我國砂系資源與生產(chǎn)狀況

我國砂系資源與生產(chǎn)狀況

隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對汽車碗和水箱的制造質(zhì)量提出了越來越高的要求。影響缸體、缸蓋鑄件質(zhì)量的因素是多方面的,涉及金屬爐料、造型材料、熔煉、鑄造工藝、設(shè)備工裝、模具,等。筆者僅就鑄造用砂與缸體、缸蓋鑄件質(zhì)量的關(guān)系作一些探討,供生產(chǎn)汽車鑄件的企業(yè)參考。1河北圍場、南北方硅砂生產(chǎn)現(xiàn)狀硅砂在鑄造生產(chǎn)中約占總用砂量的98%,是用量最大的造型和制芯材料。2009年,為修訂《鑄造用硅砂》國家標(biāo)準(zhǔn),筆者對我國硅砂主產(chǎn)區(qū)進行了考察,情況如下:(1)以內(nèi)蒙大林和河北圍場地區(qū)為代表的風(fēng)積砂。砂子粒形圓整、粒度組成合理、SiO2含量(指質(zhì)量分數(shù),全文同)適中,是生產(chǎn)鑄鐵件最理想的鑄造用砂。內(nèi)蒙大林地處科爾沁沙漠地帶,礦產(chǎn)資源十分豐富,僅大林公司礦區(qū)面積達15.75km2,儲量3.25億t。在大林周邊還有巴湖塔、伊湖塔、大罕、木里圖、甘旗卡等都是盛產(chǎn)硅砂的地方,是天然資源最富有的硅砂生產(chǎn)基地。河北圍場與大林同屬一個砂脈,它的砂源多儲于山坳里,硅砂除SiO2含量稍低于大林砂外,其它性能基本相近。內(nèi)蒙大林和河北圍場兩大基地,生產(chǎn)和銷售的硅砂幾乎占我國鑄造用砂的一半。呈現(xiàn)產(chǎn)銷兩旺的態(tài)勢。(2)以福建平潭、東山、晉江為代表的海砂。福建沿海硅砂資源也十分豐富,硅砂的SiO2含量在97%左右,比風(fēng)積砂耐火度高,顆粒形狀為橢圓形和鈍角形,角形因數(shù)大于風(fēng)積砂,是我國南方鑄造企業(yè)主要用砂,也是生產(chǎn)鑄鋼件的主要用砂,是我國第二硅砂生產(chǎn)基地。但近期得知,國家出臺政策限制福建沿海的硅砂開采,南方鑄造用砂吃緊。(3)以江西都昌、星子為代表的湖砂。湖砂SiO2含量略高于風(fēng)積砂,粒形稍遜于風(fēng)積砂,也是很好的鑄造用砂。遺憾的是,考察時發(fā)現(xiàn),砂源基本枯竭,原來都昌和星子兩大砂場都已停產(chǎn),只有一些個體零星小廠維持生產(chǎn),產(chǎn)量十分有限。(4)以鄭州鄭庵為代表的河砂。砂子外觀呈黃色,SiO2含量比風(fēng)積砂低,一般在83%左右。鄭庵砂廠生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量呈下降趨勢。中原地帶機械化程度高,生產(chǎn)汽車零配件的大型企業(yè)多采購大林砂和圍場砂。通過調(diào)研查明我國硅砂生產(chǎn)狀況如下:(1)內(nèi)蒙大林和河北圍場將成為我國鑄造用硅砂的主要生產(chǎn)基地。(2)若福建沿海海砂開采受限,南方鑄造企業(yè)用砂將面臨北砂南調(diào)的局面,必給鐵路、海運帶來壓力,長途運輸也會導(dǎo)致砂價上漲。(3)如海砂開采受限,鑄鋼用砂必將吃緊,大林、圍場在如何提高硅砂SiO2含量上須尋找途徑,做好技術(shù)儲備,滿足市場需求。(4)湖砂、河砂的萎縮和消失,給鑄造行業(yè)發(fā)出了紅色警示,資源是有限的,應(yīng)引起高度重視。原來我國硅砂是可以出口的,從2008年已禁止出口,節(jié)約用砂,資源循環(huán)利用,舊砂再生已迫在眉睫。一汽、東風(fēng)都在搞粘土砂再生,一些企業(yè)也在搞樹脂砂的熱法再生,這是應(yīng)當(dāng)提倡的。2硅砂性能對殼體和墓志銘件質(zhì)量的影響缸體、缸蓋生產(chǎn)常用的硅砂主要有擦洗砂和焙燒砂,現(xiàn)將這2種砂的性能及對缸體、缸蓋鑄件質(zhì)量的影響介紹如下。2.1洗砂性能對殼體和容器材料的質(zhì)量的影響2.1.1澆注溫度對硅砂等正交試驗試塊的影響SiO2含量的高低,直接決定了硅砂的燒結(jié)點,SiO2含量越高,燒結(jié)點越高,越能防止缸體、缸蓋的粘砂。缺點是:含量越高,硅砂的高溫膨脹率越大,越容易使缸體、缸蓋型芯產(chǎn)生裂紋,造成夾砂和脈紋缺陷。因此,在硅砂SiO2含量的選擇上,追求均衡和滿足鑄件要求,對于澆注溫度在1400℃左右的鑄鐵缸體、缸蓋而言,最佳的選擇是采用SiO2含量在90%~92%的大林砂和圍場砂。它既具有抵御高溫鐵液的能力,又有膨脹率比海砂低的性能,由于大林、圍場砂含有一定量的長石,長石在1200℃軟化,長石的軟化現(xiàn)象,可以認為是自始至終都是收縮,它為硅砂的膨脹提供了空間,也提高了型(芯)砂的高溫韌性。表1為硅砂SiO2含量與燒結(jié)點的關(guān)系。硅砂SiO2含量對高溫線膨脹率的影響見表2和圖1。在鐵液澆注條件下,硅砂的熱膨脹主要發(fā)生在600℃和800℃。表2給出的是600℃和800℃的線膨脹率。圖1和圖2曲線表明,硅砂激熱膨脹隨溫度上升而增加,另外,隨激熱時間的延長會急速上升,但在120s后上升趨向平緩。2.1.2含泥量超標(biāo)硅砂中泥的含量指的是粒徑小于0.020mm的顆粒部分。含泥量高會降低硅砂的燒結(jié)點,增加發(fā)氣量,降低透氣性,增加樹脂加入量,因此,會導(dǎo)致缸體、缸蓋鑄件易于產(chǎn)生氣孔和粘砂缺陷。一般擦洗砂的含泥量小于0.3%,是可以滿足生產(chǎn)需要的,但有的硅砂生產(chǎn)企業(yè)由于設(shè)備、工藝和質(zhì)量控制不嚴(yán),含泥量超標(biāo)也是存在的。用戶應(yīng)加強驗收,在此需要提醒注意的是,同是含泥量小于0.3%的硅砂,其不同產(chǎn)地的硅砂發(fā)氣量是不同的,見表3。在缸體、缸蓋生產(chǎn)中,常常關(guān)注的是樹脂砂的發(fā)氣量大小,而往往忽視了原砂本身的發(fā)氣量。在與一些汽車配件生產(chǎn)企業(yè)交流時,當(dāng)提到原砂發(fā)氣時,他們會感到很茫然,缺乏對硅砂性能的了解,其實硅砂的灼燒減量與發(fā)氣量是成正比的,灼燒減量高,發(fā)氣量就大;反之則小。選擇含泥量小、發(fā)氣量小的優(yōu)質(zhì)擦洗砂對保證缸體、缸蓋鑄件的質(zhì)量有著重要作用。2.1.3鑄造粘結(jié)劑用砂選型(1)粒形。硅砂的顆粒形狀是根據(jù)砂粒圓整度和表面棱角磨圓的程度來區(qū)分的。我國《鑄造用硅砂》標(biāo)準(zhǔn)是用角形因數(shù)(角形系數(shù))表示的。實際上原砂的形狀都是混合型的,大林的擦洗砂角形因數(shù)為1.2,由圓型和橢圓形砂粒組成;福建砂角形因數(shù)為1.45,由橢圓形和鈍角形組成。顆粒越圓整砂子流動性越好,透氣性越好,越易緊實,對提高混合料的強度越有利。另外,高溫透氣性也好,用于缸體、缸蓋的型(芯)砂最為適宜。(2)粒度。粒度是表示砂子粗細程度的,隨著粒度規(guī)格由粗到細,在同一粘結(jié)劑、同一加入量、同一工藝條件下,強度和透氣性由高轉(zhuǎn)低,而鑄件表面光潔度則逐步提高。缸體、缸蓋生產(chǎn)可選用的規(guī)格有40/70、50/100、70/140、100/200。如何選用,決定于用途。造型用砂多選用50/100擦洗砂;小馬力汽油機的缸體、缸蓋水套芯、挺桿孔芯也多用50/100目砂;缸筒芯、進排氣氣道芯和進排氣歧管芯多采用70/140或40/70目砂。(3)粒度組成。粒度組成對透氣性、強度和高溫膨脹率有著重要影響,這一點常常被忽視。有一家覆膜砂廠,有一種產(chǎn)品搞幾年過不了關(guān),就是找不到原因,其實很簡單,就是粒度不合理,該三篩集中高的沒有高,該三篩相對集中五篩分布的沒有分布。買什么砂子就用什么砂子,不作粒度組成分析。后來把別人的砂子一篩分和自己的一對比,才恍然大悟,把粒度組成一調(diào)整產(chǎn)品就合格了。原砂比較理想的粒度組成是“三篩相對集中,五篩分布,合理鑲嵌”。福建機械科學(xué)研究院鑄造用砂研究組試驗表明:“粒度適度分布,混合料的強度大約可提高10%。”另一個優(yōu)點是,高溫鐵液澆注時,產(chǎn)生的熱膨脹小,型芯內(nèi)應(yīng)力小,開裂傾向小,對防止產(chǎn)生脈紋缺陷有一定作用。從20世紀(jì)60年代起,一汽鑄造公司一直以大林的五篩分布硅砂為主體,年用量在10萬t以上,基本保證了型芯用砂的一致性,保證了型砂粒度組成不變格。隨著大量的生產(chǎn)實踐,對硅砂粒度組成的認識不再一味追求集中度越高越好,而是根據(jù)缸體、缸蓋的部位、條件從實際出發(fā)合理選擇。如水套芯,從生產(chǎn)條件看,五篩砂膨脹率小,更為合理。但由于它被鐵液全部包圍,芯子的透氣性和氣體順利逸出上升為更主要的矛盾,因此,就不能選擇五篩砂,而必須選擇三篩集中度高的砂子。至于解決膨脹率高的問題,則采用添加一定特種砂的辦法解決。我國主要硅砂生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品粒度組成如表4所示。從表4可以看出,大林50/100砂三篩集中度為81.9%,40目砂為9.8%,140目砂為6.8%,基本呈五篩分布狀態(tài)。大林生產(chǎn)的檢定鑄造粘結(jié)劑用標(biāo)準(zhǔn)砂的粒度組成,見表5。其粒度組成是更加標(biāo)準(zhǔn)的三篩相對集中五篩分布。2.2焙燒砂生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過高溫焙燒的硅砂稱焙燒砂。近年來焙燒砂在缸體、缸蓋生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,收到很好效果。2009年在《鑄造用硅砂》標(biāo)準(zhǔn)修訂時,擬把焙燒砂作為與水洗砂、擦洗砂并列的一個品種寫入標(biāo)準(zhǔn),但由于對焙燒砂的高溫膨脹性沒有專用的標(biāo)準(zhǔn)檢測儀器,它的膨脹率大小,也眾說不一,因而未能寫入標(biāo)準(zhǔn)。但焙燒砂已經(jīng)作為商品在市場銷售,為了有章可循,大林公司制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(見表6)。大林焙燒砂與擦洗砂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對照見表7。從表7中可見,焙燒砂的理化指標(biāo)發(fā)生了明顯變化,與擦洗砂相比有如下優(yōu)點:(1)灼燒減量由≤0.45%降為≤0.20%,降低了一倍以上。(2)酸耗值由<5mL降為<3mL。(3)含泥量由≤0.3%降為≤0.2%。(4)用焙燒砂生產(chǎn)的樹脂砂強度大大提高。大林公司用焙燒砂與擦洗砂進行了強度對比試驗。硅砂粒度為50/100,樹脂加入量為2%,所生產(chǎn)的覆膜砂的強度如表8。試驗表明,常溫抗拉強度提高了25%,熱態(tài)抗拉強度上升了29%,常溫抗彎強度上升了26%。山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙忠魁博士和孫清洲教授對硅砂高溫焙燒與強度大幅提高的機理進行了研究,他們認為是高溫焙燒對硅砂表面起了凈化作用的結(jié)果。他們對焙燒前后的大林砂表面,用透射電子顯微鏡進行了觀察,圖3為TEM照片,從中可以看出:焙燒前砂粒表面分布著納米尺寸大小不等的雜質(zhì)相顆粒,這些顆粒以Na、K、Mg、Al、Fe等堿金屬氧化物或中性氧化物存在;焙燒后的砂粒,砂的表面雜質(zhì)相顆粒脫落,表面已呈平滑曲面,從而提高了硅砂表面的潔凈度和表面活性,使粘結(jié)劑更易充分包覆在硅砂表面,砂粒間的結(jié)合鍵加粗,結(jié)合牢度增強。(5)高溫膨脹率有所下降。有關(guān)硅砂經(jīng)過800~900℃焙燒后在1000℃測試的高溫膨脹率,國內(nèi)文獻提供的數(shù)據(jù)相差十分懸殊。最早的報導(dǎo)由1.2%降為0.5%~0.55%,后續(xù)報導(dǎo)0.60%。2005年,一汽鑄造公司技術(shù)中心趙洪仁對焙燒砂冷芯膨脹率作了試驗,其用大林砂在高溫爐內(nèi)分別在700℃、800℃、900℃和1000℃焙燒1h,冷卻后加入冷芯粘結(jié)劑制樣,再升溫至1000℃,測取不同焙燒溫度的焙燒砂與膨脹率的關(guān)系,試驗結(jié)果見表9。近來還有一單位在原進口GF高溫膨脹儀的基礎(chǔ)上作了重大改進,用焙燒砂的混合料制樣,試樣尺寸為φ10×20mm,在1000℃測試得到的線膨脹率為1.05%,并認為焙燒砂主要是提高了強度,降低了發(fā)氣量,高溫膨脹率下降不明顯。這種測試結(jié)果差異很大的原因,估計與各自的儀器和試驗方法不同有關(guān);在是否降低膨脹率的機理上也各說不一,爭論較大。這些且不予評論,留待研制出專用儀器,確定標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法后再作結(jié)論。最務(wù)實地講,用焙燒砂生產(chǎn)缸體、缸蓋合格率明顯上升,粘砂、脈紋、氣孔等缺陷明顯下降。一汽、東風(fēng)、濰柴、重汽都在使用便是最好的證明。3特種砂方面特點除硅砂以外的各種鑄造用砂皆稱為特種砂。石英砂因資源豐富、分布廣、價格低廉,所以得到廣泛應(yīng)用。但用石英砂配制的型(芯)砂有以下缺點:熱膨脹系數(shù)比較大,而且在573℃和870℃因相變會發(fā)生突然膨脹;熱擴散率比較低,熱量傳遞慢;蓄熱系數(shù)較低,鑄型內(nèi)鑄件凝固和冷卻速度慢。與硅砂相比,特種砂大都具有耐火度高、導(dǎo)熱性好、熱膨脹小、抗熔渣侵蝕能力強等特點。筆者所介紹的特種砂,其特性正是用以彌補石英砂的缺點,改變砂子的某些性能,即能滿足缸體、缸蓋生產(chǎn)要求。3.1鉻鐵礦砂在高溫作用下的阻燃機理鉻鐵礦砂耐火度為1600~1800℃,充填密度2.5~2.7g/cm3,導(dǎo)熱性能好,高溫膨脹率小,850℃線膨脹為0.65%,溫度進一步上升,膨脹率不升反降,發(fā)氣量未經(jīng)高溫處理的為1.63mL/g,經(jīng)高溫處理的為1.23mL/g。鉻鐵礦砂按鉻氧化鉻含量分為四級:一級40%、二級36%、三級33%、四級30%。鉻鐵礦砂加入型(芯)砂中的作用:一是利用它的熱傳導(dǎo)性好,起激冷作用,加快鐵液的冷卻速度,有防止縮孔、縮松、細化晶粒的作用;二是利用它在1100~1300℃具有固相燒結(jié)作用,提高型(芯)的高溫強度。澆注時,當(dāng)樹脂燃燒逐漸失去強度時,通過燒結(jié)作用,使型(芯)仍具有一定的強度和保持原有的幾何形狀;三是膨脹率小,通過加入一定比例的鉻鐵礦砂,可以降低砂芯總體的高溫膨脹率。3.2磁鐵礦砂的作用磁鐵礦砂耐火度為1475~1565℃,熱傳導(dǎo)性好,蓄熱系數(shù)高,能加速鐵液的凝固,與鉻鐵礦砂一樣,具有很強的激冷作用。磁鐵礦砂中的細粉與石英反應(yīng)生成硅酸亞鐵,熔點為1149℃,為粘稠狀玻璃體,能增加型芯的熱塑性,對防止型芯裂紋有一定作用,同時它還具有抵御鐵液鉆入砂隙形成滲透性粘砂的作用。由于磁鐵礦砂比鉻鐵礦砂價格便宜,使用效果好,因此得到廣泛采用。3.3大馬力柴油缸、缸水套芯的優(yōu)質(zhì)用砂陶粒砂為圓球狀,耐火度1900℃,充填密度1.9~2.0g/cm3,酸耗值1.5mL,發(fā)氣量1.81mL/g,高溫膨脹率(1000℃)0.7%。由于它的耐火度高,高溫膨脹率低,發(fā)氣量低,流動性好,透氣性好,使它成為生產(chǎn)大馬力柴油機缸體、缸蓋水套芯的優(yōu)質(zhì)用砂。據(jù)最近去德國考察的專家介紹,德國的重卡大馬力柴油機缸體水套芯使用的砂子也是采用硅砂和特種砂復(fù)合,其復(fù)合比例為70%的陶粒砂和30%的硅砂組合,所生產(chǎn)的缸體內(nèi)腔非常光潔。但由于價格太貴,推廣受到一定限制。3.4降低型芯的高溫膨脹率熟料砂一般多用于失蠟鑄造生產(chǎn)模殼,但近年來有的單位把它引入缸體、缸蓋生產(chǎn),用它與硅砂復(fù)合使用。熟料砂突出的特點是,耐火度高、膨脹率低,粘土砂耐火度為1670~1770℃,高于硅砂,1000℃線膨脹為0.53%~0.70%,可以降低型芯的高溫膨脹率,對防止脈紋和機械粘砂缺陷有一定作用;導(dǎo)熱性也優(yōu)于硅砂,硅砂的熱導(dǎo)率僅為0.82W·(m·k)-1,而陶粒砂為7.0W·(m·k)-1,莫來石為13.8W·(m·k)-1。由于熟料砂都含有不等量的莫來石,因此它的熱傳導(dǎo)優(yōu)于硅砂。但它最突出的缺點是:砂粒為多角和尖角形,砂粒表面積大,同時,砂粒表面有開放性孔洞,砂粒內(nèi)部有封閉孔洞(在耐火材料上叫顯氣孔率,一般熟料砂的顯氣孔率在2.5%~6.5%)。在混制型(芯)砂時,由于硅砂的角形因數(shù)大和表面有開放氣孔,所以要消耗和吸附較多的粘結(jié)劑,從而降低了樹脂砂的強度。因此不可全部采用,而是根據(jù)實際情況添加一部分,與硅砂復(fù)合使用。3.5水體、缸漂珠漂珠是火力發(fā)電廠使用過的廢棄物———粉煤灰,經(jīng)沖洗分選漂于水面的空心珠,密度小,為0.25~0.35g/cm3,化學(xué)成分SiO250%~65%,Al2O325%~35%,耐火度1600~1700℃,粒徑0.001~0.250mm。漂珠的特點是,具有優(yōu)良的保溫性能和高溫低膨脹率。正是利用此特點,漂珠多用來代替硅砂生產(chǎn)保溫冒口。近來也有將它引入缸體、缸蓋生產(chǎn)中,特別是對要求耐高溫性能好、熱膨脹率小的水套芯中,摻入一定比例的漂珠或其它硅酸鹽空心微珠,用以防止水套芯易于開裂的弊端。這一技術(shù)的使用是采用逆向思維,和在水套芯中加鉻鐵礦砂、磁鐵礦砂等激冷材料相反,添加熱傳導(dǎo)遠低于硅砂的空心微珠,避免鐵液澆注時驟然升溫所帶來的激熱膨脹的沖擊,放緩膨脹速度,也降低樹脂粘結(jié)劑的分解速度,延長了水套芯的耐高溫時間,為缸體、缸蓋的冷卻成型爭取了寶貴的時間。前者是促進鐵液加快凝固,降低對水套芯的熱作用時間;后者則是延長了砂芯的耐高溫時間,據(jù)介紹水套芯最薄處,澆注時不開裂,鑄件輪廓依然清晰。3.6玻璃微珠硅砂膨脹劑玻璃微珠的軟化點和熔點依不同品種的玻璃而不同?，F(xiàn)在從玻璃纖維廠采購到的玻璃微珠軟化點在700~800℃,熔點在1000℃左右,粒度可根據(jù)需要選擇。在大馬力缸體水套中加入一定量的玻璃微珠,目的有二:一是利用玻璃微珠軟化點低,具有可塑性,為硅砂高溫膨脹容讓空間,降低芯砂的膨脹率;二是在1000℃左右玻璃融化,在砂粒間形成玻璃粘稠物連接,提高了芯子的高溫塑性和防止鐵液鉆入砂隙,有防止脈紋和粘砂的作用,但用量要適當(dāng),避免因水套芯變形,導(dǎo)致筒壁薄厚超差而報廢。3.7幾種灰石作為鋼砂顆粒的原料目前歐美在缸體、缸蓋芯砂中加入以鋰輝石為主要原料的抗脈紋劑,已十分普及。鋰輝石是鋰鋁硅酸鹽礦,我國產(chǎn)量很小,多為進口,熔點1420℃,密度為3.2g/cm3,發(fā)氣量4~7mL/g,熱膨脹率極小。加入鋰輝石的作用:第一,它對硅砂有極強的助溶作用,能在砂粒間形成作用力極強的玻璃鏈,把砂粒鏈合在一起,增加了砂芯的高溫強度;第二,熱膨脹率極低,鋰輝石在1080℃時產(chǎn)生相變,由α相變?yōu)棣孪?呈負膨脹,可以緩解水套芯的快速膨脹。目前,我國幾家大型柴油機廠在缸體水套芯上開始應(yīng)用鋰灰石,效果良好,但問題是價格昂貴,而市場上的商品抗脈紋劑成分不明,噸價都在萬元以上,幾乎與樹脂價格持平,而加入量要求占砂子總量的6%~10%,遠遠高于樹脂的加入量,樹脂砂的噸成本價提高了500~1000元,企業(yè)難以承擔(dān)。現(xiàn)在需要開發(fā)效果好、價格適中,充分利用國內(nèi)自有資源的抗脈紋劑。4水體、缸砂芯水套芯缸體、缸蓋用砂如何選擇與搭配對砂芯的性能起著決定性的作用;對缸體、