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镁业要闻

镁合金泡沫陶瓷过滤净化

发布时间：2024-03-11 作者：综合管理部

传统的镁合金铸造工艺中，防止夹杂缺陷最常用的措施之一是在浇注系统的适当部位放置过滤介质。常用的过滤介质有冲孔铁片、钢丝棉、多层编织钢丝网。这些过滤介质共同的缺点是介质体表面没有吸附能力，很难清除直径在十几微米以下的细小夹杂物颗粒，更难清除在镁液中呈液态的熔剂。因此，使用这类过滤介质在生产高标准铸件时常常遇到很大困难。

泡沫陶瓷是一种高效合金熔体过滤介质，作为合金熔体的过滤材料，泡沫陶瓷必须有很好的高温性能，不但能够经受住高温金属液的热冲击与机械冲击作用，还必须在高温下对合金液保持化学稳定，不与合金元素起反应。近十多年米，国内外已根据不向合金的特点，发展了多种不同材质的陶瓷，广泛应用干铝、铜等有色合金与铸铁、铸钢及高温合金过滤。

由于镁元素很活泼，极易氧化，镁合金不但熔炼工艺复杂，而且铸件很难避免氧化夹杂与熔剂夹杂，夹杂缺陷往往导致重要的镁合金铸件报废。但镁合金铸件绝不可采用普通的泡沫陶瓷过滤片。这是因为氧化镁的生成自由能很低，易与生成自由能较高的氧化物如氧化硅发生如下反应：

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该反应在镁合金的浇铸温度 720～780℃时进行极快，凡是含氧化硅较多的泡沫陶瓷在此温度的镁合金液中都将迅速溶化，其结果是非但不能净化合金，反而给合金液中带来更多的夹杂物。目前国内研制的铝合金所用泡沫陶瓷过滤片与高温合金所用泡沫陶瓷过滤片都含有10%以上氧化硅，在高温镁合金熔体中都将迅速溶解，不能用于镁合金铸造。针对镁合金对泡沫陶瓷过滤器材料有特殊的高温化学稳定性要求这一问题，目前已研制成功了氧化镁泡沫陶瓷过滤器，这种过滤器对镁合金有很好的高温化学稳定性，可在高温镁合金液中长时间浸泡而不与镁合金发生反应，而且由于氧化镁与镁合金液中的液态熔剂润湿角很小，氧化镁泡沫陶瓷过滤片极易吸附镁合金中的熔剂液滴，从而使镁合金铸件免除了熔剂夹杂缺陷。这是过去在镁合金铸造中使用的冲孔铁片、钢丝绒等过滤介质难以实现的。


01

泡沫陶瓷过滤器性能要求及检测


泡沫陶瓷过滤器必须具备下列各项性能，才能满足过滤金属的要求：

（1）具有足够的机械强度

陶瓷质的过滤板较脆和硬，在强度不足的情况下过滤板易破碎和掉屑，不但对储运不利，而且在过滤时一旦落入镁熔体中还会影响锭坏的质量。通常要求手感质地坚硬，手按、轻拍无断屑。将过滤器制成Φ40mm的圆柱形试样，在压力机上测其抗压强度，一般达到0.6MPa即可。

(2)高的耐热冲击性与高温强度

铸造时，高温镁液突然与过滤板表面接触，并在零点几秒中将滤板加热，镁液的热量使过滤板很快升到接近金属温度，过滤板是瞬时受热膨胀，这就要求过滤板应具有较小的热膨胀系数，受热后不裂。又因浸泡在镁液中的过滤板要持续一定时间，工作时不容许被冲毁和软化变形。

耐热冲击性与高温强度试验方法之一如图2.21所示。将纯氧化镁泡沫陶瓷过滤片放置于图2.21所示的型腔内。在不预热的情况下一次浇入760℃镁合金液5kg，浇注高度约300mm，过滤片下面型腔容积很大，浇注后合金液面远离过滤片下表面，冷却后将过滤片取出观察，过滤片应完好无损。

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耐热冲击性与高温强度试验方法之二如图2.22所示。将纯氧化镁泡沫陶瓷过滤片放置于图2.22所示型腔内，在不预热的情况下，浇入760℃镁合金（ZM-5）液3kg，在浇注过程中可以观察到镁合金液流过过滤片的情况，试验中过滤片应未发生任何损坏，合金液在铸型中流动平稳。

（3）良好的高温化学稳定性

陶瓷过滤器在高温下不与镁液发生化学反应。将纯氧化镁泡沫陶瓷过滤器在750~800℃的高温下浸泡于镁熔体中10分钟，过滤器应不出现变化。


02

 泡沫陶瓷过滤机理


泡沫陶瓷过滤块的孔隙率约为70%~85%，孔道成互相连接的迷宫式结构，当用它进行合金熔液过滤时，合金熔液从曲折的通道通过过滤块，有利于较大颗粒接触过滤块的网壁和网筋，使得过滤网对合金液中的非金属夹杂物有一定的捕捉能力。其阻隔非金属杂质的作用不仅是物理分离，还由于动力吸附作用以致夹杂物在网上被烧结所至。过滤网从合金熔液中捕捉颗粒的能力主要取决于如下因素：合金熔液中夹杂物的颗粒类型、合金熔液的特性（组成、黏度、表面张力）、温度、过滤网特性（组成、结构、孔隙率、透气性）等。对于给定面积的过滤网来说，合金熔液通过过滤网的流速和过滤网的厚度是影响夹杂物排出的两个因素、合金熔液通过过滤网的过滤效果用过滤效率表示。过滤效率可用下式计算：

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式中，N为过滤效率；Co为过滤前金属中夹杂物浓度：C为过滤后金属中夹杂物浓度；K为动力作用系数；L为过滤网厚度；Vo为金属流过过滤网速度。

泡沫陶瓷过滤块系由细密的陶瓷枝干骨架构成的三维连续网状结构，其过滤机理复杂。目前较为流行的看法，认为泡沫陶瓷过滤片在过滤金属熔体时至少有以下三个方面的作用，一是过滤作用，即在过滤片的各个孔洞口外阻挡夹杂物颗粒，有的地方甚至积累形成“滤饼”，而“滤饼”又能阻挡住一些更细小的夹杂物；二是沉淀作用，即金属熔体通过过滤片时，由于过滤片内部通道曲折多变，熔体微元流速度变化较大，一些很细小夹杂物颗粒即沉淀于过滤片内部的一些角落；三是吸附作用，即由于过滤器骨架具有巨大的表面，这种陶瓷表面不被金属熔体所润湿，对合金中不被金属熔体润湿的固态微细夹杂物有较强的吸附能力。同时，这种陶瓷表面又能被金属熔体中呈液态的夹杂物液滴（熔剂夹杂或低熔点金属化合物）润湿，将夹杂物液滴吸附于其上而滤除，以上三种机制综合作用的结果，使用泡沫陶瓷过滤可以达到极好的效果，不但可以滤掉合金熔体中小至10~20μm的微细夹杂物颗粒，而且能滤掉用一般过滤介质难以滤除的液态熔剂夹杂。泡沫陶瓷过滤片过滤效果好，对合金无污染。


03

 泡沫陶瓷过滤实践

图2.23为泡沫陶瓷过滤器的孔隙率对AZ91合金力学性能的影响，所用的过滤器厚度为20mm。该图表明，随着过滤器孔隙率增加，σb和δ增加，且以δ的增加最为明显。20ppi（ppi：per poreinch，即每英寸长度上的孔眼数）的过滤器可以使σb和δ分别从175.3MPa和2.74%增加到 189.1 MPa和4.02%，分别增加了7.9%和46.7%。图2.24为过滤器厚度对力学性能的影响，采用10mm厚的泡沫陶瓷过滤器，σb和δ分别从175.3 MPa和2.74%增加到185.6MPa和3.72%，分别增加了5.9%和35.8%；当讨滤器厚度增加到20mm，σb和δ分别增加到189.3MPa和4.02%。图2.25为泡沫陶瓷过滤对AZ91废旧料力学性能的影响，可以明显看出，陶瓷过滤可以大幅度的提高镁合金废旧料的力学性能。

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图2.26显示了浇注温度720℃下，铁丝网及氧化镁泡沫陶瓷过滤对AZ91镁合金力学性能的影响，可见采用陶瓷块过滤的试样的机械性能最好，抗拉强度达到206.1MPa，延伸率达到5.21%。即采用泡沫陶瓷过滤块对改善镁合金的力学性能是十分有效的。图2.27 为过滤前试样的金相照片。白色基体为基体Mg相，灰色为γ相（Mg17Al12），黑色质点为夹杂。可见，未经净化工艺处理的试样内含有较多的夹杂。图2.28为过滤后试样的金相照片，可见泡沫陶瓷过滤器能有效地去除镁熔体中的夹杂物。

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表2.16列出了采用氧化镁泡沫陶瓷过滤ZM-5合金后的分析结果。试验结果显示了氧化镁过滤介质对镁合金的良好过滤效果。ZM-5合金经泡沫陶瓷过滤后，抗拉强度提高 25.2%，延伸率提高 82%。用纯氧化镁泡沫陶瓷过滤镁合金之所以能达到这样好的效果，是与这种过滤介质的特殊结构与材料性质分不开的。使用纯氧化镁泡沫陶瓷过滤镁合金达到极好的效果，其清除熔剂夹杂的效果尤其突出。将浇注后的泡沫陶瓷过滤片剖开，内部即可看到过滤器中驻留了大量黑色夹杂物。用电子探针对这些夹杂物进行多处微区分析，有的夹杂物内含有较多的Cl元素，说明这些夹杂物内确有熔剂夹杂。用扫描电镜现察经纯氧化镁泡沫陶瓷过滤与未经过滤的ZM-5 合金断口，可以发现二者有明显的差异，未经过滤试样断口韧性断裂痕迹不明显，断口上有较多的裂纹把断口组织分割成多个有平直边缘、带有棱角的小块，说明试样韧性较差，断口上很容易找到一些细小杂质颗粒。经过滤试样断口有较明显的韧性断裂痕迹，断口上裂纹较小，组织较致密，没有找到杂质颗粒。显然，这与经过滤试样抗拉强度高，延伸率高是一致的。

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来源:《镁合金科学与技术》丁文江 等著


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