焙燒石英砂及其應用

 焙燒石英砂及其應用

    在(zài)中國(guó)鑄造俗稱“翻砂”，可知砂與鑄造的(de)關系。

    鑄造生産中除采用極少量的(de)特種砂外，99 %以(yǐ)上(shàng)是(shì)采用石英砂，本文對石英砂的(de)微觀結構及特性進行研究與分析。

    1石英砂的(de)微觀結構及特性

    1.1綜述石英砂的(de)微觀結構及特性

    1.1.1石英砂的(de)同質異晶轉變及膨脹

    石英砂的(de)主要(yào / yāo)成分是(shì)石英（SiO2)，石英有多種晶系與結構，可在(zài)一(yī / yì ／yí)定溫度下轉變并伴随着體積變化。常溫下是(shì)三方晶系的(de)α-石英，密度2.65g/cm3,在(zài)573℃可轉變爲(wéi / wèi)六方晶系的(de)β-石英，密度2.51-2.54 g/cm3，在(zài)870℃轉變爲(wéi / wèi)斜六方晶系的(de)β-鱗石英，密度2.26g/cm3。因此石英是(shì)随溫度變化而(ér)伴随着同質異晶轉變。從各晶體的(de)密度變化不(bù)難推算：常溫下的(de)石英加熱到(dào)相變溫度870℃，其相變膨脹體積增加17.26%。

    1.1.2石英砂的(de)同質異晶轉變與加熱速度的(de)關系

    在(zài)一(yī / yì ／yí)次實驗中采取特殊激冷方法冷卻高溫焙燒砂，取其試樣檢測，在(zài)X射線衍射圖譜上(shàng)發現，保留有一(yī / yì ／yí)條4.15×10-8cm衍射線，該衍射線與鱗石英特性相近。該樣品的(de)加熱速度并非緩慢，隻是(shì)冷卻速度很快，因此可以(yǐ)判斷：石英加熱到(dào)870℃以(yǐ)上(shàng)就(jiù)會轉變爲(wéi / wèi)鱗石英；在(zài)激冷條件下冷卻，鱗石英未完全恢複到(dào)α-石英；石英同質異晶轉變隻與溫度有關，與加熱速度無關。鑄造生産中的(de)很多現象也(yě)證明了(le／liǎo)此判斷的(de)可靠性。

    1.1.3石英砂中的(de)發氣物質

    從測試各地(dì / de)的(de)擦洗石英砂發現：無論砂擦洗的(de)再幹淨，并徹底的(de)烘幹了(le／liǎo)，在(zài)發氣測量儀上(shàng)加熱到(dào)850℃檢測， 均可測出(chū)有3-9mL/g的(de)氣體。普通覆膜砂在(zài)該儀器上(shàng)檢測均有這(zhè)樣的(de)現象：溫度升到(dào)850℃，測試到(dào)了(le／liǎo)後期，發氣量穩定一(yī / yì ／yí)段時(shí)間不(bù)增長，而(ér)後再增長一(yī / yì ／yí)定量的(de)氣體才測試完成。焙燒石英砂的(de)覆膜砂的(de)發氣量測定無後期再增長現象。綜上(shàng)分析判斷，石英砂中含有發氣物質，該物質不(bù)是(shì)普通水，但有以(yǐ)下特性：必須在(zài)一(yī / yì ／yí)定高的(de)溫度下，并需要(yào / yāo)一(yī / yì ／yí)定的(de)時(shí)間才能分解、汽化。

    1.1.4石英砂粒表面的(de)理化性能

    自然界的(de)原砂，無論采用何種方式加工、擦洗，其砂粒表面都有一(yī / yì ／yí)層薄膜，經過高溫焙燒可除去該薄膜， 因此焙燒石英砂的(de)覆膜砂強度比普通砂覆膜砂強度高很多。

    2石英砂與鑄造缺陷的(de)關系

    2.1粘砂

    粘砂是(shì)鑄造中最常見的(de)缺陷。除某些有色金屬外，一(yī / yì ／yí)般金屬液的(de)澆注溫度均＞900℃,即高于(yú)石英的(de)相變溫度，當接觸金屬液的(de)砂粒溫度升到(dào)870℃時(shí)，将産生相變膨脹，在(zài)型、芯界面上(shàng)排列緊密的(de)砂粒膨脹無空間發展時(shí)，必然将部分砂粒擠入未凝固的(de)金屬界面上(shàng)去，于(yú)是(shì)形成粘砂。薄壁鑄件、澆注溫度低的(de)鑄件粘砂少的(de)原因之(zhī)一(yī / yì ／yí)是(shì)當接觸金屬液的(de)砂粒溫升還未到(dào)870℃産生相變膨脹時(shí)，金屬已凝固，之(zhī)後砂粒再升溫及相變膨脹，亦難侵入到(dào)金屬界面上(shàng)去。锆砂、鉻鐵礦砂及與石英砂熔點相近的(de)陶粒砂不(bù)産生相變膨脹，因此很少粘砂。

    2.2砂眼、走皮、脈紋及橘皮狀缺陷

    砂眼亦是(shì)鑄造中常見的(de)缺陷，其産生的(de)原因之(zhī)一(yī / yì ／yí)也(yě)是(shì)石英砂的(de)相變膨脹引起。澆注後型、芯表面溫升達到(dào)870℃以(yǐ)上(shàng)時(shí)，砂粒相變膨脹，在(zài)型、芯界面内産生擠壓應力，當此應力大(dà)于(yú)型、芯在(zài)該溫度下的(de)強度時(shí)，型、芯表面被破壞，将部分砂團随金屬液沖入型腔而(ér)形成砂眼，當大(dà)面積型、芯表面被破壞則産生起皮現象。被破壞的(de)型、芯表面擠走了(le／liǎo)的(de)砂團部位，自然被金屬液侵入，冷卻後凸出(chū)在(zài)鑄件表面，如果成條的(de)砂團被擠走則形成脈紋，如果沿很多不(bù)規則的(de)小闆塊四周破壞，則形成橘皮。

    3改變石英砂的(de)固有特性

    3.1石英砂的(de)高溫焙燒處理

    1994年提出(chū)将石英砂加熱到(dào)870℃以(yǐ)上(shàng)高溫焙燒，而(ér)後再将焙燒處理過的(de)石英砂用到(dào)鑄造生産中。從生産及試驗中已得出(chū)以(yǐ)下3條結論:

    （1）用焙燒石英砂生産的(de)覆膜砂，其試樣的(de)線膨脹率很小，接近無相變膨脹的(de)锆砂覆膜砂試樣。

    （2）原砂經焙燒除去了(le／liǎo)原有的(de)3-9ml/g氣體。

    （3）焙燒改變了(le／liǎo)砂粒表面的(de)理化性能，可以(yǐ)提高用這(zhè)種造型材料制取的(de)型、芯的(de)力學強度。

    3.2焙燒石英砂在(zài)覆膜砂方面的(de)實踐

    3.2.1關于(yú)耐高溫覆膜砂

    日本專利昭61-169127于(yú)1986年7月30日公開的(de)“殼型樹脂覆膜砂的(de)制造方法”，介紹了(le／liǎo)在(zài)覆膜砂中可以(yǐ)加入石墨及碳素材料，改善覆膜砂的(de)高溫性能， 之(zhī)後中國(guó)有了(le／liǎo)“耐高溫覆膜砂”，據了(le／liǎo)解該覆膜砂除加入日本專利介紹的(de)材料外，還加有氧化鐵粉，後又加入無相變膨脹的(de)材料鉻鐵礦砂、結砂。顯然這(zhè)種耐高溫覆膜砂加入上(shàng)述材料的(de)作用在(zài)于(yú)緩解其高溫膨脹，經檢測，當時(shí)的(de)該覆膜砂1000℃的(de)線膨脹率爲(wéi / wèi)0.8%左右，比未加輔料的(de)普通覆膜砂的(de)高溫線膨脹率1.2%-1.4%低，但與焙燒砂生産的(de)覆膜砂0.5%-0.6% 相比則有一(yī / yì ／yí)定的(de)差距，而(ér)且後者的(de)發氣量又低很多，此外後者的(de)成本亦比前者低很多。

    3.2.2在(zài)朝陽柴油機廠的(de)生産驗證

    試用焙燒砂的(de)覆膜砂：

    （1）廢品率由平均5.09%降到(dào)0.36%,消除了(le／liǎo)被鐵液包圍的(de)水套芯産生高溫膨脹而(ér)碎裂的(de)缺陷，降低廢品損失。

    （2）缸筒變形量由2.225mm降低到(dào)0.575mm，在(zài)4102B機體上(shàng)及4105機體上(shàng)對比試驗和(hé / huò)測試，用焙燒石英砂的(de)覆膜砂消除了(le／liǎo)缸孔擴漏廢品。

    3.3在(zài)其他(tā)鑄造生産方面的(de)實踐

    3.3.1石英粉性能的(de)改變

    塗料中一(yī / yì ／yí)般加入石英粉或锆英粉等作爲(wéi / wèi)耐火填料，生産實踐證明：用锆英粉塗料比用石英粉塗料的(de)鑄 件表面光潔度要(yào / yāo)好的(de)多，然其成本锆英粉比石英粉高。

    用石英粉塗料的(de)鑄件表面光潔度比锆英粉差的(de)原因，主要(yào / yāo)還是(shì)石英粉的(de)相變膨脹，如消除其膨脹應和(hé / huò)锆英粉性能相近，實踐證明該判斷的(de)正确性，即将石英粉焙燒後再制塗料，結果鑄件表面光潔度與加锆英粉無區别。

    3.3.2解決鑄件裂紋

    某車輛廠的(de)鑄鋼廠，批量生産車輛的(de)搖枕，過去用水玻璃砂生産，爲(wéi / wèi)改變勞動條件及提高生産率，該廠從國(guó)外引進了(le／liǎo)全套樹脂砂生産該鑄鋼件，大(dà)批出(chū)現裂紋，提供的(de)解決方案是(shì)，消除或降低原砂的(de)相變膨脹，采用焙燒砂，即将石英砂加熱到(dào)＞870℃培燒，同時(shí)在(zài)鑄造工藝上(shàng)進行改進，最終解決了(le／liǎo)該件裂紋問題。

    3.3.3替代鉻鐵礦砂

    某大(dà)型柴油機廠生産的(de)缸體、缸蓋其水道(dào)内腔，過去采用過各種普通砂芯制造，但總難消除粘砂、脈紋等缺陷，爲(wéi / wèi)保證産品品質，采用原砂爲(wéi / wèi)鉻鐵礦砂的(de)熱芯盒制造，缺陷雖消除，但該芯成本太高。2003年做了(le／liǎo)如下3種熱芯盒砂的(de)試驗：

    （1）原砂爲(wéi / wèi)普通大(dà)林砂配制的(de)熱芯盒砂。

    （2）原砂爲(wéi / wèi)普通大(dà)林砂+7%“脈克星”配制的(de)熱芯盒砂。

    （3）原砂爲(wéi / wèi)焙燒石英砂配制的(de)熱芯盒砂。

    試驗表明焙燒石英砂的(de)效果與鉻鐵礦砂相同，表面光潔無粘砂、無脈紋等缺陷。在(zài)一(yī / yì ／yí)定的(de)鑄造生産條件下，焙燒石英砂是(shì)可以(yǐ)替代一(yī / yì ／yí)些無相變膨脹的(de)特種砂，如鉻鐵礦砂、锆砂、陶粒砂等。

    4結束語

    近年來(lái)對焙燒石英砂這(zhè)項技術的(de)研究不(bù)斷深化，已完成了(le／liǎo)焙燒石英砂生産工藝與裝備的(de)更新，爲(wéi / wèi)這(zhè)項技術全面推廣奠定了(le／liǎo)基礎。