大林砂特点及其应用.pdf

大林砂的特点及其应用 通辽市大林型砂有限公司刘鸿勋 摘要：本文介绍了大林砂的开发及发展历程，介绍了大林擦洗砂、焙烧砂、覆膜砂和标准砂 的特点及应用，展示了大林砂对我国铸造行业发展所做的努力。 大林砂是随着我国汽车工业的发展而发展起来的，如果说一汽是我国有史以来的第一 家汽车制造厂，那么大林型砂则是开创了我国第一家采用机械化模式生产铸造用砂的大型工 厂。对推动我国砂产业的发展起了重要的示范作用。1 9 5 3 年一汽建厂初期使用的是吉林省 双辽县七颗树砂。但渐渐砂源枯竭，已不能满足生产的需要。为保证一汽有稳定砂源，1 9 6 4 年由一机部投资，在大林筹建了年产8 9 万吨的大林型砂厂。并引进美国水力分级技术，将 开采的原砂分成4 0 7 0 、5 0 1 0 0 、7 0 1 4 0 、1 0 0 2 0 0 粗细不等的四种规格。 大林型砂厂从1 9 6 4 年建厂以来，经历了艰苦创业、发展壮大和快速发展的历程。为我 国铸造行业的发展作出了应有的贡献。1 9 6 7 年正式投产，在我国首次生产出来经过机械加 工的、含泥量低的水洗砂，为一汽提供了优质的铸造用砂。 1 9 7 4 年大林型砂厂与铸造研究所合作，研制成功检定铸造粘结剂用标准砂为我国从事 铸造材料研究提供了统一的标准用砂。使实验结果具有可比性。1 9 8 1 年在全国率先研制成 功擦洗砂，将最初的水洗砂经再加工，再脱泥，使含泥量由1 ，下降为0 3 ，适应了我国 刚刚引进和推广的树脂砂生产技术，含泥量的下降，使树脂砂的树脂加入量由使用水洗砂 2 2 ，降到1 2 ，下降了近一倍，达到了当时发达国家的同等水平。发气量大幅下降，环 境污染减小，取得了显著的经济效益和社会效益。受到铸造企业的极大欢迎，后来擦洗砂在 造型线上也得到推广。对推动我国树脂砂的发展和适应自动化砂处理生产线；对推动我国砂 产业进步发展和提高型砂质量作出重要贡献。1 9 9 2 年又开发了覆膜砂，2 0 0 1 年上了焙烧砂， 产品由单一的水洗砂，增至标准砂、擦洗砂、覆膜砂、焙烧砂五个品种。企业的销路由只有 一汽一家，逐步扩大到东北地区的几十家，销售逐年增长，1 9 7 8 年达1 4 万吨。采矿方法也 由人工采集，变为水力采矿，管道输送，摆脱了繁重的体力劳动。随着大林砂优良的特性、 良好的使用性能，许多内地企业也前来采购，度大林砂供不应求，大林砂还被高等院校编 入铸造专业的教科书。大林砂成为中国铸造用砂的知名品牌。但到二十世纪末期，由于机制、 管理、技改大批贷款由无息转为有息和退休人员增多等等原因，企业已不堪重负，出现亏损。 2 0 0 3 年大林型砂厂由国营企业，进行转制，变为股份制企业，更名为通辽市大林型砂 有限公司。随着机制的转变，企业精简机构，精简人员，实行社会保障，企业负担大大减轻， 企业推行按劳分配制度，从而激发了职工的生产积极性和创造性，企业由亏转盈，企业的技 术改造、设备更新力度加大，生产效率提高，到2 0 1 0 年大林的铸造用砂的年生产能力已达 到7 0 万吨，覆膜砂的年生产能力l o 万吨。2 0 0 9 年大林型砂有限公司承担了铸造用硅砂 和检定铸造粘结剂用标准砂两个国家标准修订的起草任务，2 0 1 0 年标准被批准，2 0 11 年2 月1 日正式实施。企业正在进入快速发展的阶段。 现将大林砂的特点及其应用介绍如下。 1 大林擦洗砂的特性及应用 1 1 二氧化硅含量适中 大林砂s i 0 2 含量在8 5 9 2 ，s i 0 2 含量的高低直接决定了硅砂的烧结点和硅砂的高温膨 胀率。s i 0 2 含量越高，烧结点越高，越能防止铸件粘砂。但含量越高，硅砂高温膨胀率越 大，越容易使砂型和砂芯因膨胀大而产生裂纹，造成铸件产生夹砂和脉纹缺陷。大林砂的 s i 0 2 含量最适合浇注温度在1 4 0 0 左右的铸铁件，它既具有抵御高温铁水的能力，又有相 对海砂膨胀率低的性能。这是由于大林砂含的长石多于海砂，长石在1 2 0 0 - 1 3 0 0 。c 软化， 长石的软化现象可以认为是自始至终都是收缩，它为硅砂高温膨胀提供了空间，也提高了型、 芯砂的高温韧性。 大林砂与福建海砂、郑庵河砂烧结点比较见表1 。 表1大林砂、福建海砂、郑庵河砂烧结点比较 内蒙古大林砂福建海砂郑庵河砂 s i 0 2 ( ) 兰9 1 耋9 7姜8 3 粒度( 目)5 0 1 0 05 0 1 0 05 0 1 0 0 烧结点( )1 4 0 01 5 0 01 3 0 0 大林砂与福建海砂、郑庵河砂高温膨胀率的比较见表2 。 硅砂高温膨胀主要发生在6 0 0 和8 0 0 。表2 给出的是6 0 0 。c 和8 0 0 的线膨胀率。硅 砂激热膨胀随温度的升高而增加，随激热时间延长会急速上升，但受热时间超过1 2 0 s 后上 升趋向平缓。 表2 大林风积砂、福建海砂、郑庵河砂高温膨胀率的比较 一二 6 0 08 0 0 产地s i 0 2 ( ) 福建9 7 0 1 0 51 2 5 大林9 0 4 o 8 00 8 0 郑庵8 3 6o 6 5o 8 0 1 2 含泥量低 含泥量高会降低硅砂的烧结点，降低砂子的透气性、增加发气量、增加树脂砂树脂加入 量。因此会导致铸件易产生气孔和粘砂缺陷。 大林砂在生产过程中为了降低硅砂的含泥量，将开采的原砂经水洗、擦洗使含泥量下降。 成品砂的含泥量严格控制在国家标准0 3 以下。为保证产品质量大林砂按照i s 0 9 0 0 1 国际 质量认证体系，对含泥量的控制点，执行在线检测，随生产随检测，以便及时发现问题及时 调整解决。 大林砂的含泥量除略高于福建砂外，比江西都昌砂、河南郑庵砂都低。见表3 。 2 8 1 表3 嚣地擦洗砂含泥罱比较 产地品种 粒度( 月) 含混量( ) 福建平潭海砂5 0 1 0 0 内蒙a 林m 祝砂5 0 1 0 0 江西i 【昌湖砂5 0 】0 0 河南郑庵河砂 5 0 l 1 3 灼烧减量、发气量低 灼烧减量+ i 发气量足成正比的，灼烧减量高，麓气量就人，反之则小。 近期，在与企业的些青年铸造t 作者技术交流时发现，他们往往忽视了原砂牛身的发 气量。其实各地生产的铸造用砂都是艇气的只不过大小不同，其发气量见表4 。 衷4 各地擦洗砂的发气帚 产地品种平均细度( a f s )发气量( m l g ) 福建平潭 海砂 内蒙_ = 林风积砂 河北闱场风税砂5 0 6 0 江两都昌湖砂 河南郯庵 河砂 蒸原砂囝 他粒形表面税蛀小，在加入相同比例粘结正i、 剂的条件下枯结膜腰鼻_ 越厚，捆度越两。颗粒越阿整所生产舯锌j 圈l il 件表面光洁度高。- 习曩_， 一家专fj 生产铝台会缸盖的外资企1 _ - 目圈l f 锰、 业，有两个生产厂一家在l 海一家在晤砧蚺珊1 r 7 _ i | r 山东同样的产品使用的砂子不问上簿 一 椭 高 大林砂粒度分布合坪，粒度组成对透气性、强度和高温膨胀率仃着重要影响，原砂比较 理想的粒度组成足“二筛相对集中，五筛分布台理镶嵌”。椭建机槭研究院铸造用砂研究 组实验表明“粒度适度分布混含料的强度约可提高1 0 。”另一个优点是高温铁水浇洼时， 产生的热膨胀小，型芯内应力小，开裂倾向小。对防止铸件产生脉纹缺陷有一定的作用。大 林砂正是符合这一要求。 我国主要硅砂生产企业产品粒度组成如表5 。 表5 我国主要硅砂生产企业5 0 i 0 0 目粒度组成 粒度( 目) 生产厂 4 05 07 01 0 01 4 02 0 0 三筛集中度( ) 大林型砂有限公司 9 82 7 23 6 21 8 56 80 68 1 9 福建东山捂龙砂 8 51 6 55 7 o1 5 62 70 18 9 1 围场北雁 3 23 1 23 7 o1 9 68 28 7 8 都昌砂厂 5 0 3 8 24 1 0 2 1 2 32 29 1 7 郑庵砂厂5 42 7 43 8 o2 2 66 28 8 o ( 注：表中数据是随机抽样检测的，实际生产中各筛余留量是有一定控制范围的，以上数据 仅供参考) 从表5 可以看出，大林5 0 1 0 0 砂的三筛集中度为8 1 9 ，4 0 目砂为9 8 ，1 4 0 目砂为 6 8 ，基本呈现三筛相对集中，五筛分布的状态。这一状态对用于型砂和大多数芯砂是合适 的。但也有特例，必须从实际出发合理选择。例如汽油机和柴油机的缸体水套芯，从热膨胀， 防止砂子开裂的角度看，选择五筛砂膨胀率小较为合理，而从砂芯所处的条件看，它被铁水 全部包围，芯子的透气性和气体的顺利逸出则上升为更主要的矛盾。因此必须选择三筛集中 度高的砂子。至于膨胀率的问题，则采用添加一定特种砂的办法解决。 大林砂的规格有3 0 5 0 、4 0 7 0 、5 0 1 0 0 、7 0 1 4 0 和1 0 0 2 0 0 也可根据用户的要求进行 生产。 1 5 复用性好 生产实践和用户反映，大林砂在线使用时间长，淘汰率低，对保证铸件质量，降低生产 成本起了重要的保证作用。 用大林砂生产铸件产生缺陷少已为铸造界所认可。从2 0 世纪6 0 年代长春一汽一直用大 林砂，如今年用量在l o 万吨以上，山东潍柴年用量也超过1 0 万吨。现在越来越多的外资企 业也多采用了大林砂。 2大林焙烧砂的性能及应用 焙烧砂是大林公司2 0 0 1 年开发的一个新品种。经过高温焙烧的硅砂称为焙烧砂。近年 来，焙烧砂在汽车行业铸造厂，特别是缸体缸盖阀体等结构复杂的铸件上得到了广泛应用， 收到很好的效果。焙烧砂已作为商品在市场销售。目前由于种种原因尚未制定出行业或国家 标准。为了有章可循，大林公司制订了企业标准，见表6 。 表6 大林焙烧砂技术标准 拦彪 灼烧减量( )含泥量( )酸耗值( m 1 ) 粒度( 目) 4 0 7 0 o 2 00 2 0 3 0 5 0 1 0 0 o 2 0o 2 0 3 0 7 0 1 4 0 0 2 0o 2 5 3 0 大林焙烧砂与擦洗砂的技术指标对照见表7 。 表7 大林焙烧砂与擦洗砂技术指标对照 性能 露静 灼烧减量( )含泥量( )酸耗值( m 1 ) 擦洗砂 0 4 5o 3 0 5 焙烧砂 0 2 0o 2 0 3 从表7 对比可见，焙烧砂的技术指标明显提高，理化性能也有相应变化。其优点如下： ( 1 )灼烧减量由0 4 5 ，降为0 2 0 ，发气量也由原来的4 - 5 m l g ，降为小于 2 m l g ，下降了一倍以上。 ( 2 ) 酸耗值由 5 m l ，降为 3 m l 。说明硅砂中的碱性金属氧化物和碱土金属氧化物在 高温焙烧下分解，含量减少。 ( 3 )含泥量由o 3 ，降为4 0 2 。 ( 4 ) 在同一粘结剂，加入同一比例的条件下，用焙烧砂生产的树脂砂比擦洗砂生产 的强度大大提高。 大林公司用焙烧砂与擦洗砂进行了强度对比试验。硅砂粒度为5 0 1 0 0 ，树脂加入量为 2 ，所生产的覆膜砂的强度见表8 。 表8大林焙烧砂与擦洗砂生产的覆膜砂强度对比 淤 常温抗拉强度( m p a ) 热态抗拉强度( m p a )常温抗弯强度( m p a ) 原砂处理 擦洗砂 3 5 21 8 16 8 5 焙烧砂 4 4 0 2 3 48 6 9 试验表明常温抗拉强度提高了2 5 ，热态抗拉强度上升了2 9 ，常温抗弯强度上升了2 6 。 为什么提高如此明显，山东建筑大学材料科学与工程学院赵忠魁博士和孙清洲教授对大 林砂高温焙烧与强度大幅提高的机理进行了研究，他们认为是高温焙烧对硅砂表面起了净化 作用的结果。他们对焙烧前后的大林砂表面，用透射电子显微镜进行了观察，并拍照了t e m 照片，如图2 所示。 酴翌譬 f a ) 培烧前( b ) 螓女 后 图2 硅砂焙烧前后的袭而t e m 照片 图2 ( a ) 焙烧i i 口砂粒袁咖分布肴纳米r 寸 小4 i 等的杂质捌颗粒这砦颗粒以钠、钾、 镁、铝、铁等碱金属钮化物或t l - 性氧化物存在。嘲2 ( b ) 焙烧后，砂粒表面杂质相颗牲脱 落，袅血已节平措曲由，从l j 提高r 砘砂表面的 吉净度和表面话性，使枯结剂蔓易克分包覆 在硅砂表面，砂拉问的结台坝加租结合，f 度增强。 ( 5 ) 高温膨胀章 j 所f 降 人林焙烧砂，是在焙烧窑中经过8 0 0 c 一9 0 0 0 商温焙斑而成的，焙烧后的砘砂膨胀率下 降焙烧砂经1 0 0 0 ( 3 的高温膨胀牢目4 试，围内文献最早的报导由l2 ，降为05 y , 一o5 5 后续报导06 0 ，2 0 0 , 5 f 汽技术中心赵洪仁对焙烧温度对高温膨胀率的影响进行了试验。 他刷人林砂在高温炉内分别柞? 0 0 c 、8 0 0 c 、9 0 0 c 希i1 0 0 0 c 焙烧i 小时母却后加入器 冷芯牯结荆，制成试样。再崩温争1 0 0 0 0 的高温膨胀仪分别测试四种试样的高温膨胀 率。试样结果见表9 。 嵌91 ；捌焙烧温度对高温线膨| l 丘率的影响 序号样, t t - 名称树脂加入量( )焙烧温度( )线膨胀率( ) 擦沈砂来焙烧 焙烧砂 焙烧砂 焙烧砂 焙烧砂 08 0 导致目前各竹位 = ；= 测结粜筹芹很大的麒吲，估引与再自使的检测仪 | | 和测试方法不同 有戈：在降低膨胀率的机理l 也说i 点不，争沦较人。留待研制出专用的仪器，确定标准的 检测方法再作结论。 综上所述焙烧砂优良的性能在_ t 产宴践中柑到让实。汽、= 汽、潍柴、重汽、通用、 福旧等许多r 部使刚焙烧砂使缸体、缸盖的成率叫娃上升粘砂、脉纹和气孔等缺陷明 显下降。 长春一汽有色厂在开艇一种新产品时，为r 提高型芯的透气性要求大林提供5 0 目单 目砂。大林考虑单目砂在生产j 需赞特选筛分，虽透气性女f 但町能综合性能差，故推荐他们 使用5 0 1 0 0 焙烧砂，引为焙烧砂粉尘少，币仪透气性好，而且发气量低，膨胀率小，比强 度高。他们采用了这建议结粜使试验一次性成功。他们说。采用焙烧砂是铸造生产的一 大进步，坩提岛铸件质姑和成品事由若重婪作州。 3 大林覆膜砂的特点及应用 随着我国汽车i 业的发展m i 出u 钋什的增多，薇膜砂的市场需求量不断扩大，2 0 0 5 年 的年用量在1 0 0 万吨 ：右，2 0 l oq 粳腱砂的年消耗蛙h 为约2 0 0 万吨左右，五年问几乎翻 了一番。大林公司利用自身有的得 独厚的最”的砂源和自己生产的焙烧砂的有利条件， 依靠科技进步与高校、科研院所台件丌敷丁j 自定科技音量的高端覆膜砂产品n 主要有 3 】铸钢件用耐高温覆牍砂 铸钢用覆膜砂是当前楹膜砂一 ，“中的一个薄弱环节，突出的问题是可塑性酚醛树脂耐高 温性能有特提高。由于铸钢忭的浇7 f a 度离选 0 0 0 c 埘此，包覆在砂粒表面的树脂膜在 高温下燃烧速度加快，树脂一日烧堪，蹦褴膜砂制成的掣芯，砂千就失去了强度一砂粒松动 钢水侵入砂隙就会导致粘砂。为，弥补树脂耐热性能不越。大林研制了特种添加荆，并使用 了固渣复合耐高温树脂，位覆膜砂耐高温持续时问 人延k ，现在已用于机车车辆厂铸钢车 间，生产出表面光洁的货乍阃瓦五架，铸件重65 k g ，铸型为并联浇口，每型7 件，该铸件 是采用覆膜砂型芯工艺代替r 失蜡铸造上岂克服了夏季闪高温蜡膜易变形的缺点，使铸件 的几何形状更准确，生，效率也 人提高，生产成本降低。缺点是铸件表面光洁度稍逊于失 蜡铸造。此后采用上述上芝又试制成功75 k g 的旁承庠和3 5 k g 的承裁鞋。铸件表面光洁、 无桔皮，字迹清晰。见圈3 ( a ) 用普通覆膜砂，铸件丧出产生桔皮 ( b ) 用铸钢覆膜砂，铸件表面光洁 嘲3 承城鞍对比照片 通过几年的实践，大林l 摸索# 嘿r 一定的经验铸钢崩覆膜砂与树脂的选用有着密切 的关系，与铸钢件的质带仃咒质皱越重对砂子坚术越高，与铸钢材质有关，高碳铜好于 低碳钢、低碳钢好于音金钳。r 舟金制的档膜砂难度最大，最易形成粘砂和桔皮， 32 汽车汽神机、柴舳机缸体、缸盅爪高强度、低膨帐、低发气覆膜砂 i - 要用于缸体、缸盖和进排气歧管等铸件的砂芯以水套芯用覆膜砂难度最大。由于永 套芯形状复杂，薄厚币均，且被自温铁水包围所处条件极为恶劣，因此，浇注时要求水 套芯具有抗冲击、不断芯、不变彤，不开裂、发气节小易清理等性能。保证缸体缸盖铸件 内腔七脉纹不粘砂。残砂罐不超标，人林“封不目型号不马力的缸体缸盖，研制了系列 覆膜砂产品。如：轻型轿车小马力汽油机缸体缸盖水套芯用覆膜砂，已用于4 7 9 缸体、缸盖。 中卡柴油机缸体缸盖水套芯用覆膜砂，现已在4 9 1 、4 9 3 缸体、缸盖。重卡大马力斯太尔柴 油机、康明斯d 系列加强型柴油机缸体缸盖覆膜砂。在生产中取得了优良效果，受n t 用户 的欢迎与好评。 3 3 有色金属铸件用易溃散覆膜砂 目前易溃散覆膜砂多用于铝合金汽车缸盖的水套、油道和进排气砂芯。以及铝合金排气 歧管阀体、涡轮壳等砂芯。 铝合金熔点低，其浇注温度一般在6 7 0 。c 一7 3 0 。c ，砂芯在金属液的作用下，砂芯心部最 高温度在3 0 0 。c 一5 0 0 c ，低于酚醛树脂完全碳化的温度，导致砂芯溃散性差，铸件难清理： 另外铝合金铸件的外形多采用金属型，向外空间散失热量多，减少了给予砂芯的热量和受热 时间；浇注时，型腔内的空气很快被金属液充满，砂芯周围的气氛很快由氧化性转为还原性， 树脂分解速度减慢。 为此，大林公司选用了易溃散的酚醛树脂作为粘结剂和加入促使树脂分解的添加剂，以 及选择适当的强度等措施。生产出适用于不同铝合金铸件的易溃散覆膜砂，如低压铸造铝合 金缸盖用覆膜砂；重力铸造用铝合金缸盖用覆膜砂；铝合金排气管歧管用覆膜砂；铝合金阀 体用覆膜砂和铜合金水嘴用覆膜砂等。 3 4 汽车缸体缸筒、管件弯头、三通等壳芯覆膜砂 壳芯覆膜砂与普通实芯覆膜砂最大的区别是将砂芯制成空心的薄壁壳芯，并具有抗脱壳 的性能。壳芯具有节省用砂量，透气性好，铸件冷却快易成型等优点。大林生产的壳芯覆膜 砂，有供缸体缸筒芯用覆膜砂；有供管件弯头三通芯用覆膜砂；以及各种油缸芯用覆膜砂。 大林为许多企业提供了质量稳定可靠的壳芯覆膜砂。 此外，大林还生产湿态覆膜砂；离心铸管用覆膜砂：曲轴、凸轮轴、磨球等金属模衬砂 用覆膜砂。 4 大林标准砂的特性及应用 标准砂是一种特定规格的适用于检定铸造型( 芯) 粘结剂强度等性能的硅砂。标准砂 也是高等院校、科研院所、工厂实验室进行教学、科研和产品开发的必备产品。为保证产品 质量和检测结果的可比性。1 9 7 8 年制订部颁标准检定铸造粘结剂用标准砂 ( j b 2 4 8 7 1 9 7 8 ) ，1 9 8 9 年进行第一次修订，1 9 9 9 年第二次修订，2 0 0 9 第三次修订，由行业 标准升级为国家标准。标准号g b t 9 2 2 4 2 0 1 0 。 标准的性能： ( 1 ) 二氧化硅含量不小于9 0 ； ( 2 ) 含泥量不大于0 3 ； ( 3 ) 含水量不大于0 3 ； ( 4 ) 细粉含量不大于0 3 ； ( 5 ) 角形因数不大于1 2 0 ； ( 6 ) 酸耗值不大于5 0 ； ( 7 ) 粒度组成应符合表1 0 的要求。 2 8 7 表1 0 铸造用标准砂的粒度组成 筛孔基本尺寸( 衄) 2 3 5 0 o 6 0 00 4 2 50 3 0 00 2