[发明专利]无硼铝合金陶瓷泡沫过滤器

说明书

本发明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。

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。

背景技术

本发明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(ceramic bowl)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(dryer exhaust)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。