铸造砂

中国在公元17世纪已使用硅砂作造型材料,用于制造钟、镜、锅和火炮等铸件。但早期使用的多为含粘土的天然硅砂即山砂和河砂,它有较好的可塑性,可直接用于制造铸型和型芯,适于当时手工生产的条件。铸件进入工业化的大规模生产后,特别是造型机械化后,这种含粘土的天然硅砂性能的均一性差,型砂的质量难以控制,不能满足工艺要求,因此开始建砂厂,对天然硅砂进行水洗、擦洗、精选,得到各种高质量硅砂。或将硅石破碎制成的人工硅砂。同时,也扩大了各种非硅质砂的使用。树脂砂造型造芯工艺的应用和发展,对铸造用砂的质量又提出了更高的要求,如细粉少,比表面积小,耗酸值低等。此外,对砂粒大小形状和粒度分布状况也有了新的要求。一些缺乏优质砂源的国家还发展了硅砂浮选技术,以提高硅砂的品位和质量。

铸造砂应满足以下的要求:
①较高的纯度和洁净度,以硅砂为例,铸铁用砂要求SiO2含量在90%以上,较大的铸钢件则要求SiO2含量在97%以上;
②高的耐火度和热稳定性;
③适宜的颗粒形状和颗粒组成;
④不易被液态金属润湿;
⑤价廉易得。

铸造砂的颗粒形状和颗粒组成对型砂的流动性、紧实性、透气性、强度和抗液态金属的渗透性等性能有影响,是铸造砂质量的重要指标。

铸造砂的形状一般分3种。

①圆形砂:颗粒为球形或接近于球形,表面光洁,没有突出的棱角。
②多角形砂:颗粒成多角形,且多为钝角。
③尖角形砂:颗粒成尖角形,且锐角较多。铸造砂的颗粒形状一般以角形系数(砂粒实际比表面积/球形砂粒理论比表面积之比)来表示。

砂子的颗粒组成是用筛号来表示的,测定的方法是将经水洗去泥分烘干后的干砂倒入标准筛,再放到筛砂机上筛分,筛分后将各筛子上停留的砂子分别称重,通常用标准筛筛分后砂粒最集中的3个相邻筛子的头尾筛号表示颗粒组成。

铸造砂按矿物组成不同分为石英砂和特种砂两大类,石英砂俗称硅砂。

主要矿物组成为石英,主要化学成分为SiO2。
①天然硅砂:因其化学成分,粒度组成不同,分别用于有色合金铸件、铸铁件及中小型铸钢件的型砂和芯砂。
②精选天然硅砂:用于以有机物作为粘结剂的各种铸钢件型砂和芯砂。
③人工硅砂:用于精铸、打炉衬或铸钢件的型砂和芯砂。

非硅质砂种类较多,用途各异。①石灰石砂:由石灰岩破碎而成,主要矿物组成是CaCO3,用于铸钢件的型砂和芯砂。②锆砂:主要矿物组成是ZrO2·SiO2,用于大型铸钢件及合金钢件的芯砂或砂型的面砂,或将其粉料用作涂料。③镁砂:主要矿物组成是MgO,用于高锰钢铸件的面砂、芯砂,其粉料可用作涂料。④铬铁矿砂:主要矿物组成是铬铁矿FeO·Cr2O3,用于大型或特殊铸钢件的面砂、芯砂,其粉料可用作涂料。⑤刚玉砂:主要矿物组成是刚玉α-Al2O3,用于熔模、陶瓷型铸造的制壳材料。⑥橄榄石砂:主要矿物组成是橄榄石(MgFe)2SiO4,用于铸铁件、有色合金铸件以及高锰钢铸件的型砂和芯砂。⑦宝珠砂:主要矿物组成是Al2O3,耐高温、易溃散、粒型好、抗酸碱侵蚀、破碎率低、回用性强等优点。是铸铁、铸钢、铸铜、铸铝以及芯砂的理想造型材料。其性价比超过铬矿砂,锆英砂。

自然界中硅砂资源充足,但适合铸造用的SiO2含量高的天然硅砂并不太多。中国于1951年开始,对境内的铸造砂资源陆续进行了普查,但主要限于交通干线和主要工业城市附近。普查结果表明,中国可用于铸造的天然硅砂资源十分丰富,分布范围很广。内蒙古哲里木盟,天然硅砂储藏量达数亿吨,其颗粒形状接近圆形,SiO2含量为90%左右,非常适合工业铸造。福建晋江、东山的海砂,SiO2含量为94~98%。江西的都昌、星子、永修县均有大量第四纪河湖相积沉硅砂,SiO2含量为90%左右,含铁量低,碱性氧化物少,粒度均匀,是较好的湖砂。广州、湖南等地有丰富的易破碎的风化砂岩,可加工成人工硅砂,其SiO2含量在96%以上,可用于铸钢件的生产。