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摘要：本文主要介绍宝珠砂替代石英砂在工程机械制芯工艺中的应用。通过对宝珠砂与石英砂性能试验对比，并在实际生产中进行试验验证宝珠砂在解决断芯、粘砂问题方面具备的优点。宝珠砂在以小型油道砂芯为主的制芯工艺中的应用，大幅降低铸件的断芯率和粘砂率，降低废品率，提升了铸件清洁度。
关键词：宝珠砂；热芯盒；制芯工艺；断芯；粘砂
工程机械传动系统的变速箱箱体、后箱体、变矩器壳体、分动箱体类铁铸件具有油道较多，且具有截面积小，长径比大（见图1）的特点。采用石英砂热芯盒制芯工艺，油道断芯问题较为严重，铸件成品率难以保证，且油道表面清洁度较差。而铸件的油道作为传动系统中液压油工作的通道，其清洁度一直影响着整机的工作性能。油道中未能难清理的粘砂在工作时脱落使得液压油变得不清洁进而会加速传动系统零件的磨损、阀卡死、轴承损坏等一系列早期故障。针对上述断芯问题，采用在砂型上“扎钉子”的方法，使钉子支撑砂芯，防止砂芯因铁水浮力而断裂。这种方法可以在一定程度上降低断芯率，但效果并不是太明显。采取这种“扎钉子”方法导致下芯效率大幅降低，平均下芯时间增加100%以上。而且“扎钉”还需考虑钉子熔合问题，必须保证铁水温度，否则因铁水温度低致使钉子未能完全熔合，导致铸件打压试验渗漏。这对浇注过程的控制提出了更高要求。针对粘砂问题，使用耐火性能更高的醇基锆英粉涂料，这种涂料耐火性更高，但价格是正常使用的醇基石墨涂料的2.5倍以上，所起到的效果也并不明显。针对上述两种断芯、粘砂问题，虽然以提升生产成本和管理成本、降低生产效率为代价采取了相应措施，但效果并不明显，断芯、粘砂问题仍然较为严重。基于上述情况，我们选用宝珠砂取代石英砂。
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图1 后箱体油道砂芯及主要尺寸
1试验材料
宝珠砂是一种新型人造砂，粒形圆整、粒度可控，具有较好的综合性能。将细粒的的宝珠覆膜砂用于壳型铸造，获得铸件表面质量精度高，可与精密铸件所媲美。
宝珠砂是通过煅烧后的铝矾土耐火熟料砂，经过电弧炉的电弧高温熔化成液体，利用强风将液体原材料原材料吹散到空中，利用液体表面张力自然成球而得到的表面光滑的砂粒[1]。铝矾土耐火熟料砂的主要矿物成分为莫来石（3Al2O3·2SiO2），其耐火度随Al2O3含量的增加和煅烧温度的增高而提高。高铝矾土煅烧的铝矾土砂，当Al2O3的质量分数达到71.8%时，其耐火度大于1800℃[2]。宝珠砂生产过程如图3所示。
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图2 宝珠砂制造流程图[2]
宝珠砂的粒形为球形或接近球形，颜色为黑色，见图4.粒径在0.053mm（270目）~2.0mm（6目）之间。宝珠砂的主要化学成分为三氧化二铝（Al2O3）和二氧化硅（SiO2），宝珠砂的典型化学成分如表1所示。
表1 宝珠砂的典型化学成分（质量分数，%）
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与石英砂相比，宝珠砂的主要特点如下：
①热膨胀系数小，性能可与锆英砂媲美，用其配置型芯砂，铸件不会产生膨胀缺陷；
②砂粒为球形，流动性好，透气性好；
③表面光滑，结构致密，使得粘结剂能均匀覆盖；
④回用再生性能好，性价比高，与铬铁矿砂、锆英砂相比，其价格低很多；
⑤耐火度高、易溃散；
⑥热导率大、稳定性好、不龟裂[3]；
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图3 宝珠砂的粒形[2]
2工艺试验
2.1 性能试验
分别选用普通覆膜砂和宝珠砂使用“8”字形试样模具各制芯3件，加热固化后进行抗拉强度试验。试验设备为XQY智能型砂强度机。试验温度为室温。抗拉强度试验结果如表2所示。
表2 宝珠砂与普通覆膜砂砂芯抗拉强度对比（Mpa）
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从表2试验结果可以看出，相比普通覆膜砂，宝珠砂抗拉强度提升80%。
2.2 浇注试验
选用一款变矩器壳体产品作为试验对象。该壳体油道有10多个，而且油道截面积小、长径比大，结构异形，多为压力油道，铸造难度非常大。对该壳体油道砂芯分别选用两种覆膜砂进行热芯盒制芯工艺制芯，使用常规醇基石墨涂料，对浇注后的铸件使用内窥镜进行检查，分别对粘砂、断芯两种常见油道铸造缺陷进行统计，统计结果件表3.
表3 断芯、粘砂率统计结果
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根据表3中的试制统计结果可以看出，宝珠砂性能的大幅提升，断芯率降低了96%以上，粘砂率完全得到解决。粘砂问题的解决，大幅降低铸件的清理难度。由于工程机械传动系统对零件清洁度要求非常高，油道内的粘砂必须完全清除。但由于油道“细长”、“异形”、“弯曲”等特点，油道清理往往成为铸件清理工作中最关键、最难的部分。图4为分别使用石英砂和宝珠砂制芯工艺的铸件使用内窥镜对油道进行检查的结果。从检查结果可以看出，使用石英砂制芯工艺的铸件油道内腔有大块的粘砂，并有少量飞边。使用宝珠砂制芯工艺的铸件油道内腔光滑，清洁度非常好。
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石英砂工艺铸件油道 宝珠砂工艺铸件油道
图3 宝珠砂与石英砂制芯工艺铸件油道内腔对比
基于上述试验结果，我们将该宝珠砂制芯工艺推广至分动箱体、后箱体、变速箱体等其它具有类似油道的铸件中大批量使用。
2.3成本与收益
根据目前的市场价格，宝珠砂是石英砂价格的5～8倍。出于成本考虑，目前我公司宝珠砂制芯工艺主要应用于小型油道砂芯。对于一些对表面质量要求较高、关键部位且又更大些的砂芯，可以对宝珠砂和石英砂按照一定比例混合使用。目前，我公司根据砂芯实际情况，经过一定时间的试验和摸索，使用宝珠砂和石英砂配比为4：6的“混合砂”，在保证砂芯性能、有效解决铸件断芯、粘砂问题的同时，很好地控制了生产成本。无论是全宝珠砂还是按一定比例的 “混合砂”，单个砂芯的生产成本均有不小的提高，但由于其仅应用在占总砂重量不到1%的小型砂芯中，这种工艺改善所带来的包括铸件废品率、过程管理、生产效率等方面的收益远远高于生产成本的提高。因此，我公司将宝珠砂制芯工艺推广至所有具有类似砂芯的产品中，并且更进一步，该工艺在一些主要铸件供应商中得到了一定地应用。
结论
与石英砂相比，宝珠砂具有热膨胀系数、角形系数、表面质量、耐火度、热导率大、稳定性等多方面的优点，其抗拉强度性能远高于石英砂，可以大幅降低铸件断芯率和粘砂率，降低废品率，提升铸件内腔清洁度。虽然宝珠砂的市场价格远高于石英砂，但其在解决断芯、粘砂等问题上所给企业带来的收益远高于成本的提高。为了控制生产成本，企业可以根据砂芯的实际情况，进行试验、摸索，使用宝珠砂和石英砂按照一定比例的“混合砂”，在控制生产成本的同时，也解决了铸造难题。
参考文献：
[1]马文治.TRAZ方法在解决铸型刮砂过程中型砂坍塌问题中的应用[J].科技创业，2016（6）：123-124.
[2]李远才.铸造造型材料使用手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]陈兆杰，李忠泽，刘满对，王柏勤.宝珠砂的特点及其在铸造生产中的应用[J].铸造，2018，67 ⑫：1131-1135.