在中國(guó)鑄造俗稱“翻砂”，可知砂與鑄造的關(guān)系。鑄造生產(chǎn)中除采用較少量的特種砂外，99%以上是采用石英砂，本文對(duì)石英砂的微觀結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行研究與分析。

1、石英砂的微觀結(jié)構(gòu)及特性

1.1 綜述石英砂的微觀結(jié)構(gòu)及特性

1.1.1 石英砂的同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，可在一定溫度下轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)榱骄档摩?石英，密度2.51-2.54g/cm³，在870℃轉(zhuǎn)變?yōu)樾绷骄档摩?鱗石英，密度2.26g/cm³。因此石英是隨溫度變化而伴隨著同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變。從各晶體的密度變化不難推算：常溫下的石英加熱到相變溫度870℃，其相變膨脹體積增加17.26%。

1.1.2 石英砂的同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變與加熱速度的關(guān)系

在一次實(shí)驗(yàn)中采取特殊激冷方法冷卻高溫焙燒砂，取其試樣檢測(cè)，在X射線衍射圖譜上發(fā)現(xiàn)，保留有一條4.15×10^-8cm衍射線，該衍射線與鱗石英特性相近。該樣品的加熱速度并非緩慢，只是冷卻速度很快，因此可以判斷：石英加熱到870℃以上就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轺[石英；在激冷條件下冷卻，鱗石英未完全恢復(fù)到α-石英；石英同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變只與溫度有關(guān)，與加熱速度無(wú)關(guān)。鑄造生產(chǎn)中的很多現(xiàn)象也證明了此判斷的可靠性。

1.1.3 石英砂中的發(fā)氣物質(zhì)

從測(cè)試各地的擦洗石英砂發(fā)現(xiàn)：無(wú)論砂擦洗的再干凈，并完全烘干了，在發(fā)氣測(cè)量?jī)x上加熱到850℃檢測(cè)， 均可測(cè)出有3-9mL/g的氣體。普通覆膜砂在該儀器上檢測(cè)均有這樣的現(xiàn)象：溫度升到850℃，測(cè)試到了后期，發(fā)氣量穩(wěn)定一段時(shí)間不增長(zhǎng)，而后再增長(zhǎng)一定量的氣體才測(cè)試完成。焙燒石英砂的覆膜砂的發(fā)氣量測(cè)定無(wú)后期再增長(zhǎng)現(xiàn)象。綜上分析判斷，石英砂中含有發(fā)氣物質(zhì)，該物質(zhì)不是普通水，但有以下特性：在一定高的溫度下，并需要一定的時(shí)間才能分解、汽化。

1.1.4 石英砂粒表面的理化性能

自然界的原砂，無(wú)論采用何種方式加工、擦洗，其砂粒表面都有一層薄膜，經(jīng)過(guò)高溫焙燒可除去該薄膜， 因此焙燒石英砂的覆膜砂強(qiáng)度比普通砂覆膜砂強(qiáng)度高很多。

2、石英砂與鑄造缺陷的關(guān)系

2.1 粘砂

粘砂是鑄造中較常見(jiàn)的缺陷。除某些有色金屬外，一般金屬液的澆注溫度均＞900℃，即高于石英的相變溫度，當(dāng)接觸金屬液的砂粒溫度升到870℃時(shí)，將產(chǎn)生相變膨脹，在型、芯界面上排列緊密的砂粒膨脹無(wú)空間發(fā)展時(shí)，必然將部分砂粒擠入未凝固的金屬界面上去，于是形成粘砂。薄壁鑄件、澆注溫度低的鑄件粘砂少的原因之一是當(dāng)接觸金屬液的砂粒溫升還未到870℃產(chǎn)生相變膨脹時(shí)，金屬已凝固，之后砂粒再升溫及相變膨脹，亦難侵入到金屬界面上去。鋯砂、鉻鐵礦砂及與石英砂熔點(diǎn)相近的陶粒砂不產(chǎn)生相變膨脹，因此很少粘砂。

2.2 砂眼、走皮、脈紋及橘皮狀缺陷

砂眼亦是鑄造中常見(jiàn)的缺陷，其產(chǎn)生的原因之一也是石英砂的相變膨脹引起。澆注后型、芯表面溫升達(dá)到870℃以上時(shí)，砂粒相變膨脹，在型、芯界面內(nèi)產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力大于型、芯在該溫度下的強(qiáng)度時(shí)，型、芯表面被破壞，將部分砂團(tuán)隨金屬液沖入型腔而形成砂眼，當(dāng)大面積型、芯表面被破壞則產(chǎn)生起皮現(xiàn)象。被破壞的型、芯表面擠走了的砂團(tuán)部位，自然被金屬液侵入，冷卻后凸出在鑄件表面，如果成條的砂團(tuán)被擠走則形成脈紋，如果沿很多不規(guī)則的小板塊四周破壞，則形成橘皮。

3、改變石英砂的固有特性

3.1 石英砂的高溫焙燒處理

1994年提出將石英砂加熱到870℃以上高溫焙燒，而后再將焙燒處理過(guò)的石英砂用到鑄造生產(chǎn)中。從生產(chǎn)及試驗(yàn)中已得出以下3條結(jié)論:

（1）用焙燒石英砂生產(chǎn)的覆膜砂，其試樣的線膨脹率很小，接近無(wú)相變膨脹的鋯砂覆膜砂試樣。

（2）原砂經(jīng)焙燒除去了原有的3-9ml/g氣體。

（3）焙燒改變了砂粒表面的理化性能，可以提高用這種造型材料制取的型、芯的力學(xué)強(qiáng)度。

3.2 焙燒石英砂在覆膜砂方面的實(shí)踐

3.2.1 關(guān)于耐高溫覆膜砂

日本專利昭61-169127于1986年7月30日公開(kāi)的“殼型樹(shù)脂覆膜砂的制造方法”，介紹了在覆膜砂中可以加入石墨及碳素材料，改善覆膜砂的高溫性能， 之后中國(guó)有了“耐高溫覆膜砂”，據(jù)了解該覆膜砂除加入日本專利介紹的材料外，還加有氧化鐵粉，后又加入無(wú)相變膨脹的材料鉻鐵礦砂、鋯砂。顯然這種耐高溫覆膜砂加入上述材料的作用在于緩解其高溫膨脹，經(jīng)檢測(cè)，當(dāng)時(shí)的該覆膜砂1000℃的線膨脹率為0.8%左右，比未加輔料的普通覆膜砂的高溫線膨脹率1.2%-1.4%低，但與焙燒砂生產(chǎn)的覆膜砂0.5%-0.6% 相比則有一定的差距，而且后者的發(fā)氣量又低很多，此外后者的成本亦比前者低很多。

3.2.2 在朝陽(yáng)柴油機(jī)廠的生產(chǎn)驗(yàn)證

試用焙燒砂的覆膜砂：

（1）廢品率由平均5.09%降到0.36%，消除了被鐵液包圍的水套芯產(chǎn)生高溫膨脹而碎裂的缺陷，降低廢品損失。

（2）缸筒變形量由2.225mm降低到0.575mm，在4102B機(jī)體上及4105機(jī)體上對(duì)比試驗(yàn)和測(cè)試，用焙燒石英砂的覆膜砂消除了缸孔擴(kuò)漏廢品。

3.3 在其他鑄造生產(chǎn)方面的實(shí)踐

3.3.1 石英粉性能的改變

涂料中一般加入石英粉或鋯英粉等作為耐火填料，生產(chǎn)實(shí)踐證明：用鋯英粉涂料比用石英粉涂料的鑄件表面光潔度要好的多，然其成本鋯英粉比石英粉高。

用石英粉涂料的鑄件表面光潔度比鋯英粉差的原因，主要還是石英粉的相變膨脹，如消除其膨脹應(yīng)和鋯英粉性能相近，實(shí)踐證明該判斷的正確性，即將石英粉焙燒后再制涂料，結(jié)果鑄件表面光潔度與加鋯英粉無(wú)區(qū)別。

3.3.2 解決鑄件裂紋

某車(chē)輛廠的鑄鋼廠，批量生產(chǎn)車(chē)輛的搖枕，過(guò)去用水玻璃砂生產(chǎn)，為改變勞動(dòng)條件及提高生產(chǎn)率，該廠從國(guó)外引進(jìn)了全套樹(shù)脂砂生產(chǎn)該鑄鋼件，大批出現(xiàn)裂紋，提供的解決方案是，消除或降低原砂的相變膨脹，采用焙燒砂，即將石英砂加熱到≥870℃培燒，同時(shí)在鑄造工藝上進(jìn)行改進(jìn)，解決了該件裂紋問(wèn)題。

3.3.3 替代鉻鐵礦砂

某大型柴油機(jī)廠生產(chǎn)的缸體、缸蓋其水道內(nèi)腔，過(guò)去采用過(guò)各種普通砂芯制造，但總難消除粘砂、脈紋等缺陷，為保證產(chǎn)品品質(zhì)，采用原砂為鉻鐵礦砂的熱芯盒制造，缺陷雖消除，但該芯成本太高。2003年做了如下3種熱芯盒砂的試驗(yàn)：

（1）原砂為普通大林砂配制的熱芯盒砂。

（2）原砂為普通大林砂+7%“脈克星”配制的熱芯盒砂。

（3）原砂為焙燒石英砂配制的熱芯盒砂。

試驗(yàn)表明焙燒石英砂的效果與鉻鐵礦砂相同，表面光潔無(wú)粘砂、無(wú)脈紋等缺陷。在一定的鑄造生產(chǎn)條件下，焙燒石英砂是可以替代一些無(wú)相變膨脹的特種砂，如鉻鐵礦砂、鋯砂、陶粒砂等。

4、結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)對(duì)焙燒石英砂這項(xiàng)技術(shù)的研究不斷深化，已完成了焙燒石英砂生產(chǎn)工藝與裝備的更新，為這項(xiàng)技術(shù)推廣奠定了基礎(chǔ)。