摘 要： 闡述(shu)了(le)銅合(he)金中(zhong)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)來源及其危害(hai), 綜述(shu)了(le)目前國內外銅合(he)金熔體(ti)過(guo)濾凈(jing)化(hua)技術的(de)(de)(de)現(xian)狀和研究趨(qu)勢, 重點闡述(shu)了(le)泡沫陶瓷過(guo)濾機理及其吸附夾(jia)(jia)雜物的(de)(de)(de)熱力學條件, 并(bing)展(zhan)望了(le)銅合(he)金過(guo)濾凈(jing)化(hua)技術的(de)(de)(de)未來發展(zhan)前景。
現(xian)代制造業對合(he)金材(cai)料(liao)及其制品(pin)(pin), 特別是基于(yu)服役安全(quan)性的(de)(de)產品(pin)(pin)的(de)(de)潔凈度提(ti)出了越來越高(gao)的(de)(de)要(yao)求。艦(jian)船動力系(xi)統(tong)的(de)(de)關(guan)鍵部(bu)件(jian)螺旋槳(jiang)不僅要(yao)求材(cai)料(liao)有(you)較高(gao)的(de)(de)力學性能(neng), 而且還(huan)要(yao)求材(cai)料(liao)有(you)很(hen)高(gao)的(de)(de)潔凈度, 以確保安全(quan)航(hang)行;撓性印制電(dian)路板(ban)的(de)(de)主體材(cai)料(liao)———壓延銅(tong)箔在(zai)壓力加工過程中(zhong), 銅(tong)材(cai)內(nei)(nei)的(de)(de)任何(he)雜質顆粒(li)或氣(qi)孔, 都(dou)會(hui)造成(cheng)微(wei)觀(guan)表面或內(nei)(nei)部(bu)缺陷, 導致壓延銅(tong)箔綜合(he)成(cheng)品(pin)(pin)率降低[1];軍(jun)工、船舶、航(hang)空航(hang)天(tian)等領域的(de)(de)高(gao)端(duan)(duan)承壓銅(tong)鑄件(jian)要(yao)求具有(you)很(hen)高(gao)的(de)(de)氣(qi)密性, 不允(yun)許存在(zai)氣(qi)孔和氧(yang)化夾(jia)渣(zha)等缺陷。因此, 提(ti)高(gao)銅(tong)合(he)金熔(rong)體的(de)(de)潔凈度, 擴大其在(zai)高(gao)端(duan)(duan)產品(pin)(pin)中(zhong)的(de)(de)應用(yong), 是冶金、鑄造和金屬材(cai)料(liao)行業的(de)(de)重要(yao)課題。
1 銅合金中(zhong)的夾雜物及其危害
銅(tong)(tong)及其合金在(zai)(zai)熔(rong)(rong)鑄(zhu)過(guo)程中(zhong)很(hen)易氧(yang)(yang)化(hua)與吸氣, 易形成氣孔與非金屬夾雜(za)物(wu), 惡化(hua)鑄(zhu)件的(de)(de)(de)力(li)學性能。銅(tong)(tong)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)非金屬夾雜(za)物(wu)除部分由原材料(liao)(liao)帶入(ru)外, 更主要(yao)來源于熔(rong)(rong)煉過(guo)程中(zhong)銅(tong)(tong)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)與爐氣反應(ying)產(chan)物(wu), 脫氧(yang)(yang)產(chan)物(wu), 銅(tong)(tong)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)合金元素與爐襯材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)反應(ying)產(chan)物(wu), 銅(tong)(tong)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)表面(mian)氧(yang)(yang)化(hua)膜在(zai)(zai)澆(jiao)注(zhu)及充型過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)卷(juan)入(ru)等(deng)。銅(tong)(tong)合金中(zhong)常見(jian)的(de)(de)(de)非金屬夾雜(za)物(wu)主要(yao)有Al2O3、SiO2、SnO2、FeO、MnO、ZnO、NiO、FeO·MnO等(deng)。這些(xie)氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)自由能低(di), 很(hen)難(nan)用脫氧(yang)(yang)的(de)(de)(de)方法使其還原, 且(qie)熔(rong)(rong)點都(dou)很(hen)高, 呈(cheng)固(gu)態小質點彌散(san)在(zai)(zai)熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong), 難(nan)于從熔(rong)(rong)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)排除[2]。
銅(tong)合金中的(de)非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜物會嚴重降低材(cai)料強(qiang)度、韌性(xing)和(he)抗疲勞性(xing)能, 是形(xing)成氣孔或熱裂紋等嚴重缺陷的(de)萌生源。此外, 非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜物的(de)存在(zai)還會危(wei)害鑄件的(de)氣密(mi)性(xing)和(he)耐(nai)腐(fu)蝕性(xing), 降低銅(tong)合金熔體的(de)流動(dong)性(xing)和(he)成形(xing)性(xing)。因此, 在(zai)澆(jiao)注前必須采取(qu)措施予(yu)以去除。
2 銅合金過濾凈(jing)化技術現狀
傳統的除(chu)渣(zha)法如靜(jing)置澄清(qing)、浮選除(chu)渣(zha)、熔劑除(chu)渣(zha)雖能去除(chu)熔體中大部分非(fei)金屬夾(jia)雜(za), 但不能有效去除(chu)粒度(du)細(xi)小、彌散(san)分布的夾(jia)雜(za)物。而過(guo)濾技術的出現, 將合金熔體凈(jing)化(hua)提高到一(yi)個(ge)新的階(jie)段。過(guo)濾凈(jing)化(hua)技術一(yi)般作(zuo)為在其他方(fang)法精煉之后, 澆注之前(qian)進行的熔體處理(li)的較后一(yi)道(dao)工序, 是生產高品(pin)質鑄(zhu)件的一(yi)種(zhong)重(zhong)要工藝。
2.1 銅合(he)金熔體(ti)過濾凈化技術國內現狀(zhuang)
鋁(lv)青(qing)銅(tong)由于具(ju)有很高(gao)的(de)強度(du)(du)、耐(nai)磨(mo)性(xing)(xing)及耐(nai)蝕性(xing)(xing)而應用廣泛。鋁(lv)青(qing)銅(tong)本身較高(gao)的(de)含鋁(lv)量, 加上較高(gao)的(de)熔(rong)鑄溫度(du)(du), 在生產過(guo)程中(zhong)很易產生Al2O3等氧化夾雜(za)(za), 難(nan)以從熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)去(qu)除。因此, 去(qu)除鋁(lv)青(qing)銅(tong)熔(rong)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)氧化夾雜(za)(za)是銅(tong)合金熔(rong)體(ti)(ti)凈化技術(shu)的(de)重(zhong)點和難(nan)點之(zhi)一。
采用(yong)過(guo)濾凈化技(ji)術去除合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)熔體中的夾(jia)雜物(wu)己有幾(ji)十年(nian)的歷史。目前過(guo)濾技(ji)術在鑄(zhu)鐵、鑄(zhu)鋼、高溫合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)、銅合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)、鎂(mei)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)、鋅合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)、鋁合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)鑄(zhu)件以及(ji)鋁合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)連續(xu)鑄(zhu)錠生產(chan)(chan)中得到了廣泛(fan)應用(yong)。我國在銅合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)鑄(zhu)造生產(chan)(chan)中采用(yong)的過(guo)濾器(qi)主(zhu)要有砂質過(guo)濾器(qi)、網型過(guo)濾器(qi)、顆(ke)粒狀過(guo)濾器(qi)及(ji)泡沫陶瓷過(guo)濾器(qi)等。
2.1.1 砂質過濾器
砂(sha)質(zhi)過濾器是由芯(xin)砂(sha) (粘土砂(sha)、樹脂自硬砂(sha)或(huo)桐油砂(sha)等) 搗實、烘干(gan)制成(cheng), 孔徑(jing)一(yi)般(ban)為(wei)(wei)ф4~ф6mm, 厚度(du)為(wei)(wei)20~40mm。它主要(yao)依(yi)靠機械攔截(jie)作用去除尺(chi)寸較大的(de)(de)夾(jia)雜物。砂(sha)質(zhi)過濾器強度(du)較低, 在使用過程中(zhong)容易(yi)破裂, 網孔會(hui)變大, 但由于制作工藝簡單, 過濾操(cao)作方便, 成(cheng)本低, 在一(yi)些中(zhong)小型(xing)銅鑄件(jian)生產中(zhong)仍(reng)有(you)一(yi)定的(de)(de)應用[5,6]。
2.1.2 網型過濾器
網(wang)(wang)(wang)型過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)器(qi)的(de)(de)應用(yong)始于20世紀(ji)60年代, 是一種(zhong)二維結構(gou)的(de)(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)器(qi)。目前生產中(zhong)應用(yong)較多(duo)的(de)(de)是高硅氧(yang)玻(bo)璃纖維過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)網(wang)(wang)(wang), 它是以(yi)高硅氧(yang)玻(bo)璃纖維網(wang)(wang)(wang)格布、模紗網(wang)(wang)(wang)布為基(ji)材, 表面涂(tu)覆耐火(huo)涂(tu)料而制成(cheng)的(de)(de)具(ju)有(you)一定剛度的(de)(de)網(wang)(wang)(wang)片, w (SiO2) ≥96%, 網(wang)(wang)(wang)孔尺(chi)寸(cun)有(you)1.5mm×1.5mm、2.0mm×2.0 mm、2.5 mm×2.5 mm幾種(zhong)。網(wang)(wang)(wang)型過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)器(qi)主要通(tong)過(guo)(guo)(guo)(guo)機械(xie)攔截(jie)分離夾(jia)雜(za)物(wu), 只能捕(bu)集熔(rong)體(ti)中(zhong)尺(chi)寸(cun)大于網(wang)(wang)(wang)孔的(de)(de)夾(jia)雜(za)物(wu), 對(dui)微小夾(jia)雜(za)物(wu)過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)效果較差。此外, 玻(bo)璃纖維過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)網(wang)(wang)(wang)在金(jin)(jin)屬液流的(de)(de)沖擊下容易彎曲、變形, 甚(shen)至破碎(sui);在高溫下會產生一定量的(de)(de)氣(qi)體(ti), 使鑄件產生氣(qi)孔、渣氣(qi)孔類缺陷(xian)。由于過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)網(wang)(wang)(wang)結構(gou)簡單、成(cheng)本(ben)較低、使用(yong)方便(bian), 在銅(tong)合(he)金(jin)(jin)鑄造生產中(zhong)仍有(you)較多(duo)應用(yong)[7,8]。銅(tong)合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)還(huan)曾采用(yong)鐵(tie)(tie)片過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)網(wang)(wang)(wang)及(ji)鐵(tie)(tie)絲網(wang)(wang)(wang)[9]。由于鐵(tie)(tie)質(zhi)網(wang)(wang)(wang)在過(guo)(guo)(guo)(guo)濾(lv)過(guo)(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)以(yi)及(ji)在澆(jiao)冒口回(hui)爐重(zhong)熔(rong)時會導致(zhi)銅(tong)合(he)金(jin)(jin)熔(rong)體(ti)增(zeng)Fe, 污染Cu合(he)金(jin)(jin), 目前使用(yong)較少。
2.1.3 顆粒狀(zhuang)過濾器
顆(ke)粒狀過(guo)(guo)濾器亦稱過(guo)(guo)濾床(chuang), 是由顆(ke)粒材料按(an)照一定(ding)的(de)粒度(du)配比堆垛而成(cheng)。其過(guo)(guo)濾機理是通過(guo)(guo)機械(xie)攔截(jie)或(huo)吸(xi)附作用來濾除熔體中的(de)非金屬夾雜物。
程驥等[10]通過(guo)在鑄(zhu)型(xing)中設置(zhi)顆(ke)粒(li)(li)(li)狀(zhuang)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器, 研(yan)(yan)究不同(tong)顆(ke)粒(li)(li)(li)介質(zhi)對高(gao)(gao)錳(meng)(meng)鋁青銅(tong)的(de)(de)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)效果。顆(ke)粒(li)(li)(li)材(cai)料(liao)分別是剛玉球、高(gao)(gao)鋁磚(zhuan)、焦寶石、優質(zhi)燒(shao)石等, 粒(li)(li)(li)度為(wei)10~20mm。研(yan)(yan)究表(biao)(biao)明, 優質(zhi)燒(shao)石不僅(jin)表(biao)(biao)面粗糙(cao)度大(da), 而且具有較大(da)的(de)(de)表(biao)(biao)面積(ji), 過(guo)濾(lv)(lv)(lv)效果較好(hao)(hao), 過(guo)濾(lv)(lv)(lv)后高(gao)(gao)錳(meng)(meng)鋁青銅(tong)的(de)(de)抗疲勞性能提(ti)高(gao)(gao)41.8%, 抗拉強度和(he)(he)伸(shen)長率分別提(ti)高(gao)(gao)4.7%和(he)(he)9.7%;顆(ke)粒(li)(li)(li)材(cai)料(liao)越(yue)細, 堆積(ji)孔隙越(yue)小, 比表(biao)(biao)面積(ji)越(yue)大(da), 過(guo)濾(lv)(lv)(lv)效果也就越(yue)好(hao)(hao)。采用顆(ke)粒(li)(li)(li)狀(zhuang)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器凈(jing)化銅(tong)合金(jin)熔體, 澆(jiao)注了重約10t的(de)(de)高(gao)(gao)錳(meng)(meng)鋁青銅(tong)螺(luo)旋槳和(he)(he)重約15t的(de)(de)銅(tong)套(tao), 鑄(zhu)件(jian)均(jun)未發現有氧化夾渣缺陷。
顆粒狀過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)器在過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)過(guo)(guo)(guo)程中(zhong), 由于金屬熔(rong)體的沖擊會導致過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)介(jie)質發生位(wei)移, 熔(rong)體在過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)器內會形成溝流現象, 使得某些細小夾(jia)雜物跟隨熔(rong)體流過(guo)(guo)(guo)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)器, 從而(er)降(jiang)低過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)效(xiao)果, 且操(cao)作不(bu)方便, 目前(qian)在銅(tong)合(he)金熔(rong)體凈化中(zhong)較少使用。
2.1.4 泡沫(mo)陶瓷過濾(lv)器
泡沫陶瓷(ci)過濾(lv)器(qi) (Ceramic Foam Filter) 是一種開口孔(kong)隙率(lv)高達80%~90%, 具有三(san)維互通網狀骨架結構的(de)陶瓷(ci)制品。用泡沫陶瓷(ci)作(zuo)過濾(lv)介質的(de)概念是美國公司于1974年首次提出[11]。
(1) 凈化機制一般認(ren)為(wei), 泡沫(mo)(mo)陶瓷過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)具有(you)攔截、濾(lv)(lv)(lv)餅、吸附(fu)、整流(liu)(liu)等多種(zhong)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)機制, 其中(zhong)吸附(fu)機制占主導(dao)地(di)位。由(you)夾雜物(wu)(wu)被(bei)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)壁面吸附(fu)的(de)(de)熱力學條件可知, 夾雜物(wu)(wu)與過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)的(de)(de)潤濕性(xing)越(yue)好(hao), 夾雜物(wu)(wu)越(yue)容(rong)(rong)易被(bei)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)所吸附(fu);夾雜物(wu)(wu)與合金熔(rong)體(ti)的(de)(de)潤濕性(xing)越(yue)差, 夾雜物(wu)(wu)越(yue)容(rong)(rong)易被(bei)熔(rong)體(ti)推出而被(bei)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)所吸附(fu);熔(rong)體(ti)與過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)間(jian)的(de)(de)界面張力值越(yue)大(da)(da), 夾雜物(wu)(wu)越(yue)容(rong)(rong)易被(bei)過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)吸附(fu), 但熔(rong)體(ti)與過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)間(jian)的(de)(de)界面張力值大(da)(da), 會導(dao)致熔(rong)體(ti)與泡沫(mo)(mo)陶瓷的(de)(de)潤濕性(xing)差, 熔(rong)體(ti)與過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器(qi)不能良好(hao)地(di)接觸, 不利于夾雜物(wu)(wu)的(de)(de)去除[16], 此外還會導(dao)致過(guo)濾(lv)(lv)(lv)所需的(de)(de)引流(liu)(liu)啟動(dong)壓頭大(da)(da)。
(2) 過(guo)(guo)(guo)濾效率(lv)(lv)過(guo)(guo)(guo)濾效率(lv)(lv)是(shi)衡量過(guo)(guo)(guo)濾工藝(yi)的(de)重要指標之一。泡(pao)沫(mo)(mo)陶瓷的(de)過(guo)(guo)(guo)濾效率(lv)(lv)由過(guo)(guo)(guo)濾前后熔體中夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)的(de)濃(nong)度(du)、熔體的(de)熱物(wu)理(li)性(xing)質和流(liu)動(dong)狀態, 夾(jia)(jia)雜(za)物(wu)顆粒的(de)性(xing)質、數(shu)量, 以及過(guo)(guo)(guo)濾器(qi)材料種類和結構參數(shu)等(deng)決定。其中泡(pao)沫(mo)(mo)陶瓷結構參數(shu) (如孔密度(du)等(deng)) 是(shi)主要決定因素(su), 泡(pao)沫(mo)(mo)陶瓷孔密度(du)越大過(guo)(guo)(guo)濾效率(lv)(lv)越高(gao)[17]。
國內開展銅(tong)合金熔體泡(pao)沫(mo)(mo)陶瓷(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)凈化(hua)研究(jiu)始于20世紀(ji)80年代初(chu)。葉(xie)榮(rong)茂等[18]研究(jiu)了泡(pao)沫(mo)(mo)陶瓷(ci)與纖維過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)網(wang)對鋁(lv)(lv)青(qing)銅(tong)熔體的(de)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)效果。結(jie)果顯示, 泡(pao)沫(mo)(mo)陶瓷(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器的(de)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)效率高(gao)(gao)達(da)94.6%, 雙層纖維過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)網(wang)僅為(wei)67.1%。過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)后鋁(lv)(lv)青(qing)銅(tong)熔體的(de)粘度(du)降低, 鑄件(jian)(jian)疏松和氣孔(kong)顯著(zhu)減少, 密度(du)、硬度(du)及氣密性均(jun)有提(ti)高(gao)(gao), 晶(jing)粒得(de)到(dao)細化(hua), 鑄件(jian)(jian)的(de)抗(kang)拉強(qiang)度(du)和伸長率明顯提(ti)高(gao)(gao)。周燕[19]研究(jiu)了碳化(hua)硅泡(pao)沫(mo)(mo)陶瓷(ci)在鋁(lv)(lv)青(qing)銅(tong)鑄件(jian)(jian)中的(de)應用, 結(jie)果表明, 鋁(lv)(lv)青(qing)銅(tong)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)后抗(kang)拉強(qiang)度(du)和伸長率比未過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)時分別提(ti)高(gao)(gao)了18%和34.8%, 鑄件(jian)(jian)廢品(pin)率由過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)前的(de)23%降低到(dao)7.5%。
泡沫陶(tao)(tao)瓷過(guo)濾(lv)(lv)凈化操作方(fang)便, 成本較(jiao)低, 過(guo)濾(lv)(lv)效果好, 是銅(tong)合(he)金鑄(zhu)(zhu)(zhu)件生產(chan)中應用較(jiao)多的(de)一種過(guo)濾(lv)(lv)凈化方(fang)法。目前已用于(yu)砂型鑄(zhu)(zhu)(zhu)造(zao)、金屬型鑄(zhu)(zhu)(zhu)造(zao)、離心鑄(zhu)(zhu)(zhu)造(zao)及熔模(mo)鑄(zhu)(zhu)(zhu)造(zao)銅(tong)合(he)金中。過(guo)濾(lv)(lv)合(he)金主(zhu)要(yao)有鋁(lv)青(qing)銅(tong)、錫青(qing)銅(tong)、錳黃銅(tong)、硅(gui)黃銅(tong)等(deng)。用于(yu)銅(tong)合(he)金過(guo)濾(lv)(lv)凈化的(de)泡沫陶(tao)(tao)瓷材質主(zhu)要(yao)有氧化鋁(lv)、碳化硅(gui)和堇青(qing)石(shi)等(deng)。一般銅(tong)合(he)金鑄(zhu)(zhu)(zhu)件過(guo)濾(lv)(lv)多采(cai)(cai)用10或20ppi, 要(yao)求高的(de)鑄(zhu)(zhu)(zhu)件采(cai)(cai)用30ppi。
2.2 銅合金熔體過濾凈化技術國外現狀
自從世界(jie)上塊泡沫陶瓷過(guo)濾器(qi)于(yu)1975年(nian)在(zai)美國公(gong)司問世, 并將其用于(yu)鋁合金(jin)熔(rong)(rong)體過(guo)濾[11], 許多國家(jia)開展了泡沫陶瓷過(guo)濾器(qi)的開發及其在(zai)合金(jin)熔(rong)(rong)體凈化(hua)領域(yu)的應用研究。
SAHOO M等(deng)[20]于20世紀80年(nian)代初開展了(le)鋁(lv)(lv)(lv)青(qing)銅(tong)(tong)(tong)泡沫陶瓷(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)技術研究(jiu)。力學(xue)性(xing)(xing)能檢測和(he)影像(xiang)分(fen)析表明(ming)(ming), 泡沫陶瓷(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)凈化(hua)(hua)可(ke)顯著減(jian)少或消(xiao)除鑄(zhu)件(jian)中(zhong)非金(jin)(jin)屬(shu)夾(jia)雜物(wu)(wu), 在(zai)(zai)優質鋁(lv)(lv)(lv)青(qing)銅(tong)(tong)(tong)鑄(zhu)件(jian)的(de)商業化(hua)(hua)生(sheng)產中(zhong)具有很(hen)大潛(qian)力。ЛЕБЕДЕВ’К·Л等(deng)[21]研究(jiu)比較(jiao)(jiao)不(bu)(bu)同凈化(hua)(hua)方(fang)法(fa)對(dui)鋁(lv)(lv)(lv)青(qing)銅(tong)(tong)(tong)熔(rong)(rong)體中(zhong)夾(jia)雜物(wu)(wu)和(he)氫氣含量的(de)影響(xiang)。結果(guo)(guo)表明(ming)(ming), 多(duo)孔陶瓷(ci)吹氮氣的(de)除氣效果(guo)(guo)較(jiao)(jiao)好, 其次(ci)是(shi)真空處理;熔(rong)(rong)劑(ji)(ji)處理, 如菱鎂礦、螢石和(he)鎂礦砂等(deng)介質過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)可(ke)使合金(jin)(jin)中(zhong)夾(jia)雜物(wu)(wu)含量降低幅度(du)較(jiao)(jiao)大, 力學(xue)性(xing)(xing)能顯著提高(gao), 尤其是(shi)塑(su)性(xing)(xing)指(zhi)標。有研究(jiu)者將莫(mo)來石、堇青(qing)石及氧(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)(lv)泡沫陶瓷(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器分(fen)別(bie)浸(jin)(jin)泡于不(bu)(bu)同熔(rong)(rong)劑(ji)(ji)和(he)銅(tong)(tong)(tong)合金(jin)(jin)熔(rong)(rong)體中(zhong), 研究(jiu)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器與(yu)熔(rong)(rong)劑(ji)(ji)的(de)相互作用(yong)(yong)及在(zai)(zai)熔(rong)(rong)體中(zhong)浸(jin)(jin)泡后(hou)(hou)(hou)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器材料的(de)強度(du)變(bian)化(hua)(hua)[22]。結果(guo)(guo)表明(ming)(ming), 莫(mo)來石和(he)堇青(qing)石過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器在(zai)(zai)熔(rong)(rong)劑(ji)(ji)中(zhong)穩(wen)定性(xing)(xing)好, 但莫(mo)來石過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器耐激(ji)熱激(ji)冷能力較(jiao)(jiao)差, 氧(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)(lv)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器在(zai)(zai)熔(rong)(rong)劑(ji)(ji)中(zhong)浸(jin)(jin)泡后(hou)(hou)(hou)出現了(le)軟(ruan)化(hua)(hua)。在(zai)(zai)銅(tong)(tong)(tong)合金(jin)(jin)熔(rong)(rong)體中(zhong)浸(jin)(jin)泡后(hou)(hou)(hou)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器材料的(de)強度(du)變(bian)化(hua)(hua)見表1。研究(jiu)認為, 泡沫陶瓷(ci)可(ke)以(yi)用(yong)(yong)來過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)銅(tong)(tong)(tong)合金(jin)(jin), 但采用(yong)(yong)氧(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)(lv)泡沫陶瓷(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)(lv)(lv)器時, 必(bi)須(xu)避免(mian)與(yu)熔(rong)(rong)劑(ji)(ji)長時間接觸(chu)。
表1 陶(tao)瓷(ci)過(guo)濾(lv)器在銅(tong)液中(zhong)的浸泡(pao)試驗結果
3 過濾凈(jing)化技術研究新(xin)動態
3.1 電磁分離與過(guo)濾復(fu)合凈化
電(dian)磁(ci)(ci)分離(li)技術(shu)(shu)是(shi)近年(nian)來(lai)發展起來(lai)的一(yi)種凈(jing)化(hua)合(he)金熔(rong)體新技術(shu)(shu)。國內外學(xue)者對鋁合(he)金及鋼熔(rong)體的電(dian)磁(ci)(ci)凈(jing)化(hua)進行了廣(guang)泛研究(jiu)。目前(qian), 銅合(he)金熔(rong)體電(dian)磁(ci)(ci)凈(jing)化(hua)技術(shu)(shu)也(ye)受到了重視。
李鵬很等(deng)(deng)(deng)[23]研究(jiu)了分(fen)(fen)離(li)(li)器直(zhi)徑(jing)、分(fen)(fen)離(li)(li)時(shi)(shi)間(jian)、磁(ci)感應強度(du)等(deng)(deng)(deng)對(dui)銅(tong)(tong)合(he)(he)(he)金中(zhong)氧化(hua)物夾雜(za)分(fen)(fen)離(li)(li)效(xiao)(xiao)(xiao)果的(de)(de)(de)影響。研究(jiu)表明(ming)(ming), 當分(fen)(fen)離(li)(li)器直(zhi)徑(jing)為12 mm、分(fen)(fen)離(li)(li)功(gong)(gong)率(lv)(lv)為60 mT、分(fen)(fen)離(li)(li)時(shi)(shi)間(jian)為60s時(shi)(shi), 分(fen)(fen)離(li)(li)效(xiao)(xiao)(xiao)果較(jiao)好。EL-KADDAH N等(deng)(deng)(deng)[24,25]發明(ming)(ming)一種(zhong)(zhong)將電磁(ci)分(fen)(fen)離(li)(li)與(yu)泡(pao)沫(mo)(mo)(mo)陶(tao)瓷(ci)(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)相結合(he)(he)(he)的(de)(de)(de)凈(jing)化(hua)裝(zhuang)置(zhi), 用于濾(lv)(lv)除(chu)有(you)色合(he)(he)(he)金及鋼熔(rong)(rong)體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)固態及液態夾雜(za)物。分(fen)(fen)離(li)(li)器被分(fen)(fen)成許多(duo)小(xiao)分(fen)(fen)離(li)(li)室(shi), 避免了金屬熔(rong)(rong)體(ti)的(de)(de)(de)湍(tuan)動(dong), 提高(gao)了過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)。經電磁(ci)分(fen)(fen)離(li)(li), 可(ke)去除(chu)尺寸(cun)(cun)大于40μm的(de)(de)(de)夾雜(za)物, 再(zai)經泡(pao)沫(mo)(mo)(mo)陶(tao)瓷(ci)(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)可(ke)以(yi)去除(chu)尺寸(cun)(cun)更小(xiao)的(de)(de)(de)夾雜(za)物。采用該凈(jing)化(hua)裝(zhuang)置(zhi), 可(ke)減(jian)少過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)器堵塞(sai), 延長(chang)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)器壽命, 提高(gao)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)。GASPERETTI B等(deng)(deng)(deng)[26]于2000年公(gong)開(kai)了一種(zhong)(zhong)適用于鋁、銅(tong)(tong)、黃銅(tong)(tong)以(yi)及青銅(tong)(tong)熔(rong)(rong)體(ti)的(de)(de)(de)凈(jing)化(hua)裝(zhuang)置(zhi), 見圖(tu)1。合(he)(he)(he)金首先在(zai)熔(rong)(rong)煉坩(gan)堝(guo)中(zhong)由電磁(ci)感應加熱熔(rong)(rong)化(hua), 然后輸(shu)送到凈(jing)化(hua)坩(gan)堝(guo), 熔(rong)(rong)體(ti)在(zai)磁(ci)場作用下進行(xing)除(chu)氣和(he)(he)除(chu)雜(za), 再(zai)經過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)器 (玻璃纖維過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)網或泡(pao)沫(mo)(mo)(mo)陶(tao)瓷(ci)(ci)) 進行(xing)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)。該裝(zhuang)置(zhi)具(ju)有(you)熔(rong)(rong)煉、凈(jing)化(hua)和(he)(he)輸(shu)送等(deng)(deng)(deng)多(duo)種(zhong)(zhong)功(gong)(gong)能, 特別是經電磁(ci)場精煉和(he)(he)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)凈(jing)化(hua), 合(he)(he)(he)金潔(jie)凈(jing)度(du)高(gao), 可(ke)用于連續(xu)鑄(zhu)造(zao)和(he)(he)間(jian)歇鑄(zhu)造(zao)。曹(cao)志(zhi)強等(deng)(deng)(deng)[27]研究(jiu)用泡(pao)沫(mo)(mo)(mo)陶(tao)瓷(ci)(ci)和(he)(he)泡(pao)沫(mo)(mo)(mo)陶(tao)瓷(ci)(ci)外(wai)加高(gao)頻磁(ci)場復合(he)(he)(he)凈(jing)化(hua)Al-10Mg合(he)(he)(he)金, 結果表明(ming)(ming), 復合(he)(he)(he)凈(jing)化(hua)使合(he)(he)(he)金中(zhong)氧含量從0.001 4%降低為0.000 3%, 凈(jing)化(hua)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)達到78.6%, 較(jiao)僅(jin)用泡(pao)沫(mo)(mo)(mo)陶(tao)瓷(ci)(ci)過(guo)(guo)(guo)濾(lv)(lv)時(shi)(shi)凈(jing)化(hua)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)(lv)提高(gao)了23.0%。
圖1 合金熔(rong)煉和凈化(hua)裝置(zhi)
1.熔煉坩(gan)堝2.永磁體(ti)3.爐(lu)殼4.合(he)金原料(liao)5.爐(lu)蓋6.爐(lu)蓋7.出(chu)口(kou)管8.爐(lu)殼9.熔融合(he)金10.凈化坩(gan)堝11.永磁體(ti)12.線(xian)圈13.過濾箱14.出(chu)口(kou)管15.線(xian)圈16.出(chu)口(kou)管17.過濾器18.過濾箱19.合(he)金熔體(ti)
3.2 非重(zhong)力場泡沫陶瓷過濾(lv)凈化
泡(pao)沫(mo)陶(tao)瓷過(guo)濾(lv)(lv)器的(de)(de)過(guo)濾(lv)(lv)效率(lv)與過(guo)濾(lv)(lv)阻力(li)(li)(li)相(xiang)互制約。為(wei)了提高過(guo)濾(lv)(lv)而(er)采(cai)用(yong)高孔(kong)密度(du)的(de)(de)泡(pao)沫(mo)陶(tao)瓷過(guo)濾(lv)(lv)器, 需借助于外力(li)(li)(li), 如電(dian)磁力(li)(li)(li)、離心(xin)力(li)(li)(li)等, 以克服過(guo)濾(lv)(lv)阻力(li)(li)(li)。KENNEDY M W等[28]發明了一種利(li)用(yong)電(dian)磁力(li)(li)(li)引(yin)流啟動(dong)合(he)金熔(rong)體(ti)的(de)(de)泡(pao)沫(mo)陶(tao)瓷過(guo)濾(lv)(lv)裝置。FRITZSCH R等[29]利(li)用(yong)該(gai)裝置 (見圖2) 進行了鋁合(he)金熔(rong)體(ti)過(guo)濾(lv)(lv)凈化研究。研究表明, 洛倫茲力(li)(li)(li)的(de)(de)作用(yong)能有效去除泡(pao)沫(mo)陶(tao)瓷孔(kong)隙(xi)中的(de)(de)空(kong)氣(qi), 改善熔(rong)體(ti)對(dui)過(guo)濾(lv)(lv)器的(de)(de)潤濕性, 大大降低啟動(dong)過(guo)濾(lv)(lv)所(suo)需的(de)(de)金屬壓力(li)(li)(li), 因此(ci)可以采(cai)用(yong)80ppi, 或由3塊30ppi的(de)(de)泡(pao)沫(mo)陶(tao)瓷組合(he)體(ti), 提高過(guo)濾(lv)(lv)效率(lv);感應加熱可以維持熔(rong)體(ti)溫度(du)不變, 過(guo)濾(lv)(lv)器無需預熱, 可以在隨后幾個批次中連續使用(yong)。
圖(tu)2 泡(pao)沫(mo)陶(tao)瓷電磁(ci)場(chang)啟流過濾裝(zhuang)置示意(yi)圖(tu)
1.3.2mm或6mm孔2.30, 50或80ppi, 100mm×50 mm泡沫陶瓷3.冒口4.熱電偶5.1mm厚絕熱層6.雙層線圈7.線圈8.鑄造砂9.20mm厚氧化鋁陶瓷板
戴斌煜等(deng)[30]采用(yong)離心加壓法對(dui)銅合金熔體泡(pao)沫陶瓷過(guo)(guo)濾(lv)(lv)進行試驗與(yu)計(ji)算(suan)機模(mo)擬。過(guo)(guo)濾(lv)(lv)裝(zhuang)置見圖3, 過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器為3塊30ppi、厚度為20 mm的泡(pao)沫陶瓷組合體。研究表明, 采用(yong)泡(pao)沫陶瓷離心過(guo)(guo)濾(lv)(lv)裝(zhuang)置過(guo)(guo)濾(lv)(lv)ZCuZn16Si4, 顯著降(jiang)低了15μm以上(shang)夾(jia)雜物的含量, 過(guo)(guo)濾(lv)(lv)后(hou)的抗拉強度及伸長率分別提(ti)高了10.84%和27.2%。
圖(tu)3 泡沫陶瓷(ci)離心過濾裝置(zhi)示(shi)意(yi)圖(tu)
1.澆道2.澆口杯3.泡沫陶瓷
3.3 活性過濾
在泡(pao)沫陶瓷表面涂覆特殊涂料, 從而(er)制得一種(zhong)所謂活性過(guo)濾(lv)器, 其目的是強(qiang)化過(guo)濾(lv)器對夾(jia)雜物的粘附(fu), 甚至可選擇性地捕(bu)捉(zhuo)夾(jia)雜物, 是近(jin)年來開發的一種(zhong)新型過(guo)濾(lv)凈(jing)化技(ji)術。
ZHOU M等[31]將一(yi)種活(huo)性(xing)物(wu)質釉分(fen)(fen)別涂覆在(zai)陶瓷(ci)(ci)顆粒及泡(pao)(pao)沫(mo)陶瓷(ci)(ci)表面(mian)用于(yu)鋁(lv)(lv)合金過(guo)(guo)濾(lv)(lv)。活(huo)性(xing)涂層(ceng)能夠捕(bu)獲(huo)鋁(lv)(lv)熔體中(zhong)的(de)非(fei)金屬夾(jia)雜(za)物(wu)并且熔解(jie)Al2O3夾(jia)雜(za)物(wu), 提高了(le)泡(pao)(pao)沫(mo)陶瓷(ci)(ci)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器的(de)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)效率。DAMOAH L N W等[32]研究在(zai)無水HF氣體條件下, 通過(guo)(guo)NaF或CaF2和(he)濃硫酸與(yu)(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)泡(pao)(pao)沫(mo)陶瓷(ci)(ci)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器反(fan)應, 在(zai)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器表面(mian)形成一(yi)層(ceng)AlF3。這種過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器可同時去除非(fei)金屬夾(jia)雜(za)物(wu)和(he)溶(rong)解(jie)性(xing)堿和(he)堿土(tu)金屬雜(za)質。結果發現在(zai)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器與(yu)(yu)鋁(lv)(lv)熔體接觸時間為30s, 熔解(jie)鈣的(de)去除效率為99.8%。VOIGT C等[33,34]和(he)BRUN P L等[35]在(zai)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)泡(pao)(pao)沫(mo)陶瓷(ci)(ci)表面(mian)分(fen)(fen)別涂覆氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)、尖晶石、莫來石和(he)金紅(hong)石涂料(liao)(liao), 制成活(huo)性(xing)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器用于(yu)鋁(lv)(lv)熔體過(guo)(guo)濾(lv)(lv), 研究過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器表面(mian)化(hua)(hua)學對過(guo)(guo)濾(lv)(lv)效率的(de)影響。結果表明, 在(zai)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器幾何參(can)數 (孔尺寸、孔隙率等) 相同條件下, 涂覆尖晶石和(he)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)涂料(liao)(liao)的(de)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)器獲(huo)得了(le)較高的(de)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)效率。
DUDCZIG S等(deng)[36]在(zai)(zai)Al2O3-C過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器表面(mian)分別涂(tu)覆Al2O3和(he)MgO-C涂(tu)料, 然后將(jiang)Al2O3-C、Al2O3和(he)MgO-C三種不同表面(mian)材料的過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器在(zai)(zai)氬氣保護下浸入1 650℃的鋼(gang)(gang)(gang)熔體中。Al2O3-C及涂(tu)覆Al2O3的過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器先與(yu)鋼(gang)(gang)(gang)熔體反(fan)應(ying)(ying), 生成(cheng)(cheng)(cheng)氣態低價氧化物(wu)(wu)AlxOy, 而AlxOy又與(yu)鋼(gang)(gang)(gang)熔體中的溶(rong)解氧反(fan)應(ying)(ying), 形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)晶態α-Al2O3薄層。新形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的α-Al2O3薄層具有很(hen)高(gao)活性, 夾雜(za)物(wu)(wu)被(bei)其吸(xi)附, 通過(guo)燒結夾雜(za)物(wu)(wu)被(bei)牢(lao)牢(lao)地固定, 隨后其他夾雜(za)物(wu)(wu)在(zai)(zai)其表面(mian)沉積(ji), 形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)了夾雜(za)物(wu)(wu)團聚體和(he)網絡, 提(ti)高(gao)了夾雜(za)物(wu)(wu)的去除(chu)效率(lv)。涂(tu)覆MgO-C的過(guo)濾(lv)(lv)(lv)器通過(guo)碳(tan)熱還原反(fan)應(ying)(ying)在(zai)(zai)表面(mian)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)MgO薄層, 但在(zai)(zai)MgO薄層上未檢測(ce)到吸(xi)附的夾雜(za)物(wu)(wu)。
4 展望
我國已經成為(wei)(wei)全(quan)球較大的銅(tong)產(chan)(chan)品制造國。2011年(nian)(nian)以來, 我國銅(tong)合金(jin)鑄(zhu)件年(nian)(nian)產(chan)(chan)量一直高達(da)75萬t。2016年(nian)(nian), 我國銅(tong)材產(chan)(chan)量突破2 090萬t。然而長期以來, 我國對銅(tong)及銅(tong)合金(jin)熔體的過(guo)濾凈化(hua)技(ji)術(shu)重視不夠。迄(qi)今為(wei)(wei)止, 過(guo)濾凈化(hua)技(ji)術(shu)還(huan)只是用(yong)于一些中小型銅(tong)合金(jin)鑄(zhu)件的凈化(hua), 在大型銅(tong)合金(jin)鑄(zhu)件、半連續鑄(zhu)造或連續鑄(zhu)造生(sheng)產(chan)(chan)中的應用(yong)鮮(xian)見報道。
相(xiang)對(dui)鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)而言, 銅(tong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)具(ju)有熔(rong)點高, 密度大, 表面張(zhang)力及粘度大, 比熱容小及凝固潛熱小等特點, 銅(tong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)過濾技術(shu)有著不同于鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)特點, 其過濾凈(jing)化(hua)理論(lun)及工(gong)藝仍有待于進(jin)一步(bu)研(yan)究(jiu), 鋼鐵(tie)、鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)加工(gong)業中(zhong)較為成熟的(de)過濾凈(jing)化(hua)技術(shu)值(zhi)得借鑒。為進(jin)一步(bu)提(ti)高銅(tong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)潔凈(jing)度, 提(ti)升銅(tong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)產品品質(zhi), 需加強以(yi)下方面的(de)研(yan)究(jiu)。
(1) 開(kai)(kai)發熱穩定性好(hao)、抗熔(rong)體沖刷能力強的泡(pao)沫(mo)陶瓷(ci)過濾器, 以克服(fu)過濾器易(yi)軟化、變形或開(kai)(kai)裂等問(wen)題, 滿足銅合金熔(rong)體大流量(liang)過濾要求(qiu)。
(2) 研究多種凈(jing)(jing)化(hua)方(fang)法組合(he)的(de)(de)復合(he)凈(jing)(jing)化(hua)技術, 如將熔劑凈(jing)(jing)化(hua)、很聲凈(jing)(jing)化(hua)、電磁凈(jing)(jing)化(hua)等與過濾凈(jing)(jing)化(hua)結合(he)即復合(he)凈(jing)(jing)化(hua)技術, 以(yi)提高銅熔體的(de)(de)潔凈(jing)(jing)度。
(3) 開展活(huo)性(xing)過(guo)濾技術研(yan)究(jiu)。普(pu)通的(de)泡(pao)沫陶瓷(ci)過(guo)濾器, 只(zhi)能去除(chu)合(he)金熔體(ti)(ti)中不可(ke)溶(rong)的(de)固體(ti)(ti)夾(jia)雜;而活(huo)性(xing)過(guo)濾可(ke)濾除(chu)熔體(ti)(ti)中的(de)可(ke)溶(rong)性(xing)雜質(zhi), 在(zai)濾除(chu)固體(ti)(ti)夾(jia)雜的(de)同時達到去除(chu)可(ke)溶(rong)性(xing)雜質(zhi)的(de)目(mu)的(de)。
(4) 深入研究銅合金熔(rong)體的(de)(de)過濾(lv)凈化(hua)機制(zhi), 有助于開發(fa)新(xin)的(de)(de)凈化(hua)方法, 正確選擇過濾(lv)介質, 優化(hua)凈化(hua)工藝, 提高過濾(lv)效率(lv)。
(5) 研究銅合金熔體潔凈(jing)度的(de)評(ping)定方法, 建立(li)凈(jing)化效果的(de)評(ping)價(jia)標準。
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