漫话硅砂的替代材料——宝珠砂

       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，全世界铸造行业每年耗用的原砂不下6000万吨，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都无法与之相比的。此外，还具有能适应铸造工况条件的一些特性，如：

       有足够高的耐火度，能耐受绝大多数铸造合金浇注温度的作用；

       颗粒坚硬，能耐受造型时的舂、压作用和旧砂再生时的冲击和摩擦；

       在接近其熔点时仍有足以保持其形状的强度。

       但是，硅砂也有不少的缺点，主要是：

       热稳定性差，在570℃左右发生相变，伴有甚大的体积膨胀，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度主要因素；

       高温下化学稳定性不好，易与FeO作用产生易熔的铁橄榄石，导致铸件表面粘砂；

       破碎产生的粉尘易使作业人员罹患矽肺病。

       在对铸件质量的要求日益提高，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。

       目前铸造行业中广泛应用的非硅质砂主要有镁橄榄石砂、锆砂和铬铁矿砂。

       锆砂具有多种适于作铸造原砂的特性,是比较理想的造型材料，但是，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，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40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，应该特别提到：我国在这方面已经有非常重要的自主创新成果，研制了高铝质的“宝珠砂”。

       “宝珠砂”具有多种优异的性能，适用于各种铸造合金和多种特种铸造工艺，而价格低于锆砂和铬铁矿砂。“宝珠砂”问世之初，立即受到了外国的重视，早期的产品主要出口到日本，并由日本转销到其他国家。近几年，我国铸造行业中也已开始采用，并取得了很好的效果，但迄今为止尚未得到应有的重视。

       为了使读者对宝珠砂的特点和发展过程有所了解，现对宝珠砂的情况作简单的介绍。

       我国出产的“宝珠砂”

       我国河南洛阳一带，高铝矾土资源丰富，十多年前就有生产企业与高等学校合作研发高铝质人造砂，最早由洛阳凯林铸材有限公司等企业生产，这种产品最初被洛阳凯林铸材有限公司命名为“宝珠砂”。

       宝珠砂的制造方法是：选取优质铝矾土原料，置电弧炉中熔融，当熔融液自炉中流出时，用压缩空气流将其吹散，冷却后，得到球形或接近于球形的颗粒，表面光滑。就制造方法而言，与日本山川公司制造“太阳珠”的方法基本相同，但化学成分则完全不同。

       （1）宝珠砂的特性

       宝珠砂的化学成分大致如表４所示。

       宝珠砂的粒形为球形或接近于球形，颜色为黑棕色。粒径可在0.5～2.0 mm之间，可由客户根据工艺要求选定。

       宝珠砂的耐火度在1800℃以上，比顽辉石砂高很多，高温化学稳定性远优于硅砂，可用于铸钢、铸铁和各种有色合金。

       宝珠砂是电熔材料质地致密，耐用性优于“Ceramacore”。

       宝珠砂受热后的膨胀率是硅砂的1/5，铬铁矿砂的1/2，作为造型材料可有效地防止铸件产生膨胀缺陷。

       宝珠砂的价格比较便宜，大约是锆砂的1/3，铬铁矿砂的1/2。

       （2）宝珠砂的应用

       在型砂、芯砂中配用部分宝珠砂，能有效地防止铸件产生膨胀缺陷。近年来，我国一些覆膜砂制造厂商，已在原料砂中加入部分宝珠砂，从而可以使制成的壳型、壳芯具有耐高温、低膨胀、易溃散、高强度、发气量低等性能。对于形状特别复杂的芯子，还可以解决射砂不易紧实的问题。

       大中型铸钢件，造型时通常都在热节部位敷以铬铁矿面砂，以改善铸件的表面质量，现在，可用宝珠砂代替铬铁矿砂，既能提高铸件的表面质量，又可降低生产成本，而且还有利于旧砂的再生、回用。

       采用消失模铸造工艺或V-法造型工艺的铸造厂，如用宝珠砂代替硅砂，在同样的紧实条件下，填砂的紧实度更高，铸件的尺寸精度和表面质量都将明显改善。更为重要的是，可消除生产车间内的硅粉尘，使作业环境大为改善。

       目前，我国宝珠砂的年产量大约在40000吨以上，其中，大部分都出口供外国，国内还未广泛应用。近几年，国内的用量虽逐渐有所增加，但仍然未能充分利用我们自己的优势，希望铸造行业的同仁，对此予以更多的关注。