別优选玻璃料是由Ferro制备的B-40C，其组成为约40%的氧化硼、约33%的氧化铝、约的氧化钙以及约3%的其它成分。优选的粒度为-200目(mesh)。图1和图2是本发明一个实施方案的示意图。在图1中示出了开孔的多孔陶瓷过滤器的立体图。在图2(图1所示实施方案的局部视图)中可更清楚的看到，多孔陶瓷过滤器包括孔隙和支柱。在图2中，支柱2延伸遍布整个过滤器，形成连接孔隙5的曲折通道， 熔融金属穿过这些通道。可以很好地理解颗粒被截留的机理，在此不再赘述。用玻璃3涂覆支柱的一部分，优选涂覆延伸至过滤器表面的那部分，从而包住支柱的离过滤器表面4最近的部分。玻璃总体上沉积到在过滤器的表面观看时处于视线中的支柱上。在焙烧吋，玻璃通过毛细作用进入陶瓷，并通过降低结构的孔隙率而使其致密化。 在给定支柱上的玻璃涂层的厚度通常为至少10微米至不大于约500微米。玻璃涂层的厚度最优选为约100微米-200微米。经垂直于过滤器表面測量，玻璃封装(glass encasement) 优选向过滤器内部延伸至少50微米。玻璃可以渗透过滤器本体的两个或三个孔层，并涂覆不在表面上的支柱。向表面添加玻璃料末的量优选为没有达到开始阻塞孔并形成限制的程/又。将使用B-40C玻璃料涂敷的过滤器的压降与对照样品的压降进行比较表明，没有由于玻璃料涂层的引入而使得过滤器的压降显著升高。測量使用B-40C玻璃料的过滤器的加注头(the priming head)高度表明，与对照组相比，不需使用显著增加的压カ来加注所述过滤器。用镁含量高的铝合金对涂敷有玻璃的过滤器进行腐蚀性测试显示，没有不利的腐蚀反应发生。优选通过泡沫复制技术制备多孔陶瓷过滤器，该方法为制备用作熔融金属过滤设备的网状多孔陶瓷的常用方法。在形成过滤器的过程中，用陶瓷浆料涂覆泡沫(最优选聚氨酯泡沫)，然后进行干燥和焙烧。在焙烧过程中，陶瓷涂层内部的泡沫气化，而留下陶瓷结构，从而得到在泡沫曾经占据的位置具有中空孔隙的外骨骼状多孔陶瓷。其结构基本上是由多个支柱形成的连接体，在这些支柱的周围及内部分布有孔隙。美国专利No. 4，056，586、5，456，833和5，673，902提供了形成陶瓷过滤器的方法，这些专利均以引用的方式并入本文。针对所选的应用，根据所需的陶瓷材料使用浆料。其在最终的产品中必须具有足够的性能以经受特定的应用，并且必须具有足够的结构强度和/或机械强度以经得起特定的高温条件。另外，浆料优选具有相对高的流动度，并且最优选包含旨在用于过滤器的陶瓷的悬浮液。通常情况下，浆料含有水分。在浆料中可以使用添加剂(如粘结剂和表面活性剂)来改变粘度、润湿特性或流变性。用陶瓷浆料浸渍挠性泡沫材料，使得纤维状网被陶瓷浆料涂覆并且使孔隙被陶瓷浆料填充。孔径大小优选为介于2-ppi和70-ppi之间。通常情况下，优选将泡沫反复浸渍到浆料中，并在浸渍之间按压该泡沫，以确保该泡沫被完全浸渍。优选按压经浸渍的泡沫以排出25%至75%的浆料，而留下所涂覆的纤维状网部分。在连续操作中，可以使经浸渍的泡沫经过预定的辊，以从泡沫排出所需量的浆料，而留下浸渍其中的所需量的浆料。这可以通过简单地挤压挠性材料至所期望的程度来手动完成。在这个阶段，泡沫仍然是挠性的，并且可以形成适于特定过滤任务的构造，即形成弯曲板、中空圆筒等。这需要通过常规手段使成型泡沫保持处于适当的位置，直到聚合物基质被分解，或优选直到陶瓷被烧结。然后在35°C到700°C的温度下，通过空气干燥或快速干燥将经浸渍的泡沫干燥2分钟至6小吋。干燥后，在升高的温度下加热该材料，使陶瓷颗粒粘结成纤维状网。优选分两个阶段加热已干燥的浸渍材料，第一阶段是加热至350°C到700°C的温度，并在该温度范围内保持2分钟至6小吋，以使挠性泡沫的网被烧尽或气化。显然，如果需要的话，该步骤可以是干燥循环的一部分。第二阶段是加热至900°C到1700°C的温度， 并在该温度范围内保持2分钟到10小时从而使陶瓷粘结。得到的产物为具有开孔结构的熔凝的多孔陶瓷，其特征在干具有被陶瓷的网所包围的多个相连孔隙。基于特定熔融金属过滤エ艺所需的构造，该多孔陶瓷可具有任何所需的构造。形成过滤器的エ艺包括形成陶瓷前体的浆料。为了本发明的目的，陶瓷前体可包含铝硅酸盐粉末、胶态ニ氧化硅、陶瓷氧化物粉末(如氧化铝和玻璃料)、分散剂和有机增稠剂。浆料可以包含表面活性剂以降低表面张カ，从而改善湿润特性。图3示出了形成多孔陶瓷过滤器的方法的流程图。在图3中，在30提供网状开孔聚氨酯泡沫。在31用陶瓷前体浆料浸渍所述泡沫，以形成经浸渍的泡沫。在32，将玻璃料施加于湿过滤器的顶部表面。然后在33干燥所述经浸渍的泡沫。优选在干燥之后和进ー 步处理之前将所述过滤器切成一定尺寸。在34，翻转所述过滤器，从而可以将玻璃料施加至另ー表面。在35施加粘性粘结剂(如聚乙烯醇)溶液。在36将玻璃料粉末施加至该表面。在36，用玻璃料涂覆两个表面，从而产生表面经涂覆的过滤器前体。在37任选地加热该过滤器前体，以除去任何溶剂和挥发性物质。在38持续加热以熔化玻璃料粉末，从而使玻璃在毛细作用下进入过滤器本体并涂覆间隙间的支柱。在39进ー步加热，以烧结该陶瓷前体，从而形成陶瓷。可以依次进行加热步骤，并且在各次加热之间进行冷却，或者是，所述加热可以包括具有各种温度的升高和在预定温度下的保持时间的加热分布。如本文所用，术语“耐高温硅铝酸盐”是指主要包含莫来石和蓝晶石的耐火原料， 其示温熔锥当量(PCE)为至少20。在耐高温材料文献中，这类原料也以下列同义词而为人所知经煅烧的耐火泥、经煅烧的团聚体(calcined aggregate)、耐高温煅烧物、莫来石煅烧物、耐高温团聚体、经煅烧的蓝晶石、电熔莫来石及电熔黏土。在一个实施方案中，陶瓷前体优选包含40% -60%的廉价陶瓷粒料(如铝硅酸盐)，该陶瓷粒料的例子为莫来石或蓝晶石；0% -20%的无机粘结剂，其在低温下熔化并粘结所述陶瓷粒料，该无机粘结剂的例子包括细粘土或胶态二氧化硅；0% -20%的陶瓷细料，其中所述细料是指粒度为小于约10微米的材料，以有助于陶瓷浆料的流动特性，其例子包括气相法白炭黑、精细研磨的莫来石或精细研磨的蓝晶石；0% -20%的水以使浆料具有所需的流变流动性；以及0% -1%的分散助剂(如聚丙烯酸铵)。所得过滤器的密度优选为理论密度的至少约7重量％至不多于理论密度的约18重量％。在高于理论密度的约18重量％时，则过滤速率太慢而无效。在低于理论密度的约7重量％时，则过滤器的强度不足以用于过滤熔融铝。理论密度为本领域常用术语，其中所述密度被报告为假定无孔隙的陶瓷材料的理论密度的百分比。耐高温铝硅酸盐为天然存在的材料，其标称的组成为3A1203 *2Si02。实际上，耐高温铝硅酸盐包含约45重量％至70重量％的Al2O3和约25重量％至约50重量％的SiO2。耐高温铝硅酸盐包含天然存在的杂质，并且本领域的技术人员将会认识到完全除去这些杂质是成本不可行的。实际上，耐高温铝硅酸盐具有约1. 5重量％ -3重量％的TiO2、至多约1. 5重量％的1 、至多约0. 06重量％的CaO、至多约0. 8重量％的MgO、至多约0. 09重量％的Na20、至多约0. 9重量％的K2O和至多约0. 12重量％的P2O5。为了本发明的目的，优选耐高温铝硅酸盐为得自Kyanite Mining公司(位于弗吉尼亚州Dillwyn市)的VirginiaKyanite-325目，然而任何可商购的耐高温铝硅酸盐粉末都适于本发明的示范之用。优选将挥发性有机材料加入陶瓷浆料中以进一步提高孔隙率。在一个实施方案中，如美国专利No. 6，773，825所述，可将其中包含球形孔隙的陶瓷前体形成为所需的多孔陶瓷形状，并进行焙烧，其中所述专利通过引入的方式并入本文。将由陶瓷颗粒或金属颗粒与作为造孔剂的韧性有机球粒所构成的混合物制成液体或悬浮液，并将该混合物形成为具有一定形状的制品。对该具有一定形状的制品进行干燥和焙烧，由此使颗粒通过烧结而粘结在一起。有机球粒和其它的有机添加剂被气化。所述球粒优选具有低的密度；更优选的是，所述球粒为中空的。通过选取合适的聚合物球粒从而可以预先选择孔隙的尺寸。通过所加入的聚合物球粒的数量也可以容易地控制孔隙度。最优选的是，每个聚合物球粒至少与两个其它的球粒相接触，由此在最终的扩散体(diffuser)中形成呈网络状的孔隙。向所述陶瓷前体的悬浮液中加入作为造孔剂的韧性的有机中空球粒，该球粒同时悬浮于溶剂中。然后将陶瓷前体引入后文中将进一步描述的泡沫材料中，并将其干燥以除去溶剂。当对所述陶瓷前体进行焙烧以形成陶瓷时，所述球粒被气化，由此得到均勻分布在整个过滤材料的网络结构中的孔隙。采用这种方法，可以获得一定范围的孔隙率，但是，对于过滤熔融铁而言，其孔隙率优选不超过60%，这是因为孔隙率较高时，陶瓷的耐热应力能力不够。通过所使用的聚合物球粒的数量和尺寸，可以容易地控制陶瓷的孔隙率和孔隙的尺寸。焙烧后，孔隙的形状和尺寸与原来夹杂的球粒的形状和尺寸基本一致。最优选的是，使用平均直径为20微米至150微米的球粒；并且更优选的是，使用平均直径为20微米-80微米的球粒。最优选的是80微米的球粒。可以加入的其它有机造孔剂包括面粉、纤维素、淀粉等。中空的有机球粒是最优选的，因为可以用较少量的有机物获得一定的孔隙体积，并且在烧结后有机残留物的含量最少。最优选的是，以80微米的中空球粒来计算，浆料含有最多约10重量％的造孔剂。可以将材料形成为一定的尺寸或将材料切割成一定的尺寸。可以将材料按照生陶瓷或烧结陶瓷那样切割成一定的尺寸。图4示出了使用过滤器的方法的示意图。在图4中，在40熔化熔融金属(优选铝)。然后在41，该熔融金属穿过过滤器(其表面附近处的支柱涂覆有玻璃)，其中金属中的杂质通过过滤被除去。在42收集经过滤的熔融金属(优选收集到模具中)并使其冷却。然后在43将凝固的金属从收集位置取出。已经特别参照优选实施方案对本发明进行了描述，这些实施方案旨在举例说明，而非用于限制本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，根据本文的教导可以实现其他的构造、改变和实施方案，本发明的范围是通过所附的权利要求书而更清楚限定的。
权利要求
1.一种过滤器，包括开孔的多孔陶瓷体，所述多孔陶瓷体包括由支柱隔开的孔隙，其中所述支柱的一部分用玻璃致密化。
2.权利要求1所述的过滤器，其中经垂直于表面測量，所述支柱在至少50μ m的距离范围内用玻璃致密化。
3.权利要求2所述的过滤器，其中所述玻璃的厚度为至少10μ m至不多于500μ m。
4.权利要求3所述的过滤器，其中所述玻璃的厚度为至少100μ m至不多于200μ m。
5.权利要求1所述的过滤器，其中所述玻璃为硼-铝-氧化钙玻璃。
6.权利要求5所述的过滤器，其中所述硼-铝-氧化钙玻璃包含30重量％-50重量％ 的氧化硼、30重量％ -36重量％的氧化铝、20重量％ -28重量％的氧化钙和0% -5%的其他氧化物。
7.权利要求6所述的过滤器，其中所述硼-铝-氧化钙玻璃包含40%的氧化硼、33% 的氧化铝和的氧化钙、以及3%的其他氧化物。
8.权利要求1所述的过滤器，其中所述陶瓷包含铝硅酸盐。
9.权利要求8所述的过滤器，其中所述铝硅酸盐为蓝晶石或莫来石。
10.权利要求1所述的过滤器，其孔隙率为2ppi-70ppi。
11.权利要求1所述的过滤器，其密度为理论密度的7%-18%。
12.—种形成权利要求1-11中任一项所述的过滤器的方法，包括 提供开孔有机泡沫；用陶瓷前体浸渍所述开孔有机泡沫；将玻璃料粉末施加至所述经浸渍的开孔有机泡沫的第一表面； 干燥所述经浸渍的开孔有机泡沫； 翻转所述经浸渍的开孔有机泡沫；向所述经浸渍的开孔有机泡沫的第二表面喷射粘结剂溶液； 将玻璃料粉末施加至所述经浸渍的开孔有机泡沫的第二表面； 将施加有所述玻璃料粉末的所述经浸渍的开孔多孔陶瓷加热至足以熔化所述玻璃料粉末的温度，以形成玻璃涂覆的泡沫前体；以及加热所述玻璃涂覆的泡沫前体以烧结所述陶瓷前体，从而形成所述多孔陶瓷体。
13.权利要求12所述的形成过滤器的方法，还包括在所述施加玻璃料的步骤之前，将液体喷射到所述经浸渍的开孔有机泡沫上。
14.权利要求13所述的形成过滤器的方法，其中所述粘结剂溶液为聚乙烯醇。
15.权利要求12所述的形成过滤器的方法，其中所述陶瓷前体包含40重量％-60重量％的铝硅酸盐、0重量％ -20重量％的无机粘结剂、0重量％ -20重量％的精细陶瓷材料、 0重量％ -20重量％的水、0重量％ -1%的有机增稠剂和0重量％ -1重量％的分散助剂。
16.权利要求15所述的形成过滤器的方法，其中所述陶瓷前体还包含挥发性有机物质。
17.—种过滤熔融金属的方法，包括 提供权利要求1所述的开孔的多孔陶瓷体； 熔融所述金属；使所述熔融金属通过所述过滤器以形成经过滤的熔融金属； 收集所述经过滤的熔融金属，以及使所述经过滤的熔融金属凝固。
18.权利要求17所述的过滤熔融金属的方法，其中所述金属为铝。
全文摘要
本发明描述了一种改良的过滤器，其特别适于过滤熔融金属。该过滤器具有开孔的多孔陶瓷体，该多孔陶瓷体具有由支柱隔开的孔隙，其中所述支柱的一部分用玻璃致密化。
文档编号B01D35/00GK102574040SQ201080047871
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月24日 优先权日2009年8月24日
发明者莱昂纳德·S·奥布里, 马修·W·维勒, 鲁道夫·A·奥尔森三世 申请人:博韦尔公开有限公司