CN1061272C - 低膨胀低发气的铸造石英砂及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种低膨胀低发气的铸造石英砂及其生产方法，它是利用石英砂高温加热至870℃以上时其结构由β-石英相变成α-鳞石英时的不可逆性。将石英原砂先进行相变处理使原砂充分膨胀，而后用于铸造的造型和制芯，从而消除了型芯在浇注后因砂粒膨胀使铸件产生粘砂、砂眼等铸造缺陷，同时降低了型、芯砂的发气量及提高了型、芯砂的强度。

Description

低膨胀低发气的铸造石英砂及其生产方法

本发明涉及砂型铸造用砂及其生产方法。

砂型铸造所用原砂95％以上是采用天然或人造石英砂，至今世界铸造生产中80％以上的铸件是用这种砂生产。砂型铸造的原砂主要是含SiO₂70-99％的石英砂，原砂一般是β-石英结构。在高温时，β-石英发生同质异晶转变，其在870℃转变为α-鳞石英，其线膨胀率为5.55％，其体积增长约17.4％。在铸造时由于浇注金属液温度大于1300℃，其热传导使接触的型、芯表面砂粒急剧升温到≥870℃的相变温度，由于砂粒的急剧升温产生的相变膨胀易破坏型、芯原有界面，如金属液此时未凝固，膨胀分离出的砂粒和砂团则会进入未凝固的金属液面，于是形成粘砂或产生砂眼、夹砂、起皮子及鼠尾等缺陷。型、芯表面砂粒的膨胀还使型、芯表面受挤压而产生表面裂纹，从而使铸件产生粗糙的桔皮状表面。而砂芯断裂而钻铁水以及铸件局部产生裂纹，也都是石英砂粒相变膨胀所致。而铸件浇注后因为石英砂粒的导热性差，砂粒上各点的受热温度不均，造成各点的相变膨胀速度不同，因此使接触金属面砂粒解体或粉化。

前人为缓解砂型铸造产生的上述缺陷，往往在型、芯砂中加入煤粉、重油及氧化铁粉等附加物，其实质亦是缓解石英砂粒的膨胀。煤粉、重油在浇注后燃烧，燃气带走部分热量而降低石英砂粒的温度，燃烧后的煤粉、重油等可燃附料留出一定空间供石英砂粒膨胀。加入的氧化铁粉在浇注时受热熔化，此时石英砂粒膨胀时可被挤到砂粒的间隙中。然而前人采取的上述缓解方法并不能根除石英砂粒相变膨胀产生的上述种种弊病和缺陷，而且加入煤粉等可燃附加物又给砂型铸造带来了生产环境恶劣的后果，并对旧砂的回用带来诸多困难，同时增加了型、芯材料的发气量，增加了铸件产生呛火及气孔的概率。加入氧化铁粉又对落砂清理带来麻烦，因为被熔化的氧化铁会将周围的砂粒烧结在一起，落砂时不易溃散。有的铸钢、铸铁件采用非石英砂的特种造型材料铸造，如锆砂、镁砂、橄榄石砂及刚玉砂等等，这是由于这些砂热膨胀率很低，因此也就不存在上述砂型铸造的缺陷。但这些特种砂价格昂贵，不宜普遍采用。

本发明的目的就是提供一种可消除上述铸造缺陷及其弊病的低膨胀低发气的铸造石英砂，以及生产该铸造石英砂的生产方法。使用本发明铸造石英砂可有效地改善铸件的表面质量，大幅度减少各种铸造缺陷，提高铸件的成品率。

前述分析说明，砂型铸造某些缺陷与弊病的根源是由于石英砂粒浇注时受热相变膨胀所造成，即由β-石英结构相变到α-鳞石英结构时，其体积增长了约17.4％。当完成此相变后冷却至常温，α-鳞石英不再恢复到β-石英，而是转变为γ-鳞石英，之后γ-鳞石英再被加热及冷却就与α-鳞石英形成可逆的相变反应，即由α-鳞石英与γ-鳞石英之间转变，其体积增长(由常温加热到870℃以上)很微少，不到百分之一，仅仅是前者体积增长量的约十八分之一。本发明利用石英的上述的物理特性，将砂型铸造所用的石英砂原砂先行加热焙烧进行相变处理，使原砂中的β-石英转变为α-鳞石英及r-鳞石英，而后再用常温态的r-鳞石英结构的石英砂用于造型和制芯。这样的型、芯在浇注时，即使砂粒升温到1400℃，砂粒的体积膨胀也不到1％，这样低的热膨胀性与锆砂等特种造型材料相近，但成本却非常低。这种低膨胀的石英砂也就消除了原砂型铸造易产生粘砂、砂眼、夹砂等缺陷，以及砂粒粉化的弊病，型芯砂中也不必再加入煤粉、重油及氧化铁粉等附加物，从而可改变砂型铸造原来恶劣的生产环境，对旧砂回用及铸件清理也方便容易的多。

在石英原砂进行焙烧相变处理的同时，可除掉石英原砂在高温下产生出的气体，如原砂中结晶水的汽化，有机物燃烧，某些金属与非金属氧化物的分解等。经测定原砂中这些气体的含量为3-8ml/g(在850℃测定)，因此经相变处理后的铸造石英砂又是低发气石英砂，这又是消除砂型铸造易产生气孔缺陷的有效方法。

下面选择做覆膜砂的几种石英砂、锆砂与本发明相变石英砂的实验对比数据如表1所示，其中石英砂均选用大林擦洗砂，含坭量≤0.3％，粒度为70/140目，设备选用青岛青鸥铸设备厂生产的XS2120覆膜砂生产线，树脂选用相同的高强度酚醛树脂(青岛合力树脂厂生产)。

表1几种覆膜砂的对比

选用材料	普通石英砂	普通石英砂加缓解附料	锆砂	本发明石英砂
					缓解膨胀附料		石墨％Fe2O3
混制覆膜砂的原砂加入量(kg)	200	200	250	200
					树脂加入量(原砂加入量％)	2.5	2.5	2.0	2.0
常温抗拉强度(MPa)	3.5-4.0	3.2-3.7	4.0-4.5	4.0-4.5
					常温抗弯强度(MPa)	6.5	6.0	7.0	7.5
发气量(mlg)	17	17	10-12	9-11
					1000℃时线膨胀率(％)	1.2-1.4	0.7-1.0	0-0.4	0-0.4
生产发动机缸盖的废品率	30％以上	12％左右	1％左右	1％以下
					产品售价(元/吨)	1300	2000	8000-10000	2000

根据表1可以看出，石英原砂进行相变处理又可改变砂粒表面的理化性能，提高其与某些有机与无机粘结剂的粘结强度，使型、芯砂的抗拉、抗压及抗弯强度提高20-35％，如果保持原有的强度，则可减少粘结剂的加入量，这不仅降低了这些型、芯砂的成本，又可降低这些型、芯砂的发气量，这也是消除铸件产生气孔的措施。

粘土砂的生产与对比

1、普通粘土砂湿型铸造

原砂：40/70目大林水洗砂

型砂配方：新砂40％；旧砂60％，补加钙基膨润土5％；补加煤粉5％

型砂性能：湿压强度≥1.2kg/cm²，透气性≥120，水份≤4.0％

涂料：以锆砂粉为主的醇基涂料

生产件：柴油机球铁曲轴

结果：生产的砂型浇注后曲轴粘砂严重，铸件表面质量很差，给清理工作带来了麻烦，生产环境恶劣。

2、用低膨胀低发气的铸造石英砂做粘土砂湿型铸造

原砂：50/100目大林擦洗砂经焙烧相变处理

型砂配方：本发明铸造石英砂100％，加钙基膨润土8％，

涂料：不加涂料

型砂性能：湿压强度≥1.5kg/cm²，透气性≥150，水份≤4.0％

生产件：柴油机球铁曲轴

结果；铸件不再粘砂，提高了铸件表面质量，减轻了铸件清理的繁重劳动，改善了生产环境。

从以上可以看出本发明铸造石英砂做粘土砂湿型铸造时，其砂型的各种性能有很显著的提高；并可省去砂型与金属接触界面的涂料，同时提高铸件的表面质量，减少环境污染。

低膨胀低发气的铸造石英砂的生产方法：

1、处理前的原料要求

(1)各种规格的天然或人造石英原砂：选择SiO₂含量≥90％，原砂中粘土含量≤0.3％；

(2)各种规格的人造石英粉：SiO₂含量≥97％(经焙烧相变处理的石英粉可部分代替锆砂粉)。

2、加热焙烧炉

将以上原料经擦洗后在专用的粉状物料加热炉中焙烧，这种焙烧炉可连续自动加热，自动进料及出料，焙烧时应缓慢加热至870℃以上的预定温度，加热的料层温度均匀。也可以在其它简易炉中焙烧，间歇式加料、出料，人工出料搅拌。焙烧炉的能源可选用煤、焦炭、煤气、石油气、液化气、柴油、重油及电。

3、焙烧工艺

焙烧温度：870-1200℃

焙烧时间：0.5-10小时

4、温度检控：热电偶

5、焙烧质量检测：X光衍射作岩相分析，以检测石英是否完成相变。

以下为本发明生产方法的几个实施例：

实施例1

选择内蒙大林擦洗砂为工艺原砂，其粒度为50/100目，SiO₂含量≥91％，粘土≤0.3％，然后将砂均匀铺在加热炉热窑的链式炉排上，其厚度为100-150mm，窑内温度为1000℃，链式炉排缓慢前进，使所有原砂在1000℃下连续焙烧时间为2小时，自动出料，冷却至室温即为本发明石英砂。

实施例2

选40/70目人造石英砂，SiO₂含量≥97％，放在隧道窑中缓慢加热至950℃温度，在950℃温度下连续焙烧2小时，自动出料、砂冷却至室温后可用于铸钢件的造型与制芯。

实施例3

选270目左右的人造石英砂，其SiO₂含量≥97％，将其放在粉状物料加热炉中缓慢加热至900℃并在900℃下连续加热焙烧1小时，出料后，冷却至室温，可做铸钢、铸铁件的型芯涂料。

Claims (3)

1、一种低膨胀低发气的铸造石英砂，其特征是该砂为原砂处理相变后的鳞石英结构，在870℃以上为α-鳞石英，在常温下为γ-鳞石英。

2、一种低膨胀发气的铸造石英砂的生产方法，其特征是将石英原砂在加热炉中缓慢加热至870℃以上的预定温度，并在870-1200℃的温度下均匀焙烧0.5-10小时。

3、按照权利要求2所述的低膨胀发气的铸造石英砂的生产方法，其特征是选择原砂其中SiO₂含量≥90％，粘土含量≤0.3％。