[发明专利]低膨胀低发气的铸造石英砂及其生产方法

说明书

本发明涉及砂型铸造用砂及其生产方法。

砂型铸造所用原砂95％以上是采用天然或人造石英砂，至今世界铸造生产中80％以上的铸件是用这种砂生产。砂型铸造的原砂主要是含SiO₂70-99％的石英砂，原砂一般是β-石英结构。在高温时，β-石英发生同质异晶转变，其在870℃转变为α-鳞石英，其线膨胀率为5.55％，其体积增长约17.4％。在铸造时由于浇注金属液温度大于1300℃，其热传导使接触的型、芯表面砂粒急剧升温到≥870℃的相变温度，由于砂粒的急剧升温产生的相变膨胀易破坏型、芯原有界面，如金属液此时未凝固，膨胀分离出的砂粒和砂团则会进入未凝固的金属液面，于是形成粘砂或产生砂眼、夹砂、起皮子及鼠尾等缺陷。型、芯表面砂粒的膨胀还使型、芯表面受挤压而产生表面裂纹，从而使铸件产生粗糙的桔皮状表面。而砂芯断裂而钻铁水以及铸件局部产生裂纹，也都是石英砂粒相变膨胀所致。而铸件浇注后因为石英砂粒的导热性差，砂粒上各点的受热温度不均，造成各点的相变膨胀速度不同，因此使接触金属面砂粒解体或粉化。

前人为缓解砂型铸造产生的上述缺陷，往往在型、芯砂中加入煤粉、重油及氧化铁粉等附加物，其实质亦是缓解石英砂粒的膨胀。煤粉、重油在浇注后燃烧，燃气带走部分热量而降低石英砂粒的温度，燃烧后的煤粉、重油等可燃附料留出一定空间供石英砂粒膨胀。加入的氧化铁粉在浇注时受热熔化，此时石英砂粒膨胀时可被挤到砂粒的间隙中。然而前人采取的上述缓解方法并不能根除石英砂粒相变膨胀产生的上述种种弊病和缺陷，而且加入煤粉等可燃附加物又给砂型铸造带来了生产环境恶劣的后果，并对旧砂的回用带来诸多困难，同时增加了型、芯材料的发气量，增加了铸件产生呛火及气孔的概率。加入氧化铁粉又对落砂清理带来麻烦，因为被熔化的氧化铁会将周围的砂粒烧结在一起，落砂时不易溃散。有的铸钢、铸铁件采用非石英砂的特种造型材料铸造，如锆砂、镁砂、橄榄石砂及刚玉砂等等，这是由于这些砂热膨胀率很低，因此也就不存在上述砂型铸造的缺陷。但这些特种砂价格昂贵，不宜普遍采用。

本发明的目的就是提供一种可消除上述铸造缺陷及其弊病的低膨胀低发气的铸造石英砂，以及生产该铸造石英砂的生产方法。使用本发明铸造石英砂可有效地改善铸件的表面质量，大幅度减少各种铸造缺陷，提高铸件的成品率。

前述分析说明，砂型铸造某些缺陷与弊病的根源是由于石英砂粒浇注时受热相变膨胀所造成，即由β-石英结构相变到α-鳞石英结构时，其体积增长了约17.4％。当完成此相变后冷却至常温，α-鳞石英不再恢复到β-石英，而是转变为γ-鳞石英，之后γ-鳞石英再被加热及冷却就与α-鳞石英形成可逆的相变反应，即由α-鳞石英与γ-鳞石英之间转变，其体积增长(由常温加热到870℃以上)很微少，不到百分之一，仅仅是前者体积增长量的约十八分之一。本发明利用石英的上述的物理特性，将砂型铸造所用的石英砂原砂先行加热焙烧进行相变处理，使原砂中的β-石英转变为α-鳞石英及r-鳞石英，而后再用常温态的r-鳞石英结构的石英砂用于造型和制芯。这样的型、芯在浇注时，即使砂粒升温到1400℃，砂粒的体积膨胀也不到1％，这样低的热膨胀性与锆砂等特种造型材料相近，但成本却非常低。这种低膨胀的石英砂也就消除了原砂型铸造易产生粘砂、砂眼、夹砂等缺陷，以及砂粒粉化的弊病，型芯砂中也不必再加入煤粉、重油及氧化铁粉等附加物，从而可改变砂型铸造原来恶劣的生产环境，对旧砂回用及铸件清理也方便容易的多。

在石英原砂进行焙烧相变处理的同时，可除掉石英原砂在高温下产生出的气体，如原砂中结晶水的汽化，有机物燃烧，某些金属与非金属氧化物的分解等。经测定原砂中这些气体的含量为3-8ml/g(在850℃测定)，因此经相变处理后的铸造石英砂又是低发气石英砂，这又是消除砂型铸造易产生气孔缺陷的有效方法。

下面选择做覆膜砂的几种石英砂、锆砂与本发明相变石英砂的实验对比数据如表1所示，其中石英砂均选用大林擦洗砂，含坭量≤0.3％，粒度为70/140目，设备选用青岛青鸥铸设备厂生产的XS2120覆膜砂生产线，树脂选用相同的高强度酚醛树脂(青岛合力树脂厂生产)。