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【凯林宝珠砂创刊号技术文章】常见铸造人工砂的生产方法
长期以来，硅砂一直是造型制芯的最主要的基础材料，据称中国从18世纪起就开始大量使用硅砂。硅砂由于其来源丰富、耐火度较高、与金属熔液不润湿等适于铸造的特性，时至今日，硅砂仍然占据铸造原砂90%以上。随着对铸件质量、综合成本控制、环境保护等要求的不断提高，硅砂（包括高纯度硅砂和焙烧硅砂）固有的缺点越来越突出：热稳定性差，产生相变容易形成脉纹缺陷；高温下易与氧化铁反应形成铁橄榄石，造成粘砂；耐火度较低，同时容易与氧化锰反应成渣，难于适应中高合金钢、高锰钢的铸造；易于破碎，产生的SiO2粉尘经呼吸后，有造成工人罹患矽肺病的危险。
为了寻求更好性能的原砂，从19世纪40年代以来，铸造工作者开发、研制、推广了数十种特种铸造砂（铸造技术中将非石英砂统称为特种砂）。特种砂一般具有耐火度高、导热性好、热膨胀小、抗熔渣浸蚀能力强等特点。广泛使用的有锆英砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、镁砂等等，在铸造上主要用于合金钢或者容易粘砂的碳钢的铸造，常常用于覆膜砂、铸型面砂、涂料、特殊型芯等等，整条生产线使用的鲜见。这些特种砂一般是通过选矿、破碎、筛分，个别经过煅烧而成，没有成分和组织的改变，一般称为天然特种砂。目前面临资源逐渐匮乏、开采受到限制等等，价格越来越贵。
自上个世纪末开始，日本、中国、德国等一些企业和研究机构以高岭土、铝矾土等为原料，通过造粒、烧结，或者熔融、风碎等工艺生产不同成分、不同物相的陶瓷类球形砂，除了具有天然特种砂的上述优点外，还具有粘结剂用量少、流动性好、透气性好、强度高耐破碎、适应各种造型制芯工艺成线使用的特点，十几年来得到了迅速的推广应用，这些是本文重点介绍的“人工特种砂”。日本专家黑川丰按照生产方法的不同，将其分为烧结法、熔融风碎法、火焰内熔融法等，相应有代表性的人工特种砂主要有日本伊藤忠的“Cerabeads”，以河南洛阳、郑州为主要产区的“宝珠砂”，天津中国矿业的“月砂”等。它们在原料、生产方法、理化性能、应用特点等方面各有不同。
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宝珠砂
图1 铝矾土电弧熔融、风碎
图2 宝珠砂筛分
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Cerabeads（CB砂）
图3 CB砂生产流程图
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Spheresand砂（月砂）
图4 月砂生产示意图（火焰熔融）
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陶粒砂
四种人工砂对比情况
表1 四种铸造用人工砂的原料和生产工艺
四种铸造用人造砂的电镜照片如图5所示。图5电镜图中可以看出，在宏观形貌上，几种人造砂均呈现表面光滑的近似球体，但由于原料以及生产方法的不同，从表面形态微观上看，砂子的表面状态和圆度还是有所区别，宝珠砂和CB砂表面微观形貌如图6所示。有分析指出，原砂表面的微小凸起和裂纹有利于黏结剂的附着，从而提高强度，如图5、图6 宝珠砂表面微观形貌所示。
图5 四种铸造用人造砂的电镜照片（200×）
图6 宝珠砂和CB砂表面微观形貌