我国砂系资源与生产状况

我国砂系资源与生产状况

随着中国汽车工业的快速发展，对汽车碗和水箱的制造质量提出了越来越高的要求。影响缸体、缸盖铸件质量的因素是多方面的,涉及金属炉料、造型材料、熔炼、铸造工艺、设备工装、模具,等。笔者仅就铸造用砂与缸体、缸盖铸件质量的关系作一些探讨,供生产汽车铸件的企业参考。1河北围场、南北方硅砂生产现状硅砂在铸造生产中约占总用砂量的98%,是用量最大的造型和制芯材料。2009年,为修订《铸造用硅砂》国家标准,笔者对我国硅砂主产区进行了考察,情况如下:(1)以内蒙大林和河北围场地区为代表的风积砂。砂子粒形圆整、粒度组成合理、SiO2含量(指质量分数,全文同)适中,是生产铸铁件最理想的铸造用砂。内蒙大林地处科尔沁沙漠地带,矿产资源十分丰富,仅大林公司矿区面积达15.75km2,储量3.25亿t。在大林周边还有巴湖塔、伊湖塔、大罕、木里图、甘旗卡等都是盛产硅砂的地方,是天然资源最富有的硅砂生产基地。河北围场与大林同属一个砂脉,它的砂源多储于山坳里,硅砂除SiO2含量稍低于大林砂外,其它性能基本相近。内蒙大林和河北围场两大基地,生产和销售的硅砂几乎占我国铸造用砂的一半。呈现产销两旺的态势。(2)以福建平潭、东山、晋江为代表的海砂。福建沿海硅砂资源也十分丰富,硅砂的SiO2含量在97%左右,比风积砂耐火度高,颗粒形状为椭圆形和钝角形,角形因数大于风积砂,是我国南方铸造企业主要用砂,也是生产铸钢件的主要用砂,是我国第二硅砂生产基地。但近期得知,国家出台政策限制福建沿海的硅砂开采,南方铸造用砂吃紧。(3)以江西都昌、星子为代表的湖砂。湖砂SiO2含量略高于风积砂,粒形稍逊于风积砂,也是很好的铸造用砂。遗憾的是,考察时发现,砂源基本枯竭,原来都昌和星子两大砂场都已停产,只有一些个体零星小厂维持生产,产量十分有限。(4)以郑州郑庵为代表的河砂。砂子外观呈黄色,SiO2含量比风积砂低,一般在83%左右。郑庵砂厂生产规模、产品质量呈下降趋势。中原地带机械化程度高,生产汽车零配件的大型企业多采购大林砂和围场砂。通过调研查明我国硅砂生产状况如下:(1)内蒙大林和河北围场将成为我国铸造用硅砂的主要生产基地。(2)若福建沿海海砂开采受限,南方铸造企业用砂将面临北砂南调的局面,必给铁路、海运带来压力,长途运输也会导致砂价上涨。(3)如海砂开采受限,铸钢用砂必将吃紧,大林、围场在如何提高硅砂SiO2含量上须寻找途径,做好技术储备,满足市场需求。(4)湖砂、河砂的萎缩和消失,给铸造行业发出了红色警示,资源是有限的,应引起高度重视。原来我国硅砂是可以出口的,从2008年已禁止出口,节约用砂,资源循环利用,旧砂再生已迫在眉睫。一汽、东风都在搞粘土砂再生,一些企业也在搞树脂砂的热法再生,这是应当提倡的。2硅砂性能对壳体和墓志铭件质量的影响缸体、缸盖生产常用的硅砂主要有擦洗砂和焙烧砂,现将这2种砂的性能及对缸体、缸盖铸件质量的影响介绍如下。2.1洗砂性能对壳体和容器材料的质量的影响2.1.1浇注温度对硅砂等正交试验试块的影响SiO2含量的高低,直接决定了硅砂的烧结点,SiO2含量越高,烧结点越高,越能防止缸体、缸盖的粘砂。缺点是:含量越高,硅砂的高温膨胀率越大,越容易使缸体、缸盖型芯产生裂纹,造成夹砂和脉纹缺陷。因此,在硅砂SiO2含量的选择上,追求均衡和满足铸件要求,对于浇注温度在1400℃左右的铸铁缸体、缸盖而言,最佳的选择是采用SiO2含量在90%~92%的大林砂和围场砂。它既具有抵御高温铁液的能力,又有膨胀率比海砂低的性能,由于大林、围场砂含有一定量的长石,长石在1200℃软化,长石的软化现象,可以认为是自始至终都是收缩,它为硅砂的膨胀提供了空间,也提高了型(芯)砂的高温韧性。表1为硅砂SiO2含量与烧结点的关系。硅砂SiO2含量对高温线膨胀率的影响见表2和图1。在铁液浇注条件下,硅砂的热膨胀主要发生在600℃和800℃。表2给出的是600℃和800℃的线膨胀率。图1和图2曲线表明,硅砂激热膨胀随温度上升而增加,另外,随激热时间的延长会急速上升,但在120s后上升趋向平缓。2.1.2含泥量超标硅砂中泥的含量指的是粒径小于0.020mm的颗粒部分。含泥量高会降低硅砂的烧结点,增加发气量,降低透气性,增加树脂加入量,因此,会导致缸体、缸盖铸件易于产生气孔和粘砂缺陷。一般擦洗砂的含泥量小于0.3%,是可以满足生产需要的,但有的硅砂生产企业由于设备、工艺和质量控制不严,含泥量超标也是存在的。用户应加强验收,在此需要提醒注意的是,同是含泥量小于0.3%的硅砂,其不同产地的硅砂发气量是不同的,见表3。在缸体、缸盖生产中,常常关注的是树脂砂的发气量大小,而往往忽视了原砂本身的发气量。在与一些汽车配件生产企业交流时,当提到原砂发气时,他们会感到很茫然,缺乏对硅砂性能的了解,其实硅砂的灼烧减量与发气量是成正比的,灼烧减量高,发气量就大;反之则小。选择含泥量小、发气量小的优质擦洗砂对保证缸体、缸盖铸件的质量有着重要作用。2.1.3铸造粘结剂用砂选型(1)粒形。硅砂的颗粒形状是根据砂粒圆整度和表面棱角磨圆的程度来区分的。我国《铸造用硅砂》标准是用角形因数(角形系数)表示的。实际上原砂的形状都是混合型的,大林的擦洗砂角形因数为1.2,由圆型和椭圆形砂粒组成;福建砂角形因数为1.45,由椭圆形和钝角形组成。颗粒越圆整砂子流动性越好,透气性越好,越易紧实,对提高混合料的强度越有利。另外,高温透气性也好,用于缸体、缸盖的型(芯)砂最为适宜。(2)粒度。粒度是表示砂子粗细程度的,随着粒度规格由粗到细,在同一粘结剂、同一加入量、同一工艺条件下,强度和透气性由高转低,而铸件表面光洁度则逐步提高。缸体、缸盖生产可选用的规格有40/70、50/100、70/140、100/200。如何选用,决定于用途。造型用砂多选用50/100擦洗砂;小马力汽油机的缸体、缸盖水套芯、挺杆孔芯也多用50/100目砂;缸筒芯、进排气气道芯和进排气歧管芯多采用70/140或40/70目砂。(3)粒度组成。粒度组成对透气性、强度和高温膨胀率有着重要影响,这一点常常被忽视。有一家覆膜砂厂,有一种产品搞几年过不了关,就是找不到原因,其实很简单,就是粒度不合理,该三筛集中高的没有高,该三筛相对集中五筛分布的没有分布。买什么砂子就用什么砂子,不作粒度组成分析。后来把别人的砂子一筛分和自己的一对比,才恍然大悟,把粒度组成一调整产品就合格了。原砂比较理想的粒度组成是“三筛相对集中,五筛分布,合理镶嵌”。福建机械科学研究院铸造用砂研究组试验表明:“粒度适度分布,混合料的强度大约可提高10%。”另一个优点是,高温铁液浇注时,产生的热膨胀小,型芯内应力小,开裂倾向小,对防止产生脉纹缺陷有一定作用。从20世纪60年代起,一汽铸造公司一直以大林的五筛分布硅砂为主体,年用量在10万t以上,基本保证了型芯用砂的一致性,保证了型砂粒度组成不变格。随着大量的生产实践,对硅砂粒度组成的认识不再一味追求集中度越高越好,而是根据缸体、缸盖的部位、条件从实际出发合理选择。如水套芯,从生产条件看,五筛砂膨胀率小,更为合理。但由于它被铁液全部包围,芯子的透气性和气体顺利逸出上升为更主要的矛盾,因此,就不能选择五筛砂,而必须选择三筛集中度高的砂子。至于解决膨胀率高的问题,则采用添加一定特种砂的办法解决。我国主要硅砂生产企业产品粒度组成如表4所示。从表4可以看出,大林50/100砂三筛集中度为81.9%,40目砂为9.8%,140目砂为6.8%,基本呈五筛分布状态。大林生产的检定铸造粘结剂用标准砂的粒度组成,见表5。其粒度组成是更加标准的三筛相对集中五筛分布。2.2焙烧砂生产技术经过高温焙烧的硅砂称焙烧砂。近年来焙烧砂在缸体、缸盖生产中得到了广泛应用,收到很好效果。2009年在《铸造用硅砂》标准修订时,拟把焙烧砂作为与水洗砂、擦洗砂并列的一个品种写入标准,但由于对焙烧砂的高温膨胀性没有专用的标准检测仪器,它的膨胀率大小,也众说不一,因而未能写入标准。但焙烧砂已经作为商品在市场销售,为了有章可循,大林公司制定了企业标准(见表6)。大林焙烧砂与擦洗砂技术标准对照见表7。从表7中可见,焙烧砂的理化指标发生了明显变化,与擦洗砂相比有如下优点:(1)灼烧减量由≤0.45%降为≤0.20%,降低了一倍以上。(2)酸耗值由<5mL降为<3mL。(3)含泥量由≤0.3%降为≤0.2%。(4)用焙烧砂生产的树脂砂强度大大提高。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50/100,树脂加入量为2%,所生产的覆膜砂的强度如表8。试验表明,常温抗拉强度提高了25%,热态抗拉强度上升了29%,常温抗弯强度上升了26%。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硅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,图3为TEM照片,从中可以看出:焙烧前砂粒表面分布着纳米尺寸大小不等的杂质相颗粒,这些颗粒以Na、K、Mg、Al、Fe等碱金属氧化物或中性氧化物存在;焙烧后的砂粒,砂的表面杂质相颗粒脱落,表面已呈平滑曲面,从而提高了硅砂表面的洁净度和表面活性,使粘结剂更易充分包覆在硅砂表面,砂粒间的结合键加粗,结合牢度增强。(5)高温膨胀率有所下降。有关硅砂经过800~900℃焙烧后在1000℃测试的高温膨胀率,国内文献提供的数据相差十分悬殊。最早的报导由1.2%降为0.5%~0.55%,后续报导0.60%。2005年,一汽铸造公司技术中心赵洪仁对焙烧砂冷芯膨胀率作了试验,其用大林砂在高温炉内分别在700℃、800℃、900℃和1000℃焙烧1h,冷却后加入冷芯粘结剂制样,再升温至1000℃,测取不同焙烧温度的焙烧砂与膨胀率的关系,试验结果见表9。近来还有一单位在原进口GF高温膨胀仪的基础上作了重大改进,用焙烧砂的混合料制样,试样尺寸为φ10×20mm,在1000℃测试得到的线膨胀率为1.05%,并认为焙烧砂主要是提高了强度,降低了发气量,高温膨胀率下降不明显。这种测试结果差异很大的原因,估计与各自的仪器和试验方法不同有关;在是否降低膨胀率的机理上也各说不一,争论较大。这些且不予评论,留待研制出专用仪器,确定标准的检测方法后再作结论。最务实地讲,用焙烧砂生产缸体、缸盖合格率明显上升,粘砂、脉纹、气孔等缺陷明显下降。一汽、东风、潍柴、重汽都在使用便是最好的证明。3特种砂方面特点除硅砂以外的各种铸造用砂皆称为特种砂。石英砂因资源丰富、分布广、价格低廉,所以得到广泛应用。但用石英砂配制的型(芯)砂有以下缺点:热膨胀系数比较大,而且在573℃和870℃因相变会发生突然膨胀;热扩散率比较低,热量传递慢;蓄热系数较低,铸型内铸件凝固和冷却速度慢。与硅砂相比,特种砂大都具有耐火度高、导热性好、热膨胀小、抗熔渣侵蚀能力强等特点。笔者所介绍的特种砂,其特性正是用以弥补石英砂的缺点,改变砂子的某些性能,即能满足缸体、缸盖生产要求。3.1铬铁矿砂在高温作用下的阻燃机理铬铁矿砂耐火度为1600~1800℃,充填密度2.5~2.7g/cm3,导热性能好,高温膨胀率小,850℃线膨胀为0.65%,温度进一步上升,膨胀率不升反降,发气量未经高温处理的为1.63mL/g,经高温处理的为1.23mL/g。铬铁矿砂按铬氧化铬含量分为四级:一级40%、二级36%、三级33%、四级30%。铬铁矿砂加入型(芯)砂中的作用:一是利用它的热传导性好,起激冷作用,加快铁液的冷却速度,有防止缩孔、缩松、细化晶粒的作用;二是利用它在1100~1300℃具有固相烧结作用,提高型(芯)的高温强度。浇注时,当树脂燃烧逐渐失去强度时,通过烧结作用,使型(芯)仍具有一定的强度和保持原有的几何形状;三是膨胀率小,通过加入一定比例的铬铁矿砂,可以降低砂芯总体的高温膨胀率。3.2磁铁矿砂的作用磁铁矿砂耐火度为1475~1565℃,热传导性好,蓄热系数高,能加速铁液的凝固,与铬铁矿砂一样,具有很强的激冷作用。磁铁矿砂中的细粉与石英反应生成硅酸亚铁,熔点为1149℃,为粘稠状玻璃体,能增加型芯的热塑性,对防止型芯裂纹有一定作用,同时它还具有抵御铁液钻入砂隙形成渗透性粘砂的作用。由于磁铁矿砂比铬铁矿砂价格便宜,使用效果好,因此得到广泛采用。3.3大马力柴油缸、缸水套芯的优质用砂陶粒砂为圆球状,耐火度1900℃,充填密度1.9~2.0g/cm3,酸耗值1.5mL,发气量1.81mL/g,高温膨胀率(1000℃)0.7%。由于它的耐火度高,高温膨胀率低,发气量低,流动性好,透气性好,使它成为生产大马力柴油机缸体、缸盖水套芯的优质用砂。据最近去德国考察的专家介绍,德国的重卡大马力柴油机缸体水套芯使用的砂子也是采用硅砂和特种砂复合,其复合比例为70%的陶粒砂和30%的硅砂组合,所生产的缸体内腔非常光洁。但由于价格太贵,推广受到一定限制。3.4降低型芯的高温膨胀率熟料砂一般多用于失蜡铸造生产模壳,但近年来有的单位把它引入缸体、缸盖生产,用它与硅砂复合使用。熟料砂突出的特点是,耐火度高、膨胀率低,粘土砂耐火度为1670~1770℃,高于硅砂,1000℃线膨胀为0.53%~0.70%,可以降低型芯的高温膨胀率,对防止脉纹和机械粘砂缺陷有一定作用;导热性也优于硅砂,硅砂的热导率仅为0.82W·(m·k)-1,而陶粒砂为7.0W·(m·k)-1,莫来石为13.8W·(m·k)-1。由于熟料砂都含有不等量的莫来石,因此它的热传导优于硅砂。但它最突出的缺点是:砂粒为多角和尖角形,砂粒表面积大,同时,砂粒表面有开放性孔洞,砂粒内部有封闭孔洞(在耐火材料上叫显气孔率,一般熟料砂的显气孔率在2.5%~6.5%)。在混制型(芯)砂时,由于硅砂的角形因数大和表面有开放气孔,所以要消耗和吸附较多的粘结剂,从而降低了树脂砂的强度。因此不可全部采用,而是根据实际情况添加一部分,与硅砂复合使用。3.5水体、缸漂珠漂珠是火力发电厂使用过的废弃物———粉煤灰,经冲洗分选漂于水面的空心珠,密度小,为0.25~0.35g/cm3,化学成分SiO250%~65%,Al2O325%~35%,耐火度1600~1700℃,粒径0.001~0.250mm。漂珠的特点是,具有优良的保温性能和高温低膨胀率。正是利用此特点,漂珠多用来代替硅砂生产保温冒口。近来也有将它引入缸体、缸盖生产中,特别是对要求耐高温性能好、热膨胀率小的水套芯中,掺入一定比例的漂珠或其它硅酸盐空心微珠,用以防止水套芯易于开裂的弊端。这一技术的使用是采用逆向思维,和在水套芯中加铬铁矿砂、磁铁矿砂等激冷材料相反,添加热传导远低于硅砂的空心微珠,避免铁液浇注时骤然升温所带来的激热膨胀的冲击,放缓膨胀速度,也降低树脂粘结剂的分解速度,延长了水套芯的耐高温时间,为缸体、缸盖的冷却成型争取了宝贵的时间。前者是促进铁液加快凝固,降低对水套芯的热作用时间;后者则是延长了砂芯的耐高温时间,据介绍水套芯最薄处,浇注时不开裂,铸件轮廓依然清晰。3.6玻璃微珠硅砂膨胀剂玻璃微珠的软化点和熔点依不同品种的玻璃而不同。现在从玻璃纤维厂采购到的玻璃微珠软化点在700~800℃,熔点在1000℃左右,粒度可根据需要选择。在大马力缸体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软化点低,具有可塑性,为硅砂高温膨胀容让空间,降低芯砂的膨胀率;二是在1000℃左右玻璃融化,在砂粒间形成玻璃粘稠物连接,提高了芯子的高温塑性和防止铁液钻入砂隙,有防止脉纹和粘砂的作用,但用量要适当,避免因水套芯变形,导致筒壁薄厚超差而报废。3.7几种灰石作为钢砂颗粒的原料目前欧美在缸体、缸盖芯砂中加入以锂辉石为主要原料的抗脉纹剂,已十分普及。锂辉石是锂铝硅酸盐矿,我国产量很小,多为进口,熔点1420℃,密度为3.2g/cm3,发气量4~7mL/g,热膨胀率极小。加入锂辉石的作用:第一,它对硅砂有极强的助溶作用,能在砂粒间形成作用力极强的玻璃链,把砂粒链合在一起,增加了砂芯的高温强度;第二,热膨胀率极低,锂辉石在1080℃时产生相变,由α相变为β相,呈负膨胀,可以缓解水套芯的快速膨胀。目前,我国几家大型柴油机厂在缸体水套芯上开始应用锂灰石,效果良好,但问题是价格昂贵,而市场上的商品抗脉纹剂成分不明,吨价都在万元以上,几乎与树脂价格持平,而加入量要求占砂子总量的6%~10%,远远高于树脂的加入量,树脂砂的吨成本价提高了500~1000元,企业难以承担。现在需要开发效果好、价格适中,充分利用国内自有资源的抗脉纹剂。4水体、缸砂芯水套芯缸体、缸盖用砂如何选择与搭配对砂芯的性能起着决定性的作用;对缸体、