经过几十年的产品技术升级，铸造制芯工艺在原有硅砂冷芯盒和普通覆膜砂工 艺基础上，逐步开发了特种砂冷芯盒制芯以及特种覆膜砂制芯工艺。其中特种砂冷 芯盒制芯采用50%宝珠砂+50%再生砂，主要应用于机体挺杆芯等砂芯。针对高端发 动机缸盖普通覆膜砂水夹层砂芯断芯、粘砂等缺陷，开发了含40%宝珠砂的特种覆膜 砂，并稳定应用。

宝珠砂是对熔融状态下的高氧化铝质的原料(铝矾土)进行喷雾处理，使之 再结晶而成形的高耐热性、低热膨胀性的球状砂，但是生产能耗高、环境差。近两 年，国家环保整治力度加大，宝珠砂的生产经营受到了很大限制，产量减少，市场 供应存在一定风险，并且价格高涨，其品质也难以保证。因此，寻找宝珠砂的替代 材料势在必行，陶粒砂就是在此背景下进入了我们的视野，成为新材料开发的对 象。

1   烧结陶粒砂主要性能特点

铸造烧结陶粒砂是以铝质矿物为原料，经过破碎、磨粉、造粒、烧结、分级 和级配工艺获得的球形人造砂。同样与宝珠砂具有粒型圆整、耐高温、低膨胀等特性，近几年有被铸造企业应用于碱性酚醛树脂砂、覆膜砂、  3D打印等的报道 。

结合当前文献资料，归纳出铸造烧结陶粒砂和宝珠砂的性能指标参照 ，如表 1 。

当前报道中陶粒砂的耐火度均高于 1 750  ℃ ，完全满足铸铁生产的使用要求。 堆积密度接近硅砂，当和硅砂混合使用时，不易产生偏析，相比铬矿砂、宝珠砂等 大密度特种砂更具优势。粒形接近球形，流动性及填充性好，造型制芯时易紧实， 且能保持良好的透气性。热膨胀率低，在铸件浇注和冷却过程中不易产生夹砂、结 疤、脉纹等缺陷，因此有利于铸件尺寸精度和表面、内腔质量的提高。

2   烧结陶粒砂的开发应用

2.1   陶粒砂技术调研分析

在烧结陶粒砂技术调研阶段，  收集了A 、B 、C三个企业生产的陶粒砂，  对材料 主要成分和耐火度进行对比检测，数据见表2 。

根据Al2O3-SiO2 二元相图，  Al2O3含量越高，  SiO2含量越低，  材料的理论耐火度 越高，但Fe2O3 、TiO2等杂质含量对耐火度的负面影响尤其值得注意。从表2 中数据可 知，  虽然 1# 陶粒砂的Al2O3含量最高，  但是高的Fe2O3含量导致其耐火度最低，  2#与3#陶粒砂Al2O3含量差异不大的情况下，  Fe2O3含量低的陶 粒砂，其耐火度也更高。因此，对于铸造用宝珠砂、 陶粒砂等Al-Si质砂，除追求高的Al2O3含量以外，还要 特别注重Fe2O3 、TiO2等杂质的限量。基于以上对比分 析，我公司陶粒砂制芯工艺开发选定B和C两个企业的 陶粒砂。

2.2   陶粒砂冷芯盒制芯的开发应用

陶粒砂冷芯盒制芯工艺开发中，为与我公司50/100 目再生砂混合使用，达到良好的粒度级配效果，设计陶粒砂粒度筛号采用40/70 目，  鉴于原砂细粉含量对砂 芯强度的不利影响，限制砂中 140 目及以下含量≤2% 。 两种陶粒砂的部分性能检测结果见表3 。

制芯采用陶粒砂与再生砂质量比 1:1混合，冷芯盒 树脂加入量为单组份各0 .8% ，并与相同条件下的宝珠 砂工艺进行数据对比，砂芯抗拉强度见表4 ，可知当前 树脂加入量下两个企业陶粒砂的强度基本一致，虽相 比宝珠砂稍有降低，但均满足工艺要求。制芯过程充 填性和脱模性良好，砂芯射砂紧实，砂芯外观如图1 。

此工艺下的铸件落砂后，挺杆室内腔质量同宝 珠砂工艺相当，无粘砂现象，存在轻微脉纹，可在正常细清工序中去除。经半年的小批量验证，公司内部 及客户端均没有出现异常缺陷，证明了该工艺稳定可 靠。此外，基于陶粒砂和宝珠砂在采购价格和堆积密 度方面的差异，陶粒砂替代宝珠砂的冷芯盒制芯工艺 降低制造成本约20% ，给企业带来了可观的经济效益。

2.3  陶粒砂特种覆膜砂的开发应用

发动机缸盖铸件的水夹层砂芯普遍采用覆膜砂制芯工艺。随着缸盖内腔结构愈来愈复杂，对内 腔清洁度的要求也愈来愈高，使用传统硅砂覆膜砂制 水夹层芯，断芯、烧结、粘砂等质量缺陷突出，归根 到底是普通覆膜砂在高温下的强度和膨胀等性能已不 能满足复杂薄弱水夹层砂芯的需求。2009年开展了特种覆膜砂的开发验证工作，最终定型为含40% 宝珠砂的覆膜砂，并稳定应用 。应用陶粒砂替代宝珠砂的特种覆膜砂开发，在不增加覆膜砂采购成本的基 础上，确定了陶粒砂的添加比例为50% ，其他常规性能 要求与40%宝珠覆膜砂相同。

制芯试验前，  对两种特种覆膜砂及普通覆膜砂的 各项性能进行了系统检测分析，结果见表5 、表 6 ，其 中高温性能检测采用JT-SJZ-2型芯砂检测工作站。

结合以上数据，常规性能方面，  50% 陶粒覆膜砂 与40%宝珠覆膜砂基本一致，特种覆膜砂的强度略高于 普通覆膜砂，这主要是由于宝珠砂和陶粒砂的粒形优 于硅砂，有利于提高覆膜砂强度。  1 000 ℃高温抗压性 能测试是在恒定压力下对标准试样进行施压直至试样 压溃，用抗压耐热时间进行表征，检测结果为50%陶粒 覆膜砂＞40%宝珠覆膜砂＞普通覆膜砂。在高温膨胀性 方面，随着测试时间的延长，膨胀率呈现先增长再下降的趋势，不同覆膜砂的最大膨胀率和时间不同，普 通覆膜砂在90秒时达到最大值1.3%，40%宝珠覆膜砂在 25秒时达到最大值0.63% ，50%陶粒覆膜砂在20秒达到 最大值0.44% ，这组数据表明了特种覆膜砂在高温性能 方面具有强力优势，这也是使用特种覆膜砂能够避免砂芯在高温下因膨胀开裂引起断芯、脉纹等缺陷的有力证据。

在覆膜砂制芯工艺验证中，同一厂家相同工艺下 生产的50%陶粒覆膜砂与40%宝珠覆膜砂相比，在流动 性、充填性、脱模性等方面均无明显差异，在固化特 性方面显示出一个明显的优势，那就是砂芯固化脱壳 倾向更小。图3为在相同设备和参数下用两种覆膜砂制 备砂芯相同位置的断面，宝珠覆膜砂砂芯存在明显的 固化分层现象，而陶粒覆膜砂砂芯几乎没有分层。覆 膜砂砂芯固化分层的根本原因是，砂芯固化过程中的 底层芯砂沉降，进而与上部固化壳层脱离 。宝珠砂的密度大，沉降倾向大、速度快，导致宝珠覆膜砂固化 分层相对陶粒覆膜砂严重。

50% 陶粒覆膜砂经过在多个产品系列中的生产验 证，砂芯成形率和利用率高，抗粘砂和抗烧结性与40% 宝珠覆膜砂相当，固化分层现象的改善，杜绝了铁液 高温下钻入砂芯分层间隙引起夹砂、粘砂或飞翅等缺 陷问题的产生。

3   结论

( 1 )铸造烧结陶粒砂具有粒型圆整、密度小、低膨胀等特性，  Fe2O3 、TiO2等杂质对陶粒砂耐火度有严重的负 面影响，在陶粒砂开发选型时，除要追求高的Al2O3含量以外，还要特别注重Fe2O3 、TiO2等杂质的限量。

( 2 )在与再生砂 1:1配合使用的冷芯盒制芯工艺应用中，烧结陶粒砂与宝珠砂在制芯工艺性及防脉纹、防粘砂 性方面使用效果相当。

( 3 ) 在特种覆膜砂的开发应用中，50%陶粒覆膜砂与40%宝珠覆膜砂相比，高温抗压耐热时间和膨胀性能更 优，砂芯固化脱壳倾向更小，稳定满足高端产品缸盖水夹层砂芯的制芯工艺及铸件内腔质量需求。