漫話硅砂的替代材料

1、漫話硅砂的替代材料 中國(guó)鑄造協(xié)會(huì) 李傳栻自五千多年前人類開始掌握鑄造技術(shù)之日起，所用的造型材料就以硅砂為基本組分。鑄件在各方面的應(yīng)用，推動(dòng)了文明的進(jìn)步和發(fā)展，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)革命的出現(xiàn)。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展發(fā)展，各種新材料不斷涌現(xiàn)，鑄造工藝技術(shù)也日新月異。但是，時(shí)至今日，世界各國(guó)鑄造行業(yè)中，硅砂仍然是最重要的造型材料。目前，全世界鑄造行業(yè)每年耗用的原砂約45005000萬(wàn)噸，其中，硅砂所占的比重約在95%以上。硅砂最可取之處是儲(chǔ)量豐富、價(jià)廉易得，這一點(diǎn)是任何其他礦砂都無法與之比擬的。此外，硅砂還具有能適應(yīng)鑄造工況條件的一些特性，如：l 有足夠高的耐火度，能耐受絕大多數(shù)鑄造合金澆注溫度的作用；

2、l 顆粒比較堅(jiān)硬，能耐受造型時(shí)的舂、壓作用和舊砂再生時(shí)的沖擊和摩擦；l 在接近其熔點(diǎn)的高溫下，仍有足以保持其形狀的強(qiáng)度。但是，硅砂也有不少的缺點(diǎn)，主要是以下幾方面：l 熱穩(wěn)定性差，在570左右發(fā)生相變，伴有甚大的體積膨脹，是鑄件產(chǎn)生各種“膨脹缺陷”的根源，也是影響鑄件尺寸精度和表面粗糙度主要因素；l 高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性不好，易與FeO作用產(chǎn)生易熔的鐵橄欖石，導(dǎo)致鑄件表面粘砂；l 用以配制粘土濕型砂時(shí)，經(jīng)多次循環(huán)使用后，砂粒表面積累變質(zhì)燒結(jié)層，影響鑄件的質(zhì)量，不得不廢舊、更新，而且這種廢棄砂的再生處理難度較大；l 在采用各種高強(qiáng)度、小劑量粘結(jié)劑的條件下，舊砂再生處理時(shí)，硅砂較易于碎裂，而且碎裂所

3、產(chǎn)生的粉塵，對(duì)人類的健康危害很大。這一點(diǎn)，已逐漸成為硅砂致命的弱點(diǎn)。在對(duì)鑄件質(zhì)量的要求日益提高、有關(guān)環(huán)保和清潔生產(chǎn)的法規(guī)日益嚴(yán)格的今天，“硅砂并非理想的原砂”已逐步成為大家的共識(shí)，尋求硅砂的代用材料已是當(dāng)前鑄造行業(yè)中的重要課題之一，各工業(yè)國(guó)家對(duì)此都相當(dāng)重視。尋求硅砂代用材料的途徑之一，是采用合適的天然非硅質(zhì)砂。另一途徑，則是開發(fā)人工制造的顆粒材料。這里，想對(duì)這兩方面的發(fā)展作簡(jiǎn)短的回顧，并對(duì)我國(guó)鑄造行業(yè)中推廣、應(yīng)用人造砂的問題，提出一點(diǎn)初步的設(shè)想。在工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中，鑄造行業(yè)探求非硅質(zhì)砂的應(yīng)用，已有近百年的歷史。各種非硅質(zhì)砂的應(yīng)用，對(duì)鑄造工藝技術(shù)的進(jìn)步和鑄件質(zhì)量的提高，有非常重要的作用。但是，

4、由于資源條件和某些制約因素的影響，迄今為止，還沒有哪一種天然非硅質(zhì)砂有大規(guī)模取代硅砂可能性。另一方面，從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨向看來，用各種人造材料取代非硅質(zhì)砂，卻已成為列入了日程的課題。各種人造砂的開發(fā)和應(yīng)用，也經(jīng)歷了五十多年的發(fā)展過程。最近十多年來，人造砂的應(yīng)用，在提高鑄件質(zhì)量、減少硅質(zhì)粉塵污染、節(jié)約資源等方面的優(yōu)勢(shì)日益顯現(xiàn)，鑄造行業(yè)中所有與“砂” 有關(guān)的工種，都越來越關(guān)注人造砂的應(yīng)用。在特種鑄造工藝方面，人造砂不僅用于V-法造型和消失模鑄造有很好的效果，在熔模鑄造方面用以代替面層耐火材料中的鋯砂，也已經(jīng)成為熱門的研究課題。在砂型鑄造方面，人造砂不僅適用于樹脂粘結(jié)砂，在粘土濕型砂中替代硅砂，也有

5、不少成功的實(shí)例。在不同鑄造合金方面，人造砂不僅適用于生產(chǎn)鑄鋼件，也適用于鑄鐵件和有色合金鑄件。按筆者一管之見和粗淺的認(rèn)識(shí)，用人造砂大規(guī)模取代硅砂的可能性目前已充分顯現(xiàn)，當(dāng)然，逐漸推廣的過程會(huì)是相當(dāng)長(zhǎng)的，還有大量的工作有待鑄造行業(yè)同仁協(xié)力進(jìn)行。一、非硅質(zhì)砂的應(yīng)用鑄造行業(yè)中應(yīng)用的天然非硅質(zhì)砂，主要有鎂橄欖石砂、硅酸鋁砂、鋯砂和鉻鐵礦砂。1、鎂橄欖石砂鎂橄欖石砂的應(yīng)用較早。1927年，盛產(chǎn)鎂橄欖石礦的挪威，首先將其用于配制生產(chǎn)鑄鋼件的型砂。在早期防護(hù)條件相當(dāng)差的情況下，采用這種原砂，可避免工人罹患硅肺病，而且，用于生產(chǎn)高錳鋼、高鉻鎳鋼鑄件，可明顯改善鑄件的表面質(zhì)量。但是，這種砂是由破碎礦巖制得的，粒

6、形不好，且其解理發(fā)育，易于碎裂，型砂難以循環(huán)使用，也不適于再生處理，而且價(jià)格數(shù)倍于硅砂。這是制約其推廣應(yīng)用的兩個(gè)主要原因。2、硅酸鋁砂硅酸鋁砂，包括礦象為藍(lán)晶石、硅線石和紅柱石的砂粒。天然礦物中，三者往往同時(shí)存在，其結(jié)晶構(gòu)造不同，而化學(xué)成分相同（Al2OSiO4）,為同質(zhì)多象變體。硅酸鋁砂呈圓粒形，莫氏硬度67，便于再生處理，對(duì)各種樹脂粘結(jié)劑的適應(yīng)性也很好。從上述特點(diǎn)看來，硅酸鋁砂是一種優(yōu)良的鑄造原砂，美國(guó)已有用于生產(chǎn)的報(bào)道，但是，到目前為止，除美國(guó)佛羅里達(dá)州和澳大利亞西部有產(chǎn)出外，尚未見報(bào)道有其他可供開采的資源。3、鋯砂鋯砂的基本成分是硅酸鋯（ZrSiO4），具有多種適于作鑄造原砂的特性,例

7、如：l 表面光滑，很少有裂隙及凹坑，故耗用粘結(jié)劑的量很少；l 在各種天然的鑄造用砂中，其熱膨脹率最小，而且高溫下熱穩(wěn)定性極好；l 不被熔融金屬潤(rùn)濕；l 熱化學(xué)穩(wěn)定性好，在一般鑄造合金的澆注溫度下基本上不被金屬氧化物侵蝕；l 需酸量很低，適于用酸硬化的樹脂作粘結(jié)劑；l 熱導(dǎo)率高。鑄造生產(chǎn)中使用鋯砂，最早見于上世紀(jì)40年代。當(dāng)時(shí)是利用其熱導(dǎo)率高的特點(diǎn)，作為飛機(jī)用鋁合金鑄件的造型材料，制得了致密的鑄件。早期，我國(guó)也有鑄造廠用鋯砂作粘土濕型砂的基砂，在造型生產(chǎn)線上生產(chǎn)小型高質(zhì)量鑄鋼件。但是，全世界鋯砂的儲(chǔ)量不多，主要產(chǎn)于澳大利亞和南非，而且近年來在陶瓷、耐火材料和遮光劑等方面的需求量大幅度增長(zhǎng)，其價(jià)格

8、飆升之快，令人瞠目，因而，制約了其在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用。雖然，就其性能而言，鋯砂是比較理想的造型材料，實(shí)際上用其配制型砂的情況卻極為罕見，目前，主要用作鑄造涂料的骨料和熔模鑄造高合金鋼鑄件的面層耐火材料。即使在熔模鑄造方面，盡管用量不多，但也決非長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。2006年，日本就將研發(fā)熔模鑄造用鋯砂的替代材料作為鑄造行業(yè)中的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)課題之一，由國(guó)家撥款，支持相關(guān)企業(yè)聯(lián)合組成的課題組予以實(shí)施。初步結(jié)果是可以用人造莫來石陶粒代替鋯砂。美國(guó)內(nèi)務(wù)部和資源勘探部門2011年發(fā)布的Mineral Commodity Summaries 2011中，列有2010年世界各國(guó)已探明的鋯礦儲(chǔ)量和該年度的鋯礦產(chǎn)量

9、，此處，順便將其列于表1，供參考。表1 世界各國(guó)已探明的鋯礦儲(chǔ)量和2010年產(chǎn)量（折合ZrO2量，單位 萬(wàn)t）國(guó)別澳大利亞南非烏克蘭印度美國(guó)巴西中國(guó)印尼其他各國(guó)總計(jì)儲(chǔ)量2300140040034034022050無數(shù)據(jù)50055502010年產(chǎn)量48.139.03.53.1不公開1.814.06.03.0118.54、鉻鐵礦砂鑄造工業(yè)用鉻鐵礦砂作造型材料，大約自上世紀(jì)60年代初開始，當(dāng)時(shí)，主要是因?yàn)殇喩岸倘?，價(jià)格昂貴，而鉻鐵礦砂又具有鋯砂的一些主要優(yōu)點(diǎn)，故用以作為鋯砂的代用品。鉻鐵礦砂是將鉻鐵礦破碎而得到的砂粒。純鉻鐵礦的分子式為FeCr2O4，是鉻鐵尖晶石，含Cr2O3 67.9%。實(shí)際上，

10、鉻鐵礦的組成非常復(fù)雜，其化學(xué)通式可寫成RO·R2O3。R是二價(jià)的，可以是Mg+2或 Fe+2，也可以兩者以任意的比例并存；R是三價(jià)的，可以是Cr+3，也可能同時(shí)兼有Fe+3或Al+3。比較準(zhǔn)確的說，可認(rèn)為鉻鐵礦是含多種尖晶石的復(fù)雜的固溶體。鉻鐵礦礦石中，除鉻鐵礦以外，還含有脈石。脈石主要是蛇紋石，橄欖石，綠泥石及碳酸鹽等礦物。用作鑄造原砂的鉻鐵礦，Cr2O3含量通常只為40%左右，雜質(zhì)的含量是相當(dāng)多的。所含雜質(zhì)的品種及其數(shù)量，均影響鉻鐵礦砂的性能及使用效果。鉻鐵礦的資源比較豐富，無匱乏之虞。據(jù)美國(guó)地礦部門的測(cè)算、全世界鉻鐵礦的儲(chǔ)量約為120億t。雖然近年來對(duì)不銹鋼和耐熱鋼的需求增長(zhǎng)很

11、快，鉻鐵礦的價(jià)格不斷提高，但鉻鐵礦砂的價(jià)格還是比鋯砂低得多。鉻鐵礦砂的不足之處是其粒形不好，以其作基砂配制的型砂，應(yīng)用方面有許多不能令人滿意之處，再生處理的效果不佳尤為突出。鉻鐵礦砂還有一個(gè)特點(diǎn)，那就是具有磁性，用其配制局部采用的面砂，可用磁選方法將其與基砂分離，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，目前廣泛地用于生產(chǎn)大、中型鑄鋼件，主要是配制面砂，置于鑄件壁厚的部位、熱節(jié)部位，以改善鑄件的表面質(zhì)量。即使如此，近來國(guó)外鑄造行業(yè)都在尋求免用鉻鐵礦面砂方案，使型砂單一化，以便于循環(huán)使用，減少?gòu)U棄物的排放量。日本特殊制鋼所就在其所用呋喃樹脂自硬砂中，以人造砂代替硅砂，并在此基礎(chǔ)上采取措施免用鉻鐵礦面砂。按照美國(guó)Miner

12、al Commodity Summaries 2011中的資料，2010年已探明的鉻鐵礦儲(chǔ)量和2010年鉻鐵礦產(chǎn)量見表2。就已探明儲(chǔ)量而言，哈薩克斯坦蘊(yùn)藏最多，南非次之；就當(dāng)前的產(chǎn)量而言，則南非居首位，印度次之，哈薩克斯坦居第三位。表2 世界各國(guó)已探明的鉻鐵礦儲(chǔ)量和2010年產(chǎn)量（折合鉻含量）國(guó)別哈薩克斯坦南非印度美國(guó)其他各國(guó)總計(jì)儲(chǔ)量（萬(wàn)t）1800013000440062354002010年產(chǎn)量（萬(wàn)t）3408503806302200二、各種人造砂的應(yīng)用有關(guān)人造砂的研究開發(fā)工作，迄今已有50多年了，近10多年來逐漸進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段，并已在各國(guó)鑄造行業(yè)中顯現(xiàn)了很好的發(fā)展勢(shì)頭。1、碳粒砂美國(guó)最

13、早用以代替硅砂的碳粒砂，是由破碎石墨電極塊得到的角形顆粒。這種碳粒砂雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但因粒形不好而致的缺點(diǎn)也不少，如：砂粒的比表面積大，需用粘結(jié)劑量增多；配制的型砂流動(dòng)性差，難以舂實(shí)；反復(fù)使用時(shí)易于碎裂等。因而，未能推廣應(yīng)用。1960年，美國(guó)的J.Gentry，由煅燒液態(tài)石油焦制得球形碳粒砂，并在鑄造生產(chǎn)中試用，取得了很好的效果。1984年，開始在美國(guó)加州投入商品生產(chǎn)，并向鑄造行業(yè)推銷。從1989年起，由美國(guó)膠體公司(American Colloid Company)經(jīng)營(yíng)，此后，其應(yīng)用逐漸推廣。（1） 碳粒砂的特性球形碳粒砂主要特性是：l 熱膨脹少，用其配制型砂，鑄件不會(huì)產(chǎn)生膨脹缺陷；l 顆粒

14、為球形，型砂的流動(dòng)性好，易于舂實(shí)，而且透氣性好；l 用以配制的型砂、芯砂脫模性能很好，即使模樣上有深的凹部也易于脫出；l 無硅質(zhì)粉的塵危害；l 不為金屬液所潤(rùn)濕，也不與金屬氧化物作用，鑄件不產(chǎn)生粘砂缺陷；l 顆粒不易破碎，回用率高于硅砂。（2）碳粒砂的應(yīng)用鑄造行業(yè)中所用的各種粘結(jié)劑，都可用于碳粒砂；用碳粒配制的型砂、芯砂，適用于任何造型工藝和制芯工藝；可用于制造鑄鐵件和各種有色合金鑄件，如果鑄型或芯子上涂以適當(dāng)?shù)耐苛希部捎靡灾圃扈T鋼件。碳粒砂中的含硫量雖較高（5左右），但所有的硫都是與碳緊密結(jié)合的，對(duì)鑄件質(zhì)量和環(huán)境都無影響。碳粒砂的價(jià)格低于鋯砂，但比硅砂高得多，一般都將其與硅砂配合使用。用5

15、0:50的混配砂制芯，在同樣射砂條件下，芯子的緊實(shí)度提高，從而可使芯子的尺寸精度提高。而且，芯子還可不施涂料。用加有碳粒砂的粘土濕型砂造型，型砂中的煤粉加入量可按混配砂中碳粒砂所占的比例減少，從而可減少澆注時(shí)散發(fā)的有害氣體。用混配砂制造球墨鑄鐵件時(shí)，因碳粒砂的熱導(dǎo)率高，而且鑄型的緊實(shí)度高，可減少甚至消除縮松缺陷。美國(guó)一家鑄造廠曾在生產(chǎn)條件下考核碳粒砂的耐用性。用碳粒砂配制粘土濕型砂，用震壓式造型機(jī)、雙面模板造型，型砂每天周轉(zhuǎn)23次，每次混砂時(shí)只補(bǔ)加膨潤(rùn)土和水，不補(bǔ)加新砂。經(jīng)8個(gè)月的驗(yàn)證，砂量未見減少，系統(tǒng)砂中碳粒砂的粒度組成也基本上沒有變化。上世紀(jì)60年代初，美國(guó)還用石墨顆粒替代硅砂制型，采用

16、差壓鑄造工藝，生產(chǎn)航空、航天用高質(zhì)量鎂合金鑄件。利用保護(hù)性氣體的壓差，使鎂合金液進(jìn)入鑄型。 其造型工藝的要點(diǎn)是：以AFS細(xì)度約47（大致相當(dāng)于40/70目）的人造石墨顆粒為基砂，加入膨潤(rùn)土和水混勻，混合料的濕抗壓強(qiáng)度約40 kPa，制成的鑄型于120烘干24h。然后，組合鑄型，將其安置在密封的熔煉坩鍋的上方，鑄型下方的澆口與升液管對(duì)齊，并緊固在坩鍋蓋上。利用坩鍋內(nèi)保護(hù)鎂合金液的氬氣與鑄型內(nèi)的保護(hù)性氬氣的壓差，使鎂合金液平穩(wěn)地上升到鑄型中，如圖1所示。圖1 石墨粒鑄型差壓鑄造工藝示意圖2、頑輝石砂頑輝石砂是利用冶煉鐵鎳合金的爐渣制成的，頑輝石砂的開發(fā)可以說是廢棄物的再利用，成品砂的價(jià)格只略高于硅

17、砂。冶煉鐵鎳合金的原礦，是由含鎳的橄欖巖風(fēng)化而成的。熔煉時(shí)產(chǎn)生的爐渣，化學(xué)成分也大體上類似于天然的橄欖巖，主要組分是SiO2和MgO，也含有少量氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣等成分。從礦物組成來看，以頑輝石為主，也有部分鎂橄欖石和透輝石等，不存在游離的 MgO、CaO 和 SiO2。目前，生產(chǎn)頑輝石砂的廠家都是冶煉鐵鎳合金的廠家。美國(guó)主要的生產(chǎn)廠是Green Diamond Products公司。日本則由生產(chǎn)鐵鎳合金的太平洋金屬八戶制作所和生產(chǎn)鑄造材料的山川產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社合作制造.頑輝石砂的化學(xué)成分大致如表3所示。 表3 頑輝石砂的化學(xué)成分Si02Mg0Al202Fe203Ca05055%2736%1.

18、52.5%816%0.55%(1) 頑輝石砂的品種目前，有兩種不同粒形的頑輝石砂供應(yīng)，其基本情況如下。早期的頑輝石砂，是將熔融的爐渣淬入水中，使之碎裂，然后再加以破碎而制得的。這樣制成的顆粒，粒形為尖角形，粒度也不易控制，不適于作鑄造用砂，主要用于噴砂清理和建筑業(yè)。1985年前后，日本山川產(chǎn)業(yè)株式會(huì)對(duì)此種頑輝石砂的生產(chǎn)工藝上作了改進(jìn)，使之能用作鑄造用原砂。工藝的要點(diǎn)是：將熔融的爐渣淬入水中冷卻，并加以破碎，得到尖角形頑輝石顆粒，然后置山川公司專有的槽式磨礦機(jī)中加水研磨，以改善粒形和表面性狀。這種頑輝石砂的商品名稱為“NE 砂”，粒形為尖角形-多角形，見圖2。圖2 尖角形-多角形頑輝石砂（NE

19、砂）的粒形有鑒于角形頑輝石砂的粒形不好，配制的型砂不易舂實(shí)。1998年，日本山川株式會(huì)社與太平洋金屬公司又共同努力，成功地制成了球形頑輝石砂，其制備工藝的要點(diǎn)是：不將熔融狀態(tài)的鐵鎳合金爐渣淬入水中冷卻，改用空氣吹散，冷卻后成為細(xì)小的球狀顆粒，粒徑在0.5以下。然后再置槽式磨礦機(jī)內(nèi)加水研磨，得到非常適于作鑄造原砂的圓粒形砂，商品名稱是“太陽(yáng)珠”，見圖3。圖3 球形頑輝石砂（太陽(yáng)珠）的粒形（2）頑輝石砂的特性頑輝石砂的主要特點(diǎn)是：表面清潔；熱膨脹少；不產(chǎn)生有害的硅粉塵；由于是熔融材料制成的，質(zhì)地堅(jiān)實(shí)、耐用性好；球形頑輝石砂還具有球形砂的其他各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。兩種頑輝石砂的幾項(xiàng)性能指標(biāo)見表4，為便于對(duì)比，表

20、中還列出了一種優(yōu)質(zhì)硅砂的性能。表4 幾種不同原砂品性能對(duì)比PH值需酸量(ml/50g)耐火度堆密度(g/3)真密度(g/3)熱導(dǎo)率(W/m·K)NE砂8.7914.713501.52.950.44太陽(yáng)珠8.245.415101.873.070.49硅砂7.060.217201.432.650.82注：硅砂是含Si02 99.5%的優(yōu)質(zhì)硅砂（3）頑輝石砂的應(yīng)用頑輝石砂的耐火度較低，主要用于制造鑄鐵件。也可用于制造熔點(diǎn)較低的高錳鋼鑄件。角形頑輝石砂的粒形不佳，不易舂實(shí)，故熱導(dǎo)率較低。用以配制的覆膜砂，不易硬化。實(shí)際上生產(chǎn)中，很少單獨(dú)用角形頑輝石砂制覆膜砂，往往與硅砂配合使用。角形頑輝石砂

21、可以代替鎂橄欖石砂，用于制造高錳鋼鑄件。美國(guó)俄勒岡州的Eagle Creek鑄造廠，原用水玻璃粘結(jié)的鎂橄欖石砂造型，制造高錳鋼鑄件。改用頑輝石砂后，由于此種原砂質(zhì)量的一致性優(yōu)于鎂橄欖石砂，鑄型質(zhì)量的穩(wěn)定性較好，此外，與鎂橄欖石砂相比，較易于再生回用，原砂的耗用量減少，生產(chǎn)成本有所下降。球形頑輝石砂是更好的造型材料，用的配制覆膜砂，可明顯減少樹脂加入量，從而可以降低生產(chǎn)成本并減少氣體的排放量。但是，由于其需酸量較高，采用酸硬化的樹脂時(shí)，需用作用較強(qiáng)的硬化劑。日本的山川公司是日本生產(chǎn)、供應(yīng)覆膜砂的廠家，其頑輝石砂產(chǎn)品（太陽(yáng)珠）也多用于配制覆膜砂，供鑄造廠制作內(nèi)燃機(jī)缸體、缸蓋以及液壓閥等重要鑄件的芯

22、子。日本一些鑄造廠使用球形頑輝石砂的情況見表5。表5 日本一些鑄造廠采用球形頑輝石砂的情況鑄造廠產(chǎn)品類型鑄件材質(zhì)頑輝石砂的用途使用后的效果1缸蓋灰鑄鐵水套殼芯芯子損壞少，鑄件上脈狀紋少，易請(qǐng)砂2缸蓋灰鑄鐵殼芯，樹脂自硬砂型芯子損壞少，鑄件上脈狀紋少，易請(qǐng)砂3泵銅合金堿酚醛樹脂吹C02制芯鑄件上脈狀紋及氣孔缺陷減少4液壓閥，缸體灰鑄鐵、球墨鑄鐵殼芯芯子損壞少，氣孔缺陷少5液壓閥灰鑄鐵殼芯芯子損壞少，鑄件上脈狀紋少，易請(qǐng)砂6缸蓋鋁合金殼芯（金屬型）芯子損壞少，鑄件上脈狀紋少，易請(qǐng)砂7空心凸輪軸球墨鑄鐵殼芯芯子損壞少，易請(qǐng)砂，內(nèi)孔表面質(zhì)量改善8缸體灰鑄鐵冷芯盒工藝制芯芯子變形少，鑄件上脈狀紋少9汽車

23、鑄件，精密機(jī)械鑄件鋁合金堿性酚醛樹脂砂鑄型易舂實(shí)，鑄件表面質(zhì)量改善，砂的回收率提高10耐磨件高錳鋼、高鉻鋼水玻璃C02硬化砂粘結(jié)劑用量減少，砂的回收率提高11精密機(jī)械鑄件灰鑄鐵、球墨鑄鐵消失模鑄造時(shí)的填砂鑄件尺寸精度提高，表面質(zhì)量改善特別值得提到的是，球形頑輝石砂表面非常光滑，舊砂再生時(shí)，只要施以輕微的摩擦就可將砂粒表面的粘結(jié)膜脫除。用于各種有機(jī)粘結(jié)劑的型砂、芯砂時(shí)，砂再生工序的能耗少，舊砂再生率高，從而可帶來多方面的效益。即使是砂再生一直是難題的水玻璃粘結(jié)砂，改用球形頑輝石砂后，也有較好的效果。3、硅酸鋁系人造砂目前，硅酸鋁系人造砂有三大類：燒結(jié)陶粒，低密度陶粒和熔制的莫來石砂。（1）燒結(jié)陶

24、粒燒結(jié)陶粒首先由美國(guó) Carbo Ceramics公司于上世紀(jì)80年代研制問世，商品名稱為“Ceramacore”，是人工燒制的陶瓷球形顆粒，最初作為支撐劑用于油、氣工業(yè)中。90年代初，美國(guó)和日本先后將其用于鑄造行業(yè)，作為鋯砂的代用品。日本的制造廠商為伊藤忠陶業(yè)株式會(huì)社，產(chǎn)品的名稱是“Cerabeads”，簡(jiǎn)稱 CB 砂。燒結(jié)陶粒的粒形見圖4。圖4 燒結(jié)陶粒的粒形伊藤忠陶業(yè)所用的造粒方法有兩種：較粗的顆粒，用旋轉(zhuǎn)造粒機(jī)；0.21的顆粒，現(xiàn)將粉料按要求的成分配合，加入粘結(jié)劑配成漿料，然后噴霧成形，同時(shí)使之干燥。對(duì)于要求流動(dòng)性、填充性好的粉料，如熔模鑄造面層涂料所用的耐火材料，予以表面燒熔處理。將

25、制好的粉料投入高溫火炎中，使其尖角部位燒熔。作為鑄造行業(yè)用的原砂，燒結(jié)陶粒有以下優(yōu)點(diǎn)：l 顆粒為球形，流動(dòng)性好，易于舂實(shí)；l 透氣性好，用于油、氣工業(yè)時(shí)，油、氣都可通過。作為鑄造用砂，特別適用于消失模鑄造和 V-法造型工藝；l 熱膨脹率低，可以和鋯砂媲美。國(guó)外曾試用陶粒配砂造型，澆注1650的金屬液，鑄件未見膨脹缺陷；l 再生、回用性能好。美國(guó)，燒結(jié)陶粒首先用于消失模鑄造工藝。例如，Citation 鑄造公司是采用消失模工藝的主要廠家，改用陶粒作填充砂后，效果很好。據(jù)報(bào)道，該廠認(rèn)為采用陶粒后，造型所耗的能量大幅度減少，鑄件尺寸精度明顯改善，特別是，他們認(rèn)為陶粒的耐用性極佳。美國(guó)Ashland公

26、司很重視燒結(jié)陶粒的各種優(yōu)點(diǎn)，1997年與Carbo Ceramics公司簽署了排他性的銷售協(xié)議。原則上，燒結(jié)陶粒可適用于現(xiàn)有的各種粘結(jié)劑，但是，由于其表面粗糙而不光滑，采用低粘度粘結(jié)劑（如各種樹脂）時(shí)，表面吸附的粘結(jié)劑較多，因而砂粒之間出粘結(jié)橋較細(xì)，在粘結(jié)劑加入量相同的條件下，型砂的強(qiáng)度較低。美國(guó)、日本都有鑄造廠將陶粒用于配制膨潤(rùn)土粘結(jié)的濕型砂，制造球墨鑄鐵件，并已得到滿意的效果。使用燒結(jié)陶粒的問題是價(jià)格高，而且目前供應(yīng)的產(chǎn)品粒度規(guī)格尚不齊備。（2）低密度陶粒由于其熱導(dǎo)率低，制造薄壁鑄鐵件時(shí)，在粘土濕型砂或芯砂中配入陶粒，不僅有利于鐵液充型，而且還可避免鑄件上出現(xiàn)過冷組織，是一項(xiàng)有助于生產(chǎn)超薄

27、壁（2.53）鑄鐵件的重要措施，對(duì)于滿足汽車及其他機(jī)電設(shè)備的輕量化要求非常有益。據(jù)美國(guó)的報(bào)道，所用低密度陶粒的成分大致是：氧化鋁2540%，氧化硅5575%。其熱導(dǎo)率約為0.150.25W/m·K，只是硅砂的 1/3左右。堆密度0.350.45 g·/cm3,軟化溫度為12001600?？膳淙胄蜕盎蛐旧爸?，也可用于配制保溫型涂料或發(fā)熱冒口套。美國(guó)用低密度陶粒，加入粘結(jié)劑制成的冒口保溫套中，陶粒顆粒的形貌見圖5。圖5 低密度陶粒在掃描電鏡下的形貌（見于加入粘結(jié)劑制成的保溫套）關(guān)于低密度陶粒的制造方法，國(guó)外未予報(bào)道，從報(bào)道中有關(guān)其成分、熱導(dǎo)率、堆密度、軟化溫度的數(shù)據(jù)，以及掃描電

28、鏡下的形貌看來，筆者認(rèn)為很可能就是電廠處理煙塵得到的一種副產(chǎn)品，我國(guó)通稱為漂珠。（3）熔制的莫來石砂（我國(guó)出產(chǎn)的“寶珠砂”）在人造砂的開發(fā)方面，我國(guó)有自己的創(chuàng)新成果，那就是開發(fā)了熔制的莫來石砂。我國(guó)河南洛陽(yáng)一帶，高鋁礬土資源豐富，十多年前就由生產(chǎn)企業(yè)與高等學(xué)校合作研制莫來石質(zhì)人造砂，由凱林鑄材公司、金玨鑄材公司、寶珠砂鑄材公司等企業(yè)生產(chǎn)，這種產(chǎn)品最初的名稱為“寶珠砂”，后來金玨公司又稱之為“鈺珠砂”，實(shí)際上都是相同的產(chǎn)品。寶珠砂的制造方法是：選取優(yōu)質(zhì)鋁礬土原料，置電弧爐中熔融，當(dāng)熔融液自爐中流出時(shí)，用壓縮空氣流將其吹散，冷卻后，得到球形或接近于球形的顆粒，表面光滑。就制造方法而言，與日本山川公

29、司制造“太陽(yáng)珠”的方法基本相同，但化學(xué)成分不同。圖6是寶珠砂制造方法的示意圖，寶珠砂的粒形見圖7。圖6 寶珠砂制造方法的示意圖圖7 寶珠砂的粒形 a）平均細(xì)度40； b）平均細(xì)度75“寶珠砂”具有多種優(yōu)異的性能，可適用于各種鑄造合金和多種鑄造工藝，而價(jià)格低于鋯砂和鉻鐵礦砂。“寶珠砂”問世之初，很快就受到了外國(guó)鑄造行業(yè)的重視，早期的產(chǎn)品主要出口到日本，并由日本轉(zhuǎn)銷到其他國(guó)家。近幾年，我國(guó)鑄造行業(yè)中也已開始采用，并取得了很好的效果。在制芯用的覆膜砂中，配用部分寶珠砂，能有效地防止鑄件產(chǎn)生脈狀紋缺陷。筆者認(rèn)為：這一我國(guó)自行開發(fā)的、性能優(yōu)良的造型材料，迄今為止，在我國(guó)鑄造行業(yè)中尚未得到應(yīng)有的重視。 寶

30、珠砂的化學(xué)成分大致如下：Al2O3 SiO2 TiO2 Fe2O3 其他7885 815 3.5 4 微量寶珠砂的粒形為球形或接近于球形，顏色為黑棕色。粒徑在0.053 mm(270目)2.0 mm（6目）之間，客戶可根據(jù)自己的工藝要求，對(duì)粒度分布情況作具體規(guī)定。此外，生產(chǎn)廠也可供應(yīng)270目以下的細(xì)粉。寶珠砂的主要性能是：l 耐火度在1800以上，比頑輝石砂高很多，高溫化學(xué)穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于硅砂，可用于鑄鋼、鑄鐵和各種有色合金。l 是電熔材料，質(zhì)地致密，耐用性優(yōu)于燒結(jié)陶粒。l 受熱后的膨脹率約為硅砂的1/5，與鋯砂大致相，略低于鉻鐵礦砂，作為造型材料可有效地防止鑄件產(chǎn)生膨脹缺陷。寶珠砂的價(jià)格比較便宜

31、，大約是鋯砂的1/3，鉻鐵礦砂的1/2。三、對(duì)我國(guó)鑄造行業(yè)中推廣、應(yīng)用人造砂的設(shè)想談到有關(guān)推廣應(yīng)用人造砂的設(shè)想之前，先將硅砂及可能采用的替代材料的一些物性數(shù)據(jù)列于表6，供比較分析。表6 硅砂及一些替代材料的物性數(shù)據(jù)（不一定準(zhǔn)確，僅供參考）原 砂 品 種PH值需酸量（ml/50g）耐火度（）堆密度（t/m3）熱導(dǎo)率W/(m·K)熱膨脹率比熱容（J/kg·K）硅砂780.217101.41.50.70.81.51130鋯砂7.20.218302.930.80.90.181423鉻鐵礦砂7.84.418302.800.650.30.41214鎂橄欖石砂9.332915301.68

32、0.480.30.5球形頑輝石砂8.245.414601.870.490.49燒結(jié)陶粒6.60.818251.600.560.151842低密度陶粒79120016000.350.450.150.25寶珠砂7.617901.92.00.50.60.132210 注：熱膨脹率的測(cè)定方法是：將加有粘結(jié)劑的混成砂制成35×55試樣，完全硬化后，在1000 加熱5 min，測(cè)量其尺寸變化，計(jì)算膨脹率。我國(guó)石油焦的產(chǎn)量不少，但這種資源畢竟是有限的，而且石油焦的用途很多，鑄造行業(yè)中大規(guī)模采用以石油焦為原料的碳粒砂，是不太可能的。迄今為止，我國(guó)還未見采用碳粒砂的報(bào)道，今后，應(yīng)該開發(fā)這一領(lǐng)域，適量地

33、生產(chǎn)碳粒砂，用于特殊的鑄造條件。我國(guó)鎳礦資源不多，不可能大量供應(yīng)人造頑輝石砂，而且頑輝石砂的耐火度不高，其用途有一定的局限，近期似可不必在這方面進(jìn)行太多的研究工作。寶珠砂是我們自己的產(chǎn)品，其性能不僅比頑輝石砂好得多，而且，從總體而言，優(yōu)于燒結(jié)陶粒。制造寶珠砂的原材料是優(yōu)質(zhì)鋁礬土，我國(guó)蘊(yùn)藏有豐富的資源。在制造技術(shù)方面，我們已具有多年生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，而且，現(xiàn)已具有相當(dāng)可觀的生產(chǎn)能力。目前，我國(guó)寶珠砂的年產(chǎn)量約在40000噸以上，早期，大部分都出口供外國(guó)使用，國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多，近幾年，國(guó)內(nèi)的用量雖逐漸有所增加，但仍然未能充分利用我們自己的優(yōu)勢(shì)。今后，我國(guó)鑄造行業(yè)應(yīng)該特別關(guān)注寶珠砂的推廣、應(yīng)用。今后，還可在此

34、基礎(chǔ)上研制性能更好的人造砂，例如球形尖晶石顆粒。近期的目標(biāo) 用于V-法鑄造和消失模鑄造V-法鑄造全部用干砂造型，消失模鑄造大部分也采用干砂造型。如采用硅砂，落砂過程中散發(fā)硅粉塵很多，勞動(dòng)條件很壞，這是亟待解決的問題。用寶珠砂代替硅砂，可大幅度減少散發(fā)的粉塵，而且粉塵中所含的硅質(zhì)粉塵很少，對(duì)改善勞動(dòng)條件和保護(hù)環(huán)境意義重大。除此以外，還有以下好處：l 寶珠砂的耐火度高于硅砂，而且造型時(shí)填充的緊實(shí)度高，因而，可使鑄件的表面質(zhì)量提高，生產(chǎn)中的廢品率降低；l 球形的寶珠砂流動(dòng)性很好，對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，內(nèi)夾角、深凹處、平孔等難以填充的部位，都易于填緊。因而，可顯著減少這些部位的包砂缺陷，大幅度減少清理和

35、精整的工作量；l 每噸鑄件耗用的型砂量可減少90%，排放的廢棄物也相應(yīng)地減少；l 消失模鑄造采用樹脂粘結(jié)砂造型時(shí)，樹脂的用量可減少1/3。雖然寶珠砂的價(jià)格比硅砂高不少，如使用得當(dāng)，全面核算下來，不僅可明顯提高鑄件質(zhì)量，而且可降低生產(chǎn)成本。寶珠砂的熱膨脹率低是一項(xiàng)重要的優(yōu)點(diǎn)，可防止鑄件產(chǎn)生膨脹缺陷，但這一特性也有一定的負(fù)面作用。由于其受熱后的膨脹率比硅砂低得多，生產(chǎn)鑄鐵件，特別是球墨鑄鐵件時(shí)，鑄型制約鑄件石墨化膨脹的作用較差，因而鑄件易產(chǎn)生收縮缺陷，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置冒口。近期的目標(biāo) 在熔模鑄造中替代鋯砂和鋯砂粉目前，我國(guó)熔模精密鑄件的年產(chǎn)量在50萬(wàn)噸以上，型殼廢料大約在100萬(wàn)噸以上，型殼材料的循環(huán)

36、利用，是一項(xiàng)值得關(guān)注的重要課題。質(zhì)量較高的熔模精密鑄件，型殼的面層耐火材料（包括涂料中的骨料和撒砂）大都采用鋯砂粉和鋯砂。鑄件脫殼后，無法將其與背層耐火材料分離，不僅浪費(fèi)了資源短缺、價(jià)格高昂的鋯砂，而且增加了型殼廢料回收利用的難度。從1996年底開始，日本就將提高熔模鑄造技術(shù)、開發(fā)型殼面層用人造材料，列為戰(zhàn)略性基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)課題之一，由日本鑄造協(xié)會(huì)管理，日立金屬、妙中礦業(yè)等知名鑄造企業(yè)，以及伊藤忠陶瓷聯(lián)合實(shí)施，這一課題于2009年11月完成。主要成果是用燒結(jié)陶粒代替鋯砂，用陶粒粉代替鋯砂粉，背層則仍然采用與陶粒成分相近的硅鋁質(zhì)耐火材料。這種型殼可用于大氣鑄造和真空鑄造，已用以制成燃?xì)廨啓C(jī)的鎳基合

37、金噴嘴環(huán)。為了保證面層涂料中骨料的填充性能，面層涂料所用的陶粒粉予以表面燒熔處理。處理方法是：粉料通過高溫火炎，使其棱角燒熔、表面光滑。由于型殼所用的耐火材料全部是硅鋁質(zhì)材料，廢棄的型殼，全部由伊藤忠陶瓷公司回收，經(jīng)適當(dāng)處理后，重新制成陶粒和陶粒粉，循環(huán)利用，既節(jié)省了鋯砂，又保護(hù)了資源。我國(guó)的寶珠砂，是經(jīng)電熔后制得的，質(zhì)地致密，表面光滑，性能優(yōu)于燒結(jié)陶粒。特別應(yīng)該提到的是：制造寶珠砂時(shí)，由于噴吹的作用，270目以下的微粒（粒徑0.053以下）可能有5%左右。這些微粒，保留在寶珠砂中是不適宜的。如果將其收集，用于配制面層涂料，填充性能一定明顯優(yōu)于經(jīng)表面熔燒處理的粉料。因此，可以認(rèn)為：目前，我國(guó)熔模鑄造行業(yè)中免用鋯砂的條件已經(jīng)具備。近期的目標(biāo) 在生產(chǎn)中、大型鑄鋼件方面替代鉻鐵礦砂寶珠砂，除堆密度低于鉻鐵礦砂以外，一些主要的熱物性，如熱導(dǎo)率、熱膨脹率、耐火度等，都與鉻鐵礦砂相近。在顆粒形狀和耐破碎性方面，則比鉻鐵礦砂好得多，而價(jià)格卻只是鉻鐵礦砂的1/2左右