經(jīng)過幾十年的產(chǎn)品技術(shù)升級，鑄造制芯工藝在原有硅砂冷芯盒和普通覆膜砂工 藝基礎(chǔ)上，逐步開發(fā)了特種砂冷芯盒制芯以及特種覆膜砂制芯工藝。其中特種砂冷 芯盒制芯采用50%寶珠砂+50%再生砂，主要應(yīng)用于機(jī)體挺桿芯等砂芯。針對高端發(fā) 動機(jī)缸蓋普通覆膜砂水夾層砂芯斷芯、粘砂等缺陷，開發(fā)了含40%寶珠砂的特種覆膜 砂，并穩(wěn)定應(yīng)用。
寶珠砂是對熔融狀態(tài)下的高氧化鋁質(zhì)的原料(鋁礬土)進(jìn)行噴霧處理，使之 再結(jié)晶而成形的高耐熱性、低熱膨脹性的球狀砂，但是生產(chǎn)能耗高、環(huán)境差。近兩 年，國家環(huán)保整治力度加大，寶珠砂的生產(chǎn)經(jīng)營受到了很大限制，產(chǎn)量減少，市場 供應(yīng)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，并且價(jià)格高漲，其品質(zhì)也難以保證。因此，尋找寶珠砂的替代 材料勢在必行，陶粒砂就是在此背景下進(jìn)入了我們的視野，成為新材料開發(fā)的對 象。
1 燒結(jié)陶粒砂主要性能特點(diǎn)
鑄造燒結(jié)陶粒砂是以鋁質(zhì)礦物為原料，經(jīng)過破碎、磨粉、造粒、燒結(jié)、分級 和級配工藝獲得的球形人造砂。同樣與寶珠砂具有粒型圓整、耐高溫、低膨脹等特性，近幾年有被鑄造企業(yè)應(yīng)用于堿性酚醛樹脂砂、覆膜砂、 3D打印等的報(bào)道 。
結(jié)合當(dāng)前文獻(xiàn)資料，歸納出鑄造燒結(jié)陶粒砂和寶珠砂的性能指標(biāo)參照 ，如表 1 。
當(dāng)前報(bào)道中陶粒砂的耐火度均高于 1 750 ℃ ，完全滿足鑄鐵生產(chǎn)的使用要求。 堆積密度接近硅砂，當(dāng)和硅砂混合使用時(shí)，不易產(chǎn)生偏析，相比鉻礦砂、寶珠砂等 大密度特種砂更具優(yōu)勢。粒形接近球形，流動性及填充性好，造型制芯時(shí)易緊實(shí)， 且能保持良好的透氣性。熱膨脹率低，在鑄件澆注和冷卻過程中不易產(chǎn)生夾砂、結(jié) 疤、脈紋等缺陷，因此有利于鑄件尺寸精度和表面、內(nèi)腔質(zhì)量的提高。
2 燒結(jié)陶粒砂的開發(fā)應(yīng)用
2.1 陶粒砂技術(shù)調(diào)研分析
在燒結(jié)陶粒砂技術(shù)調(diào)研階段， 收集了A 、B 、C三個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的陶粒砂， 對材料 主要成分和耐火度進(jìn)行對比檢測，數(shù)據(jù)見表2 。
根據(jù)Al2O3-SiO2 二元相圖， Al2O3含量越高， SiO2含量越低， 材料的理論耐火度 越高，但Fe2O3 、TiO2等雜質(zhì)含量對耐火度的負(fù)面影響尤其值得注意。從表2 中數(shù)據(jù)可 知， 雖然 1# 陶粒砂的Al2O3含量最高， 但是高的Fe2O3含量導(dǎo)致其耐火度最低， 2#與3#陶粒砂Al2O3含量差異不大的情況下， Fe2O3含量低的陶 粒砂，其耐火度也更高。因此，對于鑄造用寶珠砂、 陶粒砂等Al-Si質(zhì)砂，除追求高的Al2O3含量以外，還要 特別注重Fe2O3 、TiO2等雜質(zhì)的限量。基于以上對比分 析，我公司陶粒砂制芯工藝開發(fā)選定B和C兩個(gè)企業(yè)的 陶粒砂。
2.2 陶粒砂冷芯盒制芯的開發(fā)應(yīng)用
陶粒砂冷芯盒制芯工藝開發(fā)中，為與我公司50/100 目再生砂混合使用，達(dá)到良好的粒度級配效果，設(shè)計(jì)陶粒砂粒度篩號采用40/70 目， 鑒于原砂細(xì)粉含量對砂 芯強(qiáng)度的不利影響，限制砂中 140 目及以下含量≤2% 。 兩種陶粒砂的部分性能檢測結(jié)果見表3 。
制芯采用陶粒砂與再生砂質(zhì)量比 1:1混合，冷芯盒 樹脂加入量為單組份各0 .8% ，并與相同條件下的寶珠 砂工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，砂芯抗拉強(qiáng)度見表4 ，可知當(dāng)前 樹脂加入量下兩個(gè)企業(yè)陶粒砂的強(qiáng)度基本一致，雖相 比寶珠砂稍有降低，但均滿足工藝要求。制芯過程充 填性和脫模性良好，砂芯射砂緊實(shí)，砂芯外觀如圖1 。
此工藝下的鑄件落砂后，挺桿室內(nèi)腔質(zhì)量同寶 珠砂工藝相當(dāng)，無粘砂現(xiàn)象，存在輕微脈紋，可在正常細(xì)清工序中去除。經(jīng)半年的小批量驗(yàn)證，公司內(nèi)部 及客戶端均沒有出現(xiàn)異常缺陷，證明了該工藝穩(wěn)定可 靠。此外，基于陶粒砂和寶珠砂在采購價(jià)格和堆積密 度方面的差異，陶粒砂替代寶珠砂的冷芯盒制芯工藝 降低制造成本約20% ，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
2.3 陶粒砂特種覆膜砂的開發(fā)應(yīng)用
發(fā)動機(jī)缸蓋鑄件的水夾層砂芯普遍采用覆膜砂制芯工藝。隨著缸蓋內(nèi)腔結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜，對內(nèi) 腔清潔度的要求也愈來愈高，使用傳統(tǒng)硅砂覆膜砂制 水夾層芯，斷芯、燒結(jié)、粘砂等質(zhì)量缺陷突出，歸根 到底是普通覆膜砂在高溫下的強(qiáng)度和膨脹等性能已不 能滿足復(fù)雜薄弱水夾層砂芯的需求。2009年開展了特種覆膜砂的開發(fā)驗(yàn)證工作，最終定型為含40% 寶珠砂的覆膜砂，并穩(wěn)定應(yīng)用 。應(yīng)用陶粒砂替代寶珠砂的特種覆膜砂開發(fā)，在不增加覆膜砂采購成本的基 礎(chǔ)上，確定了陶粒砂的添加比例為50% ，其他常規(guī)性能 要求與40%寶珠覆膜砂相同。
制芯試驗(yàn)前， 對兩種特種覆膜砂及普通覆膜砂的 各項(xiàng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)檢測分析，結(jié)果見表5 、表 6 ，其 中高溫性能檢測采用JT-SJZ-2型芯砂檢測工作站。
結(jié)合以上數(shù)據(jù)，常規(guī)性能方面， 50% 陶粒覆膜砂 與40%寶珠覆膜砂基本一致，特種覆膜砂的強(qiáng)度略高于 普通覆膜砂，這主要是由于寶珠砂和陶粒砂的粒形優(yōu) 于硅砂，有利于提高覆膜砂強(qiáng)度。 1 000 ℃高溫抗壓性 能測試是在恒定壓力下對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行施壓直至試樣 壓潰，用抗壓耐熱時(shí)間進(jìn)行表征，檢測結(jié)果為50%陶粒 覆膜砂＞40%寶珠覆膜砂＞普通覆膜砂。在高溫膨脹性 方面，隨著測試時(shí)間的延長，膨脹率呈現(xiàn)先增長再下降的趨勢，不同覆膜砂的最大膨脹率和時(shí)間不同，普 通覆膜砂在90秒時(shí)達(dá)到最大值1.3%，40%寶珠覆膜砂在 25秒時(shí)達(dá)到最大值0.63% ，50%陶粒覆膜砂在20秒達(dá)到 最大值0.44% ，這組數(shù)據(jù)表明了特種覆膜砂在高溫性能 方面具有強(qiáng)力優(yōu)勢，這也是使用特種覆膜砂能夠避免砂芯在高溫下因膨脹開裂引起斷芯、脈紋等缺陷的有力證據(jù)。
在覆膜砂制芯工藝驗(yàn)證中，同一廠家相同工藝下 生產(chǎn)的50%陶粒覆膜砂與40%寶珠覆膜砂相比，在流動 性、充填性、脫模性等方面均無明顯差異，在固化特 性方面顯示出一個(gè)明顯的優(yōu)勢，那就是砂芯固化脫殼 傾向更小。圖3為在相同設(shè)備和參數(shù)下用兩種覆膜砂制 備砂芯相同位置的斷面，寶珠覆膜砂砂芯存在明顯的 固化分層現(xiàn)象，而陶粒覆膜砂砂芯幾乎沒有分層。覆 膜砂砂芯固化分層的根本原因是，砂芯固化過程中的 底層芯砂沉降，進(jìn)而與上部固化殼層脫離 。寶珠砂的密度大，沉降傾向大、速度快，導(dǎo)致寶珠覆膜砂固化 分層相對陶粒覆膜砂嚴(yán)重。
50% 陶粒覆膜砂經(jīng)過在多個(gè)產(chǎn)品系列中的生產(chǎn)驗(yàn) 證，砂芯成形率和利用率高，抗粘砂和抗燒結(jié)性與40% 寶珠覆膜砂相當(dāng)，固化分層現(xiàn)象的改善，杜絕了鐵液 高溫下鉆入砂芯分層間隙引起夾砂、粘砂或飛翅等缺 陷問題的產(chǎn)生。
3 結(jié)論
( 1 )鑄造燒結(jié)陶粒砂具有粒型圓整、密度小、低膨脹等特性， Fe2O3 、TiO2等雜質(zhì)對陶粒砂耐火度有嚴(yán)重的負(fù) 面影響，在陶粒砂開發(fā)選型時(shí)，除要追求高的Al2O3含量以外，還要特別注重Fe2O3 、TiO2等雜質(zhì)的限量。
( 2 )在與再生砂 1:1配合使用的冷芯盒制芯工藝應(yīng)用中，燒結(jié)陶粒砂與寶珠砂在制芯工藝性及防脈紋、防粘砂 性方面使用效果相當(dāng)。
( 3 ) 在特種覆膜砂的開發(fā)應(yīng)用中，50%陶粒覆膜砂與40%寶珠覆膜砂相比，高溫抗壓耐熱時(shí)間和膨脹性能更 優(yōu)，砂芯固化脫殼傾向更小，穩(wěn)定滿足高端產(chǎn)品缸蓋水夾層砂芯的制芯工藝及鑄件內(nèi)腔質(zhì)量需求。
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