宝珠砂是我国开发的一种粒形近圆、耐火度高、化学性质稳定、抗破碎性强的铸造人工砂。新世纪以来，宝珠砂以其优异的性能，在砂型铸造（潮模砂、水玻璃砂，树脂自硬砂、热芯盒、冷芯盒）及消失模铸造等各种铸造工艺以及铸铁、铸钢、有色合金等多种铸造合金中得到了广泛的应用，取得了节约粘结剂用量、减少铸件缺陷、提高铸件质量、降低废弃物排放等显著效果。宝珠砂目前为止最大的应用场合是发动机铸造行业。本文介绍了一些宝珠砂在发动机铸件，包括气缸体、气缸盖、排气歧管以及涡轮增压器壳体中的应用实例，分享了部分工艺参数、应用要点和效果效益
宝珠砂，是一种性能优异的铸造用球形特种砂，最早由洛阳凯林铸材有限公司开发生产。经过20年来的推广，已经广泛应用于砂型铸造（潮模砂、水玻璃砂、树脂自硬砂、热芯盒、壳型、冷芯盒等）、消失模铸造等各种铸造工艺以及铸铁、铸钢、有色合金等各种铸造合金，取得了显著的经济效益和良好的环保效果，被誉为“21世纪的绿色铸造新材料”。
二十年来宝珠砂产量持续增长、产能大幅度提升，产地分布更广，到2020年，总销售近20万吨。同时其生产工艺，从铝矾土焙烧、电弧熔融，到除铁去杂、筛分混配等工序经技术革新不断改善，实现环保高效，绿色、可持续发展，完全满足铸造行业不断增长的需求。 宝珠砂的应用范围，从面砂、填充砂、到热芯盒、壳型、冷芯盒制芯，再到整体的自硬砂生产线的应用，范围不断扩大、工艺逐渐深入。根据连续几年的统计，其最大的应用场合就是发动机铸件行业，约占总销售量的1/3 强。 本文结合公司一些主要用户应用宝珠砂的典型案例，介绍一些宝珠砂应用于发动机铸件行业的工艺特点和应用效果。
宝珠砂，是以三氧化二铝（Al2O3）为主要成分的煅烧铝矾土，经电弧熔融、空气喷吹、标准筛筛分、级配混合制成的不同粒度组成的铸造用砂。铸造用宝珠砂粒径一般在0.053～3.53mm（270目～6目）之间。宝珠砂的矿物相主要是刚玉和莫来石，还有微量的非晶质相。宝珠砂的主要化学成分为三氧化二铝（Al203）和二氧化硅（Si02），耐火度≥1800℃，是一种近似球形的、高强度、高硬度的铝硅系铸造原砂。宝珠砂的颗粒形貌见图1（附硅砂的颗粒形貌）。
宝珠砂具有热膨胀系数小；热导率高；近似球形，角形因数小，流动性、可紧实性好；表面光滑，无裂纹，无凹凸；中性材料、适用于各种铸造合金；颗粒强度高、不易破碎；耐火度高；粒度范围广，可根据工艺需求定制混配等性能特点。宝珠砂的化学成分及主要性能见表1及表2。
2.3 宝珠砂在涡轮增压器中的应用
目前，大多数发动机，不论是汽油机或者柴油机，均采用涡轮增压技术，即利用发动机排出的废气的压力推动涡轮高速旋转，涡轮带动同轴的叶轮，压缩由空气滤清器管道送来的空气，使空气增压后进入气缸来增加发动机的输出功率。其中涡轮增压器壳体涡轮端的工作温度一般超过600℃，有些甚至高达950-1050 ℃，需要壳体材料耐高温且铸造性能好，壳体结构更加紧凑、壁厚薄且均匀，内腔清洁等等，要求极为苛刻。目前，涡轮增压器壳体一般采用耐热钢铸造（如德标DIN EN 10295的1.4837和1.4849），也有采用耐热球墨铸铁的（如德标的GGG SiMo，美标的高镍奥氏体球铁D5S等）。
某1.8 T发动机涡轮增压器壳体，材质：1.4837，即GX40CrNiSi25-12，主要化学成分（%）：C：0.3-0.5，Si：1-2.5，Cr：24-27，Mo：Max 0.5，Ni：11-14，浇注温度1560℃。该合金熔点高、收缩率大、热裂倾向强，铸造难度高，铸件金相组织中对残留碳化物和非金属夹杂物的要求严苛，同时对铸件缺陷也有具体的规定。为保证铸件质量和生产效率，造型工艺采用覆膜砂壳芯为主（也有部分冷芯盒、热芯盒砂芯）的组芯浇注（见图5的组芯示意照片）。最初采用的是50/100目的擦洗砂，后采用过焙烧硅砂，但均出现不同程度的内腔粘砂、毛刺、热裂、气孔等问题。该厂在调研、试验的基础上，决定采用特种砂——宝珠砂，最初采购成品覆膜砂（100%宝珠砂），后购置了再生和覆膜设备，在生产过程中不断优化工艺，采用宝珠砂与擦洗砂混合原砂。目前覆膜砂大致按表5执行。典型铸件见图6。
图5 涡轮增压器壳体组芯示意图
几年来，该厂该生产工艺稳定运行，铸件质量良好，经济效益和环保效益显著。小结如下：
a、使用宝珠砂，或使用宝珠砂与硅砂混合制芯，消除了铸件粘砂、烧结及脉纹、热裂等缺陷，实现了稳定、高效生产； b、组芯浇注，生产效率高，砂铁比低（一般不超过2：1），原砂用量少，降低成本； c、组芯浇注，有利于废砂整体回收再生，统一采用热法再生，再生砂性能达到了擦洗砂新砂的水平，取得了降低原砂采购费用、减少固体废弃物排放的效果； d、需要经常检测再生砂中的宝珠砂含量，确定宝珠砂新砂的加入量； e、宝珠砂粒形圆、流动性好、比重大，与硅砂混合使用时，容易造成偏析，必要时，需要调整射砂工艺； f、覆膜时尽量采用优质的酚醛树脂，慎用各种添加剂。 宝珠砂在发动机铸件行业的应用，提高了生产效率、改善了劳动环境、解决了铸件缺陷，取得了显著的经济效益和良好的环保效益。 发动机铸造行业应继续加大型芯砂的再生力度，进一步提高宝珠砂使用效益，降低固体废弃物排放。 从使用效果和使用范围来看，目前在发动机铸件行业，宝珠砂是综合性能最好、用量最大的铸造特种砂。
