焙烧石英砂及其应用

在中国铸造俗称“翻砂”，可知砂与铸造的关系。

铸造生产中除采用极少量的特种砂外，99 %以上是采用石英砂，本文对石英砂的微观结构及特性进行研究与分析。

1石英砂的微观结构及特性

1.1综述石英砂的微观结构及特性

1.1.1石英砂的同质异晶转变及膨胀

石英砂的主要成分是石英（SiO2)，石英有多种晶系与结构，可在一定温度下转变并伴随着体积变化。常温下是三方晶系的α-石英，密度2.65g/cm3,在573℃可转变为六方晶系的β-石英，密度2.51-2.54 g/cm3，在870℃转变为斜六方晶系的β-鱗石英，密度2.26g/cm3。因此石英是随温度变化而伴随着同质异晶转变。从各晶体的密度变化不难推算：常溫下的石英加热到相变温度870℃，其相变膨胀体积增加17.26%。

1.1.2石英砂的同质异晶转变与加热速度的关系

在一次实验中采取特殊激冷方法冷却高温焙烧砂，取其试样检测，在X射线衍射图谱上发现，保留有一条4.15×10-8cm衍射线，该衍射线与鱗石英特性相近。该样品的加热速度并非緩慢，只是冷却速度很快，因此可以判断：石英加热到870℃以上就会转变为鳞石英；在激冷条件下冷却，鱗石英未完全恢复到α-石英；石英同质异晶转变只与温度有关，与加热速度无关。铸造生产中的很多现象也证明了此判断的可靠性。

1.1.3石英砂中的发气物质

从测试各地的擦洗石英砂发现：无论砂擦洗的再干净，并彻底的烘干了，在发气测量仪上加热到850℃检测， 均可测出有3-9mL/g的气体。普通覆膜砂在该仪器上检测均有这样的现象：溫度升到850℃，测试到了后期，发气量稳定一段时间不增长，而后再增长一定量的气体才测试完成。焙烧石英砂的覆膜砂的发气量测定无后期再增长现象。综上分析判断，石英砂中含有发气物质，该物质不是普通水，但有以下特性：必须在一定高的温度下，并需要一定的时间才能分解、汽化。

1.1.4石英砂粒表面的理化性能

自然界的原砂，无论采用何种方式加工、擦洗，其砂粒表面都有一层薄膜，经过高温焙烧可除去该薄膜， 因此焙烧石英砂的覆膜砂强度比普通砂覆膜砂强度高很多。

2石英砂与铸造缺陷的关系

2.1粘砂

粘砂是铸造中最常见的缺陷。除某些有色金属外，一般金属液的浇注温度均＞900℃,即高于石英的相变温度，当接触金属液的砂粒温度升到870℃时，将产生相变膨胀，在型、芯界面上排列紧密的砂粒膨胀无空间发展时，必然将部分砂粒挤入未凝固的金属界面上去，于是形成粘砂。薄壁铸件、浇注温度低的铸件粘砂少的原因之一是当接触金属液的砂粒温升还未到870℃产生相变膨胀时，金属已凝固，之后砂粒再升温及相变膨胀，亦难侵入到金属界面上去。锆砂、铬铁矿砂及与石英砂熔点相近的陶粒砂不产生相变膨胀，因此很少粘砂。

2.2砂眼、走皮、脉纹及橘皮状缺陷

砂眼亦是铸造中常见的缺陷，其产生的原因之一也是石英砂的相变膨胀引起。浇注后型、芯表面温升达到870℃以上时，砂粒相变膨胀，在型、芯界面内产生挤压应力，当此应力大于型、芯在该温度下的强度时，型、芯表面被破坏，将部分砂团随金属液沖入型腔而形成砂眼，当大面积型、芯表面被破坏则产生起皮现象。被破坏的型、芯表面挤走了的砂团部位，自然被金属液侵入，冷却后凸出在铸件表面，如果成条的砂团被挤走则形成脉纹，如果沿很多不规则的小板块四周破坏，则形成橘皮。

3改变石英砂的固有特性

3.1石英砂的高温焙烧处理

1994年提出将石英砂加热到870℃以上高温焙烧，而后再将焙烧处理过的石英砂用到铸造生产中。从生产及试验中已得出以下3条结论:

（1）用焙烧石英砂生产的覆膜砂，其试样的线膨胀率很小，接近无相变膨胀的锆砂覆膜砂试样。

（2）原砂经焙烧除去了原有的3-9ml/g气体。

（3）焙烧改变了砂粒表面的理化性能，可以提高用这种造型材料制取的型、芯的力学强度。

3.2焙烧石英砂在覆膜砂方面的实践

3.2.1关于耐高温覆膜砂

日本专利昭61-169127于1986年7月30日公开的“壳型树脂覆膜砂的制造方法”，介绍了在覆膜砂中可以加入石墨及碳素材料，改善覆膜砂的高温性能， 之后中国有了“耐高温覆膜砂”，据了解该覆膜砂除加入日本专利介绍的材料外，还加有氧化铁粉，后又加入无相变膨胀的材料铬铁矿砂、结砂。显然这种耐高温覆膜砂加入上述材料的作用在于缓解其高温膨胀，经检测，当时的该覆膜砂1000℃的线膨胀率为0.8%左右，比未加辅料的普通覆膜砂的高温线膨胀率1.2%-1.4%低，但与焙烧砂生产的覆膜砂0.5%-0.6% 相比则有一定的差距，而且后者的发气量又低很多，此外后者的成本亦比前者低很多。

3.2.2在朝阳柴油机厂的生产验证

试用焙烧砂的覆膜砂：

（1）废品率由平均5.09%降到0.36%,消除了被铁液包围的水套芯产生高温膨胀而碎裂的缺陷，降低废品损失。

（2）缸筒变形量由2.225mm降低到0.575mm，在4102B机体上及4105机体上对比试验和测试，用焙烧石英砂的覆膜砂消除了缸孔扩漏废品。

3.3在其他铸造生产方面的实践

3.3.1石英粉性能的改变

涂料中一般加入石英粉或锆英粉等作为耐火填料，生产实践证明：用锆英粉涂料比用石英粉涂料的铸 件表面光洁度要好的多，然其成本锆英粉比石英粉高。

用石英粉涂料的铸件表面光洁度比锆英粉差的原因，主要还是石英粉的相变膨胀，如消除其膨胀应和锆英粉性能相近，实践证明该判断的正确性，即将石英粉焙烧后再制涂料，结果铸件表面光洁度与加锆英粉无区别。

3.3.2解决铸件裂纹

某车辆厂的铸钢厂，批量生产车辆的摇枕，过去用水玻璃砂生产，为改变劳动条件及提高生产率，该厂从国外引进了全套树脂砂生产该铸钢件，大批出现裂纹，提供的解决方案是，消除或降低原砂的相变膨胀，采用焙烧砂，即将石英砂加热到＞870℃培烧，同时在铸造工艺上进行改进，最终解决了该件裂纹问题。

3.3.3替代铬铁矿砂

某大型柴油机厂生产的缸体、缸盖其水道内腔，过去采用过各种普通砂芯制造，但总难消除粘砂、脉纹等缺陷，为保证产品品质，采用原砂为铬铁矿砂的热芯盒制造，缺陷虽消除，但该芯成本太高。2003年做了如下3种热芯盒砂的试验：

（1）原砂为普通大林砂配制的热芯盒砂。

（2）原砂为普通大林砂+7%“脉克星”配制的热芯盒砂。

（3）原砂为焙烧石英砂配制的热芯盒砂。

试验表明焙烧石英砂的效果与铬铁矿砂相同，表面光洁无粘砂、无脉纹等缺陷。在一定的铸造生产条件下，焙烧石英砂是可以替代一些无相变膨胀的特种砂，如铬铁矿砂、锆砂、陶粒砂等。

4结束语

近年来对焙烧石英砂这项技术的研究不断深化，已完成了焙烧石英砂生产工艺与装备的更新，为这项技术全面推广奠定了基础。