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铸造用人工砂的性能和应用 1  引言 由于硅砂来源丰富、耐火度较高、与金属熔液不润 湿等适于铸造的特性，所以长期以来一直是造型制芯的 最主要的基础材料， 硅砂仍然占据铸造用原砂90%以上。 随着对铸件质量、综合成本控制及环境保护等要求的不 断提高，硅砂（包括高纯度硅砂和焙烧硅砂）固有的缺 点越来越突出：热稳定性差，容易形成脉纹缺陷；高温 下易与氧化铁反应形成铁橄榄石，造成粘砂；耐火度较 低，同时容易与氧化锰反应成渣，难于适应中高合金钢、 高锰钢的铸造；易于破碎，产生的 SiO 2 粉尘经呼吸后， 有造成工人罹患尘肺病的危险 [1] 。 为了寻求性能更好的原砂， 从 19 世纪 40 年代以来， 铸造工作者开发、研制及推广了数十种特种砂。特种砂 一般具有耐火度高、导热性好、热膨胀小及抗熔渣浸蚀 能力强等特点，广泛使用的有锆英砂、铬铁矿砂、橄榄 石砂及镁砂等。在铸造上主要用于合金钢或者容易粘砂 的碳钢，也常常用于覆膜砂、铸型面砂、涂料及特殊型 芯等，而整条生产线使用的并不多见。这些特种砂一般 是通过选矿、破碎、筛分，个别经过煅烧而成，没有成 分和组织的改变，一般称为天然特种砂。目前，面临资 源逐渐匮乏、开采受到限制等等，价格越来越贵。 自 20 世纪末开始，中国、日本及德国等一些企业 和研究机构以高岭土、 铝矾土等为原料， 通过造粒、 烧结， 或者熔融、风碎等工艺生产不同成分、不同物相的陶瓷 类球形砂。陶瓷类球形砂除了具有天然特种砂的上述优 点外，还具有黏结剂用量少、流动性好、透气性好、强 度高、耐破碎及适应各种造型制芯工艺成线使用的特点， 近十几年来得到了迅速的推广和应用。 2  常见人工特种砂的生产方法、化学成分 及矿物相 2.1  常见人工特种砂的生产方法 2.1.1  宝珠砂 宝珠砂最早是由洛阳凯林铸材有限公司在 20 世纪末 21 世纪初开发推广，尽管市场上商品名字较多，但只要 是以优质铝矾土（Al 2 O 3 含量 65% ～ 85%）为原料，通 过电弧熔融，风碎成球得到的铸造砂都是宝珠砂的范畴。 宝珠砂的制造方法是：选取优质铝矾土原料，置于电弧炉 中熔融， 当熔融液自炉中流出时， 用压缩空气流将其吹散， 冷却后得到表面光滑的球形或接近于球形的颗粒。 宝珠砂生产流程：铝矾土→简单破碎→电弧熔融→ 风碎成球→筛分→混配→宝珠砂成品。 2.1.2  Cerabeads（CB 砂） 美国卡博陶粒（Carbo Ceramics）公司于 20 世 纪 80 年代研制出一种商品名称为“Cerama-core”的 人工烧制的陶瓷球形颗粒，最初作为支撑剂用于油、气 工业中。90 年代初，美国和日本先后将其用于铸造行业 作为锆砂的代用品。日本的制造厂商为伊藤忠陶业株式 会社，产品的名称是“Cerabeads”，简称 CB 砂。 根据日本伊藤忠公司的资料，CB 砂的生产流程：原 料（铝矾土+ 高岭土）→磨碎制粉→混合，制浆→喷雾造 粒→烧结，冷却→破碎→抛光→分筛配制→CB 砂成品。 2.1.3  Spheresand 砂（月砂） 2006 年，天津中国矿产有限公司与日本花王公司 李忠泽 , 陈兆杰 , 王柏勤 , 刘满对 （洛阳凯林铸材有限公司，河南 洛阳 471100） 摘要： 摘要：简要介绍了铸造用人工砂的研制和应用情况。介绍了宝珠砂、CB砂、Spheresand砂及陶粒砂等铸 造用人工砂的原料、生产工艺、理化性能及应用等。铸造用人工砂具有较高的耐火度、良好的粒形、低的热 膨胀系数及接近中性的化学性质等优点，几乎可以应用于所有的砂型铸造。 关键词： 关键词：铸造；人工砂；性能；应用 中图分类号： 中图分类号：TG221  文献标识码： 文献标识码：A  文章编号： 文章编号：1673－3320（2020）02－0059－06 收稿日期：2019-09-23 修定日期：2019-12-10 作者简介：李忠泽（1966-），男，高级工程师 , 主要从事铸 造工艺设计及造型材料应用工作。60 2020 年第 2 期 原辅材料实验 合作， 用引进技术生产铸造用 “月砂” 系列的球形人造砂。 “月砂”共三个系列：( 1 ) Spheresand CL 莫来石质 球形铸造砂；( 2 ) Spheresand BL 矾土质球形铸造砂； ( 3 ) Spheresand AL 白刚玉质球形铸造砂。天津中国 矿产有限公司有贵州修文和山西介休两个矿产基地，可 大量生产月砂 CL- 莫来石质球形铸造砂的原料，即高 温合成莫来石。 月砂生产示意图 （火焰熔融） 如图 1 所示。 以 Spheresand CL 砂为例，生产流程：高温合成 莫来石→破碎→火焰熔融→冷却→筛分、配制→成品。 2.1.4  陶粒砂 金刚新材料股份有限公司成立于 2007 年，近年来 该公司利用当地丰富的焦宝石资源，经制粉→造粒→烧 结→筛分→级配等工序生产的一种球形人工砂 （陶粒砂） 。 焦宝石是山东省淄博及周边地区的一种优质耐火黏土， 其原矿 Al 2 O 3 含量 38% 左右，煅烧后达到 44% 左右。 2.1.5  四种人工砂对比情况 四种铸造用人工砂的原料和生产工艺见表 1，四种铸 造用人造砂的电镜照片如图 2 所示。从图 2 电镜图中可 以看出，在宏观形貌上，几种人造砂均呈现表面光滑的近 似球体，但由于原料以及生产方法的不同，从表面形态微 观上看，砂子的表面状态和圆度还是有所区别，宝珠砂和 CB 砂表面微观形貌如图 3 所示。有分析指出，原砂表面 的微小凸起和裂纹有利于黏结剂的附着，从而提高强度。 2.2  四种铸造用人工砂的典型化学成分和矿物相 四种铸造用人工砂的化学成分见表 2，化学成分见 表 3。从化学成分上看，四种铸造用人工砂均属于硅酸 铝质耐火材料，矿物相大体遵循 Al 2 O 3 -SiO 2 二元相图 的原则。Al 2 O 3 -SiO 2 平衡状态图如图 4 所示，主要矿 物相及化学性质见表 4。 表 1  四种铸造用人工砂的原料和生产工艺 Tab.1 Raw materials and production process of popularly used artificial sands 原料 破碎 制球 烧结 熔融 破碎、冷却 筛分、混配 开发时间 宝珠砂 高铝矾土 100mm 左右 - - 石墨电极 电弧 ＞ 3 000℃ - √ 1999 年 CB 砂 高岭土 + 铝矾土 磨粉 喷雾制球 1 680℃ - √ √ 1993 年 月砂 （CL） 合成莫来石 破碎 - 火焰熔融 2 200℃ √ √ 2007 年 陶粒砂 煅烧焦宝石 磨粉 √ 1 300 ～ 1 600℃ - √ √ 2015 年（a）宝珠砂                                  （b）CB 砂                               （c）陶粒砂                            （d）月砂（CL） 图 2  四种铸造用人造砂的电镜照片（200×） Fig.2 Microscope photographs of several kinds of artificial sands 图 1  月砂生产示意图（火焰熔融） Fig.1 Production diagram of spheresand (flame melting)2020 年第 2 期 原辅材料实验 61（a）宝珠砂                              （b）CB 砂 图 3  宝珠砂和 CB 砂表面微观形貌 Fig.3 Microscopic morphology of ceramic sand and  cerabeads 表 2  四种铸造用人工砂的化学成分（质量分数，%） Tab.2 Chemical composition of some artificial sands  (mass fraction, %) Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3 TiO 2 其他 宝珠砂 ≥ 70 8～2 0 ≤ 3 ≤ 4 ≤ 1 CB 砂 61 36 - - - 月砂 （CL） 60 ～ 65 28 ～ 35 ＜ 1.5 ＜ 3 - 陶粒砂 ≥ 45 ≤ 42 ≤ 3 ≤ 1.5 ≤ 2.5 图 4  Al 2 O 3 -SiO 2 平衡状态图 Fig.4 Al 2 O 3 -SiO 2equilibrium diagram 表 3  四种铸造用人工砂的化学成分（X 光衍射化验结果）（质量分数，%） Tab.3 Typical chemical composition of some artificial sands (by XRD) (mass fraction, %) 原砂种类 Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3 Na 2 O K 2 O MgO CaO TiO 2 宝珠砂 78.54 15.12 1.79 0.06 0.50 0.26 0.36 3.37 陶粒砂 43.20 47.70 5.01 0.53 0.16 0.68 0.79 0.87 CB 砂 60.10 35.90 1.09 0.45 0.37 0.00 0.44 0.74 月砂（CL） 61.20 32.30 1.57 0.06 0.21 0.30 1.24 2.87 表 4  硅酸铝质耐火材料的主要矿物相及化学性质 Tab.4 Major mineral phase and chemical properties of  aluminum silicate refractory materials 序号 Al 2 O 3  (%) 主要矿物相 化学性质 1 SiO 2 ≥ 93 磷石英、方石英、残余石英、 玻璃相 酸性 2 15 ～ 30 石英变体、莫来石、玻璃体 半酸性 3 30 ～ 46 莫来石（～ 50%）、石英变体、 玻璃体 弱酸性 4 46 ～ 60 莫来石（60% ～ 70%）、 石英变体、玻璃体 弱酸性 5 60 ～ 75 莫来石、少量刚玉、玻璃体 弱酸性 6 ＞ 75 莫来石、刚玉、少量玻璃体 似中性 7 95 ～ 99 刚玉、少量玻璃体 中性 莫来石（Mullite）相是Al 2 O 3 -SiO 2 系中唯一稳定的 二元化合物，组成可在3Al 2 O 3• 2SiO 2 和2Al 2 O 3  • SiO 2 之间变化，即Al 2 O 3 含量可在71.8% ～77.3% 范围内波 动。莫来石具有以下优良性能：(1) 耐火度高(1 870℃)； (2) 热膨胀低(20 ～1 000℃,5.3×10 -6 /℃)；(3) 抗热震性 优良；(4) 抗化学腐蚀性好；(5) 抗蠕变性能优良。所以， 莫来石相是铝硅系特种砂具有优良的铸造性能。 刚玉 （Corundum） 主要成分为 Al 2 O 3 ， 具有 α、 γ、 δ 等多种晶型，其中 α-Al 2 O 3 为稳定晶型，属于离子 晶体， 氧离子为六方最紧密排列， 质点间距小， 结构牢固， 不易被破坏，刚玉具有很高的硬度（莫氏硬度为 9 级）， 熔点高达 2 053℃，化学性质稳定，对酸性、碱性炉渣、 金属熔液等有良好的抗浸蚀能力。62 2020 年第 2 期 原辅材料实验 对于烧结类的人造砂来说，在烧制过程中，Al 2 O 3 和SiO 2 接触部分发生固相反应生成莫来石，未反应完 全的SiO 2 和Al 2 O 3 转化为方石英和刚玉。烧成过程中 产生的液相固化为玻璃相，在表面张力的作用下形成 闭气孔。一般认为，反应烧结形成莫来石的机理是刚 玉先在氧化硅中溶解形核，然后逐渐长大，生长方向 朝氧化硅。 陶粒砂的平衡态矿物相应为 “莫来石 （50%～60%） 、 石英变体、玻璃体”，月砂（CL）、CB 砂的平衡态 矿物相应为“莫来石 + 少量玻璃体”。高铝宝珠砂采用 Al 2 O 3 含量 ≥ 75% 的高铝矾土， 采用石墨电极电弧熔化， 熔融的液体会流到石墨电极的下方，从引流孔排出，之 后雾化（风碎或者喷雾急冷）。在空中因为液体的表面 张力变成球状粒子，急冷后变成人工砂。由于急冷，没 有结晶化，作为非晶质的残留量比较多。这种宝珠砂经 过加热、保温，充分结晶化，大量减少玻璃相，可得到 矿物相应为“莫来石 + 刚玉 + 少量玻璃体”的组织，其 中莫来石相占 55%~60%，刚玉相占 20%~30%，玻璃 相占 5%~10%。 以上人造特种砂由于化学成分、生产工艺的不同造 成矿物相的不同，各自具有不同的理化性能和热性能。3  常见人工砂的性能 常见人工砂的主要理化性能见表 5， 热性能见表 6。 由表 5 可以看出 [2] ，人造特种砂均具有近似球形的粒型， 但是熔融风碎法生产的宝珠砂圆度明显好于其他烧结法 生产的特种砂，同时，由于宝珠砂堆积密度较大、表面 硬度较高，在作为消失模填充砂方面具有独特的优势。 表 5  常见人工砂的主要理化性能 Tab.5 Primary physical and chemical properties of artificial sands 真密度 /（g·cm -3 ） 堆积密度 /（g·cm -3 ） 莫氏硬度 PH 值 酸耗值 /（mL·g -1 ） 灼烧减量 （%） 角形系数 安息角 /deg 宝珠砂 3.31 2.0 8.7 7.7 ＜ 0.06 ＜ 0.1 ＜ 1.06 20 CB 砂 2.86 1.69 5.0 ～ 5.5 7.2 - ＜ 0.1 ＜ 1.2 31 月砂（CL） 2.84 1.68 - 8.9 0.054 0 ＜ 1.2 27.8 陶粒砂 2.66 1.62 - ≤ 0.07 ＜ 0.4 ＜ 1.15 30 硅砂 2.7 1.58 7 6.6 - - 1.2 ～ 1.6 43 表 6  常见人工砂的热性能 Tab.6 Thermal properties of artificial sands 耐火度 /℃ 热膨胀系数（20 ～ 1 000 ℃）/ （10 -6 ·℃ -1 ） 热导率（20 ～ 1 100 ℃） /（W·m -1 ·K -1 ） 比热容 /（J·kg -1 ·K -1 ） 热膨胀率 （%） 宝珠砂 ＞ 1 800 6 0.5 ～ 0.6 2 210 0.13 CB 砂 1 825 4.5 ～ 6.5 0.24 ～ 0.5 1 842 0.15 月砂（CL） - - 0.5 - - 陶粒砂 ＞ 1 750 - 0.257 ～ 0.335 - - 硅砂 1 710 （SiO 2 ≥ 98%） 23 0.7 ～ 0.8 1 130 1.5 铬铁矿砂 1 830 - 0.65 1 214 0.3 ～ 0.4 关于蓄热系数的概念：蓄热系数表示材料的冷却能 力（铸造上常说的激冷能力），蓄热系数越大、铸件的 凝固和冷却速度也越大，铸件的致密程度提高，粘砂倾 向降低。蓄热系数 b 是材料的密度 ρ、热导率 λ、比热容 C 的函数，即： b=（ λ• C • ρ） 1/2 （1） 从式（1）可以看出，锆英砂、铬铁矿砂、宝珠砂 等具有激冷效果好的特点。2020 年第 2 期 原辅材料实验 63 以上四种特种人造砂都具有较高的耐火度，较低的 的热膨胀率，都可以避免硅砂由于相变产生较大热膨胀 造成铸件脉纹的缺陷。但在需要更高耐火度的不锈钢大 型碳钢件的场合，较高的耐火度和更光洁的表面质量会 取得更好的铸造效果。另外，由于烧结法人造砂存在较 多闭气孔，使得型砂导热性能差，在铸造低熔点的有色 合金时，铸型溃散性不好。 宝珠砂除堆积密度低于铬铁矿砂外，一些主要的热 物理性能，如热导率、热膨胀率及耐火度等都与铬铁矿 砂相近。在颗粒形状和耐破碎性方面，则比铬铁矿砂好 得多，而价格却只是铬铁矿砂的 1/2 左右。综合分析的 结果是宝珠砂是铬铁矿砂比较理想的替代材料。目前， 已有很多大型铸钢件厂家利用宝珠砂替代铬铁矿砂做面 砂，尤其是开发出“30 目 + 细粉”宝珠砂做面砂，取 得了更大的经济效益。 几种常见铸造人工砂通过一种特殊的试验方法得 出的抗破碎性能对比。选用宝珠砂、陶粒砂、铬铁矿 砂、CB 砂、 月 砂 各 100g， 粒 度 为 过 50 目 不 过 60 目，放置在特制滚筒中，加入 20 个 Φ30mm 钢球，以 500rpm 的转速旋转 10min 和 20min，分别检测其通 过 60 目筛网的比例，用来比较抗破碎性能。 几种人工砂的抗破碎性能试验数据见表 7，表 7 的 数据表明，几种原砂的抗破碎性能从优到劣依次为：宝 珠砂，陶粒砂，月砂，CB 砂，铬铁矿砂。 按单位体积加入等量黏结剂进行宝珠砂和陶粒砂的 树脂砂抗拉强度对比，宝珠砂和烧结陶瓷砂树脂砂强度 试验结果见表 8。 从表 8 的数据可以看到， 不论 1 h 后、 2 h 后，还是 24 h 后的抗压强度，陶粒砂都与宝珠砂相 去甚远， 均相差一半以上。 这应该是由于不同的表面形貌、 表面缺陷状况以及粒形的差别造成的。 表 7  几种人工砂的抗破碎性能试验数据 Tab.7 Crush ratio data of some artificial sands 厂商 产品名称 60 目通过率（%） 一次研磨 （10 min） 两次研磨 （20 min） 凯林 宝珠砂 14.38 27.22 陶粒砂 17.13 27.51 澳洲 Chromite sand 72.74 93.57 伊藤忠 Cerabead CB 砂 23.50 40.78 天津矿产 Lunamos 月砂 19.23 29.43 表 8  宝珠砂和烧结陶瓷砂树脂砂强度试验结果 Tab.8 Compressive strength test results of resin bonded  ceramic sand and ceramic power sand 项目 宝珠砂 陶粒砂 每升原砂的黏结剂加入量 /(g·L -1 ) 29.90 29.90 折合每千克原砂的黏结剂加入量 /(g·kg -1 ) 15.00 18.61 黏结剂加入量（重量百分数）/% 1.50 1.86 抗压强度 /(MPa·cm -2 ) 1h 后 24.64 8.19 2h 后 26.57 10.81 24h 后 37.28 17.23 4  常见铸造人工砂的应用情况 从 20 世纪末本世纪初开始，铸造用人工特种砂特 别是球形人工砂推广应用取得了十分显著的成效，据粗 略统计，目前用量可达到 12 ～ 15 万吨左右。这方面， 日本企业和美国企业对人工砂的研制、测试、试验及应 用都走在世界的前列。在人工砂的开发方面， 我国有自 己的创新成果，那就是开发了熔融风碎砂 - 宝珠砂。 宝珠砂经洛阳凯林公司从 1999 年开始在铸造行业 进行推广，在 2002 年左右进入日本市场，由于其良好 的综合性能（与当时的 Cerabeads 和太阳珠产品相 比较）和相对的成本优势，得到了很快的推广，并开 始由日本销往欧美。在国内，由李传栻等铸造专家最 早介绍宝珠砂的特点及应用，国内一些日资、韩资及 其合资铸造企业铸造厂最早采用宝珠砂，对宝珠砂的 推广起到了很好的示范作用，到目前为止，宝珠砂的 需求还在迅速增长中。近年来，除宝珠砂外，人造莫 来石砂的开发、推广也很迅猛，也在各自不同的领域 得到应用。 各种球形人工砂由于较高的耐火度、良好的粒型、 很低的热膨胀及接近中性的化学性质等突出优点，几乎 可以应用于所有砂型铸造的领域，从潮模砂到各种树脂 砂，从普通砂型铸造到消失模、V 法铸造，从砂型、砂 芯到涂料等， 全部或者部分地取代了石英砂、 铬铁矿砂等， 提高了铸件质量，降低了生产成本，改善了环境。 洛阳凯林铸材有限公司近年来将宝珠砂应用在不同 的铸造工艺中，具有一定的代表性，其他厂家或其他球 形人工砂的应用情况大体类似，宝珠砂应用情况饼图如 图 5 所示。64 2020 年第 2 期 原辅材料实验 图 5  宝珠砂应用情况饼图 Fig.5 Application of ceramic sand 根据日本专家的统计，以宝珠砂为代表熔融风碎法 中石墨电极接触熔融法是产量最多的人工砂制造法，现 在年产量约 10 万吨，实际可能超过 12 万吨。烧结法生 产的球形人工砂年产量大约 5 万吨，包括 Cerabeads 和陶粒砂。而采用火焰熔融法生产的球形人工砂产量较 小，年生产量约 0.5 万吨。以上数字大体上反映了各种 人工砂的应用状态，随着在铸造行业的进一步推广和绿 色铸造环保铸造的要求越来越强烈，应用会进一步扩大， 近十年之内仍然会继续其高速增长的状态。 5  结语 ( 1 ) 宝珠砂为代表的熔融风碎陶瓷砂的生产应继续 提高生产方式的机械化、高效化和环保化，要保证生产 和质量的一致性，进一步研究和应用节能技术。应当利 用此种工艺的优势，开发一些性能更优越的特殊产品， ( 2 ) 一两年内，各种球形人工砂的应用会逐步出现 差异化、专业化，铸造厂逐步了解各种球形人工砂的不 同优势，选择更加理性化。铸造用人造特种砂生产厂家 应不断提高产品的种类和质量，以满足铸造企业发展的 需要。 ( 3 ) 关于球形人工砂的性能的测试，包括粒型（角 形系数的替代指标）、抗破碎性及高温性能等，需尽快 统一和积极推行。 参考文献 [1] 黄天佑 . 铸造手册 : 造型材料 [M]. 北京 : 机械工业出版社 , 2012. [2] 李传栻 . 硅砂替代材料的应用与发展（下）[J]. 金属加工 ( 热加工 ), 2011(21): 60-64. Characteristics and Applications of Artificial Sandsfor Casting LI Zhongze, CHEN Zhaojie, WANG Baiqin, LIU Mandui (Luoyang Kailin Casting Materials Co., Ltd., Luoyang 471100, Henan China) Abstract: Development and applications of artificial sands used in casting were briefly introduced. Raw  materials, producing processes, physical and chemical properties, and application of the artificial sands such  as jewelry sand, CB sand, Spheresand sand, and ceramsite sand used in casting were introduced. The artificial  sands have higher refractoriness, good particle form, lower thermal expansion coefficient, and chemical  property close to neutrality ,are applicable to almost all sand castings.  Key words: Casting; Artificial sand; Property; Application （编辑：青松，zzgc@foundry.com.cn；编审：娅楠，yuanyajuan@foundry.com.cn）