熔模铸造渗透率

Author: Gavin Dooley - 集团技术总监

介绍

渗透率是任何壳体的关键特性，关系到壳体系统的成功/失败。渗透率是任何壳体的关键特性，关系到许多与铸造相关的缺陷，例如冷隔和未填充。它还可以在脱蜡过程中使蜡膨胀到壳体内，减少壳体开裂。  首先，我们必须讨论渗透率这个术语的含义、测量方法及其如何影响壳体的特性。

渗透率和孔隙率

首先要了解的是，渗透率并不是壳内有多少空隙。渗透率和孔隙率之间有着密切而又不同的关系：

  • 孔隙率是壳体系统内存在多少空隙的度量
  • 渗透率是流体可以穿过壳体容易度的度量

因此，壳体可能是高度多孔的，但如果空气没有逃离的壳体通道，则不会渗透。幸运的是，在壳体系统中情况并非如此，但要记住，多孔壳体并不意味着可渗透壳体。这在下面的图 1 中突出显示。

   

具有低渗透率的多孔壳体

具有较高渗透率的多孔壳体

图 1：孔隙率和渗透率

 

考虑到这一点，具有高渗透率的壳体是多孔的，但具有高孔隙率的壳体不一定是可渗透的，这种说法是正确的！

如 Ryshkewitch Duckworth 方程式 [1] 所示，孔隙率直接与壳体的强度性能相关。样品中空隙或孔隙率的增加会降低样品的强度，如以下方程式所示。

其中 σ 是多孔体的强度，σ0 是相同的材料制成的非多孔体的强度，P 是样品的孔隙率（用分数表示）。B 是一个常数。

这告诉我们，尽管壳体的强度与其内部的孔隙率成正比，但这是对于相同的材料：

这可以在图 2 中以图形方式看到。

如何测量渗透率？

BSI (BS 1902: Section 10.2:1994) 批准了一种测量壳体渗透率的方法，即使用乒乓球法 [2]。乒乓球法是使用玻璃棒或不能渗透的莫来石棒。使用合适的玻璃棒很重要，因为不这样做，会导致玻璃棒在测试过程中融化。（在我们的设施内曾经遇到几次这种情况，所以请在进行此测试之前向我们咨询合适的玻璃类型是什么！）

将乒乓球涂上浆料，然后乒乓球会燃烧（图 3）。  然后，空气在升高的温度下通过乒乓球，这时就可以计算出压力差。

图 3 涂上浆料的乒乓球在不渗透的莫来石棒上

然后，这个压降可以用到下面的渗透率方程式中，从而得出渗透率的值：

其中 µ 是渗透率，s 是样品的壁厚，Vc 是体积流率， 是温度升高下空气的动态粘度， 是乒乓球的内表面积，ΔP 是压力差。这种测量技术有一些缺点：

  • 壳体样品容易开裂并导致测量结果不准确。这可能是非常令人沮丧的，并且是实验出错的原因。建议让乒乓球以极慢的速度燃烧，以减少破裂和测试问题。
  • 这种技术只能测量燃烧样品，因为在收集任何测试数据之前都需要移除乒乓球。
  • 这种测试方法只能测量渗透率，即与主层相连的孔隙率。这无法测量未连接到样品外表面的孔。总之，由于这种测试方法无法测量强度降低，所以壳内可能会有更高的孔隙率。

然而，这些结果的好处是能够在一段时间后评估陶瓷在某温度下的烧结情况。这向我们展示了随着陶瓷的烧结和致密化，渗透率逐渐降低。这可以在图 4 中看到。

图 4 炉内的渗透率随时间推移逐渐降低

   有几种方法可以提高壳内的渗透率：

  • 灰泥涂抹法 – 灰泥涂抹法对壳体的渗透率有影响。正如 Jones 等人[3] 和我本人在最近的 ICI 论文 [4] 中所述，灰泥涂抹法会影响浆料的能量，也会影响随后的灰泥层“压实”和渗透率。
  • 灰泥类型 – 灰泥类型对壳体的渗透率有影响，大颗粒之间会有较大的间隙，导致渗透率增加。
  • 涂层减少 – 这会缩短空气逸出所需的距离，因此会增加技术性，但会降低材料强度，请务必注意！
  • 增加聚合物 – 增加聚合物浓度，从而在烧结后留下较大空隙，增加渗透率。

 

总之，壳体的渗透率是理解壳体系统的有用参数，因为它可能会导致令工程师感到棘手的问题。了解其测量方式以及如何改变，这始终有助于记住问题出现的时机。该测试方法有许多缺点，但更多的科学方法（如 CT 扫描或 SEM 显微镜）有用却昂贵。

参考

  1. Ryshkewitch, E.，多孔烧结氧化铝和氧化锆的压缩强度。美国陶瓷学会杂志，1953. 36(2): p. 65-68。
  2. BSI，耐火材料的测试方法 – 第 10 部分：熔模铸造壳模系统 – 第 10.2 节：高温下渗透率和标准空气流量的测定，BS 1902-10.2:1994. 1994。
  3. Jones, S., C. Yuan 和 S. Blackburn，流化床和降雨磨砂陶瓷壳体微观结构和物理性质的基础研究，材料科学与技术杂志，2007. 23(6): p. 706-714。
  4. 4.      Dooley, G., S Blackburn, S Ramirez, K Williamson，灰泥涂抹法对熔模铸造壳体力学性能和微观结构的影响。于 2013 年第 60 届 ICI 技术会议上 ：Pittsburgh, PN。

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