镁铝尖晶石质球形陶瓷铸造砂的制备与性能研究

周　毅，田玉明，柴跃生，王凯悦，武雅乔，孔祥辰，陈站考

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024）

·试验研究·

镁铝尖晶石质球形陶瓷铸造砂的制备与性能研究

周毅，田玉明，柴跃生，王凯悦，武雅乔，孔祥辰，陈站考

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024）

选取阳泉特级铝矾土与轻质氧化镁为原料，通过气流床细化、德国EIRICH成球机成球与烧结工艺制得了镁铝尖晶石质球形陶瓷铸造砂，并对其物相组成、显微形貌、物理性能及破碎率进行了表征与测试。制得的陶瓷铸造砂由镁铝尖晶石主晶相与极少量尖晶石固溶体组成，在陶瓷铸造砂内排列致密，制得的陶瓷铸造砂具有优良的抗破碎性能。

镁铝尖晶石；球形铸造砂；抗破碎性能

砂型（芯）铸造是一种重要的铸造工艺，该铸造工艺中一个最重要的因素是铸造砂的选择，选用性能良好的铸造砂可以保证铸件获得高质量与高尺寸精度，否则在铸造时会出现粘砂甚至铸造砂的渗透，不仅使铸件质量下降，而且增加铸件表面清理时的工作量[1]。传统的砂型（芯）铸造使用硅砂，优点是可以降低成本，但是硅砂的热膨胀系数大，耐高温性差，角形系数大以及易发生铸件表面的粘砂与渗透，很容易导致铸件产生裂纹与变形，恶化铸件质量[2]。为了避开上述缺点，人们制造了铬铁矿砂、锆砂等性能优良的特种铸造砂。然而它们所需原料成本很高，无法大量使用。为了降低成本，进而开发出以铬铁矿与含锆物质作为添加剂的复合硅砂或复合棕刚玉砂，造价显著降低，然而这些复合砂的固相反应热完全依赖铸造过程中释放的热量，这就难以达到理想的性能，进而恶化了铸件质量[3，4]。

近年来出现了人造陶瓷球形铸造砂，为获得高质量铸件作出重要贡献。由于陶瓷砂具有圆球度高、角形系数低、流动性与透气性好、热膨胀小、耐火度高等优点，因此受到国际铸造砂业的青睐，并且用量呈现逐年增加的势头[5，6]。

然而目前国内在陶瓷球形铸造砂领域尚处于起步阶段，品种与体系还很单一，需要进一步开发多品种、多体系的陶瓷球形铸造砂。本课题组近年来研发了一种铝镁尖晶石基陶瓷耐火材料块体，获得了低膨胀系数与耐高温性，并对其物理、力学、热性能等进行了测试与表征。将这种镁铝尖晶石质耐火材料成功制成陶瓷球形砂也于近期得以实现，本次实验对如何制造这种镁铝尖晶石质陶瓷球形铸造砂与其性能分析作了进一步研究，对这种陶瓷铸造砂的实际生产有一定参考作用。

1　实验

陶瓷砂的工艺流程为：配料、细化、过筛、成球、过筛、烧结、测试与表征。

1.1原料

实验选取铝矾土（阳泉，特级）与氧化镁（国药集团化学试剂有限公司）为原材料，成分见表1与表2.将特级铝矾土与氧化镁试剂按照Al2O3与MgO质量比为2.55混合。

表1　铝矾土化学成分

表2　氧化镁化学成分

1.2细化与过筛

采用YQM1.5型流化床气流磨将混合料细化，过300目筛。此过程不仅将混合料细化，而且将细化过程中的一部分机械能转化为活化能储存在粉末内部，这就对烧结产生促进作用。

1.3成球

铸造砂素坯的成球采用德国产EIRICH R02型成球机。经过多次调整参数，最终确定成球工艺为：首先加入水的质量为混合料的13%，以快转3min、慢转2min交替进行，之后加入水的质量为混合料的1%，成球机慢转10min，并根据成球效果及时调节水与干粉的加入量；待成球机内混合料几近全部成球时，加入少量干粉以提高素坯球的表面光滑度，再慢转1min后过20/40、40/70目筛；将筛分出的球型素坯干燥待烧。

1.4烧结

球形素坯的固相烧结利用KBF1700型电炉完成。经过多次比较试验，最终选取的烧结工艺为：从室温到250℃历时60min，保温10min，从250℃到1100℃历时850min，再升温至1 450℃用时70min，保温240min，之后随炉冷却至室温[7]。

1.5测试与表征

利用密度瓶测得铸造砂的体密度与视密度。利用电子天平测量空密度瓶的质量m1，装满铸造砂的密度瓶质量m2，则铸造砂的体密度:

其中V是密度瓶容积，为100mL，质量单位为g，重复测量3次取平均值。

在密度瓶中装入砂样但不要装满，用电子天平测出质量m3，之后继续装水并排除气泡，称取水满时带有铸造砂的密度瓶质量m4，则铸造砂的视密度：

其中P w为水的密度，取1 g/mL.实验重复3次取平均值。

分别测试了陶瓷铸造砂在52MPa、69MPa下的破碎率。称取待测铸造砂200 g倒入标准筛的顶筛中，振筛10min，将底筛样品取出再次称重，质量记为ms，将筛出的铸造砂倒入破碎室，如图1所示。放入破碎室活塞，将其旋转180°，将装样后的破碎室置于压机台面，将破碎室恒定加载1min，再稳载2min后卸去荷载。将压后试样倒入底筛，再次振筛10min，然后称取筛下破碎料的质量mc，可得破碎率

通过X射线衍射仪进行物相分析，通过扫描电子显微镜观察显微形貌。图1为破碎室结构。

图1　破碎室结构图

2　结果与讨论

实验所制得铸造砂呈现良好的圆球度，粒径(粒径通过观察图片，利用目测法得到)在1mm~3mm之间，整体形貌如图2.

图2实验制得的铸造砂

图3所示为40/70目铸造砂试样的XRD图，可观察到尖锐的尖晶石特征峰，表明该陶瓷铸造砂含有纯粹的尖晶石结构相，再根据原料成分判断主晶相为MgAl2O4，只是由于原料中少量Fe2O3的存在，使其与镁铝尖晶石发生固溶反应[8]，在陶瓷砂中形成固溶尖晶石相MgFe0.1Al1.9O4与MgFe0. 2Al1.8O4.

40/70目铸造砂的显微形貌如图4.尖晶石相晶粒约为2μm~4μm，在陶瓷内部形成致密结构，只有极少量的玻璃相分布于晶界处，几乎观察不到气孔。20/40目陶瓷砂具有类似的结构。

图3　40/70目铸造砂的XRD图

图4　40/70目铸造砂的SEM图

表3所示为20/40目与40/70目球形铸造砂的视密度、体密度与52MPa、69MPa下的破碎率。两种试样体密度近乎一致，与其具有一致的显微结构结果相符合。40/70目铸造砂的视密度与20/40目铸造砂相比降低约10%，这是由于20/40目铸造砂的比表面积低于40/70目铸造砂的所致。52MPa压力下20/40目铸造砂的破碎率为5.83%，略低于40/70目铸造砂的破碎率5.34%，这可能由于40/70目铸造砂的比表面积稍大，使得单位面积承受的载荷得以降低，进而使破碎率降低。而在69MPa压力下40/70目铸造砂的破碎率上升至12.87%，这是由于负载增大所致。总体来说，该镁铝尖晶石质铸造砂具有良好的抗破碎性能，适用于大型铸件的浇注作业中。

表3　铸造砂的密度与破碎率

3　结论

以阳泉特级铝矾土与轻质氧化镁为原料，采用气流床细化、德国EIRICH成球机成球与固态烧结工艺制得了镁铝尖晶石质球形陶瓷铸造砂。在1 450℃烧成的陶瓷铸造砂整体圆球度好，内部结构致密，由镁铝尖晶石与其少量的固溶体构成。该镁铝尖晶石质铸造砂密度适中，破碎率低，是一种理想的铸造造型材料。

［1］宋会宗，李世平.大型铸钢件用镁铝质球形砂的研究［J］.铸造，1999（8）：12-16.

［2］陈站考，李秋书，周少鹏.高性能人造球形砂的开发与应用［J］.铸造，2013（62）：124-127.

［3］顾国涛.采用刚玉质造型材料提高大中型铸钢件质量［J］.机械工人，1988（3）：25-28.

［4］林家骝，李民英.铸造原砂的研究与开发［J］.造型材料，1991（1）：5-7.

［5］Shannon Kruse.Ceramic breaks themold［R］.Modern Casting，2007（3）：26-28.

［6］烟地正彦.铸造用高铝人造球形砂的制造方法：日本，2010-42449［P］.2010-02-25.

［7］蔺玉红，田玉明，马晓娟，等.烧结温度对镁铝尖晶石质陶瓷球形铸造砂性能的影响［J］.铸造设备与工艺,2014（6）：28-30.

［8］肖国庆.Fe2O3、Al2O3加入物对镁钙砂抗水化性的影响［J］.耐火材料，1998（2）：77-79.

Study on Preparation and Properties of Spherical Casting Sand Based on MgA12O4Spinel

ZHOU Yi，TIAN Yu-m ing，CHAIYue-sheng，WANG Kai-yue，WU Ya-qiao，CHEN Zhan-kao
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi030024，China）

The Yangquan high grade bauxite and lightmagnesium oxide were selected as rawmaterials.The spherical casing sand based on MgAl2O4spinel was prepared using the combined techniques of refining by an entrained-flowbed，balling by an EIRICH ball-formingm illmade in Germany and solid phase sintering.The phase composition，microstructuralmorphology，physical properties and broken rate were characterized and tested.The final ceramic casting sand ismade up of MgAl2O4spinel asmain phase and very small amount of its solid solution.The MgAl2O4spinel phase and its solid solution arrange compact in the ceramic sand.The ceramic casting sand has excellent crush resistance.

MgAl2O4spinel，spherical casting sand，broken rate

TG221

A

1674-6694（2015）04-0019-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.009

2015-05-10

周毅（1984-），男，讲师，长期从事陶瓷材料物理与化学的教学与研究。

田玉明（1969-），男，教授，长期从事无机非金属材料物理与化学的教学与研究。

太原科技大学研究生科技创新项目（20134010）