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1、第一讲 ：谈砂子,材料科学与工程学院,主讲教授：李远才,HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY,第1章 造型材料,第1章 造型材料内容提要,1.1铸造用原砂 1.2粘土砂型 1.3树脂砂型（芯） 1.4水玻璃砂型 1.5铸造涂料及其它造型材料,概述 砂型（芯）种类及其制造,（1）型（芯）砂粘结方式 1）机械粘结剂型芯以粘土为粘结剂的粘土型芯砂所产生的粘结； 2）化学粘结剂型芯型芯砂在造型、芯过程中，依靠其粘结剂本身发生物理、化学反应达到硬化，从而建立强度，使砂粒牢固地粘结为一个整体。有机、无机粘结剂，其中无机粘结剂为钠水玻璃及熔（溶）模铸型，而有
2、机分别介绍热硬、自硬和气硬树脂砂型（芯）； 3）物理固结指用物理学原理产生的力将不含粘结剂的原砂固结在一起，磁型铸造法、负压造型法或真实密封造型法或薄膜负压造型法，以及消失模造型法。,（2）砂型的种类及制造方法,粘土砂型 水玻璃砂型 树脂砂型（芯） 1）壳芯(型) 2）热(温)芯盒法砂芯 3）自硬冷芯盒法砂型（芯） 4）气硬冷芯盒法砂芯,（3）名词解释,型、芯砂：将原砂或再生砂+粘结剂+其它附加物等所混制成的混合物为型砂或芯砂（其中将其用于铸型者被称为型砂,用于制砂芯者称为芯砂）。 铸型：形成铸件外观轮廓的用型砂制成的空腔称为铸型。 铸（砂）芯：形成铸件内腔的用芯砂制成的实体称为砂芯。,1.1
3、铸造用原砂,铸造用砂（foundry sand） 砂型铸造用的粒度大于0.020mm的颗粒耐火材料。铸造用砂按矿物质组成分为硅砂、镁砂、锆砂、铬铁矿砂、镁橄榄石砂、刚玉砂等。,一、铸造用硅砂,1、概述 铸造用硅砂是粒径为0.0203.35mm的耐火颗粒物，其主要的化学成分是硅的氧化物，自然界中，硅的氧化物多为结晶形，也有的以无定形体存在，其中石英是最重要的晶体形硅的氧化物。铸造生产所用的硅砂主要是由粒径为0.0533.35mm的小石英颗粒所组成。纯净的硅砂多为白色，被铁的氧化物污染时常成淡黄或浅红色。 石英的密度为2.65g/cm3，莫氏硬度7级，是一种透明、浅色或无色的晶体，其结构为硅氧四面
4、体。石英具有复杂同质多晶转化的特点，共有7个基本晶型变体和1个非晶型变体。,2、我国铸造硅砂的来源、分类及产地,我国铸造生产中所用砖砂根据其来源和加工方式不同可以分为天然硅砂和人工硅砂两大类。 天然硅砂是由火成岩经过风化或变质作用，逐渐剥裂、细化，坚硬的石英颗粒与其他组分分离，然后再经水流或风力搬运沉积形成砂矿。 这些砂矿按其成矿条件和持点，可以分为河砂、湖砂、海砂、风积砂等几种。海砂和湖砂又还可再细分为海(湖)滩砂、沉积砂、堆积砂等等。,风积砂 分布在从内蒙的通辽、赤峰，到河北围场一带的广大的地区，其硅砂虽然Si02含量不太高（略高于90%)，但粒形圆整，含泥量相当低，非常适合生产铸铁件。
5、目前，已在通辽、赤峰、围场一带建立了大量设备条件很好的采砂场，全都采用水力分级。按用户的要求，也供应含泥量低于0. 3%的擦洗砂。有的厂家还供应制造壳型、壳芯用的覆膜砂。 这一带产出的天然硅砂，完全可以满足东北、华北地区铸铁件生产的需求。,河砂 分布在黄河故道以及其他河流流域，如河南中牟、新郑一带的沉积硅砂，其Si02含量只有80%左右，粒形也以多角形为主，但中国第一拖拉机公司长期的生产实践证明，用于配制铸铁用粘土湿型砂是没有问题的。 现在，这一地区已建立不少采砂场，而且大都装备有水洗、擦洗设备，是向河南、湖北等中原地区铸铁厂供应原砂的基地。,湖砂 分布在郡阳、洞庭等湖泊周围地区。其硅砂Si0
6、2含量大致与通辽一带的硅砂相当，而砂粒的形貌稍差。 这一地区的硅砂也已大量开采，并有完备的加工、处理设施，而且产品有水运之便，可满足华东及其周边地区铸铁件生产的需求。 其中洞庭湖硅砂SiO2含量高，可用于铸钢件的生产。 海砂 分布在福建闽江口以南和海南文昌、东部沿海等地， SiO2含量在97以上的天然海砂硅砂，可用于铸钢件的生产。 为提高硅砂质量，原砂进行水洗、擦洗加工，以降低原砂含泥量；对原砂进行精选，以提高原砂的二氧化硅含量。,人工硅砂 是将硅石或硅砂岩经过采矿、清洗、粗碎、细碎、筛选等加工而制成：硅砂的二氧化硅含量很高，但岩石坚硬，破碎后所得砂粒大部为尖角形，而且粉尘较多。硅砂岩的结构较
7、松散，比较容易破碎，胶结的砂粒经加工后仍然保持原来的形状，因此粒形较好。我国早期铸钢大都采用硅石加工制成的人造硅砂，现逐渐被天然硅砂所代替。,3、我国铸钢用硅砂的主要产地及其质量,生产铸钢件所用的硅砂，目前主要产地是福建沿海一带，己逐步建立了很多规模相当大、设备条件良好的生产基地，产量完全可以满足我国铸钢行业的需求。 按照当地的习惯，将其分为“海砂”和“沉积砂”两种。“海砂”是取自海边潮间带附近的砂，杂质较多，SiO2含量一般在92%97%之间，但砂粒基本上为圆形。海砂开采方便，而且在某一矿点开采后，可在海潮的作用下得到自然的补充。而“沉积砂”大都沉积在海岸附近，矿点表面的覆盖上层大致厚1m左
8、右，砂层一般在48m之间，供应的原砂Si02含量大都在97%左右，但砂粒要为多角形。,晋江地区沿海近百公里的海岸线一带，目前主要生产供应海砂，年供砂量约20万t，SiO2含量94%97%。晋江地区“沉积砂”的品位更高一些，目前基本上尚未开发利用。 东山海砂的含泥量低，SiO2含量95%97%。东山的沉积砂品位更高，主要产地是梧龙和山只。 平潭出产的硅砂主要是海砂和风积砂，SiO2含量为95%左右，颗粒形状也较好。 长乐沿岸也有大量的硅砂可供开采，但其品位较晋江、东山和平潭的硅砂略低，Si02含量为90%95%。,4、铸造用硅砂分级与牌号,铸造用硅砂可根据GB/T9442-2010铸造用硅砂国家
9、标淮规定，按二氧化硅含量、含泥量、粒度、角形因数等进行分级或命名牌号，也可按照铸钢用和铸铁用硅砂进行分级。 以二氧化硅含量作为其主要验收依据，杂质含量作为验收参考依据。 含泥量质量分数，水洗砂不大于1.0%，擦洗砂不大于0.3%，精选砂不大于0.2%。 关于平均细度及粒度组成，对任一牌号的硅砂，生产厂家都需提供其平均细度及粒度分布图表，铸造用硅砂的主要粒度组成部分三筛不小于75%，四筛不小于85%，五筛不小于95%。 其它粒度组成的细粉含量由供需双方协议商定。,铸铁件用硅砂和铸钢件用硅砂,检定铸造粘结剂用标准砂,在GB/T 251382010检定铸造粘结剂用标准砂中，规定了二氧化硅含量不低于9
10、0%，含泥量、含水量均小于0.3%，角形因数不大于1.30，粒度组成符合下表要求。,5、熔模铸造用硅砂、粉的分级和分组,6、熔融石英（石英玻璃）,纯净的石英熔体在过冷条件下得到的一种非晶态二氧化硅称为熔融石英或石英玻璃，它分为透明和不透明两种。 透明熔融石英由水晶石（最纯的石英晶体称为水晶，w（SiO2）99.95%，外形呈六方柱锥体，经氢氧焰或电阻炉熔融，随后迅速冷却而得，其密度为2.21g/cm3，在熔模铸造中用作陶瓷型芯的基本材料。 不透明熔融石英是采用普通优质硅砂 w（SiO2）99%，在电弧炉或碳极电阻炉中熔融，随后迅速冷却而得，纯度比普通硅石要高得多，其密度为2.022.18g/c
11、m3，是一种良好的熔模铸造用耐火材料。,熔融石英的熔点约1713，其线膨胀系数很低，在1001200的温度范围内，仅在（0.510.63）10-61/之间变化（表2-16），几乎在所有的耐火材料中熔融石英线膨胀系数最小。 所以它具有非常良好的热震稳定性（耐急冷急热性），可从1100高温突然放入20冷水中而毫无损伤，加热至1300还可在空气中急剧冷却，所以熔融石英型壳和型芯在熔烧和浇注过程中不会因温度剧变而破裂。且由于熔融石英的线膨胀系数很小，故用作制壳材料有利于提高铸件的尺寸精度。,熔融石英的熔点约1713，其线膨胀系数很低，在1001200的温度范围内，仅在（0.510.63）10-61/之
12、间变化（表2-16），几乎在所有的耐火材料中熔融石英线膨胀系数最小。 所以它具有非常良好的热震稳定性（耐急冷急热性），可从1100高温突然放入20冷水中而毫无损伤，加热至1300还可在空气中急剧冷却，所以熔融石英型壳和型芯在熔烧和浇注过程中不会因温度剧变而破裂。且由于熔融石英的线膨胀系数很小，故用作制壳材料有利于提高铸件的尺寸精度。,7、树脂（水玻璃）砂用原砂的性能,概述 选用树脂砂用原砂主要依据下列八项原砂物化性能：1)矿物组成和化学成分；2)粒度及其分布；3)粒形及表面状态4)含泥量及细粉含量；5)含水量；6)耗酸值及pH值；7)复用性；8)灼烧减量等。 （1）烧结点通常通过测定原砂的烧结
13、点来简单判断原砂的矿物组成和化学成分含量。事实上测定烧结点比测定耐火度和化学成分来评价原砂的耐火度要快，也更具有实际意义。 原砂的耐火度固然取决于SiO2含量，但化学分析得出的SiO2含量并不等于砂中的石英矿物含量，因为云母和长石中也含有SiO2的成分。,对上述原砂理化性能的测试是有意义的，但关键的是测试结果的滞后性，往往原砂进厂使用后才能得到测试结果，仅仅只能作为铸件缺陷分析的参考依据。 测试往往是依照验收标准来进行的，对于一些不能给出定量值的性能一般都不作为验收依据，如粒形及表面状态。而事实上随着树脂砂、水玻璃砂的不断扩大应用，越来越认识到硅砂的粒度形状对型砂性能影响之大，在选择原砂时越来
14、越重视原砂的粒形。,原砂进厂测试的项目可以进行调整，测试速度要快，测试的数据较直接反映原砂的物理性能和状态。这是因为，虽然化学成分是重要的特性，也是确定原砂品位的依据，但生产中通常根据铸造合金浇注的温度和铸件的厚度来确定所采用原砂的品位，一经确定品位，所选定原砂供应点其化学成分基本是稳定的，所以现场控制原砂质量应偏重于物理性能和状态，对生产更具指导意义。,（2）原砂的含泥量,是指颗粒尺寸比砂粒小得多(颗粒尺寸等于或小于20m)并附着于砂粒表面或掺杂于砂粒之间的杂质，即通常所说原砂中的泥分。其中既有粘土，也包括极细的砂子和其他非粘土质点。 使用树脂等化学粘结剂时，对原砂中泥分含量的要求更为严格，
15、这是因为泥分的表面积大，会消耗掉大量粘结剂。树脂砂用原砂均需经过水洗去泥，尽量降低原砂含泥量到0.20.3(质量分数)，必要时还可对原砂进行擦洗净化处理，使含泥量降至0.1(质量分数)以下。,（3）砂粒表面状态,天然砂粒放在电子扫描显微镜下，能清楚地见其外形与卵石相似。通常在砂粒(卵石)表而上都覆盖着一层污染膜，污染物系粘土类物质或金属氧化物，表面上有裂隙，凹陷的砂粒，污染的程度一般较重。除污染膜以外，还有一些片状、杆状矿物微粒通过污染膜粘附在砂粒表面上。原砂的含泥量，除说明20m以下的微粒的多少外，也是原砂污染程度的标志。硅秒表面越光整洁净，粘结剂之间的物理、化学结合力越强，树脂砂的强度越高
16、。,（4）原砂的pH值和耗酸值(ADV),采用酸硬化的树脂砂，如原砂中含有碱性物质，将显著影响树脂砂的硬化。因为原砂碱度大，必将有一部分酸硬化剂作用于中和原砂中的碱性物质，使用于硬化的酸量相应减少，致树脂砂硬化反应不完全而强度不高。为不降低反应速度，硬化剂用量就要多加一些。如果碱性太大，不仅降低硬化反应速度，还将会损害树脂砂的最终粘结强度。 对于胺硬化或酯硬化的树脂砂，原砂中的碱性物质也会使树脂砂的硬化难以控制。 原砂中如含有酸性物质，则作用与上述情况相反，对工艺控制也是不利的。,原砂酸碱度(pH)值，是指原砂在水溶液中所显示的酸度。当原砂含有较多的不接于水的碱性物质时，它们对最终的pH值没有
17、影响，但在加入酸性硬化剂时，却会和一部分酸起作用，故pH值显示酸性较强的原砂，可能有较高的耗酸值。 原砂中还不应含有贝壳，否则也会起到毒害硬化剂的作用，从而降低硬化速度和最终强度。 对于树脂砂所用的原砂，检侧并控制其pH值和耗酸值是必要的。,a)原砂的pH值的测定方法是，称量待测定原砂25g置于250mL的烧杯中，加蒸馏水100mL。然后在磁力搅拌器上用聚四氯乙烯的搅棒搅拌，用酸度计测定悬浮液的pH值。 b)原砂的耗酸值 (ADV)。原砂中含有不溶于碱性物质或能与酸作用的碳酸盐时，它们并不影响原砂的pH值，但却能与树脂砂中的酸性催化剂反应，从而影响树脂砂的硬化过程和最终性能。耗酸值是原砂含有的
18、可与酸反应的物质的表征，它表明用酸性催化剂时原砂本身所需酸的多少，与pH值没有关系。很有可能见到这种情况。原砂的pH值小于7呈酸性，但其需酸量却相当高。,耗酸值的测定称取待测原砂50g置于250mL的烧怀中，加入pH值为7的燕馏水5 0mL和0.1mol的HCl溶液50mL，放在磁力搅拌器上搅件5min，让HCl与碱性物质或碳酸盐充分作用。 然后用0.1mol的NaOH溶液滴定，并用酸度计测定pH值。在pH值为3.0、4.0、5.0或其他预定值时，读取所用NaOH溶液的rnL数。原加HCl的mL数减去所用NaOH溶液的rnL数，就是原砂到预定pH值时的耗酸值。,（5）原砂的粒度及粒度分布,在铸
19、造生产中，根据不同的工艺要求选择硅砂的粒度相当重要。其粒度是根据试验筛开孔尺寸來划分，一般都以筛网网丝平行方向上每英寸长度中筛孔的个数来表示砂的粗细，并以相邻三筛或四筛上停留量最多的首尾两个筛号來表示该硅砂主要粒度组成的粒度组别。 其颗粒大小的测定采用铸造用试验筛对供试硅砂进行筛分，该试验筛共有6号至270号等11个筛号，孔径最大的是6号筛，其筛孔尺寸为335mm，孔径最小的为270号筛，筛孔尺寸为0053mm。筛孔间尺寸的规律？,测定硅砂粒度時，是将洗去泥分、烘干的一定量供试硅砂放入试验筛进行筛分，称量停留各号筛上的砂的质量，找出停留量之和为最大值的相邻三筛或四筛，用其首尾两个筛号表示该硅砂
20、的主要粒度组成，如40/100、50/70、70/140、70/200等。 另外，我国国家标准还规定必须注明硅砂的平均细度。 平均细度也叫美国铸造协会细度（AFS细度），是对供试验的硅砂砂样，将其大小不一的砂粒，假定把大颗粒的砂粒尺寸拿出部分来弥补小颗粒，使之变成颗粒直径一样的砂粒，则该硅砂的平均细度，就是该尺寸的砂粒恰巧能通过该筛号的每一英寸长度内的近似筛孔数，即相应的筛号；这也可以说，平均细度显示出该硅砂的平均颗粒尺寸，它能够大致反映该硅砂（泥分除外）单位质量的表面积。,平均细度的测定方法是：首先计算出筛分后各筛上停留的砂粒质量占砂样总质量的百分数，再乘以相应的细度因数，然后将各乘积相加，
21、用乘积总和除以各筛号停留砂粒质量百分数的总和，所得数值根据数值修约规则取整，结果即为平均细度。可用计算公式,40/100的A砂和50/100的B砂为例计算出的平均细度,确定原砂的粒度的因素,a从铸件表面质量考虑。用较细的型砂，铸型和型芯表面致密，其铸件表面粗糙度也较低，且由于细砂粒之间的空隙小，有利于防止粘砂。此外，细粒砂所形成的铸型表面抵抗金属冲刷的能力较好，铸件不易产生冲砂缺陷。这些方面，都说明采用较细的原砂有助于改善铸件的表面质量。 b从型砂的透气性考虑。型砂的透气性决定于两个因索，一个是砂粒之间的空隙总体积（孔隙率)，另一个则是空隙的大小。对透气性影响最大的是空隙尺寸。所用原砂愈细，则
22、空隙的尺寸愈小，型砂的透气性也就愈低。如果特别强调型砂的透气性，应该选用较粗的原砂。,关于透气性,如果砂粒均匀，相当于单筛砂，即使春得非常紧(砂粒作最紧密排列)，砂粒之间的孔隙率也不会少于型砂体积的25.95，型砂的透气性当然是很高的。 如采砂粒不均匀，但粗砂的尺寸小于细砂的2.5倍，则粗砂作最紧密排时，砂粒之间的空隙容纳不了细砂。如细砂借外力进入粗砂粒的空隙，则将挤坏粗砂的排列，也就是说，粗砂不能保持最紧密的排列。在这种情.况下，型砂的透气性也不会太低。 如果粗砂的尺寸等于或大于细砂的2.5倍，则粗砂作最紧密排列时，细砂可填入粗砂之间的空隙。这将使型砂的空隙率大为降低，空隙的尺寸也会变得很小
23、，型砂的透气性会显著下降。,c从型砂的强度考虑。型砂的强度主要决定于砂粒表面粘结膜的厚度和砂粒之间的粘结桥的数量。对树脂砂这粘结剂用量很小的型砂来讲，原砂的粒度对粘结强度的影响是不可忽视的。这种影响有两个不同的方面。 粒度细化可以使单位体积型砂中的粘结桥数量增加，有利提高强度；同时又因原砂比表面积增加而使粘结膜厚度下降，导致粘结桥有效粘结面积降低，又会使强度下降，由于这两种因数的交互影响，抗拉强度会呈先上升后下降的趋势。一般在生产中要求用平均粒度较细的原砂，其范围通常在75130号筛之间。,用单筛砂所做的试验表明：对于颗粒尺寸小于0.21mm(即70号筛以下)的砂子，采用较粗的砂，表面积减少的
24、作用大于粘结桥减少的作用，树脂砂的强度提高。 对于颗粒尺寸大于0.42mm的砂子，采用较粗的砂，粘结桥数目减少作用大于表面积减少的作用，树脂砂强度下降。 对于颗粒尺寸在0.21 -042mm (7040号筛)之间的砂子，两方面的影响大致相当，改变砂粒尺寸对树脂砂的强度没有明显的影响。 在粘结剂加入量一定的条件下，如原砂中配有一定量的细砂，细砂又能填入紧密排列的粗砂的空隙，则粘结桥的数量将大为增加。虽然细砂的比表面积较大，会使型砂的粘结膜的厚度有所减少，但综合效果还是会导致型砂的强度提高。,粒度级配。除了选择原砂粒度，还需要考虑粒度配比。一般推荐用粒度组成分布较广的原砂。因为两种不同粒度的原砂混
25、合后，粒度较小的原砂可以填充一部分粒度较大的原砂的空隙，使砂粒的空隙度下降，单位截面上砂粒间的接触面积增大，根据连接桥理论，这时型砂强度随之增加。而且砂子受热时的集中膨胀现象减少，堆积的紧实度增加。 一般生产中通常大都采用4个筛号的原砂。为了得到合适的粒度组成和平均粒度，在生产中可以采用不同产地的天然硅砂或掺合人造石英砂混合的方法来达到。 但在生产中掺合使用，过程复杂，一般仍以采用主要粒度分布在70200号4个筛号的原砂比较多。,（6）原砂的粒形,用光学显微镜或扫描电子显微镜观察原砂的颗粒，可以清楚地看出各种砂粒的不同轮廓形状(即“粒形”)。粒形从角形到半角形；不圆，但无锯齿状不平处到圆形分为
26、六种，按圆球度分为三级。 近些年，我国制定的国家标准铸造用硅砂(GB9442)采用角形系数来反映铸造用硅砂的颗粒形貌。,铸造用的原砂，究竟是圆形的好，还是多角形的好？要具体情况具体分析。 a）从比表面积（是指单位重量原砂的实际表面积）的角度来采看，通常认为粒形最好是圆形，这是因为圆形砂在粒度分布相同的条件下比表面积最小，可以实现最紧密堆积在粘结剂加入量一定时，颗粒表面上的树脂膜较厚，覆盖面完整，砂粒间形成的粘结剂桥截面积大，因而型（芯）砂的强度可以达到最大强度，而多角形或尖角形砂粒的粘结强度较差。 按比表面积增大的顺序是，圆形砂多角形砂尖角形砂。圆形砂是边和角磨钝了的多角形砂。按照测定角形系数
27、的数据，多角形砂较圆形砂的比表面积大25%左右。,图为大林砂和湖口砂的粒形，从中可看出，前者为圆形，后者为多角形。在相同树脂加入量的条件下，后者角形系数增加0.275，强度降低27.6。 因此，从提高树脂砂的抗拉强度，减少树脂加入量的角度看，圆形砂粒比多角形砂粒好。,粘结剂粘结后的原砂形状,b）从型砂流动性角度来看。在采用树脂作粘结剂时，因树脂的粘度很低，砂粒表面上涂覆的树脂膜又很薄，粒形对型砂流动性的影响就特别明显。圆形砂的尖角和棱边都已磨钝，砂粒之间较易于滑动，故很容易春紧，多角形砂有尖角和棱边，有镶嵌作用，砂粒的滑动受阻，故难春紧。 为了考查砂粒粒形对树脂砂抗压强度的影响，有人做了标准试
28、样的抗压强度试验。用甲阶酚醛树脂(加入量1，5%)混制粒度为50号筛的原砂。用圆形砂者，锤击3次，制成50X50mm标准试样(重160g)，其抗压强度值为5.5MPa；用多角形原砂者，锤击50次，制成50X50mm标准试样(重155g)，其抗压强度值高达10.1MPa。由此看出，多角形砂对提高型砂的抗压强度非常有利，同时也可看到原砂粒形对型砂流动性的影响很大。,测定原砂比表面积和角形系数。 原砂比表面积的测定能更科学更全面地反映出原砂的质量。因为原砂的形状和表面状况，原砂的粗细、集中率，都直接与其表面积有关。如果能直接定量给出原砂比表面积数值或角形系数的值，就可以为原砂选择提供可靠的参数。 目
29、前对比表面积测试是采用型砂比表面积测定仪。利用该仪器可以方便迅速地测出原砂的实际比表面积SM(cm2/g)，将测量实际比表面积的砂样从测量仪中取出，按GB2648中规定的方法测定砂样的粒度，将每一筛子上的砂样的百分数分别乘以筛子的表面积系数，将各乘积的和除以砂样的总百分数，即求得砂样的理论比表面积ST(cm2/g)。由此可计算出该原砂的角形系数:S=SW/ST 当S1时，原砂为圆球形;当S1时，为圆球形转向尖角形；S的数值越大，原砂形状呈尖角形的粒度也越大。,（7）原砂的纯净度,a）在化学组成上，Si02及其他成份的含量多少，以及SiO2以何种形态存在，即它是以自由形态存在，还是以复合硅酸盐的
30、形态存在。为了保证原砂具有较高的耐火度，通常要求有较高的SiO2含量，并且不是以复合硅酸盐的形态存在，因为硅酸盐的软化点要比纯二氧化硅低得多。因此，可以根据对不同种类合金铸件的表面不同光洁程度（粗糙度值）的要求，选择含有合适的SiO 2含量的原砂。 b）在物理组成上，以混合物形态存在的无机及有机杂质的种类和数量，如以自由形态存在的金属和非金属氧化物(粘土等)，以及可挥发物质如水、油类，其它残留的有机物质。粘附在砂粒表面的微量物质，如气体及油膜等。上述杂质的存在，对型（芯）用砂分别起着不同的作用，因此原砂的纯洁度包括化学的与物理的两方面的意义。,原砂的纯净度（纯净化）处理工艺 a）水洗法：如果原
31、矿泥的质量分数低于1，砂粒表面洁净，一般经水采和水洗，即可使硅砂中泥的质量分数达到03以下。最普通的方法。 b）擦洗或擦磨法：近几年来树脂砂的发展对原砂质量的要求越来越高。若单靠水力冲洗已满足不了低含泥量的要求，擦洗处理是目前普遍采用的原砂处理方法，通过二级擦洗处理可有效去除原砂泥分。擦洗砂的含泥量一般为0.1-0.3。 c）精选法(浮选法)：我国天然硅砂资源十分丰富，但一般SiO2含量偏低，含有较多的长石类其他矿物。其耐火度较低，仅适用于一般铸铁用原砂。为了将砂中SiO2的质量分数提高到97以上，以滿足铸钢用原砂的需求，必须对该硅砂进行精选(浮选)，以去除原砂中长石等其他杂质矿物，从而提高天
32、然硅砂SiO2的含量。,原砂的纯净化对树脂砂强度的影响 石英具有高的表面自由能，而树脂粘结剂具有低表面自由能，因此它们之间能很好地浸润。但是砂粒表面特别是天然砂粒表面并不干净，如果污染的是具有低表面能的有机物，就会影响粘结剂对砂粒表面的浸润、粘附，从而影响粘结强度。 如果砂粒上包覆的是具有高表面能的无机物，而无机物的内聚强度不够，或者对砂粒的粘附力不够强，也会影响强度。 因此用物理和化学方法对原砂进行处理，除去杂质，清洁表面，就有利于提高粘结剂的粘结力。,二、非石英质原砂,硅砂缺点：热膨胀系数比较大，而且在573时会因相变而产生突然膨胀-铸件若裂；热扩散率比较低；容易与铁的氧化物起作用等。这些
33、都会对铸型与金属的界面反应起不良影响。在生产高合金钢铸件或大型铸钢件时，使用硅砂配制的型砂，铸件容易发生粘砂缺陷，使铸件的清砂十分困难。,非石英质原砂是指矿物组成中不含或只含少量游离Si02的原砂。 目前可用的非石英质原砂有橄榄石砂、锆砂、铬铁矿砂、石灰石砂、镁砂、刚玉砂、钛铁矿砂、铝矾土砂等。 真正广泛使用的仍为石英砂。,1、锆砂,锆砂的矿物组成为硅酸锆，其理论含ZrO2 67.2%，SiO232.8%。 锆砂具有比石英砂高的导热性（高出2倍多）；锆砂热膨胀小，只及石英的1/61/3；锆石粉在高温下表现为中性和弱酸性，不与氧化铁起化学反应，有利于在大型铸钢件上防止粘砂缺陷，因而在生产大型铸钢
34、件和重要铸钢、铸铁件时常常采用锆砂局部作面砂，或用锆石粉作耐火涂料。 使用锆砂可生产出表面光洁的铸件，对于用于生产高熔点的铸件是特别重要的。锆砂比硅砂的耐火度还高，达1750以上，而一般硅砂因其含有杂质，其熔点为1680左右。,铸造用锆砂的技术指标,2、铬铁矿砂,铬铁矿主要用于冶炼金属铬，从而制造不锈钢及各种合金，冶金用铬铁矿的消耗量占铬铁矿总量的80%以上；在化学工业中，主要用于制造重铬酸钠，它是电镀铬的基本原料，化学工业用铬铁矿占10%左右；其余的用于制造镁铬质耐火材料和铸造造型材料等。 根据用途，铬铁矿大致划分为三级：即耐火材料级、冶金级和化学级。名义上耐火材料级铬铁矿含Cr2O244%
35、-45%，冶金级含Cr2O3大于46%，化学级一般约含Cr2O334%-35%，但在实际使用时往往跨级，并无严格区分。矿石的价格也决定于铁和SiO2的含量。,根据机械行业标准JB/T 69842012铸造用铬铁矿砂规定，铬铁矿砂按其物化性能分为2级；按其粒度组成分为3级。,根据机械行业标准JB/T 69842012铸造用铬铁矿砂规定，铬铁矿砂按其物化性能分为2级；按其粒度组成分为3级。,根据机械行业标准JB/T 69842012铸造用铬铁矿砂规定，铬铁矿砂按其物化性能分为2级；按其粒度组成分为3级。,铬铁矿砂有很好的抗碱性渣的作用，不与氧化铁等发生化学反应。在耐火材料工业中主要用于生产镁铬质原
36、料和耐火砖。铬铁矿砂的热导率比硅砂大好几倍，而且在熔融金属浇注的过程中铬铁矿本身发生固相烧结，从而有利于防止熔融金属的渗透。在铸造行业铬铁矿砂主要用做大型铸钢件和各种合金钢铸件的型、芯面砂和抗粘砂涂料、涂膏，具有极好的抗侵蚀能力。 世界上主要的铬铁矿产地有南非等地。我国铬铁矿资源贫乏，矿石品位较低。 为满足国内铸造生产的需要，多年来国内一直从南非进口铬铁矿砂。,3、镁橄榄石砂,橄榄石名称包括好几种矿物，铸造用的橄榄石砂主要是镁橄榄石（Mg2SiO4）与铁橄榄石（Fe2SiO4）的固溶矿物（Mg, Fe）2SiO4。 镁橄榄石的耐火度为1910，随着固溶体中铁橄榄石含量的提高，也就是FeO质量分
37、数的增加，其熔点下降，铸造用的高耐火度橄榄石砂中FeO的质量分数应不大于10%。 橄榄石砂的热膨胀量较硅砂小，且均匀膨胀，无相变，但它不为金属液润湿橄榄石砂不含游离SiO2，故无硅尘危害，且不与铁和锰的氧化反应，故具有较强的抗金属氧化物侵蚀的能力，具有化学惰性，当与钢液接触时，其砂粒表面熔化烧结。形成致密层，可防止铸件粘砂及毛刺脉纹。 橄榄石砂可用做中型铸钢件，特别是高锰钢铸件的面砂；国内外多采用橄榄石砂生产高锰钢耐磨铸件等。,铸造用镁橄榄石砂的技术指标,根据JB/T 69851993（铸造用镁橄榄石砂）规定，镁橄榄石砂按其物化性能分为3级；按其粒度分为5级。,4、耐火粘土熟料,耐火粘土熟料是
38、将高岭石类生粘土（多为硬质粘土），经高温煅烧再破碎而成的。其主要相组成为莫来石和玻璃相，有时还有少量的方石英。相组成与原材料中的Al2O3含量、煅烧温度和保温时间有一定关系，随着Al2O3含量增加、煅烧温度提高以及煅烧时间延长，其莫来石的含量增多。 耐火粘土熟料一般Al2O3的质量分数为40%左右，SiO2的质量分数在50%左右，并存在少量Fe2O3、MgO、Na2O、K2O等杂质，已在精铸中广泛的使用。,5、莫来石砂,莫来石是Al2O3SiO2二元体系中长压下唯一稳定存在的二元化合物，化学式为3 Al2O32SiO2，理论组成Al2O371.8，SiO2 28.2。天然莫来石矿物非常稀少，莫
39、来石通常用烧结法或电熔法等人工合成。合成莫来石是一种优质的耐火原料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点。 近年来在铸造行业，特别是熔模铸造生产中应用较为广泛。国家行业标准对天然铝矾土精矿烧结所得莫来石和电熔莫来石的技术条件做了规定。,6、刚玉砂,刚玉是高纯度的Al2O3，它是高铝矾土经粉碎、洗涤后在电炉内于20002400高温下溶练而制得的，或以优质氧化铝粉经电熔再结晶而制行。纯刚玉是白色菱面体形结晶（-Al2O3），其Al2O3的质量分数高达99%99.5%。铸造用的刚玉砂有白刚玉和棕刚玉两种，其Al2O3的质量分数前者大于等于97%，后者
40、大于等于92.5%。 刚玉的密度为3.853.9g/cm3，莫氏硬度大于9级，熔点为20002050，热导率大，热膨胀小且均匀，高温时体积稳定且不易龟裂。刚玉属两性氧化物，在高温下常呈弱碱性或呈中性，抗酸碱的作用能力强。 因此，在铸造行业，刚玉适用于制作大型铸钢件，特别是合金钢铸件的型、芯面砂、涂膏和涂料。 用电熔刚玉制造的熔模铸造型壳，其尺寸稳定性、热稳定性及高温化学稳定性均优越，是熔模铸造良好的耐火材料。 电熔刚玉价格昂贵、资源短缺，目前仅应用于耐热高合金钢、不锈钢及镁合金等铸件的造型材料中。,三、人造砂,1、硅砂的优缺点 世界各国铸造行业中所用的原砂，一直都是以硅砂为主。目前，全世界铸造
41、行业每年耗用的原砂不下6000万t，其中硅砂所占的比重约在97%以上。硅砂中又以天然颗粒状沉积砂的用量最大，由破碎石英岩制成的人工硅砂用量很小。硅砂最可取之处是储量丰富、价廉易得，这一点是任何其他矿砂无法与之相比的。此外，还具有能适应铸造工况条件的一些特性，如： 1）其耐火度高于绝大多数铸造合金的浇注温度，在接近其熔点时仍有足以保持其形状的强度。 2）颗粒坚硬（莫氏硬度达7级），能耐受造型时的春、压作用和旧砂再生时的冲击和摩擦。 3）砂粒间具有良好的透气性。,硅砂的缺点： 1）热稳定性差，在570左右发生相变，伴有最大的体积膨胀，是铸件产生各种“膨胀缺陷”的根源，也是影响铸件尺寸精度和表面粗糙
42、度的主要因素。 2）高温下化学稳定性不好，易与Fe0作用产生易熔的铁橄榄石，导致铸件表面粘砂。 3）破碎产生的粉尘易使作业人员矽肺病。 在对铸件质量的要求日益提高，以及对环保和清洁生产的法规日益严格的今天，“硅砂并非理想的原砂”已成为大家的共识，寻求硅砂的代用材料已是当前铸造行业中重要的研究课题之一，各工业国家对此都相当重视。,3.人造砂,目前，铸造行业中泛应用的非硅质砂主要有镁橄榄石砂、锆砂和铬铁矿砂。全世界锆砂的储量不多，主要产于澳大利亚和南非，而且价格很高，制约了其在铸造生产中的应用，只在熔模精密铸造中使用较广。 镁橄榄石砂和铬铁矿储量较多，价格也比锆砂便宜，但两者都是由破碎矿石制得的，
43、粒形不好，而且价格也比硅砂贵得多，目前都只用于某些铸钢件。 寻求硅砂代用品的另一途径是开发人工制造的颗粒材料。在这方面进行研究开发工作，迄今已有很多年了，近10多年来逐渐进入了实际应用阶段，并已在各国铸造行业显现了很好的效果。 在人造砂的开发方面，有碳粒砂、顽辉石砂、莫来石陶粒砂等。,（1）顽辉石砂,是熔炼铁镍合金的副产物熔融状态的炉渣用空气吹散，冷却后成为细小的球状颗粒（粒径在0.5mm以下），然后再在槽式磨矿机内加水研磨而得到的一种非常适于作铸造原砂的球形砂，日本商品名称是“太阳珠”。成品砂的价格只略高于硅砂。 其主要化学成分如下：SiO2：50-55， Mg0：27-36，Al2O3：1
44、.5-2.5，Fe2O3：816，CaO：0.5-5。,（2）莫来石陶粒砂,陶粒砂它是一种烧制陶瓷，由电熔莫来石制成的陶粒（1923烧制而成），其结构均匀，并且包含莫来石晶体（3A133-2Si2）, 商品名称为“宝珠砂”。,（3）碳粒砂,是由煅烧液态石油焦制得的球形砂，其典型化学成分如下：碳：93.7；挥发分：1.5；灰分：1.5；氮：0.5；硫5.5。 顽辉石砂、莫来石陶粒砂和碳粒砂共同特点是： 热膨胀少，可以和锆英砂媲美，用其配制型砂，铸件不会产生膨胀缺陷； 颗粒为球形，型砂的流动性好，易于舂实，而且透气性好； 表面清洁； 无矽粉尘危害； 颗粒不易破碎，回用率高于硅砂。 另外碳粒砂还具有
45、用以配制的型砂、型砂的脱模性能很好，即使模样上有深的凹部也易于脱出；不为金属液所润湿，也不与金属氧化物作用，可消除粘砂缺陷；而莫来石陶粒砂比硅砂耐火度高等特点。,四、原砂基本性能检测,1、概述原砂基本性能测试包括物理性能检测和化学成分分析 物理性能的检测内容包括密度、含水量、含泥量、粒度及其分布、比表面积、耗酸值、pH值、烧结点、耐火度、灼烧减量、发气量等，其中有些是铸造厂（车间）的日常检测项目，作为型砂检验工，应熟练掌握之。 原砂的化学成分分析包括硅砂及非石英砂中的硅、铝、钛、铬、锆、钾、钠、钙、镁、铁等氧化物含量的测定。 其中有的是测定其原砂中的主组分氧化物，有的是测定其杂质氧化物等，它们
46、大多都有标准检测方法，所需试剂多，配制复杂，有条件的厂家可自行检验，而不具备条件的厂家可委托专业检测单位的人员进行化验分析。,1、原砂堆密度测定,在开发和试制新产品时，在确定某种原砂后，往往通过堆密度来估算用砂量和砂铁比。所谓堆密度是指在自然紧密堆积状态下单位体积原砂的质量，用g/cm3表示。 其参考测定方法的步聚是：将烘干的原砂试样装入100mL量筒至刻线，用橡皮锤或其他工具轻敲量筒侧面和顶部，试样体积减少时再补加至刻线，继续敲击和加入试样直至其体积稳定在100mL刻线处。精确称取量筒中100mL试样的质量，并计算其堆密度。,2、原砂含水量测定,试验步骤：含水量的测定有快速法和恒重法两种。
47、1) 快速法：称取约20g试样，精确到0.01g，放入盛砂盘中，均匀铺平，将盛砂盘置于红外线烘干器内，在110170烘干6min10min，置于干燥器内，待冷却至室温，进行称量。 2) 恒重法：称取试样（500.01）g，置于玻璃器皿内，在温度为105110的电烘箱内烘干至恒重（烘30min后，称其质量，然后每烘15min，称量一次，直到相邻两次之间的差数不超过0.02g时，为恒重），置于干燥器内，待冷却至室温时，进行称量。,图 双盘红外线烘干器结构简图1灯座 2定时器旋钮 3电源开关 4指示灯 5红外线灯泡 6隔板 7导向槽 8盛砂盘,3、含泥量,洗砂杯 1虹吸管 2水 3洗砂杯 4砂样,洗
48、砂杯 1虹吸管 2水 3洗砂杯 4砂样,涡旋式洗砂机 1电源开关 2机体 3定位扳手 4托盘 5阻流棒 6搅拌轴 7洗砂杯 8电动机,涡旋式洗砂机 1电源开关 2机体 3定位扳手 4托盘 5阻流棒 6搅拌轴 7洗砂杯 8电动机,1）标准方法，GB/T 26842008,最后一次将洗砂杯中的清水排除后，将试样和剩余的水倒入直径为100mm左右的玻璃漏斗中过滤，将试样连同滤纸置于玻璃皿中，在电烘箱中烘干至恒重（温度为105110条件下烘60min后，称其质量，然后每烘15min，称量一次，直到相邻两次之间的差数不超过0.01g时，为恒重）。烘干后置于干燥器内，待冷却至室温时称量，称量后的试样置于干
49、燥器内备用。,2）连续式含泥量测定法(参考方法)：水流将连续冲洗洗砂瓶底部的砂样。调节水流上升速度等于泥分最大颗粒在静水中下沉速度，这样直径大于0.020mm的砂粒就在一定流速的流水中沉积，而直径小于0020mm的泥分就不会下沉，由洗砂瓶上部和水一起排出。 再将盛砂盘与砂样一同放入140160干燥箱中烘干至恒重。再将其置于干燥器中冷却到室温称试样质量。,连续洗砂原理示意图 止水夹 2减压阀 3砂样 4洗砂瓶 5流量计,连续洗砂原理示意图 止水夹 2减压阀 3砂样 4洗砂瓶 5流量计,3）自动虹吸洗砂测定法(参考方法)：用自动虹吸式洗砂机(见图11-6)不断重复加水静置虹吸加水再静置的操作，直至洗砂杯中砂样上部水清为止。 再将盛砂盘与砂样一同放入140160干燥箱中烘干至恒重。然后将其置于干燥器中