宝珠砂在碱性酚醛树脂自硬砂中的应用

摘要：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。

1 宝珠砂简介、宝珠砂的性能

宝珠砂，是以三氧化二铝( Al2 O3)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 宝珠砂在发动机铸件生产中的应用

2.2 使用宝珠砂解决排气管砂芯变形问题

排气歧管长期在高温循环交变状态下工作，材料在高温下的抗氧化性能直接影响到排气歧管的使用寿命。近年来国家不断提高汽车尾气排放标准，催化技术和蜗轮增压技术的应用更是显著提高了排气歧管的工作温度，达到了750 ℃以上。随着发动机性能的进一步提高，排气歧管的工作温度还要提高。目前普遍采用耐热铸钢，如ZG 40Cr22Ni10Si2(JB/T 13044)等，耐热温度950℃-1100℃。排气歧管内腔一般要求不得有影响使用性能的裂纹、冷隔、缩孔、夹渣等，内腔粗糙度要求不大于Ra25.同时对管壁壁厚偏差有严格的、明确的规定。长期以来，排气歧管管壁壁厚不均、偏差超标的问题一直困扰着很多排气歧管铸造厂。

河南某铸造厂最早使用硅砂覆膜砂砂芯生产耐热钢排气歧管，由于浇注温度高(1470～1550℃)，砂芯易变形，导致管壁厚度产生超差现象。虽然对硅砂进行了高温相变处理，但因受各种因素的影响，仍克服不了砂芯在高温下的变形，导致管壁厚度的波动范围大，严重时会造成报废。为提高砂芯强度并控制砂芯发气量,决定采用宝珠砂覆膜砂。实验室进行了硅砂、宝珠砂覆膜砂的性能试验，结果如表4.

结果表明，使用宝珠砂覆膜砂，在树脂加入量比硅砂覆膜砂下降36%的情况下，其常温抗弯强度、热抗弯强度分别提高了51%、67%，而发气量降低了20%，达到了高强度、低发气的工艺需求。解决排气歧管壁厚不均的关键措施就是减少砂芯变形(特别是高温变形)，同时要减小型芯砂的高温膨胀问题。宝珠砂由于其热膨胀率远远低于硅砂，同时其覆膜砂也真正实现了高强度、低发气，成为解决排气歧管壁厚不均的有效方案，铸造厂的生产试验也证明了这一点。

该厂分别使用硅砂覆膜砂砂芯和宝珠砂覆膜砂砂芯下芯合箱同时浇注，在清理铸件后，进行解剖检测，用硅砂覆膜砂制芯，铸件存在壁厚不均、壁薄现象，壁厚为3.0～6.2 mm;用宝珠砂覆膜砂制芯，铸件的壁厚均匀，壁厚为4.4～4.6 mm，见图4.[3]

用宝珠砂覆膜砂制芯，消除了砂芯断芯，减小了砂芯变形，大大提高排气歧管内腔流道的尺寸精度，同时减少了内腔粘砂，提高了铸件质量和成品率，取得了显著的经济效益。

3 结语

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。