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1、漫话硅砂的替代材料中国铸造协会 李传栻自五千多年前人类开始掌握铸造技术之日起，所用的造型材料就以硅砂为基本组分。铸 件在各方面的应用，推动了文明的进步和发展，促进了产业革命的出现。此后，随着科学技 术的迅猛发展发展，各种新材料不断涌现，铸造工艺技术也日新月异。但是，时至今日，世 界各国铸造行业中，硅砂仍然是最重要的造型材料。目前，全世界铸造行业每年耗用的原砂约45005000万吨，其中，硅砂所占的比重约在 95%以上。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比拟 的。此外，硅砂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
2、作用； 颗粒比较坚硬，能耐受造型时的舂、压作用和旧砂再生时的冲击和摩擦； 在接近其熔点的高温下，仍有足以保持其形状的强度。但是，硅砂也有不少的缺点，主要是以下几方面： 热稳定性差，在570C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； 高温下的化学稳定性不好，易与FeO作用产生易熔的铁橄榄石，导致铸件表面粘砂； 用以配制粘土湿型砂时，经多次循环使用后，砂粒表面积累变质烧结层，影响铸件的质量，不得不废旧、更新，而且这种废弃砂的再生处理难度较大； 在采用各种高强度、小剂量粘结剂的条件下，旧砂再生处理时，硅砂较易于碎裂，而且碎裂所产生
3、的粉尘，对人类的健康危害很大。这一点，已逐渐成为硅砂致命的 弱点。在对铸件质量的要求日益提高、有关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”已逐步成为大家的共识，寻求硅砂的代用材料已是当前铸造行业中的重要课 题之一，各工业国家对此都相当重视。寻求硅砂代用材料的途径之一，是采用合适的天然非硅质砂。另一途径，则是开发人工 制造的颗粒材料。这里，想对这两方面的发展作简短的回顾，并对我国铸造行业中推广、应 用人造砂的问题，提出一点初步的设想。在工业现代化的进程中，铸造行业探求非硅质砂的应用，已有近百年的历史。各种非硅 质砂的应用，对铸造工艺技术的进步和铸件质量的提高，有非常重要的作用
4、。但是，由于资 源条件和某些制约因素的影响，迄今为止，还没有哪一种天然非硅质砂有大规模取代硅砂可 能性。另一方面，从当前技术发展的趋向看来，用各种人造材料取代非硅质砂，却已成为列 入了日程的课题。各种人造砂的开发和应用，也经历了五十多年的发展过程。最近十多年来，人造砂的应 用，在提高铸件质量、减少硅质粉尘污染、节约资源等方面的优势日益显现，铸造行业中所 有与“砂” 有关的工种，都越来越关注人造砂的应用。在特种铸造工艺方面，人造砂不仅用于V-法造型和消失模铸造有很好的效果，在熔模铸 造方面用以代替面层耐火材料中的锆砂，也已经成为热门的研究课题。在砂型铸造方面，人造砂不仅适用于树脂粘结砂，在粘土湿
5、型砂中替代硅砂，也有不少 成功的实例。在不同铸造合金方面，人造砂不仅适用于生产铸钢件，也适用于铸铁件和有色合金铸件。按笔者一管之见和粗浅的认识，用人造砂大规模取代硅砂的可能性目前已充分显现，当 然，逐渐推广的过程会是相当长的，还有大量的工作有待铸造行业同仁协力进行。一、非硅质砂的应用铸造行业中应用的天然非硅质砂，主要有镁橄榄石砂、硅酸铝砂、锆砂和铬铁矿砂。1、镁橄榄石砂镁橄榄石砂的应用较早。1927年，盛产镁橄榄石矿的挪威，首先将其用于配制生产铸钢 件的型砂。在早期防护条件相当差的情况下，采用这种原砂，可避免工人罹患硅肺病，而且， 用于生产高锰钢、高铬镍钢铸件，可明显改善铸件的表面质量。但是，
6、这种砂是由破碎矿岩制得的，粒形不好，且其解理发育，易于碎裂，型砂难以循 环使用，也不适于再生处理，而且价格数倍于硅砂。这是制约其推广应用的两个主要原因。2、硅酸铝砂硅酸铝砂，包括矿象为蓝晶石、硅线石和红柱石的砂粒。天然矿物中，三者往往同时存在，其结晶构造不同，而化学成分相同（AlOSiO ），为同质多象变体。硅酸铝砂呈圆粒形，24莫氏硬度67,便于再生处理，对各种树脂粘结剂的适应性也很好。从上述特点看来，硅酸 铝砂是一种优良的铸造原砂，美国已有用于生产的报道，但是，到目前为止，除美国佛罗里 达州和澳大利亚西部有产出外，尚未见报道有其他可供开采的资源。3、锆砂锆砂的基本成分是硅酸锆（ZrSiO）
7、,具有多种适于作铸造原砂的特性,例如：4 表面光滑，很少有裂隙及凹坑，故耗用粘结剂的量很少； 在各种天然的铸造用砂中，其热膨胀率最小，而且高温下热稳定性极好； 不被熔融金属润湿； 热化学稳定性好，在一般铸造合金的浇注温度下基本上不被金属氧化物侵蚀； 需酸量很低，适于用酸硬化的树脂作粘结剂； 热导率高。铸造生产中使用锆砂，最早见于上世纪40年代。当时是利用其热导率高的特点，作为飞 机用铝合金铸件的造型材料，制得了致密的铸件。早期，我国也有铸造厂用锆砂作粘土湿型 砂的基砂，在造型生产线上生产小型高质量铸钢件。但是，全世界锆砂的储量不多，主要产于澳大利亚和南非，而且近年来在陶瓷、耐火材 料和遮光剂等
8、方面的需求量大幅度增长，其价格飙升之快，令人瞠目，因而，制约了其在铸 造生产中的应用。虽然，就其性能而言，锆砂是比较理想的造型材料，实际上用其配制型砂的情况却极为 罕见，目前，主要用作铸造涂料的骨料和熔模铸造高合金钢铸件的面层耐火材料。即使在熔 模铸造方面，尽管用量不多，但也决非长远之计。 2006年，日本就将研发熔模铸造用锆砂 的替代材料作为铸造行业中的战略性基础技术研发课题之一，由国家拨款，支持相关企业 联合组成的课题组予以实施。初步结果是可以用人造莫来石陶粒代替锆砂。美国内务部和资源勘探部门2011年发布的Mineral Commodity Summaries 2011中， 列有2010
9、年世界各国已探明的锆矿储量和该年度的锆矿产量，此处，顺便将其列于表1，供 参考。表1 世界各国已探明的锆矿储量和2010年产量（折合ZrO2量，单位 万t）国别澳大利亚南非乌克兰印度美国巴西中国印尼其他各国总计储量2300140040034034022050无数据50055502010年产量48.139.03.53.1不公开1.814.06.03.0118.54、铬铁矿砂 铸造工业用铬铁矿砂作造型材料，大约自上世纪60年代初开始，当时，主要是因为锆 砂短缺，价格昂贵，而铬铁矿砂又具有锆砂的一些主要优点，故用以作为锆砂的代用品。铬铁矿砂是将铬铁矿破碎而得到的砂粒。纯铬铁矿的分子式为FeCr2O4
10、，是铬铁尖晶石， 含Cr2O3 67.9%。实际上，铬铁矿的组成非常复杂，其化学通式可写成ROR2O3。R是二 价的，可以是Mg+2或Fe+2，也可以两者以任意的比例并存；R是三价的，可以是Cr+3，也 可能同时兼有Fe+3或Al+3。比较准确的说，可认为铬铁矿是含多种尖晶石的复杂的固溶体。铬铁矿矿石中，除铬铁矿以外，还含有脉石。脉石主要是蛇纹石，橄榄石，绿泥石及碳 酸盐等矿物。用作铸造原砂的铬铁矿，Cr2O3含量通常只为40%左右，杂质的含量是相当多的。所含 杂质的品种及其数量，均影响铬铁矿砂的性能及使用效果。铬铁矿的资源比较丰富，无匮乏之虞。据美国地矿部门的测算、全世界铬铁矿的储量约 为1
11、20亿t。虽然近年来对不锈钢和耐热钢的需求增长很快，铬铁矿的价格不断提高，但铬铁 矿砂的价格还是比锆砂低得多。铬铁矿砂的不足之处是其粒形不好，以其作基砂配制的型砂，应用方面有许多不能令人 满意之处，再生处理的效果不佳尤为突出。铬铁矿砂还有一个特点，那就是具有磁性，用其配制局部采用的面砂，可用磁选方法将 其与基砂分离，正是因为这一点，目前广泛地用于生产大、中型铸钢件，主要是配制面砂， 置于铸件壁厚的部位、热节部位，以改善铸件的表面质量。即使如此，近来国外铸造行业都在寻求免用铬铁矿面砂方案，使型砂单一化，以便于循 环使用，减少废弃物的排放量。日本特殊制钢所就在其所用呋喃树脂自硬砂中，以人造砂代 替
12、硅砂，并在此基础上采取措施免用铬铁矿面砂。按照美国Mineral Commodity Summaries 2011中的资料，2010年已探明的铬铁矿储 量和2010年铬铁矿产量见表2。就已探明储量而言，哈萨克斯坦蕴藏最多，南非次之；就当 前的产量而言，则南非居首位，印度次之，哈萨克斯坦居第三位。表2 世界各国已探明的铬铁矿储量和2010年产量（折合铬含量）国别哈萨克斯坦南非印度美国其他各国总计储量（万t）1800013000440062一354002010年产量（万t）340850380一6302200二、各种人造砂的应用有关人造砂的研究开发工作，迄今已有50多年了，近10多年来逐渐进入了实际
13、应用阶段， 并已在各国铸造行业中显现了很好的发展势头。1 、碳粒砂 美国最早用以代替硅砂的碳粒砂，是由破碎石墨电极块得到的角形颗粒。这种碳粒砂虽 然有很多优点，但因粒形不好而致的缺点也不少，如：砂粒的比表面积大，需用粘结剂量增 多；配制的型砂流动性差，难以舂实；反复使用时易于碎裂等。因而，未能推广应用。1960年，美国的J.Gen try,由煅烧液态石油焦制得球形碳粒砂，并在铸造生产中试用， 取得了很好的效果。1984年，开始在美国加州投入商品生产，并向铸造行业推销。从 1989 年起，由美国胶体公司（American Colloid Company）经营，此后，其应用逐渐推广。（1）碳粒砂的
14、特性 球形碳粒砂主要特性是： 热膨胀少，用其配制型砂，铸件不会产生膨胀缺陷； 颗粒为球形，型砂的流动性好，易于舂实，而且透气性好； 用以配制的型砂、芯砂脱模性能很好，即使模样上有深的凹部也易于脱出； 无硅质粉的尘危害； 不为金属液所润湿，也不与金属氧化物作用，铸件不产生粘砂缺陷； 颗粒不易破碎，回用率高于硅砂。（2）碳粒砂的应用 铸造行业中所用的各种粘结剂，都可用于碳粒砂；用碳粒配制的型砂、芯砂，适用于任 何造型工艺和制芯工艺；可用于制造铸铁件和各种有色合金铸件，如果铸型或芯子上涂以适 当的涂料，也可用以制造铸钢件。碳粒砂中的含硫量虽较高（5左右），但所有的硫都是与碳紧密结合的，对铸件质量和
15、环境都无影响。碳粒砂的价格低于锆砂，但比硅砂高得多，一般都将其与硅砂配合使用。用50:50的混 配砂制芯，在同样射砂条件下，芯子的紧实度提高，从而可使芯子的尺寸精度提高。而且， 芯子还可不施涂料。用加有碳粒砂的粘土湿型砂造型，型砂中的煤粉加入量可按混配砂中碳粒砂所占的比例 减少，从而可减少浇注时散发的有害气体。用混配砂制造球墨铸铁件时，因碳粒砂的热导率高，而且铸型的紧实度高，可减少甚至 消除缩松缺陷。美国一家铸造厂曾在生产条件下考核碳粒砂的耐用性。用碳粒砂配制粘土湿型砂，用震 压式造型机、双面模板造型，型砂每天周转23次，每次混砂时只补加膨润土和水，不补加 新砂。经8个月的验证，砂量未见减少，系统砂中碳粒砂的粒度组成也基本上没有变化。上世纪 60年代初，美国还用石墨颗粒替代硅砂制型，采用差压铸造工艺，生产航空、 航天用高质量镁合金铸件。利用保护性气体的压差，使镁合金液进入铸型。其造型工艺的要点是：以AFS细度约47 （大致相当于40/70目）的人造石墨颗粒为基 砂，加入膨润土和水混匀，混合料的湿抗压强度约40 kPa,制成的铸型于120C烘干24h。然后，组合铸型，将其安置在密封的熔炼坩
