在(zai)中國鑄(zhu)造(zao)俗稱“翻砂(sha)”，可知砂(sha)與鑄(zhu)造(zao)的(de)關系。
鑄造生產中除采用少量的特種砂外，99%以上是采用石英砂，本文對石英砂(sha)的(de)微觀結(jie)構及特性(xing)進行研究與分析。
1、石英(ying)砂的(de)微觀結構(gou)及特性
1.1 綜述石英砂的(de)微觀(guan)結(jie)構及特(te)性
1.1.1 石英砂的(de)同質異晶轉變及膨脹
石英砂的主要成分是石英（SiO2），石英有多種晶系與結構，可在一定溫度下轉變并伴隨著體積變化。常溫下是三方晶系的α-石英，密度2.65g/cm3，在573℃可轉變為六方晶系的β-石英，密度2.51-2.54g/cm3，在870℃轉變為斜六方晶系的β-鱗石英，密度2.26g/cm3。因此(ci)石(shi)英是隨溫度(du)變(bian)化而(er)伴(ban)隨著同質(zhi)異晶轉變(bian)。從各(ge)晶體(ti)的密度(du)變(bian)化不難(nan)推算：常溫下的石(shi)英加熱到相變(bian)溫度(du)870℃，其相變(bian)膨脹體(ti)積增加17.26%。
1.1.2 石英砂的(de)(de)同(tong)質異晶轉(zhuan)變與加熱(re)速度的(de)(de)關系
在一次實驗中采取特殊激冷方法冷卻高溫焙燒砂，取其試樣檢測，在X射線衍射圖譜上發現，保留有一條4.15×10-8cm衍(yan)射線，該衍(yan)射線與鱗(lin)石(shi)英(ying)(ying)特性相(xiang)近。該樣品的加熱(re)速度(du)(du)并(bing)非緩慢，只是冷(leng)卻(que)速度(du)(du)很快，因此(ci)可(ke)以(yi)(yi)判斷：石(shi)英(ying)(ying)加熱(re)到870℃以(yi)(yi)上就會轉(zhuan)變(bian)為(wei)鱗(lin)石(shi)英(ying)(ying)；在激冷(leng)條(tiao)件下冷(leng)卻(que)，鱗(lin)石(shi)英(ying)(ying)未完(wan)全(quan)恢復到α-石(shi)英(ying)(ying)；石(shi)英(ying)(ying)同質異晶轉(zhuan)變(bian)只與溫度(du)(du)有關(guan)，與加熱(re)速度(du)(du)無(wu)關(guan)。鑄造(zao)生(sheng)產中的很多現象(xiang)也證明了此(ci)判斷的可(ke)靠性。
1.1.3 石英砂(sha)中的發氣物質
從測(ce)(ce)(ce)試各地(di)的(de)擦洗(xi)(xi)石(shi)英砂(sha)發(fa)現(xian)：無論(lun)砂(sha)擦洗(xi)(xi)的(de)再干凈，并完全烘(hong)干了(le)，在發(fa)氣(qi)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)儀上加熱到(dao)850℃檢測(ce)(ce)(ce)，均可測(ce)(ce)(ce)出有(you)(you)(you)3-9mL/g的(de)氣(qi)體。普(pu)(pu)通覆膜(mo)(mo)砂(sha)在該儀器上檢測(ce)(ce)(ce)均有(you)(you)(you)這(zhe)樣的(de)現(xian)象：溫(wen)度升到(dao)850℃，測(ce)(ce)(ce)試到(dao)了(le)后(hou)期，發(fa)氣(qi)量(liang)(liang)穩(wen)定(ding)一(yi)段時(shi)間(jian)不增(zeng)(zeng)長，而后(hou)再增(zeng)(zeng)長一(yi)定(ding)量(liang)(liang)的(de)氣(qi)體才(cai)測(ce)(ce)(ce)試完成。焙燒石(shi)英砂(sha)的(de)覆膜(mo)(mo)砂(sha)的(de)發(fa)氣(qi)量(liang)(liang)測(ce)(ce)(ce)定(ding)無后(hou)期再增(zeng)(zeng)長現(xian)象。綜上分(fen)析判斷，石(shi)英砂(sha)中含(han)有(you)(you)(you)發(fa)氣(qi)物質，該物質不是普(pu)(pu)通水(shui)，但有(you)(you)(you)以下(xia)特(te)性(xing)：需要在一(yi)定(ding)高的(de)溫(wen)度下(xia)，并需要一(yi)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)才(cai)能分(fen)解(jie)、汽化。
1.1.4 石(shi)英(ying)砂粒表面(mian)的理化性能
自然(ran)界的原(yuan)砂(sha)，無論采用(yong)何(he)種方式(shi)加(jia)工(gong)、擦洗，其砂(sha)粒表面都有一層薄膜，經過高(gao)(gao)溫焙燒(shao)可除(chu)去(qu)該(gai)薄膜， 因(yin)此焙燒(shao)石(shi)英砂(sha)的覆膜砂(sha)強度比普通砂(sha)覆膜砂(sha)強度高(gao)(gao)很多。
2、石英砂與(yu)鑄造缺陷的關系
2.1 粘砂
粘(zhan)砂(sha)(sha)(sha)是(shi)(shi)鑄造(zao)中常見(jian)的(de)缺陷。除(chu)某些有色金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)外(wai)，一(yi)般(ban)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)液的(de)澆注溫(wen)(wen)度(du)均＞900℃，即高于石英的(de)相(xiang)變溫(wen)(wen)度(du)，當(dang)接觸金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)液的(de)砂(sha)(sha)(sha)粒溫(wen)(wen)度(du)升到870℃時，將(jiang)產生(sheng)相(xiang)變膨(peng)(peng)脹(zhang)，在(zai)型、芯界(jie)面(mian)(mian)上排(pai)列緊密(mi)的(de)砂(sha)(sha)(sha)粒膨(peng)(peng)脹(zhang)無空間發展時，必然將(jiang)部分砂(sha)(sha)(sha)粒擠入(ru)(ru)未(wei)(wei)凝固(gu)的(de)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)界(jie)面(mian)(mian)上去，于是(shi)(shi)形成粘(zhan)砂(sha)(sha)(sha)。薄壁鑄件、澆注溫(wen)(wen)度(du)低(di)的(de)鑄件粘(zhan)砂(sha)(sha)(sha)少的(de)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)是(shi)(shi)當(dang)接觸金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)液的(de)砂(sha)(sha)(sha)粒溫(wen)(wen)升還未(wei)(wei)到870℃產生(sheng)相(xiang)變膨(peng)(peng)脹(zhang)時，金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)已凝固(gu)，之(zhi)后砂(sha)(sha)(sha)粒再升溫(wen)(wen)及相(xiang)變膨(peng)(peng)脹(zhang)，亦難(nan)侵入(ru)(ru)到金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)界(jie)面(mian)(mian)上去。鋯砂(sha)(sha)(sha)、鉻鐵礦砂(sha)(sha)(sha)及與石英砂(sha)(sha)(sha)熔點相(xiang)近的(de)陶粒砂(sha)(sha)(sha)不(bu)產生(sheng)相(xiang)變膨(peng)(peng)脹(zhang)，因(yin)此很(hen)少粘(zhan)砂(sha)(sha)(sha)。
2.2 砂眼、走皮(pi)、脈紋及(ji)橘(ju)皮(pi)狀缺(que)陷
砂(sha)眼亦是鑄造中常見(jian)的缺(que)陷，其產(chan)生(sheng)的原(yuan)因之一也(ye)是石英砂(sha)的相變膨脹引起。澆注后(hou)型(xing)(xing)、芯(xin)(xin)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)溫升達到870℃以上時，砂(sha)粒相變膨脹，在(zai)型(xing)(xing)、芯(xin)(xin)界面(mian)(mian)內產(chan)生(sheng)擠壓應(ying)力(li)，當(dang)此應(ying)力(li)大于型(xing)(xing)、芯(xin)(xin)在(zai)該溫度下的強度時，型(xing)(xing)、芯(xin)(xin)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)被破(po)(po)壞(huai)，將部分(fen)砂(sha)團(tuan)隨金屬(shu)液沖入(ru)(ru)型(xing)(xing)腔而形成(cheng)砂(sha)眼，當(dang)大面(mian)(mian)積型(xing)(xing)、芯(xin)(xin)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)被破(po)(po)壞(huai)則產(chan)生(sheng)起皮(pi)現(xian)象。被破(po)(po)壞(huai)的型(xing)(xing)、芯(xin)(xin)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)擠走了的砂(sha)團(tuan)部位，自然被金屬(shu)液侵入(ru)(ru)，冷(leng)卻后(hou)凸出在(zai)鑄件表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，如果成(cheng)條的砂(sha)團(tuan)被擠走則形成(cheng)脈紋，如果沿很多不規則的小板塊(kuai)四周(zhou)破(po)(po)壞(huai)，則形成(cheng)橘(ju)皮(pi)。
3、改變石英砂的固有特性
3.1 石英砂的(de)高溫焙燒處理
1994年提(ti)出將(jiang)石英砂(sha)加熱(re)到870℃以上高(gao)溫焙(bei)燒(shao)，而后再將(jiang)焙(bei)燒(shao)處理(li)過(guo)的石英砂(sha)用(yong)到鑄(zhu)造生產中。從生產及試驗中已得出以下3條結論：
（1）用焙(bei)燒石英砂(sha)生產的覆膜(mo)砂(sha)，其試樣(yang)的線膨(peng)脹率很小(xiao)，接近無相變(bian)膨(peng)脹的鋯砂(sha)覆膜(mo)砂(sha)試樣(yang)。
（2）原(yuan)砂(sha)經(jing)焙燒除去了原(yuan)有的3-9ml/g氣體。
（3）焙(bei)燒改(gai)變了砂粒表面的(de)理化性(xing)能，可以提高用這(zhe)種造型(xing)材(cai)料制(zhi)取的(de)型(xing)、芯的(de)力(li)學(xue)強度(du)。
3.2 焙(bei)燒石(shi)英砂在覆膜砂方面的實踐
3.2.1 關于耐高(gao)溫覆(fu)膜砂(sha)
日(ri)本專利(li)昭61-169127于1986年(nian)7月30日(ri)公開的(de)(de)“殼(ke)型樹(shu)脂覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)的(de)(de)制造(zao)方法”，介紹(shao)了(le)(le)在覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)中(zhong)可以加(jia)(jia)入石墨及碳素材(cai)料(liao)(liao)，改善覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)的(de)(de)高(gao)溫(wen)性能(neng)， 之后中(zhong)國有(you)(you)了(le)(le)“耐高(gao)溫(wen)覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)”，據了(le)(le)解(jie)該(gai)覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)除加(jia)(jia)入日(ri)本專利(li)介紹(shao)的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)外，還加(jia)(jia)有(you)(you)氧化鐵粉，后又加(jia)(jia)入無相(xiang)變膨(peng)(peng)脹的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)鉻鐵礦砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)、結砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)。顯然這種(zhong)耐高(gao)溫(wen)覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)加(jia)(jia)入上述材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)作(zuo)用(yong)在于緩解(jie)其高(gao)溫(wen)膨(peng)(peng)脹，經檢測，當時的(de)(de)該(gai)覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)1000℃的(de)(de)線膨(peng)(peng)脹率為(wei)0.8%左右，比(bi)未加(jia)(jia)輔料(liao)(liao)的(de)(de)普通覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)的(de)(de)高(gao)溫(wen)線膨(peng)(peng)脹率1.2%-1.4%低(di)，但(dan)與焙燒砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)生產的(de)(de)覆(fu)(fu)膜(mo)砂(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)(sha)0.5%-0.6%相(xiang)比(bi)則有(you)(you)一定(ding)的(de)(de)差距，而且后者的(de)(de)發(fa)氣量又低(di)很(hen)多(duo)，此外后者的(de)(de)成本亦(yi)比(bi)前者低(di)很(hen)多(duo)。
3.2.2 在朝陽柴(chai)油機廠(chang)的生產驗證
試(shi)用(yong)焙燒砂的覆膜砂：
（1）廢品率(lv)由平均5.09%降到0.36%，消除(chu)了被鐵液包圍的水(shui)套芯產生(sheng)高溫膨(peng)脹(zhang)而碎(sui)裂的缺陷，降低廢品損失。
（2）缸筒變(bian)形量由(you)2.225mm降低(di)到(dao)0.575mm，在4102B機體(ti)上及(ji)4105機體(ti)上對比試(shi)驗和測試(shi)，用焙(bei)燒石英砂的覆(fu)膜砂消除了缸孔(kong)擴漏廢品。
3.3 在其他(ta)鑄造生產方面的實踐
3.3.1 石英粉性能的改變(bian)
涂(tu)料中一般加(jia)入石英粉或鋯英粉等(deng)作(zuo)為(wei)耐火填料，生產實(shi)踐(jian)證(zheng)明：用鋯英粉涂(tu)料比(bi)用石英粉涂(tu)料的鑄件(jian)表面光潔度要好的多(duo)，然其成(cheng)本鋯英粉比(bi)石英粉高。
用石英(ying)(ying)粉(fen)涂料的(de)鑄件表面光潔度(du)比鋯英(ying)(ying)粉(fen)差的(de)原因，主要還(huan)是石英(ying)(ying)粉(fen)的(de)相(xiang)變膨脹，如(ru)消(xiao)除其膨脹應和鋯英(ying)(ying)粉(fen)性(xing)能相(xiang)近，實踐證明該判斷的(de)正(zheng)確性(xing)，即將石英(ying)(ying)粉(fen)焙燒后再(zai)制涂料，結果(guo)鑄件表面光潔度(du)與加鋯英(ying)(ying)粉(fen)無區(qu)別(bie)。
3.3.2 解決鑄件裂(lie)紋
某車(che)輛廠的鑄鋼廠，批量生(sheng)(sheng)產車(che)輛的搖(yao)枕，過去用水(shui)玻璃砂生(sheng)(sheng)產，為改變(bian)勞動(dong)條件(jian)及提(ti)高生(sheng)(sheng)產率(lv)，該廠從國外引進了(le)全套樹脂砂生(sheng)(sheng)產該鑄鋼件(jian)，大(da)批出(chu)現裂(lie)紋，提(ti)供(gong)的解決方案(an)是(shi)，消除或降(jiang)低原砂的相變(bian)膨脹，采(cai)用焙(bei)燒砂，即(ji)將石(shi)英砂加(jia)熱到＞870℃培(pei)燒，同時在鑄造工藝(yi)上進行(xing)改進，終解決了(le)該件(jian)裂(lie)紋問題(ti)。
3.3.3 替代鉻鐵礦(kuang)砂
某大型柴油機廠生產(chan)的缸體、缸蓋(gai)其水道內腔，過(guo)去采用過(guo)各種普通砂芯(xin)制造，但總難消(xiao)除粘砂、脈紋等缺陷(xian)，為保證(zheng)產(chan)品(pin)品(pin)質，采用原砂為鉻(ge)鐵礦砂的熱(re)芯(xin)盒制造，缺陷(xian)雖消(xiao)除，但該芯(xin)成(cheng)本太高。2003年做了(le)如(ru)下(xia)3種熱(re)芯(xin)盒砂的試驗(yan)：
（1）原(yuan)砂(sha)為(wei)普通大林砂(sha)配(pei)制的熱芯盒砂(sha)。
（2）原(yuan)砂為(wei)普通大林砂+7%“脈克(ke)星”配制的熱芯盒砂。
（3）原砂(sha)為焙燒石英砂(sha)配(pei)制的熱芯盒砂(sha)。
試(shi)驗表明焙燒石英砂(sha)(sha)的(de)效果與(yu)鉻(ge)鐵礦(kuang)砂(sha)(sha)相(xiang)同，表面(mian)光潔無(wu)(wu)粘砂(sha)(sha)、無(wu)(wu)脈紋(wen)等(deng)缺陷(xian)。在一定的(de)鑄(zhu)造生產(chan)條件(jian)下，焙燒石英砂(sha)(sha)是可以替代(dai)一些無(wu)(wu)相(xiang)變膨脹的(de)特種砂(sha)(sha)，如(ru)鉻(ge)鐵礦(kuang)砂(sha)(sha)、鋯(gao)砂(sha)(sha)、陶(tao)粒砂(sha)(sha)等(deng)。
4、結束語(yu)
近(jin)年來(lai)對焙(bei)燒(shao)石英砂(sha)(sha)這項(xiang)(xiang)技術的(de)研究不斷深(shen)化(hua)，已完成了(le)焙(bei)燒(shao)石英砂(sha)(sha)生產工藝與裝備(bei)的(de)更新(xin)，為這項(xiang)(xiang)技術推廣(guang)奠定了(le)基礎。
