无硼铝合金陶瓷泡沫过滤器制造技术

本发明专利技术提供了一种改进的多孔陶瓷泡沫过滤器和制备该多孔陶瓷泡沫过滤器的方法。该多孔陶瓷泡沫过滤器包含28重量％‑78重量％的氧化铝；18重量％‑78重量％的二氧化硅；以及1重量％‑15重量％的II族氧化物。

Boron free aluminium alloy ceramic foam filter

The present invention provides an improved porous ceramic foam filter and a method of making the porous ceramic foam filter. The porous ceramic foam filter containing 28 wt.% 78 wt.% alumina; 18 wt% silica 78 wt% and 1 wt%; 15 wt% of II oxides.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无硼铝合金陶瓷泡沫过滤器相关申请的交叉引用本申请要求于2015年5月15日提交的待决美国临时专利申请No.61/993,809的优先权，其通过引用的方式并入本文。
技术介绍
本专利技术涉及制备基本上不含硼的玻璃粘结陶瓷泡沫过滤器的改进方法、以及由此制备的陶瓷泡沫过滤器。该过滤器特别好地适用于铝过滤，然而并不限于此。为了制造具有可接受性能的铝制品，如饮料罐和机身部件，铝必须基本上不含夹杂和缺陷。当铝在铸造工艺开始时熔化时，其会包含氧化物、硼化物、盐和其它外来组分，这些组分最终会在最终产品中表现为有害夹杂物。期望在固化铝之前随即除去这些夹杂物。这通常是通过使熔融铝通过陶瓷泡沫过滤器来实现的。通常用于制造陶瓷泡沫过滤器的技术称为“海绵复制”。在该方法中，用陶瓷浆料涂覆聚氨酯泡沫，随后干燥以形成生坯过滤器，然后烧制。在烧制期间，内部的聚氨酯泡沫蒸发并且残留的陶瓷结合以形成陶瓷孔筋的连续网络，由此得到积极地复制原始聚氨酯泡沫的外骨骼状泡沫结构。经过了20世纪80年代、20世纪90年代和21世纪初，对于铝过滤器，所选择的陶瓷为通过磷酸盐基玻璃粘结的氧化铝晶粒。这种过滤器相对容易制造并在大多数情况下工作，但是偶尔这些过滤器会发生机械故障和金属侵蚀。据认为机械故障是由高的热膨胀系数导致的。偶尔，当过滤器被约束在陶瓷碗(ceramicbowl)中时，过滤器会在预热期间破裂，或者过滤器会由于不均匀的预热和随之而来的应力而发生灾难性的破裂。金属侵蚀通常是由于磷容易被镁和铝还原导致的。这两种故障类型最终都会导致不期望的陶瓷颗粒进入下游产品。如在共同转让的美国专利No.8,518,528中所描述的，本领域的当前状态的陶瓷泡沫过滤器采用硼系玻璃来粘结呈陶瓷泡沫整料(monolith)形式的蓝晶石晶粒。先前的研究表明硼是该过滤器结构的非常必要的组分，其在引入流动的高Mg含量的熔融铝合金时，起到了保护蓝晶石晶粒并防止陶瓷的腐蚀和侵蚀的功能。虽然硼系玻璃粘结的过滤器已经取得了很大的成功，但是硼的存在使制造工艺大大地复杂化，并且由于对过滤器的需求不断增长，这个问题日益加剧。氧化硼是陶瓷制造工艺中的难以处理的材料。无水氧化硼非常吸湿并且将从大气中吸收水以转化成硼酸(H3BO3或B2O3·3H2O)。为了避免与转化速率相关的不确定性，氧化硼通常以硼酸的形式使用。不幸的是，额外的水的重量增加了材料的材料处理方面并且增加了工艺的额外成本。硼酸在水中具有约6克/100cm3的高溶解度。在干燥时，一些溶解的硼酸携带有蒸发的水，并且随后当水蒸气冷却时而沉淀为细粉尘。这种含硼的粉尘必须通过内嵌于干燥器排气器(dryerexhaust)中的集尘器捕获。这种细粉尘的有效处理和捕获是具有挑战性且昂贵的工艺。硼是优异的有机材料交联剂，由此使有机粘合剂与含有溶解的硼酸的浆料不相容。这限制了主体可实现的生坯强度。可以将氧化硼以玻璃料这种溶解性较低的形式引入到浆料中，但是与其它陶瓷粉末相比，这种类型的材料相对昂贵，并且这种类型的玻璃料不具有足够低的溶解度以抑制有机粘合剂的交联。氧化硼在约450℃的相当低的温度下熔化。在烧制过程中，一些氧化硼可以从过滤器中渗出并粘到定型机和辊上。然后，所得的累积可能造成随后的过滤器中的缺陷，从而使得过滤器不可用。由于这些问题，存在相当大的动机来制造在热机械性质和耐腐蚀性方面具有与硼玻璃粘结过滤器相同性能的新型陶瓷过滤器配制物，而在玻璃质粘合剂相中基本上不含硼。由于预期需要存在保护晶粒的硼系玻璃壳，所以此前认为是困难的。尽管预期需要硼系玻璃粘合剂，但是本专利技术提供了一种过滤器，其中铝硅酸盐晶粒被玻璃粘合和保护，该玻璃提供了足够的抵抗化学反应性和机械应力的保护，但该玻璃基本上不含硼。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种由无硼玻璃粘结的玻璃粘结多孔铝硅酸盐陶瓷过滤器。本专利技术的另一目的是提供一种多孔铝硅酸盐陶瓷过滤器，该过滤器是化学惰性的、机械稳定的，并且能够通过使用标准制造工艺容易地制造。将认识到，包含28重量％-78重量％的氧化铝、18重量％-78重量％二氧化硅和1重量％-15重量％的II族氧化物的多孔陶瓷泡沫过滤器提供了这些优点以及其它优点。形成多孔陶瓷泡沫过滤器的方法提供了又一个实施方案，该方法包括：形成包含以下固相部分的浆料：28重量％-78重量％的氧化铝、18重量％-78重量％的二氧化硅和1重量％-15重量％的II族氧化物；用所述浆料浸渍泡沫，由此形成被浸渍的泡沫；加热所述被浸渍的泡沫以形成生坯陶瓷泡沫；以及加热所述生坯陶瓷泡沫以形成所述多孔陶瓷泡沫过滤器。附图说明图1中的左图提供了硼系玻璃粘结的铝硅酸盐过滤器在暴露于铝合金之后的SEM显微照片，右图提供了本专利技术的过滤器在暴露于铝合金之后的SEM显微照片。具体实施方式本专利技术涉及一种形成多孔陶瓷泡沫过滤器的改善方法，该过滤器包括主要含有铝硅酸盐的芯和基本上不含硼的玻璃壳。将参考各种附图来描述本专利技术，该附图形成了本公开的完整的非限制性的组成。在本公开中，类似的元素将相应地编号。通过深入地研究，发现了无硼的二氧化硅基玻璃配制物，其具有足够的耐腐蚀性。本专利技术过滤器的结构包括由玻璃粘结的铝硅酸盐晶粒，其中玻璃相基本上不含硼。该过滤器的化学组成为：28重量％-78重量％的氧化铝、18重量％-78重量％的二氧化硅和1重量％-15重量％的II族氧化物。更优选地，该过滤器的化学组成为：28重量％-75重量％的氧化铝、20重量％-65重量％的二氧化硅和2重量％-12重量％的II族氧化物。优选的是，所述II族氧化物选自钙、锶、钡和镁的氧化物。更优选地，所述II族氧化物为钙或镁的氧化物，并且最优选的是所述II族氧化物包含大部分的钙。从本文的讨论将更充分地理解，该过滤器包括铝硅酸盐的芯相和玻璃壳。过滤器中任何附带的B2O3含量可以来自于原材料中的痕量的硼，并且B2O3在过滤器中的总含量优选低于2重量％，优选低于1重量％，甚至更优选低于0.5重量％。最优选的是，硼含量低于可检测限。提供了一种陶瓷泡沫过滤器的优选实施方案，其包括70重量％-90重量％的粒状铝硅酸盐芯、以及10重量％-30重量％的包封所述芯的玻璃态壳。所述芯主要包含铝硅酸盐。所述芯优选包含40重量％-80重量％的氧化铝和20重量％-60重量％的二氧化硅。更优选地，所述芯包含50重量％-70重量％的氧化铝和30重量％-50重量％的二氧化硅。优选以诸如莫来石、蓝晶石、硅线石、煅烧高岭土和红柱石之类的铝硅酸盐的形式引入氧化铝和二氧化硅。蓝晶石是最优选的。其它潜在的芯材料为其它热膨胀较低或为零的硅酸盐材料，例如熔融石英、锂-铝-硅酸盐(透锂长石)和镁-铝-硅酸盐(堇青石)。壳将核包封并将相邻的铝硅酸盐晶粒彼此粘结在一起，从而在过滤期间保护铝硅酸盐核免受化学侵蚀，特别是镁的化学侵蚀。所述壳包含0重量％-20重量％的氧化铝、40重量％-80重量％的二氧化硅和10重量％-50重量％的II族氧化物。更优选地，所述壳包含至多10重量％的氧化铝、55重量％-70重量％的二氧化硅和25重量％-40重量％的II族氧化物。优选至少50重量％的II族氧化物为氧化钙，因为钙是合适的玻璃生成体。本专利技术采用与早期陶瓷泡沫过滤器技术不同的方法。使用了低热膨胀铝硅酸盐晶粒，最优选的是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔陶瓷泡沫过滤器，包含：28重量％‑78重量％的氧化铝；18重量％‑78重量％的二氧化硅；以及1重量％‑15重量％的II族氧化物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.15 US 61/993,8091.一种多孔陶瓷泡沫过滤器，包含：28重量％-78重量％的氧化铝；18重量％-78重量％的二氧化硅；以及1重量％-15重量％的II族氧化物。2.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包含少于3重量％的其它金属氧化物。3.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包含28重量％-75重量％的氧化铝。4.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包含20重量％-65重量％的二氧化硅。5.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包含2重量％-12重量％的II族氧化物。6.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其中所述II族氧化物选自钙、锶、钡和镁。7.根据权利要求6所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其中至少50重量％的所述II族氧化物为氧化钙。8.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包括铝硅酸盐芯和玻璃壳。9.根据权利要求8所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其中所述铝硅酸盐芯包含蓝晶石。10.根据权利要求8所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包括70重量％-90重量％的所述铝硅酸盐芯和10重量％-30重量％的所述玻璃壳。11.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包括：铝硅酸盐芯；和壳，所述壳包含：40重量％-80重量％的二氧化硅；10重量％-50重量％的II族氧化物；以及0-20重量％的氧化铝。12.根据权利要求11所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其中所述壳包含：55重量％-70重量％的二氧化硅；25重量％-40重量％的II族氧化物；以及0-10重量％的氧化铝。13.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包括：铝硅酸盐芯，该铝硅酸盐芯包含：40重量％-80重量％的氧化铝，和20重量％-60重量％的二氧化硅；以及壳。14.根据权利要求13所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包括：铝硅酸盐芯，该铝硅酸盐芯包含：50重量％-70重量％的氧化铝，和30重量％-50重量％的二氧化硅；以及壳。15.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其包括：铝硅酸盐芯，其包含：40重量％-80重量％的氧化铝；和20重量％-60重量％的二氧化硅；以及壳，其包含：40重量％-80重量％的二氧化硅；10重量％-50重量％的II族氧化物；以及0-20重量％的氧化铝。16.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，还包含陶瓷纤维。17.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其中所述陶瓷纤维包括选自如下材料中的至少一者：氧化铝；二氧化硅；铝、镁和钙的硅酸盐。18.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其密度为0.25g/cc至0.40g/cc。19.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其孔隙率为至少3ppi至不大于100ppi。20.根据权利要求19所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其孔隙率为至少20ppi至不大于70ppi。21.根据权利要求1所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其具有平均孔径为至少0.1微米至不大于20微米的微孔隙。22.根据权利要求21所述的多孔陶瓷泡沫过滤器，其具有平均孔径为至少0.15微米至不大于10微米的微孔隙。23.一种形成多孔陶瓷泡沫过滤器的方法，包括：形成包含以下固相部分的浆料：28重量％-78重量％的氧化铝；18重量％-78重量％的二氧化硅；和1重量％-15重量％的II族氧化物；用所述浆料浸渍泡沫，由此形成浸渍泡沫；加热所述浸渍泡沫以形成生坯...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁道夫·A·奥尔森三世，马特·W·维勒，马克·J·托波尔斯基，
申请(专利权)人：博韦尔公开有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB