泡沫陶瓷制作工艺的研究
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第 4 期 ( 总第 117 期) 2002 年 12 月
山 西 机 械 SHA NX I M A CHIN ERY
No. 4 Dec.
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)
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.
Study on the technological process of foam pottery filter
( 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。
3
10
3
1 200
图 1 未加 F e2O3 的常规制备工艺
由表 3 得出最优方案: 优 = y + A 2 + B 2+ C3。所 以, 最佳配方应为: 磷酸 9% , 氧化铁粉 2% , 焙烧温 度 1 200℃。三因素的显著特性依次为: 磷酸加入量, 氧化铁粉加入量, 焙烧温度。 2 试验过程
2
100 15 9 6 30 130℃, 1h 1 200℃, 3h 0. 7
3
100 20 10 8 30 130℃, 1h 1 200℃, 3h 0. 63
图 2 加 F e2O3 的制备工艺流程图 表 2 正交表
水平
A 工业磷酸 %
B 氧化铁粉 %
C 焙烧温度 ℃
1
8
1
1 000
2
9
2
1 100
[ J] . 材料研究学报, 1998( 4) : 376. [ 4] 唐绍伊, 李 国军, 谢志 鹏 . 莫来石- 氧化锆复 相陶瓷材料
原位反 应烧结机 理的研究[ J] . 材 料研究 学报, 2000( 3) : 24 . [ 5 ] 叶 荣 茂 , 杨 戈 涛, 王 惠 光 . 泡 沫 陶 瓷 过 滤 器 在
REN Jian-fu
( Branch of M at erials Scien ce and Engineering , Taiyuan Heavy M achin ery Inst it ut e, T aiyuan 030024, Chin a) Abstract: T he paper ex plor ed the jo in quantity of Fe2O 3 into 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
璃相。约在 1 400℃失去透明度, 成为石英型的 A lP O4, 此为最终结合相。试验中加入 Fe2O 3 可以把最终结合 相的形成温度降至 900℃～1 200℃。经矿物分析, 在 焙烧温度 1 200℃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。[ 5] A l2O 3 与 H2P O 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。
S
1. 917 0. 143 0. 027 0. 001 2
ST = 2. 13
图 3 泡沫陶瓷过 滤器样品
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 A l2O 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A l ( H 2PO 4 ) 3 胶体[ 2] , 它溶于水并 具有黏性。 A l2O 3 和H2P O 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[ A l ( P O 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 成晶相产物[ 4] 。约在 1 200℃时, 该聚合物被浓缩成玻
未加 Fe2O 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 Fe2O 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。
收稿日期: 2002-02-16; 修回日期: 2002-08-10 作者简介: 任建富 ( 1951-) , 男, 四川南江人, 高工, 研究生班毕业, 研究方向: 泡沫金属材料。
2002 年第 4 期 任建富: 泡沫陶瓷制作工艺的研究
·1 7·
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。
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 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 5P PI～45PP I ( 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 10P PI～15PP I。 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 韧性也会降低, 从而影响料块吸浆的质量以及焙烧后
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
分类
材料
分组 铝矾土黏土磷酸悬浮剂 水
与数据 g g g g mL
加热温度 及保温时间
烘干
焙烧
常温抗 压强度
Байду номын сангаасMPa
1
100 10 8 4 30 130℃, 1h 1 200℃, 3h 0. 56
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 Fe2O 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 H249. 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 F e2O 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
参考文献:
[ 1] 沈 显璞 . 双相 钢 的 特性 及 应用 [ J] . 金 属 热处 理, 1987 ( 11) : 53.
[ 2] 金满 . 0. 15C 双 相钢 丝 强度 曲 线测 定 及 其冷 拔 硬化 率 [ J] . 物理测试, 1993( 2) : 65.
[ 3] 吴 颖 . 高强韧 性双相钢 的研究 及开发 应用前 景[ J] . 江 西 冶金, 1999, 19( 4) : 25-28.
表 3 正交试验 水平表
分类
试验号
A
1
1
因素
B
C
1
1
误差 1
常温承受压力 MPa 0. 56
2
1
2
2
2
0. 60
3
1
3
3
3
0. 43
4
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2
3
1. 67
5
2
2
3
1
1. 83
6
2
3
1
2
7
3
1
3
2
1. 47 1. 20
8
3
2
1
3
1. 13
9
3
3
2
1
0. 84
R
3. 386 0. 856 0. 378 0. 086
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 F e2O 3 的 0. 7MP a 提高到加 F e2O 3 后的 1. 8MP a, 这一值比一般 常规要求的 0. 78MP a[ 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
·18·
山 西 机 械 2002 年第 4 期
的强度。 4 结论 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. 8MP a, 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。
参考文献: [ 1] 董寅生 . 铝合金过滤净 化用泡沫陶瓷过滤器 的研制与应
用[ J] . 中国铸机, 1993( 5) : 23. [ 2] 马俊良 . 泡 沫陶瓷过 滤器制备机 理研究[ J] . 钢铁译 文,
1984( 1) : 100. [ 3] 郑秀华, 沈俊武, 史红周 . 2Y 2O 3—ZrO 2 陶瓷中 t →m 相变
山 西 机 械 SHA NX I M A CHIN ERY
No. 4 Dec.
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)
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.
Study on the technological process of foam pottery filter
( 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。
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图 1 未加 F e2O3 的常规制备工艺
由表 3 得出最优方案: 优 = y + A 2 + B 2+ C3。所 以, 最佳配方应为: 磷酸 9% , 氧化铁粉 2% , 焙烧温 度 1 200℃。三因素的显著特性依次为: 磷酸加入量, 氧化铁粉加入量, 焙烧温度。 2 试验过程
2
100 15 9 6 30 130℃, 1h 1 200℃, 3h 0. 7
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100 20 10 8 30 130℃, 1h 1 200℃, 3h 0. 63
图 2 加 F e2O3 的制备工艺流程图 表 2 正交表
水平
A 工业磷酸 %
B 氧化铁粉 %
C 焙烧温度 ℃
1
8
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1 000
2
9
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1 100
[ J] . 材料研究学报, 1998( 4) : 376. [ 4] 唐绍伊, 李 国军, 谢志 鹏 . 莫来石- 氧化锆复 相陶瓷材料
原位反 应烧结机 理的研究[ J] . 材 料研究 学报, 2000( 3) : 24 . [ 5 ] 叶 荣 茂 , 杨 戈 涛, 王 惠 光 . 泡 沫 陶 瓷 过 滤 器 在
REN Jian-fu
( Branch of M at erials Scien ce and Engineering , Taiyuan Heavy M achin ery Inst it ut e, T aiyuan 030024, Chin a) Abstract: T he paper ex plor ed the jo in quantity of Fe2O 3 into 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
璃相。约在 1 400℃失去透明度, 成为石英型的 A lP O4, 此为最终结合相。试验中加入 Fe2O 3 可以把最终结合 相的形成温度降至 900℃～1 200℃。经矿物分析, 在 焙烧温度 1 200℃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。[ 5] A l2O 3 与 H2P O 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。
S
1. 917 0. 143 0. 027 0. 001 2
ST = 2. 13
图 3 泡沫陶瓷过 滤器样品
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 A l2O 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A l ( H 2PO 4 ) 3 胶体[ 2] , 它溶于水并 具有黏性。 A l2O 3 和H2P O 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[ A l ( P O 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 成晶相产物[ 4] 。约在 1 200℃时, 该聚合物被浓缩成玻
未加 Fe2O 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 Fe2O 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。
收稿日期: 2002-02-16; 修回日期: 2002-08-10 作者简介: 任建富 ( 1951-) , 男, 四川南江人, 高工, 研究生班毕业, 研究方向: 泡沫金属材料。
2002 年第 4 期 任建富: 泡沫陶瓷制作工艺的研究
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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。
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 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 5P PI～45PP I ( 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 10P PI～15PP I。 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 韧性也会降低, 从而影响料块吸浆的质量以及焙烧后
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
分类
材料
分组 铝矾土黏土磷酸悬浮剂 水
与数据 g g g g mL
加热温度 及保温时间
烘干
焙烧
常温抗 压强度
Байду номын сангаасMPa
1
100 10 8 4 30 130℃, 1h 1 200℃, 3h 0. 56
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 Fe2O 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 H249. 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 F e2O 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
参考文献:
[ 1] 沈 显璞 . 双相 钢 的 特性 及 应用 [ J] . 金 属 热处 理, 1987 ( 11) : 53.
[ 2] 金满 . 0. 15C 双 相钢 丝 强度 曲 线测 定 及 其冷 拔 硬化 率 [ J] . 物理测试, 1993( 2) : 65.
[ 3] 吴 颖 . 高强韧 性双相钢 的研究 及开发 应用前 景[ J] . 江 西 冶金, 1999, 19( 4) : 25-28.
表 3 正交试验 水平表
分类
试验号
A
1
1
因素
B
C
1
1
误差 1
常温承受压力 MPa 0. 56
2
1
2
2
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0. 60
3
1
3
3
3
0. 43
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1. 67
5
2
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1. 47 1. 20
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3
2
1
3
1. 13
9
3
3
2
1
0. 84
R
3. 386 0. 856 0. 378 0. 086
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 F e2O 3 的 0. 7MP a 提高到加 F e2O 3 后的 1. 8MP a, 这一值比一般 常规要求的 0. 78MP a[ 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
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的强度。 4 结论 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. 8MP a, 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。
参考文献: [ 1] 董寅生 . 铝合金过滤净 化用泡沫陶瓷过滤器 的研制与应
用[ J] . 中国铸机, 1993( 5) : 23. [ 2] 马俊良 . 泡 沫陶瓷过 滤器制备机 理研究[ J] . 钢铁译 文,
1984( 1) : 100. [ 3] 郑秀华, 沈俊武, 史红周 . 2Y 2O 3—ZrO 2 陶瓷中 t →m 相变