造型用原材料
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第208页（10101字）
3．3．5．1 原砂
1．硅砂
硅砂主要由粒径为0．05～3．35mm的透明、浅色石英颗粒组成，其化学成分为二氧化硅，因此硅砂也称石英砂．
我国铸造生产中所使用的硅砂主要依据来源和加工方式不同分为天然硅砂和人工硅砂两大类．
天然硅砂是由火成岩风化、沉积而形成的砂矿，又根据其成矿条件的不同，有河砂、湖砂、海砂、风积砂之分．各地产硅砂都有不同的含泥量，所以品位高的原砂要经过水洗和擦磨才能投入生产．
人工硅砂是将石英岩或石英砂经选矿、清洗粉碎加工而成的．早期使用较多，近十几年已被石灰石砂和天然硅砂所代替．
硅砂中的石英多以同质异晶的形态存在，它的密度为2.65g／cm3，莫氏硬度为7级，纯石英的熔化温度为1713℃．
硅砂中的主要杂质是指除石英外的长石、云母、铁的氧化物、硅酸盐及黏土等矿物．这些矿物能降低硅砂的耐火度并能影响硅砂的性能．表3-77是长石和云母等矿物的性能．
表3-77 长石和云母等矿物的性能
铸造用硅砂的技术条件主要依据国标GB9442—88的规定来分级、分组、分类，见表3-78～表3-81．
表3-78 铸造用硅砂按SiO2含量分级(GB9442—88)
表3-79 铸造用硅砂按粒度分组(GB9442—88)
表3-80 铸造用硅砂按角形系数分类(GB9442—88)
表3-81 铸造黏结剂用标准砂粒度组成(ZBJ31006—89)
根据国家标准《铸造用试验筛》(ZBJ31004—88)的规定，用于测硅砂粒度的试验筛筛孔尺寸见表3-82．
表3-82 试验筛筛孔尺寸(ZBJ31004—88)
硅砂牌号表示方法如下：
例：ZGS96-42Q-30
硅砂在铸造中用的标准砂是国家检定的具有黏结剂性能的硅砂，其一般技术条件应符合ZBJ31006—89的规定，二氧化碳的质量分数不大于90%；含泥量及含水量不大于0．3%；角形系数不大于1．30；粒度组成应符合表3-81的要求；其余应符合表3-82的要求．
国内主要天然硅砂和人工硅砂的产地、性能及生产单位见表3-83．
表3-83 铸造用硅砂的主要产地及规格(ZGS90—98)
2．石灰石砂
石灰石砂是以碳酸钙(CaCO3)为主要成分的矿岩，经过选矿、破碎、筛选分级后制成的铸造用砂，外观为白色、灰白色，呈多角形的颗粒．石灰石砂中除含方解石、白云石等主要矿物外，还有黏土、石英等杂质，使用时要有所控制．石灰石砂的化学成分及粒度分组见表3-84和表3-85．
表3-84 石灰石砂化学成分
表3-85 石灰石砂粒度分组
3．特种砂
特种砂是非硅质砂，是不以游离的SiO2为主要组成的原砂，主要有锆砂、镁砂、铬铁矿砂、钛铁矿砂、刚玉砂等．由于它们各有不同的适应范围和要求，国家有相应的标准规定．
锆砂的主要矿物成分是锆英石(ZrO2·SiO2)，外观为无色锥形颗粒，导热性好，线膨胀系数校耐火度依含杂质多少不同在2190～2400℃之间．锆砂密度为4．6g／cm3，硬度7～8级，通常用于大型铸钢件厚壁处及合金钢用面砂或抗黏砂用涂料．锆砂按化学成分分级见表386，按粒度分组见表3-87．
表3-86 锆砂按化学成分分级(ZBJ31005—88)
表3-87 锆砂按粒度分组(ZBJ31005—88)
镁砂的主要成分是MgO，是天然菱镁砂(MgCO3)经高温煅烧后经筛选而成．镁砂密度为3．5g／cm3，硬度在4～4．5级，熔点为2800℃．镁砂主要用于高锰钢铸件的型、芯砂和涂料．其化学成分见表3-88及表3-89．
表3-88 镁砂化学成分
表3-89 镁橄榄石砂
铬铁矿砂的主要成分组成为(FeO·Cr2O3)，是各种尖晶石的混晶组成．我国这类矿分布较少，大多依靠进口．它的密度为4．8g／cm3，莫氏硬度为6级，耐火度大于1900℃．其主要杂质是碳酸盐(CaCO3，MgCO3)，在高温下分解出CO2，使铸件表面产生气孔，因此一般要经过高温焙烧使其分解，再加工破碎到一定粒度后使用．它主要用于铸钢件型、芯面砂和抗黏砂涂料．我国铬铁矿砂的行业标准见表3-90．
表3-90 铬铁矿砂规格(XQ／ZXS-3—86)
钛铁矿砂是我国自行开发的一种黑色颗粒铸造用砂．其主要成分为FeTiO2或FeO·TiO2．钛铁矿砂主要分布在沿海海砂中，其密度为4．7g／cm3，莫氏硬度为5级，熔点为1450℃，主要用于铸铁型砂．表3-91给出了钛铁矿砂的化学成分．
表3-91 钛铁矿砂规格(XQ／ZXS5—86)
刚玉砂是高纯度的Al2O3，是将高铝钒土经粉碎后在2000～2400℃高温下熔炼而成的．这种熔炼是一种再结晶过程，其产品呈白色菱形结晶，熔炼后的氧化铝粉中Al2O3的质量分数达99%～99．5%，铸造用白刚玉粉中Al2O3的质量分数大于97%，棕刚玉粉中Al2O3的质量分数大于92．5%．刚玉砂的密度为3．98／cm3，莫氏硬度大于9级，熔点达2500℃，热导率大，抗酸，抗碱，适于在大型铸钢件中做型芯砂或涂料．刚玉砂的有关规定(GB2470—83和GB2478—83)见表3-92．
表3-92 刚玉砂的规格
国内特种砂的主要产地及性能列于表3-93～表3-96．
表3-93 我国锆砂的主要产地及规格
表3-94 我国镁砂的主要产地及规格
表3-95 我国铬铁砂产地及规格
表3-96 国内主要钛铁矿砂的产地及规格
耐火熟料(铝钒土砂、焦宝石砂、煤扦石砂)主要成分为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，属硬质黏土，经高温锻烧后破碎，筛选而成．耐火熟料的耐火度一般随Al2O3含量增加而提高，当Al2O3的质量分数达72%时，耐火度可达1800℃．耐火熟料线膨胀系数小、耐火度高、抗渣性能好，多作为铸钢件的型、芯、面砂或涂料使用．国家标准《熔模铸造用铝钒土砂、粉》(GB12215—90)中规定了它的化学成分分级等，见表3-97～表3-100．国内耐火熟料的产地及规格见表3-101．
表3-97 铝钒土熟料砂、粉规格
表3-98 铝钒土熟料砂、粉按化学成分分级(GB12215—90)
表3-99 铝钒土合成料化学成分表
表3-100 铝钒土熟料按粒度分组
表3-101 国内耐火熟料的产地及规格
3．3．5．2 黏土
黏土是铸造生产中使用最多的一种黏结剂．它是一种呈白色或灰白色，有杂质则呈土黄色的天然土状细颗粒材料．它水湿后有黏性，烘干后有强度，耐火度高，资源丰富，价格低廉，在铸造生产中得到广泛应用．
黏土由水化硅酸铝(mAl2O3·nSiO2·xH2O)细小结晶粒矿物组成．一般铸造用黏土分成黏土和膨润土两种，国家标准《铸造用黏土和膨润土》(ZBJ31009—90)规定以耐火度或干、湿强度分级，见表3-102、表3-103、表3-104．
表3-102 铸造用黏土按耐火度分级(ZBJ31009—90)
表3-103 铸造用黏土按湿压强度值分级(ZBJ31009—90)
表3-104 铸造用黏土按干压强度值分级(ZBJ31009—90)
黏土牌号表示方法如下
黏土的技术要求为：各牌号黏土其含水量应不大于10%，其质量的95%以上应通过筛孔尺寸为0．106mm的铸造用标准筛．
我国铸造用黏土的主要产地及性能见表3-105．
表3-105 我国铸造用黏土的主要产地及性能
3．3．5．3 膨润土
膨润土主要由蒙脱石和黏土矿物组成．在铸造中常用的膨润土主要是钙基膨润土、钠基膨润土以及混合基膨润土，多用于做黏土砂的湿性黏结剂．膨润土是黏土之外使用最多的一种黏结剂．表3-106和表3-107是《铸造用膨润土和黏土》(ZBJ31009—90)分类表；表3-108是钠基膨润土和钙基膨润土性能表．表3-109是我国铸造用膨润土的主要产地及规格．
表3-106 铸造用膨润土按湿压强度值分级(ZBJ 31009—90)
表3-107 铸造用膨润土按热湿拉强度分级(ZBJ 31009—90)
表3-108 钙基膨润土与钠基膨润土工艺性能比较
表3-109 我国铸造用膨润土的主要产地及性能
膨润土的牌号表示法示例：
3．3．5．4 水泥
水泥是一种重要的建筑材料，而普通硅酸盐水泥是以黏土和石灰石为主要原料的．铸造生产中主要是利用水泥的自硬特点，将其作为大型铸件的砂型或砂芯黏结剂．水泥砂的干强度高于黏土砂，但水泥砂加热到700℃以上时强度会下降，残留强度低于黏土砂，溃散性较好，高温发气量比黏土砂大．几种水泥的化学成分及性能见表3-110、表3-111．双快水泥的标准号为JC314—82，特快硬水泥的行业标准号为JC86—65．特快硬矾土水泥标号和强度见表3-112．
表3-110 几种水泥的化学成分
表3-111 几种水泥熟料的矿物组成
表3-112 特快硬矾土水泥标号和强度
3．3．5．5 水玻璃
水玻璃别名泡花碱，是硅酸钠、硅酸钾的水溶液．铸造用水玻璃的化学式为：Na2O·mSiO2·nH2O．日常水玻璃为无色黏稠状液体，其模数愈高，硬化速度越快．在铸造生产中水玻璃主要用在铸钢件和某些大型铸铁件的砂型和砂芯的黏结剂上．国家专业标准《铸造用水玻璃》(ZBJ31003—88)给出的水玻璃技术要求见表3-113，铸造用水玻璃的主要产地及产品规格见表3-114．
表3-113 铸造用水玻璃的技术要求(ZBJ31003—88)
表3-114 部分水玻璃的主要生产厂及产品规格
水玻璃牌号表示方法如下
水玻璃自硬砂用有机酯可用做自硬砂硬化剂．其主要性能指标见表3-115．
铸造中使用的糊精黏结剂是一种淡黄色细粉状材料，一般与油类黏结剂配合使用可提高油砂的干、湿强度，与水玻璃调合使用作砂芯胶合剂．其主要性能指标见表3-116．
表3-115 部分有机酯性能指标
表3-116 糊精性能指标
3．3．5．6 油砂
油砂主要用于制造复杂的砂芯．其黏结剂一般分两种：植物油和矿物油．由于油砂具有良好的流动性、高的干强度和好的溃散性，而广泛用于铸造型芯中．常使用的植物油有桐油、亚麻籽油、豆油等；矿物油有合脂、渣油、沥青等．
桐油是从树果实中提炼出的浅色油状液体，是一种铸造中使用的重要的油类黏结剂，其性能指标见表3-117．
亚麻籽油是一种呈深琥珀色、有强烈气味的油类，在铸造中也是一种主要的油类黏结剂，其性能指标见表3-117．
表3-117 桐油、亚麻籽油性能指标
3．3．5．7 合脂
合脂是合成脂肪酸蒸馏残渣的简称．它是石腊氧化制取合成脂肪酸过程中的副产品．合脂黏结剂是一种深褐色的油状液体．在铸造生产中合脂主要用来做油砂芯的黏结剂．标准QB522—66中规定的合脂的性能指标见表3-118，合脂的主要生产厂家及规格见表3-119．
表3-118 铸造用合脂黏结剂(QB522—66)
表3-119 部分铸造用合脂的生产厂及性能
3．3．5．8 树脂自硬砂
在混砂中加入树脂及硬化剂，造型后型芯或铸型即可自行硬化．铸造中常用的树脂黏结剂主要有尿醛树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、呋喃树脂等，其中以呋喃树脂使用最多．
呋喃树脂自硬砂的主要产地及性能见表3-120．
表3-120 部分呋喃树脂黏结剂的产地及性能
表3-121 树脂自硬砂固化剂产地(生产厂家)及性能
表3-122 酚醛树脂性能
表3-123 酚醛树脂自硬砂的产地及性能
表3-124 国内常用树脂黏结剂生产厂家及型号
1．热芯盒用树脂砂
热芯盒用树脂黏结剂是以尿素、甲醛、苯酚糠醇为原料，按一定比例，在一定pH值下聚合、缩聚反应而成的液态树脂，多呈黄褐色或棕红色．在铸造生产中热芯盒树脂多根据含氮量不同而应用范围也不同分为高氮、中氮、低氮、无氮树脂．国家专业标准《热芯盒用树脂》(JB3828—84)中有明确指标规定，见表3-125和表3-126．
表3-125 热芯盒用树脂含氮量的使用范围
表3-126 热芯盒用树脂性能(JB3828—84)
2．冷芯盒用树脂砂
冷芯盒用树脂黏结剂常指采用三乙胺法硬化和二氧化硫法硬化的冷芯盒树脂，前者适用于铸铁件，在大批生产中制芯效率要求高时，后者适宜制造球铁、可锻铸铁和灰铁件．冷芯盒用树脂的性能指标见表3-127．
表3-127 冷芯盒用树脂性能
3．壳型(芯)用覆膜砂
制造覆膜砂常用的方法是热覆膜法，效果明显，实际上是将酚醛树脂、潜硬化剂和润滑剂涂覆在砂粒表面上制备而成．一般是将覆膜砂填入240～280℃金属模中反复倾转使树脂熔化与砂粒黏结并硬化成壳形(芯)．国家专业标准ZBG39005—89规定了壳形(芯)酚醛树脂性能见表3-128．二氧化硫法冷芯盒用树脂生产厂家及性能见表3-129．
表3-128 壳型(芯)酚醛树脂性能(ZBG39005—89)
表3-129 二氧化硫法用树脂生产厂家及性能
我国部分主要覆膜砂生产厂家及性能见表3-130．
表3-130 国内主要覆膜砂生产厂家及性能
3．3．5．9 聚乙烯醇
聚乙烯醇为有机高分子化合物，属水溶性树脂，无味无毒的淡黄色粉末，主要用做铸造生产中的黏结剂．国内专业标准PVA17—88、PVB17—88规定的聚乙烯醇的性能见表3-131．
表3-131 聚乙烯醇性能指标
3．3．5．10 辅助材料
铸造生产中的辅助材料也是很重要的，如具有抗砂作用的涂料石墨粉、滑石粉、煤粉；具有溃散作用的纤维素类；可做固化剂的煤油以及做防腐剂的五氯苯酚等．煤粉的技术条件见表3-132；滑石粉的技术条件见表3-133．
表3-132 煤粉的技术条件
表3-133 滑石粉的技术条件
