鎂鋁尖晶石質(zhì)球形陶瓷鑄造砂的制備與性能研究

周　毅，田玉明，柴躍生，王凱悅，武雅喬，孔祥辰，陳站考

（太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原030024）

·試驗研究·

鎂鋁尖晶石質(zhì)球形陶瓷鑄造砂的制備與性能研究

周毅，田玉明，柴躍生，王凱悅，武雅喬，孔祥辰，陳站考

（太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原030024）

選取陽泉特級鋁礬土與輕質(zhì)氧化鎂為原料，通過氣流床細化、德國EIRICH成球機成球與燒結(jié)工藝制得了鎂鋁尖晶石質(zhì)球形陶瓷鑄造砂，并對其物相組成、顯微形貌、物理性能及破碎率進行了表征與測試。制得的陶瓷鑄造砂由鎂鋁尖晶石主晶相與極少量尖晶石固溶體組成，在陶瓷鑄造砂內(nèi)排列致密，制得的陶瓷鑄造砂具有優(yōu)良的抗破碎性能。

鎂鋁尖晶石；球形鑄造砂；抗破碎性能

砂型（芯）鑄造是一種重要的鑄造工藝，該鑄造工藝中一個最重要的因素是鑄造砂的選擇，選用性能良好的鑄造砂可以保證鑄件獲得高質(zhì)量與高尺寸精度，否則在鑄造時會出現(xiàn)粘砂甚至鑄造砂的滲透，不僅使鑄件質(zhì)量下降，而且增加鑄件表面清理時的工作量[1]。傳統(tǒng)的砂型（芯）鑄造使用硅砂，優(yōu)點是可以降低成本，但是硅砂的熱膨脹系數(shù)大，耐高溫性差，角形系數(shù)大以及易發(fā)生鑄件表面的粘砂與滲透，很容易導致鑄件產(chǎn)生裂紋與變形，惡化鑄件質(zhì)量[2]。為了避開上述缺點，人們制造了鉻鐵礦砂、鋯砂等性能優(yōu)良的特種鑄造砂。然而它們所需原料成本很高，無法大量使用。為了降低成本，進而開發(fā)出以鉻鐵礦與含鋯物質(zhì)作為添加劑的復合硅砂或復合棕剛玉砂，造價顯著降低，然而這些復合砂的固相反應熱完全依賴鑄造過程中釋放的熱量，這就難以達到理想的性能，進而惡化了鑄件質(zhì)量[3，4]。

近年來出現(xiàn)了人造陶瓷球形鑄造砂，為獲得高質(zhì)量鑄件作出重要貢獻。由于陶瓷砂具有圓球度高、角形系數(shù)低、流動性與透氣性好、熱膨脹小、耐火度高等優(yōu)點，因此受到國際鑄造砂業(yè)的青睞，并且用量呈現(xiàn)逐年增加的勢頭[5，6]。

然而目前國內(nèi)在陶瓷球形鑄造砂領域尚處于起步階段，品種與體系還很單一，需要進一步開發(fā)多品種、多體系的陶瓷球形鑄造砂。本課題組近年來研發(fā)了一種鋁鎂尖晶石基陶瓷耐火材料塊體，獲得了低膨脹系數(shù)與耐高溫性，并對其物理、力學、熱性能等進行了測試與表征。將這種鎂鋁尖晶石質(zhì)耐火材料成功制成陶瓷球形砂也于近期得以實現(xiàn)，本次實驗對如何制造這種鎂鋁尖晶石質(zhì)陶瓷球形鑄造砂與其性能分析作了進一步研究，對這種陶瓷鑄造砂的實際生產(chǎn)有一定參考作用。

1　實驗

陶瓷砂的工藝流程為：配料、細化、過篩、成球、過篩、燒結(jié)、測試與表征。

1.1原料

實驗選取鋁礬土（陽泉，特級）與氧化鎂（國藥集團化學試劑有限公司）為原材料，成分見表1與表2.將特級鋁礬土與氧化鎂試劑按照Al2O3與MgO質(zhì)量比為2.55混合。

表1　鋁礬土化學成分

表2　氧化鎂化學成分

1.2細化與過篩

采用YQM1.5型流化床氣流磨將混合料細化，過300目篩。此過程不僅將混合料細化，而且將細化過程中的一部分機械能轉(zhuǎn)化為活化能儲存在粉末內(nèi)部，這就對燒結(jié)產(chǎn)生促進作用。

1.3成球

鑄造砂素坯的成球采用德國產(chǎn)EIRICH R02型成球機。經(jīng)過多次調(diào)整參數(shù)，最終確定成球工藝為：首先加入水的質(zhì)量為混合料的13%，以快轉(zhuǎn)3min、慢轉(zhuǎn)2min交替進行，之后加入水的質(zhì)量為混合料的1%，成球機慢轉(zhuǎn)10min，并根據(jù)成球效果及時調(diào)節(jié)水與干粉的加入量；待成球機內(nèi)混合料幾近全部成球時，加入少量干粉以提高素坯球的表面光滑度，再慢轉(zhuǎn)1min后過20/40、40/70目篩；將篩分出的球型素坯干燥待燒。

1.4燒結(jié)

球形素坯的固相燒結(jié)利用KBF1700型電爐完成。經(jīng)過多次比較試驗，最終選取的燒結(jié)工藝為：從室溫到250℃歷時60min，保溫10min，從250℃到1100℃歷時850min，再升溫至1 450℃用時70min，保溫240min，之后隨爐冷卻至室溫[7]。

1.5測試與表征

利用密度瓶測得鑄造砂的體密度與視密度。利用電子天平測量空密度瓶的質(zhì)量m1，裝滿鑄造砂的密度瓶質(zhì)量m2，則鑄造砂的體密度:

其中V是密度瓶容積，為100mL，質(zhì)量單位為g，重復測量3次取平均值。

在密度瓶中裝入砂樣但不要裝滿，用電子天平測出質(zhì)量m3，之后繼續(xù)裝水并排除氣泡，稱取水滿時帶有鑄造砂的密度瓶質(zhì)量m4，則鑄造砂的視密度：

其中P w為水的密度，取1 g/mL.實驗重復3次取平均值。

分別測試了陶瓷鑄造砂在52MPa、69MPa下的破碎率。稱取待測鑄造砂200 g倒入標準篩的頂篩中，振篩10min，將底篩樣品取出再次稱重，質(zhì)量記為ms，將篩出的鑄造砂倒入破碎室，如圖1所示。放入破碎室活塞，將其旋轉(zhuǎn)180°，將裝樣后的破碎室置于壓機臺面，將破碎室恒定加載1min，再穩(wěn)載2min后卸去荷載。將壓后試樣倒入底篩，再次振篩10min，然后稱取篩下破碎料的質(zhì)量mc，可得破碎率

通過X射線衍射儀進行物相分析，通過掃描電子顯微鏡觀察顯微形貌。圖1為破碎室結(jié)構(gòu)。

圖1　破碎室結(jié)構(gòu)圖

2　結(jié)果與討論

實驗所制得鑄造砂呈現(xiàn)良好的圓球度，粒徑(粒徑通過觀察圖片，利用目測法得到)在1mm~3mm之間，整體形貌如圖2.

圖2實驗制得的鑄造砂

圖3所示為40/70目鑄造砂試樣的XRD圖，可觀察到尖銳的尖晶石特征峰，表明該陶瓷鑄造砂含有純粹的尖晶石結(jié)構(gòu)相，再根據(jù)原料成分判斷主晶相為MgAl2O4，只是由于原料中少量Fe2O3的存在，使其與鎂鋁尖晶石發(fā)生固溶反應[8]，在陶瓷砂中形成固溶尖晶石相MgFe0.1Al1.9O4與MgFe0. 2Al1.8O4.

40/70目鑄造砂的顯微形貌如圖4.尖晶石相晶粒約為2μm~4μm，在陶瓷內(nèi)部形成致密結(jié)構(gòu)，只有極少量的玻璃相分布于晶界處，幾乎觀察不到氣孔。20/40目陶瓷砂具有類似的結(jié)構(gòu)。

圖3　40/70目鑄造砂的XRD圖

圖4　40/70目鑄造砂的SEM圖

表3所示為20/40目與40/70目球形鑄造砂的視密度、體密度與52MPa、69MPa下的破碎率。兩種試樣體密度近乎一致，與其具有一致的顯微結(jié)構(gòu)結(jié)果相符合。40/70目鑄造砂的視密度與20/40目鑄造砂相比降低約10%，這是由于20/40目鑄造砂的比表面積低于40/70目鑄造砂的所致。52MPa壓力下20/40目鑄造砂的破碎率為5.83%，略低于40/70目鑄造砂的破碎率5.34%，這可能由于40/70目鑄造砂的比表面積稍大，使得單位面積承受的載荷得以降低，進而使破碎率降低。而在69MPa壓力下40/70目鑄造砂的破碎率上升至12.87%，這是由于負載增大所致?？傮w來說，該鎂鋁尖晶石質(zhì)鑄造砂具有良好的抗破碎性能，適用于大型鑄件的澆注作業(yè)中。

表3　鑄造砂的密度與破碎率

3　結(jié)論

以陽泉特級鋁礬土與輕質(zhì)氧化鎂為原料，采用氣流床細化、德國EIRICH成球機成球與固態(tài)燒結(jié)工藝制得了鎂鋁尖晶石質(zhì)球形陶瓷鑄造砂。在1 450℃燒成的陶瓷鑄造砂整體圓球度好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，由鎂鋁尖晶石與其少量的固溶體構(gòu)成。該鎂鋁尖晶石質(zhì)鑄造砂密度適中，破碎率低，是一種理想的鑄造造型材料。

［1］宋會宗，李世平.大型鑄鋼件用鎂鋁質(zhì)球形砂的研究［J］.鑄造，1999（8）：12-16.

［2］陳站考，李秋書，周少鵬.高性能人造球形砂的開發(fā)與應用［J］.鑄造，2013（62）：124-127.

［3］顧國濤.采用剛玉質(zhì)造型材料提高大中型鑄鋼件質(zhì)量［J］.機械工人，1988（3）：25-28.

［4］林家騮，李民英.鑄造原砂的研究與開發(fā)［J］.造型材料，1991（1）：5-7.

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

［6］煙地正彥.鑄造用高鋁人造球形砂的制造方法：日本，2010-42449［P］.2010-02-25.

［7］藺玉紅，田玉明，馬曉娟，等.燒結(jié)溫度對鎂鋁尖晶石質(zhì)陶瓷球形鑄造砂性能的影響［J］.鑄造設備與工藝,2014（6）：28-30.

［8］肖國慶.Fe2O3、Al2O3加入物對鎂鈣砂抗水化性的影響［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，講師，長期從事陶瓷材料物理與化學的教學與研究。

田玉明（1969-），男，教授，長期從事無機非金屬材料物理與化學的教學與研究。

太原科技大學研究生科技創(chuàng)新項目（20134010）