泡沫陶瓷制作工艺的研究

第4期(总第117期)

2002年12月山　西　机　械

SHA NX I 　M A CHIN ERY N o. 4Dec.

文章编号:1008-8342(2002) 04-0016-03

泡沫陶瓷制作工艺的研究

任建富

(太原重型机械学院材料科学与工程分院, 山西　太原　030024)

摘要:通过试验, 探索在泡沫陶瓷过滤器的制作工艺过程中加入适量的Fe 2O 3以增加其整体的韧性, 从而提高过滤器的承压能力, 并进一步简化泡沫陶瓷过滤器的制作工艺。关键词:陶瓷; 过滤器; 研究

中图分类号:T H 249. 9　　　文献标识码:A

引　言

陶瓷过滤器已问世几十年了, 国内外有许多厂家从事生产, 供广大铸造行业使用, 它能使铸件的质量有很大的提高, 经济效益可观。泡沫陶瓷过滤器的制作方法频多, 但其工艺还有待于进一步研究加以完善。泡沫陶瓷的制作工艺主要是原材料的选择与配制和焙烧工艺的制定。泡沫陶瓷应有一定的强度, 在浇注金属液时可以承受一定的压力, 但它缺乏一定的韧性, 易发生脆性破坏。我们在试验中改变制作工艺, 加入适量的Fe 2O 3, 使其韧性有所提高, 从而使泡沫陶瓷过滤器的承压能力有所提高。1　试验方法及结果1. 1　制备工艺

未加Fe 2O 3的常规制备工艺见图1, 它是在文献[1]的基础上改进的方法, 其配方及试验结果见表1。加Fe 2O 3的制备工艺配方见图2, 其试验结果见表2和表3。制作泡沫陶瓷过滤器所需材料有:一级铝矾土, 聚氨基甲酸酯(简称聚氨酯) , 工业酒精(体积分数为95%) , 工业磷酸, 氢氧化钠溶液(PH =11) , 氧化铁粉等。

1. 2　所用设备

DG-104电热恒温干燥箱, SX-10-13高温箱式电阻炉, DJY60t 万能液压强度机和黏度计等。

表1　试验工艺方案及结果

材料

黏土磷酸悬浮剂水g g g g mL 123

100100100

101520

8910

468

加热温度

及保温时间烘干

焙烧

M Pa

30130℃, 1h 1200℃, 3h 0. 5630130℃, 1h 1200℃, 3h

0. 7

30130℃, 1h 1200℃, 3h 0. 63

图2　加F e 2O 3的制备工艺流程图

表2　正交表

水平123

A 工业磷酸

%

8910

B 氧化铁粉

%

123

C 焙烧温度

℃[1**********]0

　　由表3得出最优方案: 优=y +A 2+B 2+C 3。所以, 最佳配方应为:磷酸9%, 氧化铁粉2%, 焙烧温度1200℃。三因素的显著特性依次为:磷酸加入量,

图1　未加F e 2O 3的常规制备工艺

氧化铁粉加入量, 焙烧温度。2　试验过程

收稿日期:2002-02-16; 修回日期:2002-08-10

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2002年第4期　　　　　　　　　　　　　任建富:泡沫陶瓷制作工艺的研究・17・

　　将聚氨酯进行预处理, 然后烘干, 按需要裁成正方形或圆形的料块备用。浆料准备好后, 把聚氨酯料块放入, 进行吸浆。吸浆后, 将料块放入高温炉, 升温至130℃左右保温, 使其基本成型, 然后继续升温, 达到所需要的温度后, 进行炉内保温, 时间到后让试样随炉冷却。泡沫陶瓷过滤器样品见图3。

表3　正交试验水平表

123456789R S

A 1112223333. 3861. 917

B 1231231230. 8560. 143

因素

C 1232313120. 3780. 027

误差1233122310. 0860. 0012

ST =2. 13常温承受压力

M Pa 0. 560. 600. 431. 671. 831. 471. 201. 130. 84

璃相。约在1400℃失去透明度, 成为石英型的AlPO 4, 此为最终结合相。试验中加入Fe 2O 3可以把最终结合相的形成温度降至900℃～1200℃。经矿物分析, 在焙烧温度1200℃下烧成的泡沫陶瓷过滤器, 其主要矿相为刚玉和少量的莫来石、方石英。Al 2O 3与H 2PO 4的相互反应形成磷酸盐粘结剂使浆料的黏度增加, 从而便于料块吸附浆料。工业磷酸加入量应以9%为好。氧化铁粉在浆料中的作用也较重要。从凝固后的效果来看, 氧化铁粉的加入一方面可以降低矿相形成的温度, 节约能源、时间, 缩短工艺流程; 另一方面, 在浆料中加入氧化铁粉可以使最终的常温下抗压强度有所提高。在未加氧化铁粉的一组试样中可以看到其抗压强度较低, 基本呈脆性破坏, 所以不能承受较高的压力。在加氧化铁粉的试样中, 由于其在浆料中起到相互连接的作用, 就像建筑材料中水泥里的石子、沙子一样起到支撑骨架作用, 使水泥在凝固后强度迅速提高。在浆料中加入适量的氧化铁粉也有相同的效应, 它可提高浆料焙烧后的韧性, 使泡沫陶瓷过滤器的强度有一个较大的提高。其承压能力从未加Fe 2O 3的0. 7MPa 提高到加Fe 2O 3后的1. 8MPa , 这一值比一般常规要求的0. 78MPa [6]也有较大的提高, 基本上能够作为铸造有色合金时的过滤材料。氧化铁粉的加入量应在1%～3%之间。

焙烧温度也应注意, 温度太低, 浆料的相互反应未充分完成, 基本矿相还未形成, 这样会影响过滤器的抗压强度。如温度过高, 会延长工艺周期, 浪费能源。

聚氨酯作为泡沫陶瓷过滤器的载体, 其性能好坏

[5]

　　

图3　泡沫陶瓷过滤器样品

直接影响着过滤器质量的优劣。所以在制作过滤器的过程中还应注意聚氨酯料块的处理。首先, 对所选聚氨酯的内部结构应有一定的要求: 应有足够大的孔径, 便于浆料顺利地进入, 一般要求聚氨酯的孔径规格在5PPI ～45PPI (每英寸长度上的孔洞数量) 之间。本试验采用的聚氨酯孔洞规格为10PPI ～15PPI 。 应具有三维联通的网状结构, 便于料块内外整体吸附浆料, 并使其均匀地裹覆于网状结构上, 形成一定的骨架结构。 应具有一定的热缩性, 韧性好, 质轻并富有弹性, 这样在制作中才能较好地成型。然后, 把聚氨酯放在工业酒精中浸泡2h , 其目的是为了增大聚氨酯的孔洞直径, 时间不足达不到预期的目的, 时间太长会使料块韧性降低。接着放入氢氧化钠溶液中浸泡1h , 经浸泡后的料块可以增加一定的强度并有效地去除在聚氨酯发泡时的发泡膜, 这样可以使料块更有效地吸附浆料。如在氢氧化钠中浸泡时间过长, 料块的3　试验分析

试验过程中有许多因素对泡沫陶瓷的最后质量产生影响, 而影响最大的几个因素是:磷酸加入量、氧化铁粉加入量以及焙烧温度, 这一点从正交试验的结果可明显地看出来。

磷酸在浆料中的主导地位是确定的, 一级铝矾土与水混合后加入磷酸, 磷酸与Al 2O 3开始反应(在搅拌中浆料的温度最高可达52℃) , 其反应一直持续到泡沫陶瓷过滤器的最终烧成。氧化铝和磷酸反应, 形成结合体Al (H 2PO 4) 3胶体[2], 它溶于水并具有黏性。Al 2O 3和H 2PO 4在127℃开始结合, 大部分反应发生(包含磷酸盐的形成和溶解) 在127℃～427℃, 在500℃时形成聚合物[Al (PO 3) 3]n 。在190℃～570℃温度阶段时存在中温相变, 它决定着晶粒的尺寸[3], 当温度升高时, 非晶相的化学产物将进一步发生反应或析晶形

・18・的强度。4　结论

山西机械　　　　　　　　　　　　　　　　　　2002年第4期　

参考文献:

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1984(1) :100.

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原位反应烧结机理的研究[J].材料研究学报, 2000(3) :24.

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ZG 1Cr18N i9T i 生产中的应用研究[J].铸造, 1987(7) :6.

[6]　钟香崇, 李广平. 我国高铝矾土的烧结特征[J ]. 耐火材

料, 1981(2) :3.

4. 1　工业磷酸的加入量对浆料的黏度有较大的影响, 磷酸盐粘结剂在磷酸与氢氧化铝的反应过程中便可获得。磷酸的加入量应控制在9%左右。

4. 2　适当加入氧化铁粉可以较好地改善泡沫陶瓷过滤器的韧性, 与常规泡沫陶瓷制作方法相比较, 可使其常温下的抗压强度提高到1. 8MPa, 能较好地满足有色合金的铸造工艺要求。

4. 3　聚氨酯的处理方法直接影响着料块的孔径、韧性及强度。故此应加以关注, 从而进一步保证过滤器的质量。

4. 4　用此种方法制作过滤器工艺简便、方法易行, 并可降低成本、节约能源。

Study on the technological process of foam pottery filter

REN Jian -fu

(Branch of M aterials Scien ce and Engineering , Taiyuan Heavy M achin ery Institute, T aiyuan 030024, Chin a)

Abstract :T he paper ex plor ed the jo in quantity of Fe 2O 3into fo am po tter y filter by ex per iments , w hich can add its tenacity and advance pr ess -bearing capacity o f filter a cco rdingly . It can predig est the fact ur e technics o f foa m po tter y filter . Key words :po tter y; filter ; r esear ch

(上接第15页) 6　结语

双相钢是由F +M 组成的低碳低合金化的新型钢种, 具有高强度、高强韧性、综合机械性能优越、合金化程度低、生产工艺简单、成本低廉等一系列特点, 广泛适用于冷加工成形, 是一种很有发展前途的、有很大经济效益潜力的高效钢材。

我国应尽快研制、开发与生产双相钢, 力争这项新技术与新材料在我国尽快得到实际使用, 为国民经济服务。

参考文献:

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与工程, 1999, 22(2) :25-27.

Current status and development trend in research and application of biphase steel

DANG Shu -e

(T aiyuan Heavy M achinery Ins titu te, T aiyuan 030024, China)

Abstract :T he paper intr o duces t he operat ion pro cess and application status of the biphase steel at ho me and abro ad, ex po unds the mechanical pro perties and micro sco pic str uct ur e of the bipha se steel. T hen it discusses the m ain pr oblems essential to pro ductio n o f the steel in our co untr y a nd gives some sugg estio n. Key :