在中國鑄造俗稱“翻砂”，可知砂與鑄造的關系。鑄造生產(chǎn)中除采用較少量的特種砂外，99%以上是采用石英砂，本文對石英砂的微觀結構及特性進行研究與分析。
1、石英砂的微觀結構及特性
1.1 綜述石英砂的微觀結構及特性
1.1.1 石英砂的同質異晶轉變及膨脹
石英砂的主要成分是石英（SiO2），石英有多種晶系與結構，可在一定溫度下轉變并伴隨著體積變化。常溫下是三方晶系的α-石英，密度2.65g/cm3，在573℃可轉變?yōu)榱骄档摩?石英，密度2.51-2.54g/cm3，在870℃轉變?yōu)樾绷骄档摩?鱗石英，密度2.26g/cm3。因此石英是隨溫度變化而伴隨著同質異晶轉變。從各晶體的密度變化不難推算：常溫下的石英加熱到相變溫度870℃，其相變膨脹體積增加17.26%。
1.1.2 石英砂的同質異晶轉變與加熱速度的關系
在一次實驗中采取特殊激冷方法冷卻高溫焙燒砂，取其試樣檢測，在X射線衍射圖譜上發(fā)現(xiàn)，保留有一條4.15×10-8cm衍射線，該衍射線與鱗石英特性相近。該樣品的加熱速度并非緩慢，只是冷卻速度很快，因此可以判斷：石英加熱到870℃以上就會轉變?yōu)轺[石英；在激冷條件下冷卻，鱗石英未完全恢復到α-石英；石英同質異晶轉變只與溫度有關，與加熱速度無關。鑄造生產(chǎn)中的很多現(xiàn)象也證明了此判斷的可靠性。
1.1.3 石英砂中的發(fā)氣物質
從測試各地的擦洗石英砂發(fā)現(xiàn)：無論砂擦洗的再干凈，并完全烘干了，在發(fā)氣測量儀上加熱到850℃檢測， 均可測出有3-9mL/g的氣體。普通覆膜砂在該儀器上檢測均有這樣的現(xiàn)象：溫度升到850℃，測試到了后期，發(fā)氣量穩(wěn)定一段時間不增長，而后再增長一定量的氣體才測試完成。焙燒石英砂的覆膜砂的發(fā)氣量測定無后期再增長現(xiàn)象。綜上分析判斷，石英砂中含有發(fā)氣物質，該物質不是普通水，但有以下特性：在一定高的溫度下，并需要一定的時間才能分解、汽化。
1.1.4 石英砂粒表面的理化性能
自然界的原砂，無論采用何種方式加工、擦洗，其砂粒表面都有一層薄膜，經(jīng)過高溫焙燒可除去該薄膜， 因此焙燒石英砂的覆膜砂強度比普通砂覆膜砂強度高很多。
2、石英砂與鑄造缺陷的關系
2.1 粘砂
粘砂是鑄造中較常見的缺陷。除某些有色金屬外，一般金屬液的澆注溫度均＞900℃，即高于石英的相變溫度，當接觸金屬液的砂粒溫度升到870℃時，將產(chǎn)生相變膨脹，在型、芯界面上排列緊密的砂粒膨脹無空間發(fā)展時，必然將部分砂粒擠入未凝固的金屬界面上去，于是形成粘砂。薄壁鑄件、澆注溫度低的鑄件粘砂少的原因之一是當接觸金屬液的砂粒溫升還未到870℃產(chǎn)生相變膨脹時，金屬已凝固，之后砂粒再升溫及相變膨脹，亦難侵入到金屬界面上去。鋯砂、鉻鐵礦砂及與石英砂熔點相近的陶粒砂不產(chǎn)生相變膨脹，因此很少粘砂。
2.2 砂眼、走皮、脈紋及橘皮狀缺陷
砂眼亦是鑄造中常見的缺陷，其產(chǎn)生的原因之一也是石英砂的相變膨脹引起。澆注后型、芯表面溫升達到870℃以上時，砂粒相變膨脹，在型、芯界面內產(chǎn)生擠壓應力，當此應力大于型、芯在該溫度下的強度時，型、芯表面被破壞，將部分砂團隨金屬液沖入型腔而形成砂眼，當大面積型、芯表面被破壞則產(chǎn)生起皮現(xiàn)象。被破壞的型、芯表面擠走了的砂團部位，自然被金屬液侵入，冷卻后凸出在鑄件表面，如果成條的砂團被擠走則形成脈紋，如果沿很多不規(guī)則的小板塊四周破壞，則形成橘皮。
3、改變石英砂的固有特性
3.1 石英砂的高溫焙燒處理
1994年提出將石英砂加熱到870℃以上高溫焙燒，而后再將焙燒處理過的石英砂用到鑄造生產(chǎn)中。從生產(chǎn)及試驗中已得出以下3條結論:
（1）用焙燒石英砂生產(chǎn)的覆膜砂，其試樣的線膨脹率很小，接近無相變膨脹的鋯砂覆膜砂試樣。
（2）原砂經(jīng)焙燒除去了原有的3-9ml/g氣體。
（3）焙燒改變了砂粒表面的理化性能，可以提高用這種造型材料制取的型、芯的力學強度。
3.2 焙燒石英砂在覆膜砂方面的實踐
3.2.1 關于耐高溫覆膜砂
日本專利昭61-169127于1986年7月30日公開的“殼型樹脂覆膜砂的制造方法”，介紹了在覆膜砂中可以加入石墨及碳素材料，改善覆膜砂的高溫性能， 之后中國有了“耐高溫覆膜砂”，據(jù)了解該覆膜砂除加入日本專利介紹的材料外，還加有氧化鐵粉，后又加入無相變膨脹的材料鉻鐵礦砂、鋯砂。顯然這種耐高溫覆膜砂加入上述材料的作用在于緩解其高溫膨脹，經(jīng)檢測，當時的該覆膜砂1000℃的線膨脹率為0.8%左右，比未加輔料的普通覆膜砂的高溫線膨脹率1.2%-1.4%低，但與焙燒砂生產(chǎn)的覆膜砂0.5%-0.6% 相比則有一定的差距，而且后者的發(fā)氣量又低很多，此外后者的成本亦比前者低很多。
3.2.2 在朝陽柴油機廠的生產(chǎn)驗證
試用焙燒砂的覆膜砂：
（1）廢品率由平均5.09%降到0.36%，消除了被鐵液包圍的水套芯產(chǎn)生高溫膨脹而碎裂的缺陷，降低廢品損失。
（2）缸筒變形量由2.225mm降低到0.575mm，在4102B機體上及4105機體上對比試驗和測試，用焙燒石英砂的覆膜砂消除了缸孔擴漏廢品。
3.3 在其他鑄造生產(chǎn)方面的實踐
3.3.1 石英粉性能的改變
涂料中一般加入石英粉或鋯英粉等作為耐火填料，生產(chǎn)實踐證明：用鋯英粉涂料比用石英粉涂料的鑄件表面光潔度要好的多，然其成本鋯英粉比石英粉高。
用石英粉涂料的鑄件表面光潔度比鋯英粉差的原因，主要還是石英粉的相變膨脹，如消除其膨脹應和鋯英粉性能相近，實踐證明該判斷的正確性，即將石英粉焙燒后再制涂料，結果鑄件表面光潔度與加鋯英粉無區(qū)別。
3.3.2 解決鑄件裂紋
某車輛廠的鑄鋼廠，批量生產(chǎn)車輛的搖枕，過去用水玻璃砂生產(chǎn)，為改變勞動條件及提高生產(chǎn)率，該廠從國外引進了全套樹脂砂生產(chǎn)該鑄鋼件，大批出現(xiàn)裂紋，提供的解決方案是，消除或降低原砂的相變膨脹，采用焙燒砂，即將石英砂加熱到≥870℃培燒，同時在鑄造工藝上進行改進，解決了該件裂紋問題。
3.3.3 替代鉻鐵礦砂
某大型柴油機廠生產(chǎn)的缸體、缸蓋其水道內腔，過去采用過各種普通砂芯制造，但總難消除粘砂、脈紋等缺陷，為保證產(chǎn)品品質，采用原砂為鉻鐵礦砂的熱芯盒制造，缺陷雖消除，但該芯成本太高。2003年做了如下3種熱芯盒砂的試驗：
（1）原砂為普通大林砂配制的熱芯盒砂。
（2）原砂為普通大林砂+7%“脈克星”配制的熱芯盒砂。
（3）原砂為焙燒石英砂配制的熱芯盒砂。
試驗表明焙燒石英砂的效果與鉻鐵礦砂相同，表面光潔無粘砂、無脈紋等缺陷。在一定的鑄造生產(chǎn)條件下，焙燒石英砂是可以替代一些無相變膨脹的特種砂，如鉻鐵礦砂、鋯砂、陶粒砂等。
4、結束語
近年來對焙燒石英砂這項技術的研究不斷深化，已完成了焙燒石英砂生產(chǎn)工藝與裝備的更新，為這項技術推廣奠定了基礎。
