02 第二章_原砂.pptx

第1页：第2章 原砂（本章知识构架）

第2章 原砂（本章知识构架）

第2章原砂【本章知识构架】

第2页：第2章 原砂（章节目录）

第2章 原砂（章节目录）

• 第2章原砂
• 铸造用硅砂
• 非硅质砂
• 原砂的加工处理
• 原砂的选用原则
• 概述

第3页：2.1概述

2.1概述

• 原砂是指铸造厂配制型（芯）砂所用的砂子，是型（芯）砂中的基本组成部分。
• 原砂的化学性质和物理状况对型（芯）砂的工艺性能乃至用以制得的铸件的质量都有很重要的影响。
• 型（芯）砂要受高温液态金属的作用，原砂的化学成分是重要的特性。通常都要根据铸造合金的浇注温度和铸件的厚度来确定对石英砂质量的要求。特定的条件下，需要采用特种砂来代替石英砂。
• 但是，对于铸造用的原砂，其物理性状有时比化学成分更为重要。原砂的表面性状、颗粒形状、粒度及其分布状况等，都是评定其是否适于生产优质铸件的基本性能。
• 根据原砂的基本组成，铸造原砂通常可分为硅砂和非硅质砂两大类。

第4页：2.2铸造用硅砂

2.2铸造用硅砂

• 铸造用的原砂仍以硅砂为主。硅砂资源丰富，价格低廉，其性能可满足通常铸件的要求。由于其在形成过程中经历不同，天然硅砂可分为山砂、河砂和海砂。
• 山砂多是岩石风化后在原地沉积而成，含有较多的泥分和杂质。
• 海砂和河砂是经水力搬运后沉积下来的矿物，泥分较少，由于运动中的摩擦作用，形状多为圆形或半圆形。
• 经风力搬运而沉积的砂为风积砂，多产在内陆地区，泥分较少，形状也较圆。
• 沉积后的硅砂，经地壳运动时的高温高压作用，可形成石英岩。石英岩破碎加工后，就是人造硅砂。人造硅砂杂质少，其形状呈不规则的尖角形或多角形。

第5页：2.2.1硅砂的化学成分和分类

表2-1：下表列出相关数据。

2.2.1硅砂的化学成分和分类

硅砂的化学成分直接影响砂子的耐火度、热化学稳定性和复用性，对在铸件表面上是否产生粘砂也有很大的影响。硅砂是以石英为主的矿物，但与其共生的还有其它矿物，主要有长石、云母、铁的氧化物（如，赤铁矿Fe2O3、磁铁矿Fe3O4、褐铁矿2Fe2O3∙3H2O）、碳酸盐（如，石灰石CaCO3、镁石MgCO3、白云石CaCO3∙MgCO3）、硫化物（如，黄铁矿FeS2）等，其中主要是长石和云母较多，石英、长石和云母的主要矿物特性见表2-1。熔点(℃)莫氏硬度密度化学式名称171372.65SiO2石英11006~6.52.62~2.65Na2O∙Al2O3∙6SiO2钠长石1170~120062.5~2.6K2O∙Al2O3∙6SiO2钾长石1160~12506~6.52.74~2.76CaO∙Al2O3∙2SiO2钙长石1270~12752~2.52.75~3.0K2O∙3Al2O3∙6SiO2∙H2O白云母1145~11502.5~3.02.7~3.1K2O∙6(Mg∙Fe)O∙Al2O3∙6SiO2∙H2O黑云母

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——2.2.1硅砂的化学成分和分类硅砂的化学成分直接影响砂子的耐火度、热化学稳定性和复用性，对在铸件表面上是否产生粘砂也有很大的影响。硅砂是以石英为主的矿物，但与其共生的还有其它矿物，主要有长石、云母、铁的氧化物（如，赤铁矿Fe2O3、磁铁矿Fe3O4、褐铁矿2Fe2O3∙3H2O）、碳酸盐（如，石灰石CaCO3、镁石MgCO3、白云石CaCO3∙MgCO3）、硫化物（如，黄铁矿FeS2）等，其中主要是长石和云母较多，石英、长石和云母的主要矿物特性见表2-1。熔点(℃)莫氏硬度密度化学式名称171372.65SiO2石英11006~6.52.62~2.65Na2O∙Al2O3∙6SiO2钠长石1170~120062.5~2.6K2O∙Al2O3∙6SiO2钾长石1160~12506~6.52.74~2.76CaO∙Al2O3∙2SiO2钙长石1270~12752~2.52.75~3.0K2O∙3Al2O3∙6SiO2∙H2O白云母1145~11502.5~3.02.7~3.1K2O∙6(Mg∙Fe)O∙Al2O3∙6SiO2∙H2O黑云母

第6页：石英的化学成分与晶体结构

石英的化学成分与晶体结构

硅砂的化学成分和分类石英的化学成分是SiO2，它是无色透明或半透明的固体。其结构见图2.1，可以看出，Si-O键在空间不断重复而形成体型的石英晶体。这种结构中的硅和氧原子数之比是1:2，组成最简式是SiO2。由于原子间以强的共价键相联系，要破坏此Si-O键，需要很大的能量，所以SiO2有很高的熔点和硬度，而且耐磨性也较好。图2.1二氧化硅的晶体结构

第7页：二氧化硅的分类

二氧化硅的分类

自然界中存在的结晶二氧化硅可划分为石英、鳞石英和方石英三种不同的晶型。结晶二氧化硅在不同的温度下能以不同的晶型存在，若改变温度，它能从一种晶型转变为另一种晶型，其转变情况如下：其中α是高温稳定的晶型，β和γ是低温稳定晶型，以上的同质异晶转变可以分为横向转变和纵向转变两种情况。

第8页：二氧化硅的分类（续1）

二氧化硅的分类（续1）

• 二氧化硅的分类
• 横向转变：如α-石英、α-鳞石英、α-方石英之间的转变，它们的晶体结构显著不同，故在相互转变时，必须先将原来的硅氧骨架拆散，破坏原有的Si-O键，然后再形成新的骨架，这就需要很大的能量，并经历较长的时间。这种转变称为慢转变或重建转变。
• 纵向转变：如β-石英与α-石英之间的相互转变，由于它们的结构差别很小，Si-O四面体之间排列方式相同，只是键角略有变化，并不需要将原有骨架拆散而重新排列，只需在原有骨架基础上将各Si-O四面体稍微扭动，作一点位移。因此，这种转变需要能量小，转变速成快，故称为快转变或位移转变。
• 铸造用的硅砂为β型，β-石英在573℃转变为α-石英，同时伴随着体膨胀。在铸造条件下，已经常遇到的是β-石英与α-石英的同质异晶转变，这种转变过程体膨胀可使铸型产生较大的应力和变形，导致铸件产生夹砂缺陷。石英加热时比容、体膨胀率与温度的关系见图2.2。

第9页：二氧化硅的分类（石英加热膨胀曲线）

二氧化硅的分类（石英加热膨胀曲线）

二氧化硅的分类图2.2石英的比容、体膨胀率与温度的关系

第10页：铸造用硅砂按二氧化硅含量分级

表2-2：下表列出相关数据。

铸造用硅砂按二氧化硅含量分级

二氧化硅的分类最大含泥量(%)最小二氧化硅含量(%)分级代号0.20 0.501.00989896960.30 0.501.00 2.00939390901.002.0010.00858580807575国家标准GB/T9442-1998《铸造用硅砂》中的规定：根据二氧化硅的含量，铸造用硅砂的分级见表2-2。其中SiO2含量在90%以上的主要用于铸钢件和大型铸铁件；SiO2含量较低的主要用于有色金属铸件和小型铸铁件。表2-2铸造用硅砂根据二氧化硅含量分级表

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——二氧化硅的分类最大含泥量(%)最小二氧化硅含量(%)分级代号0.20 0.501.00989896960.30 0.501.00 2.00939390901.002.0010.00858580807575国家标准GB/T9442-1998《铸造用硅砂》中的规定：根据二氧化硅的含量，铸造用硅砂的分级见表2-2。其中SiO2含量在90%以上的主要用于铸钢件和大型铸铁件；SiO2含量较低的主要用于有色金属铸件和小型铸铁件。表2-2铸造用硅砂根据二氧化硅含量分级表

第11页：2.2.2 原砂的特性

表2-3：下表列出相关数据。

2.2.2 原砂的特性

• 2.2.2原砂的特性原砂的性能主要是根据铸造的要求提出来的。铸造对原砂性能的要求主要是：原砂的颗粒组成、原砂的含泥量及原砂的pH值和需酸量等。1.原砂的颗粒组成
• 颗粒组成包括：原砂颗粒的粒度、粒度分布、颗粒形状及其表面性状等。颗粒粗，分布集中的原砂制备的混合料透气性好，粗砂的耐火度较细砂高，圆形砂表面积最小，故粘结剂用量也少。
• 颗粒表面性状是指将洗后烘干的砂子在显微镜下观察，其表面是否有裂纹、粗糙程度、是否粘附有杂质等，它影响粘结剂在砂粒表面的附着力。
• 颗粒组成还影响铸件的粗糙度和夹砂等缺陷的产生。
• 原砂颗粒的粒度是指宏观的观察这种集合体所得的有关颗粒大小的概念，一般采用筛分法测定。国际标准化组织（ISO）和几个主要工业国的标准化机构都规定了各自的铸造用标准筛，见表2-3。

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——2.2.2原砂的特性原砂的性能主要是根据铸造的要求提出来的。铸造对原砂性能的要求主要是：原砂的颗粒组成、原砂的含泥量及原砂的pH值和需酸量等。1.原砂的颗粒组成颗粒组成包括：原砂颗粒的粒度、粒度分布、颗粒形状及其表面性状等。颗粒粗，分布集中的原砂制备的混合料透气性好，粗砂的耐火度较细砂高，圆形砂表面积最小，故粘结剂用量也少。颗粒表面性状是指将洗后烘干的砂子在显微镜下观察，其表面是否有裂纹、粗糙程度、是否粘附有杂质等，它影响粘结剂在砂粒表面的附着力。颗粒组成还影响铸件的粗糙度和夹砂等缺陷的产生。原砂颗粒的粒度是指宏观的观察这种集合体所得的有关颗粒大小的概念，一般采用筛分法测定。国际标准化组织（ISO）和几个主要工业国的标准化机构都规定了各自的铸造用标准筛，见表2-3。

第12页：原砂的颗粒组成

表2-3：下表列出相关数据。

原砂的颗粒组成

表2-3 ISO标准筛及一些工业国的标准筛

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——1.原砂的颗粒组成表2-3 ISO标准筛及一些工业国的标准筛

第13页：原砂的颗粒组成与标准筛

表2-4：下表列出相关数据。

原砂的颗粒组成与标准筛

• 原砂的颗粒组成
• ISO标准筛以筛孔的公称开口尺寸为筛号，筛孔开口尺寸在1mm以（含1mm）上者以其尺寸的毫米值为筛号；开口尺寸在1mm以下的，以其尺寸的微米值为筛号。
• 美国和英国以筛网的目数为筛号。德国标准筛的编号则只是序号。
• 所谓目数是在平行于网丝方向，每1英寸（即25.4mm）长度上包含筛孔的数目。ISO、美国和德国的标准筛，虽然筛孔的开口尺寸不尽相同，但却有一共同的规律，即：系列中各筛的开口尺寸严格地以的乘数递减。任何相邻两筛，粗筛的开口尺寸都是细筛的倍。相间一筛的任何两筛，粗筛的开口尺寸都是细筛的2倍。我国铸造行业现今所用的标准筛，大部分都是按JB2488-78制造的，其基本规格见表2-4，共有11个筛子，11个筛子自上而下筛孔越来越小。

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——原砂的颗粒组成ISO标准筛以筛孔的公称开口尺寸为筛号，筛孔开口尺寸在1mm以（含1mm）上者以其尺寸的毫米值为筛号；开口尺寸在1mm以下的，以其尺寸的微米值为筛号。美国和英国以筛网的目数为筛号。德国标准筛的编号则只是序号。所谓目数是在平行于网丝方向，每1英寸（即25.4mm）长度上包含筛孔的数目。ISO、美国和德国的标准筛，虽然筛孔的开口尺寸不尽相同，但却有一共同的规律，即：系列中各筛的开口尺寸严格地以的乘数递减。任何相邻两筛，粗筛的开口尺寸都是细筛的倍。相间一筛的任何两筛，粗筛的开口尺寸都是细筛的2倍。我国铸造行业现今所用的标准筛，大部分都是按JB2488-78制造的，其基本规格见表2-4，共有11个筛子，11个筛子自上而下筛孔越来越小。

第14页：原砂的颗粒组成（续2）

表2-4：下表列出相关数据。

原砂的颗粒组成（续2）

原砂的颗粒组成表2-4 JB2488-78规定的标准筛的基本参数应当指出：JB2488-78自1989年7月起已作废，但是目前很多铸造厂都保有这种标准筛，仍将继续使用一段时间。

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——原砂的颗粒组成表2-4 JB2488-78规定的标准筛的基本参数应当指出：JB2488-78自1989年7月起已作废，但是目前很多铸造厂都保有这种标准筛，仍将继续使用一段时间。

第15页：原砂颗粒的粒度表示方法

表2-5：下表列出相关数据。

原砂颗粒的粒度表示方法

• 砂样先用水洗去泥分，经烘干后倒入标准筛中，在筛砂机上筛15min，
• 然后将各筛上的砂子分别称重，换算成百分比。
• 按JB2488-78规定，取筛分后砂粒最集中的相邻三个筛子中的头和尾两个筛号表示该砂颗粒的粒度，并标出这三个筛子中砂子的总百分数。
• 在JB中还规定了头和尾两筛相比，砂子留量大者写在分子上。表JB2488-78原砂颗粒的粒度表示方法：【例】两种原砂的筛分结果和粒度表示方法见表2-5。表2-5原砂粒度分布及表示方法举例

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——原砂颗粒的粒度表示方法砂样先用水洗去泥分，经烘干后倒入标准筛中，在筛砂机上筛15min，然后将各筛上的砂子分别称重，换算成百分比。按JB2488-78规定，取筛分后砂粒最集中的相邻三个筛子中的头和尾两个筛号表示该砂颗粒的粒度，并标出这三个筛子中砂子的总百分数。在JB中还规定了头和尾两筛相比，砂子留量大者写在分子上。表JB2488-78原砂颗粒的粒度表示方法：【例】两种原砂的筛分结果和粒度表示方法见表2-5。表2-5原砂粒度分布及表示方法举例

第16页：原砂颗粒的粒度表示方法（续1）

表2-6：下表列出相关数据。

原砂颗粒的粒度表示方法（续1）

原砂颗粒的粒度表示方法美国铸造师学会采用AFS细度（或称平均细度）来表示砂子的粒度，实质是将砂样换算成同样重量的均一直径的颗粒，而砂粒的总表面积与原来的砂粒一样，这样均一砂粒所能通过的筛号就称为AFS细度。由于该方法表示了砂样的总的理论表面积，所以被多数国家采用。计算AFS细度时所采用的乘数见表2-6。AFS细度法表2-6计算AFS细度所用的乘数实际上，求AFS细度的乘数，除特别粗的和底盘上的外，都是前面一筛的筛号数。如果不考虑网丝的直径，筛子的筛号数与筛孔开口尺寸成反比，也就是与通过该筛的砂粒直径成反比，所以，求AFS细度所用的乘数虽然不是砂粒的比表面积，但大致会与比表面积成正比。

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——原砂颗粒的粒度表示方法美国铸造师学会采用AFS细度（或称平均细度）来表示砂子的粒度，实质是将砂样换算成同样重量的均一直径的颗粒，而砂粒的总表面积与原来的砂粒一样，这样均一砂粒所能通过的筛号就称为AFS细度。由于该方法表示了砂样的总的理论表面积，所以被多数国家采用。计算AFS细度时所采用的乘数见表2-6。AFS细度法表2-6计算AFS细度所用的乘数实际上，求AFS细度的乘数，除特别粗的和底盘上的外，都是前面一筛的筛号数。如果不考虑网丝的直径，筛子的筛号数与筛孔开口尺寸成反比，也就是与通过该筛的砂粒直径成反比，所以，求AFS细度所用的乘数虽然不是砂粒的比表面积，但大致会与比表面积成正比。

第17页：AFS细度的求法

表2-6：下表列出相关数据。

AFS细度的求法

• 称取原砂50g左右，用冲洗法除去泥分，烘干后进行筛分。
• 称取留在每一筛上的砂粒的重量，并算出每一筛上的砂占原砂(未去泥分以前)的百分数。
• 将这些结果各乘以表2-6中所列的乘数。
• 将所有的乘积相加，并将乘积的总和除以各筛上砂粒的百分数的和，所得结果就是AFS细度。AFS细度的求法【例】某种砂原试料重50g，除去泥分并筛分后，结果见表2-7。求AFS细度。

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——AFS细度的求法称取原砂50g左右，用冲洗法除去泥分，烘干后进行筛分。称取留在每一筛上的砂粒的重量，并算出每一筛上的砂占原砂(未去泥分以前)的百分数。将这些结果各乘以表2-6中所列的乘数。将所有的乘积相加，并将乘积的总和除以各筛上砂粒的百分数的和，所得结果就是AFS细度。AFS细度的求法【例】某种砂原试料重50g，除去泥分并筛分后，结果见表2-7。求AFS细度。

第18页：AFS细度法举例

表2-7：下表列出相关数据。

AFS细度法举例

表2-7计算AFS细度举例

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——AFS细度法举例表2-7计算AFS细度举例

第19页：原砂的颗粒形状分类

原砂的颗粒形状分类

原砂的颗粒形状我国JB规定原砂的颗粒形状分为圆形、多角形和尖角形三种，其代表符号分别为○、□和△，三种砂粒形状见图2.3。。图2.3原砂的颗粒形状(a)圆形砂：颗粒为圆形或接近圆形，表面光滑，没有突出的棱角；(b)多角形砂：颗粒呈多角形，且多为钝角；(c)尖角形砂：颗粒呈尖角形，且多为锐角若有两种以上的形状，且其它形状的颗粒数不超过1/3，则只用其主要形状表示。若形状超过1/3，则用两种符号表示。如○—□，表示砂粒为圆形和多角形，圆形的多于多角形的，而且多角形砂粒数量超过1/3。

第20页：砂粒形状的角形系数法

表2-8：下表列出相关数据。

砂粒形状的角形系数法

• 上述规定的砂粒形状，没有一个形状定量的概念，于是，出现了一些以测定或计算比表面积为基础的方法，如角形系数法、表面吸附法、计算AFS细度时考虑粒形因素的方法等。
• 角形系数法是被广泛采用来表示砂粒形状的方法，其含意就是将球形砂粒的角形系数作为1，用其它不规则的砂粒的表面积与此球形砂粒表面积的比值作为该不规则砂粒的角形系数。
• 角形系数接近于l，其形状近似正球体；远大于l者，则为尖角形。大致上可以认为角形系数1.0~1.3者为圆形砂，大于1.6者为尖角形砂。铸造用硅砂按角形系数的分类见表2-8。原砂的颗粒形状表2-8铸造用硅砂按角形系数分类

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——上述规定的砂粒形状，没有一个形状定量的概念，于是，出现了一些以测定或计算比表面积为基础的方法，如角形系数法、表面吸附法、计算AFS细度时考虑粒形因素的方法等。角形系数法是被广泛采用来表示砂粒形状的方法，其含意就是将球形砂粒的角形系数作为1，用其它不规则的砂粒的表面积与此球形砂粒表面积的比值作为该不规则砂粒的角形系数。角形系数接近于l，其形状近似正球体；远大于l者，则为尖角形。大致上可以认为角形系数1.0~1.3者为圆形砂，大于1.6者为尖角形砂。铸造用硅砂按角形系数的分类见表2-8。原砂的颗粒形状表2-8铸造用硅砂按角形系数分类

第21页：原砂颗粒组成的牌号表示

原砂颗粒组成的牌号表示

原砂颗粒组成的表示方法综上，原砂的颗粒组成可用规定的符号表示，铸造用硅砂的牌号表示方法如下：【例2-1】ZGS93-40/100(53)表示该牌号硅砂的二氧化硅为93级，主要粒度组成为四筛，其首筛筛号为40，尾筛筛号为100，其粒度的平均细度值为53。

第22页：原砂的含泥量

原砂的含泥量

• 原砂中的含泥量是指原砂中泥分的百分含量，凡是直径小于0.022mm的微粒，不论它是什么矿物成分，只要能用常规搅拌或冲洗法分离都为泥分。
• 对于粘土粘结砂，原砂中含泥量的影响并不明显；
• 对于不用粘土为粘结剂的型、芯砂，如水玻璃砂，树脂砂、油砂等，含泥量对性能的影响很大。一方面是使降低其干强度和透气性；另一方面，泥分中往往含有碱或碳酸性盐或碱性氧化物，使原砂的需酸量增大，影响树脂砂硬化。有机粘结剂的型、芯砂，原砂含泥量一般小于0.5%。
• JB485-63规定铸造用砂含泥量小于2%，含泥量在2%~50%之间的原砂为粘土砂，含泥量大于50%的不作为砂。

第23页：3.原砂的pH值和需酸量

3.原砂的pH值和需酸量

3.原砂的pH值和需酸量

3.原砂的PH值和需酸量pH值是指示某种溶液或悬浮液的酸度或碱度。对于原砂而言，只能在加水搅拌以后才能测得此值。因此，原砂的pH值是其中含有的能溶于水的碱性或酸性物质的表征，并不全面地反映原砂的碱性。测定方法如下：取待测原砂25g，置于250mL的烧杯中，加蒸馏水100mL，在磁力搅拌器上用包有聚四氟乙烯的搅拌棒搅拌，用酸度计测定悬浮液的pH值，每30s读取一次数据，直到数值恒定为止，此时的值就是原砂的pH值。当采用树脂砂时，不管用何种树脂，不管用何种硬化方式，其硬化都受多种因素的制约。其中，原砂的化学性质对树脂砂的硬化有不可忽视的影响。含有碱性物质的原砂，将延缓酸硬化树脂砂的硬化，甚至会使其不能硬化。对于胺硬化的树脂砂，原砂中的碱性物质将使其硬化进程加速。因此，就树脂砂所用的原砂而言，检测并控制其pH值和需酸量是必要的。

第24页：原砂需酸量的测定方法

原砂需酸量的测定方法

原砂的PH值和需酸量原砂中含有不溶于水的碱性物质及能与酸作用的碳酸盐时，这些物质并不影响其pH值，但却能与树脂砂的酸性硬化剂发生反应，从而影响树脂砂的硬化过程和最终性能。需酸量是原砂中含有与酸反应的物质的表征，它表明用酸硬化剂时，原砂本身所需的酸的多少，与pH值是完全不同的概念。很有可能见到这种情况：就原砂的pH值而言，其数值小于7，呈酸性，但其需酸量却相当高。测定需酸量的方法如下：称取待测原砂50g，置于250mL的烧杯中，加pH值为7的蒸馏水50mL在磁力搅拌器上用包有聚四氟乙烯的搅拌棒搅拌；再往烧杯中加入0.1mol的盐酸50mL，并搅拌5min，然后放入测pH值的电极，用0.1mol的NaOH溶液滴定，在pH值为3.0、4.0、5.0或其他预定值时，读取耗用的NaOH溶液的毫升数。原加盐酸的毫升数（50mL）减去NaOH溶液的毫升数，就是到预定pH值时原砂的需酸量。请阅读硅砂简史和资源！！

第25页：2.3 非硅质砂

2.3 非硅质砂

2.3非硅质砂由于硅砂是酸性的，易于金属液中的碱性氧化物生成低熔点的硅酸盐，使铸件粘砂；此外，硅砂的热膨胀率大，常使铸件产生夹砂。因此，在一些特殊的场合，需要一些热膨胀率小、化学性质稳定的非硅质砂。但由于价格昂贵，其用量仍不到原砂总用量的2%。非硅质砂是以不游离SiO2为主要组分的各种原砂的总称，作为造型材料的非硅质砂主要有：锆砂镁砂铬铁矿砂橄榄石砂石灰石砂硅酸铝砂刚玉石英砂和各种常见的非硅质砂如图2.4。

第26页：非硅质砂的种类图例

非硅质砂的种类图例

非硅质砂图2.4石英砂和常见的非硅质砂(a)石英砂(b)锆砂(c)镁砂(d)铬铁矿砂(e)橄榄石砂(f)白云石砂(g)天然刚玉(h)刚玉砂

第27页：2.3.1 锆砂

2.3.1 锆砂

2.3.1锆砂①锆砂多为圆形或椭圆形颗粒，后者类似两端磨圆的圆柱体，其表面光滑，很少有裂隙及凹坑，故耗用粘结剂的量较少；②锆砂的热膨胀最小，约为硅砂的1/3，不会造成型腔表面起拱或夹砂；③高温下热化学稳定性极好，基本上不被液态金属和金属氧化物润湿；④需酸量很低，适合于用酸硬化的树脂作粘结剂；⑤导热率和蓄热系数高，比硅砂大一倍，能使铸件冷却凝固较快并有良好的抗粘砂性能。优点：锆砂又称锆英砂，主要由硅酸锆（ZrSiO4）组成，硅酸锆可在1450℃分解出ZrO2和SiO2。纯的锆砂含ZrO267.1%，商品锆砂含ZrO263%~65%，密度4.4~4.7g/cm3，莫氏硬度7~8级，熔点为2400℃左右。当锆砂中含有少量的Fe2O3、CaO、Al2O3等杂质时，它的熔点将降至2040~2205℃，呈棕黄色。原锆砂中含有微量的放射性元素钍，但经处理后对人体的健康基本没有影响。

第28页：锆砂与其它原砂的线膨胀比较

锆砂与其它原砂的线膨胀比较

锆砂锆砂及其它几种砂的线膨胀见图2.5图2.5不同原砂随温度变化的线膨胀曲线

第29页：镁砂

镁砂

是菱镁矿（MgCO3）高温煅烧再经破碎分选得到的，主要成分是氧化镁。纯氧化镁的熔点为2800 ℃，但镁砂中存在着SiO2、CaO、Fe2O3等杂质，使其熔点降低至1800℃左右。镁砂的莫氏硬度为4~5级，密度约3.5g/cm3，它是碱性材料，不与FeO或MnO等起反应。从图2.5可以看出镁砂热膨胀率较硅砂小，没有因相变引起的体积突然膨胀。菱镁矿经低温煅烧（800~900℃）得到的是疏松的活性氧化镁，由于其化学活性大，不能用作原砂。只有在1500~1600℃以上高温煅烧得到的稳定晶体结构的氧化镁，其体积致密，密度较大，方可作为造型材料使用。菱镁矿煅烧技术较复杂，而由其煅烧而来的镁砂价格比硅砂贵6倍左右，所以仅用在生产重大高锰钢铸件、高熔点合金钢铸件以及表面质量要求较高的铸钢件。2.3.2镁砂

第30页：铬铁矿砂

铬铁矿砂

铬铁矿砂是将铬铁矿破碎而得到的砂粒，属于尖晶石类矿物，主要矿物有铬铁矿FeCr2O4、镁铬铁矿(Mg,Fe)Cr2O4和铝镁铬铁矿(Fe∙Mg)(Cr∙Al)2O4。主要化学成分是Cr2O3，纯的铬铁矿含Cr2O367.9%，其次是MgO、FeO、A12O3和少量的SiO2。用作铸造原砂的铬铁矿中，Cr2O3的含量通常仅为40%左右，杂质的含量是相当多，有害杂质主要是碳酸盐(MgCO3、CaCO3)，在浇注时分解出CO2，可能使铸件产生气孔。因此，铸造用的铬矿砂通常需要在900~1000℃下焙烧，灼烧减量应低于1.5%。铬铁矿砂熔点在1450~1850℃之间，导热率较硅砂大，热膨胀小，不与金属氧化物起反应，有很好的抗碱性渣作用。目前，供应的铬矿砂粒度为100/200目。由于锆砂短缺，价格昂贵，而铬铁矿砂又具有锆砂的一些主要优点，故常用来代替锆砂。

第31页：橄榄石砂

橄榄石砂

橄榄石砂是将橄榄石破碎而制得的砂粒，故颗粒形状为尖角形和多角形。通常所说的橄榄石砂是镁橄榄石（Mg2SiO4）和铁橄榄石（Fe2SiO4）类质同象系的中间物。由橄榄石的平衡图2.6可知：随着铁橄榄石的增加，中间物的熔点急剧下降。作为铸造用的橄榄石，应以镁橄榄石为主要组分。因其没有硅砂的相变膨胀，铸件上不会产生膨胀缺陷。由于在高温下耐受FeO和MnO侵蚀的能力较强，用以生产高锰钢铸件的效果尤佳。橄榄石矿中含有蛇纹石之类的矿物形成的脉石，如果橄榄石砂中含有的蛇纹石太多，则其灼烧减量(LOI)增大，可导致铸件产生气孔或针孔。图2.6镁橄榄石和铁橄榄石平衡图

第32页：石灰石砂与白云石砂

石灰石砂与白云石砂

2.2.5石灰石砂通常所说的石灰石砂，实际上包括石灰石砂和白云石砂。石灰石砂是石灰石经破碎筛分制成的，其主要成分是CaCO3。石灰石的硬度低，在混砂时易于破碎；在900℃之上CaCO3迅速分解成CaO和CO2，CO2占44%，发气性很大。因此，要求型和芯的透气性很好，各厂多用四筛制（颗粒主要分布在相邻四个筛上），颗粒形状近于多角形为好。纯白云石砂的结构式为CaMg(CO3)2，用作造型材料的白云石，通常含CaO35%以上，含MgO9%~17%。石灰石砂和白云石砂主要用水玻璃作粘结剂。用于铸钢件生产，铸件不粘砂，溃散性较好，易于清砂。但是由于CaO在钢水—铸型界面上与FeO及原砂中的SiO2生成低熔点化合物，极易在界面上侵蚀，使厚大铸件产生缩沉，浪费钢水。另一方面，CaCO3热解时释放出大量CO2，约为原砂重量的40%以上；分解产生的CO2在界面上还可与Fe、C等元素反应生成CO等，大量气体使铸件易产生气孔，通风不良时，还可使工人中毒。

第33页：硅酸铝砂和耐火熟料

硅酸铝砂和耐火熟料

硅酸铝砂包括蓝晶石、硅线石和红柱石等矿物形成的砂粒。三者的结晶构造不同，而化学成分相同，均为Al2OSiO4，为同质多象变体。天然矿床中常常三者都同时存在，故通称之为硅酸铝砂。从沉积矿床提取的硅酸铝砂为圆粒形，莫氏硬度为6~7级，加热过程中体积膨胀很少，对树脂粘结剂的适应性优于橄榄石砂，耐受砂再生处理的能力也较好，是很有希望的非硅质原砂。在1200~1500℃焙烧过的铝矾土或高岭土称为耐火熟料，其主要成分是莫来石相（3Al2O3∙2SiO2），它具有耐火度高，体积变化小的优点。耐火熟料的熔点随Al2O3的增加而提高，当Al2O3达到71.8%时，耐火度大于1800℃，而杂质Fe2O3、CaO等降低其耐火度。耐火熟料主要用作涂料和熔模铸造的模壳材料。

第34页：刚玉

刚玉

刚玉的成分是，由工业氧化铝经电弧炉熔融转变成纯刚玉，含Al2O3达95%~98%，其熔点为2000~2050℃。电熔刚玉硬度较石英大，导热率高一倍，热膨胀小，对酸和碱都有很好的热化学稳定性。但价格高，只适用作高合金钢的涂料。请阅读材料2-2人造铸造原砂——宝珠砂的应用

第35页：2.4 原砂的加工处理

2.4 原砂的加工处理

2.4原砂的加工处理目前，硅砂的加工处理方法大致有水洗法、擦洗法和浮选法三种。水洗法采用水力分级设备进行，该设备结构简单，又可达到降低原砂的含泥量并将其按粒度分级的目的。目前我国采用的水力分级器几乎全都是旋流分离器。缺点是：与砂粒接触的都是悬浮有泥分的浊水，砂粒不可能经清水漂洗。因而其脱泥效果不很理想，经处理的原砂，含泥量一般在1%左右。这很难达到树脂砂对原砂的要求。为达到湿法脱泥分级的目的，可采用跳汰式（也可称为流态床式）水力分级器，这种设备结构也不复杂，而去泥效果则比旋流分离器好的多，含泥量可降到0.4%左右，基本上可满足配制树脂砂的要求。其结构示意图见图2.9。

第36页：跳汰式水力分级器示意图

跳汰式水力分级器示意图

图2.9跳汰式水力分级器示意图

第37页：跳汰式水力分级器工作过程

跳汰式水力分级器工作过程

• 清洁的水由底部送入，经多孔的跳汰板进入分级器。
• 待处理的原砂由顶部进入，由于分级器内的水以一定的速度上升，可将在此流速下不能沉降的细粉部分携带而自上部排出口溢出。
• 通过调节分级器内液流上升速度，即可控制排出的细粉部分的粒度。
• 跳汰板上钻有许多孔，其总截面积比分级器的截面积小得多，故在孔的出口处，液流速度比分级器内液流上升速度高得多。因此，孔出口处的水流能使沉降下来的粗粒砂跳动而互相摩擦。分离出来的泥分被上升的液流带走，粗粒砂所接触的永远是清水。
• 经处理的成品砂从下端卸料口放出，为使砂粒易于排出，可由上方插入直达卸料口附近的管子，给一股向下的水流。这股水流可由人工控制，也可自动控制。

第38页：2.4.2 擦洗法

2.4.2 擦洗法

2.4.2擦洗法擦洗原砂的目的是使其在水介质中加强砂粒间的摩擦，以求更多地清除微观污染，从而更好地适应树脂粘结砂的需要。英国工业用砂公司的擦洗工艺是：在擦洗筒内将砂和水调制成含砂量65%~80%的浓砂浆，用高速叶片搅拌器造成强力摩擦，处理后，砂粒表面的微观污染大部分可以脱除。然后，再将擦洗过的砂漂洗去泥。在原砂含金属氧化物较多而对原砂质量要求又特别高的情况下，在擦洗过程中可在砂浆中加入盐酸，以改善擦洗效果。清华大学曾进行过擦洗脱泥的研究，所用的擦洗装置为XFCl6-63型单槽浮选机，砂浆浓度为65%~80%。作酸擦洗试验时，在砂浆中加入0.35%的浓盐酸。如果对原砂的要求并不很高，则可用螺旋洗砂机擦洗。用这种方式，能量消耗较小，但对微观污染的清除作用较差。

第39页：2.4.3 浮选法

2.4.3 浮选法

2.4.3浮选法用药剂浮选法使原砂中的长石与石英分离，国外在1960年已经在生产中使用，但其目的是提取玻璃工业所用的砂。至于用浮选法处理铸造用砂，一般的看法是认为不合算。近年来，虽有人在实验室研究浮选提纯的问题，但迄今还没有实际投入生产的报道。

第40页：2.5 原砂的选用原则

2.5 原砂的选用原则

• 2.5原砂的选用原则原砂需要根据合金种类、铸件的大小和结构、铸型种类(湿型或干型)、粘结剂种类和造型方法(手工或机器)，在保证铸件质量的前提下，就地就近选用。
• 铸钢件因浇注温度高，要求型砂耐火度高、透气性好。所以原砂中SiO2含量应高，杂质少，砂粒较粗且均匀。铸钢件多选用二氧化硅含量90%以上是硅砂。
• 铸铁件的浇注温度较铸钢件低，原砂耐火度可低一些。但铸铁件结构不同，所用原砂可在很大范围内变化，可以用二氧化硅含量较高的硅砂，也可以用二氧化硅含量较低些的硅砂。从防止夹砂看，后者反而有利。小型铸铁件，也可以用粘土砂。
• 铜、铝铸件的砂，一般要求颗粒较细，以获得较低的粗糙度，对SiO2含量要求并不一定高。
• 对于油类、树脂、水玻璃粘结剂要求用含泥量小的圆形砂，以充分发挥粘结剂的作用。
• 对于酸硬化的树脂砂还要控制原砂中碱金属及碱土金属氧化物的含量，以免影响硬化工艺和强度。
• 用涂料的型芯砂，原砂可粗些，不刷涂料的型芯砂，原砂应细些。

第41页：原砂的选用原则（续）

原砂的选用原则（续）

• 【本章小结】
• 原砂是砂型铸造用造型材料的基本组成部分。按其基本组成，铸造原砂可分为石英砂和非石英系砂两种。
• 石英砂主要以二氧化硅为主，此外还含有长石、云母、铁的氧化物和硫化物等。二氧化硅有石英、鳞石英和方石英三种不同的晶型，随着温度的改变，晶型的转变将引发比热容和体积的变化，因此，石英砂具有较大的膨胀率。
• 原砂的特性以原砂的颗粒组成、原砂的含泥量、原砂的pH值和需酸量等指标来表征。
• 原砂的颗粒组成包括原砂颗粒的粒度、粒度分布、颗粒形状及其表面性状等。原砂颗粒的粒度一般采用筛分法测定，并以25.4mm长度上的筛孔数目来表征；此外，也可采用AFS细度法来表征。原砂颗粒有圆形、多角形和尖角形三种。

第42页：非石英系砂的应用

非石英系砂的应用

• 非石英系砂包括锆砂、镁砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、石灰石砂、硅酸铝砂、耐火熟料和刚玉等。目前，由于非石英系砂的价格昂贵，故用量较小，主要用在一些需要热膨胀率小、化学性质稳定的特殊场合。
• 原砂的加工处理方法主要有水洗法、擦洗法和浮选法三种。
• 原砂的选用主要是根据合金的种类、铸件的大小和结构、铸型种类、粘结剂种类和造型方法，就地就近选择。【本章小结】

第43页：课程结束致谢页

课程结束致谢页

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