铸造型砂详解：类型、性能与铸造应用全指南

什么是铸造型砂？

铸造型砂，又称铸砂，是指经湿润压实、淋油或加热后能良好成型并保持形状的砂子。它用于砂型铸造工艺中制备型腔。

型砂是铸造主要原料，因其提供其他材料难以具备的关键特性。型砂定义为岩石在霜冻、风、雨、热、水流等自然力作用下风化破碎形成的颗粒。岩石成分复杂，砂子含有岩石大部分元素。

因此世界不同地区型砂差异显著。天然型砂多见于河床、湖底及岸边。按成因性质可分为不同类别。

型砂主要化学成分如下：

• 二氧化硅（SiO₂）——86%~90%
• 氧化铝（Al₂O₃）——4%~8%
• 氧化铁（Fe₂O₃）——2%~5%，另有微量Ti、Mn、Ca氧化物及碱性化合物

天然砂/绿砂

又称绿砂，取自天然资源，仅以水为粘结剂。优势在于长期保持水分、工作水分范围宽、便于修补和修整型砂。

绿砂是砂、膨润土、粉煤和水的混合物，主要用于金属铸造造型。砂占最大比例，通常为均匀的硅砂混合物。

粘土配比配方多样，均在造型性、表面光洁度和熔融金属排气性间寻求平衡。海煤（煤粉）含量通常<5%，在熔融金属表面部分燃烧产生有机蒸气排气。

砂型铸造因材料简单成为最早铸造工艺之一，至今仍是最廉价铸造方式。其他如金属型铸造虽表面质量更高但成本更大。

绿砂（如其他铸造砂）通常置于铸造工称作“砂箱”的无底无盖箱体中。砂箱分上下两箱叠合使用，分别称为上箱和下箱。

并非所有绿砂呈绿色。“绿”指湿态使用（类似生木）。据铸造金属联合会资料，另一种工艺是浇注前烘干型砂，此干砂铸造工艺产生更硬挺型砂，适合大型铸件。

合成砂

人工配制砂，由较无粘土砂、粘结剂（水和膨润土）及其他材料混合而成。因可通过调整配料控制性能，造型性优于天然砂。

钢铸件用绿色合成砂成分：新砂25%、老砂70%、膨润土1.5%、糊精0.25%、水分3%~3.5%。

钢铸件用干合成砂成分：净新砂15%、老砂84%、膨润土0.5%、水分0.5%。

此外还有锆砂、橄榄砂等特种砂，价格高于硅砂，仅在必要时使用。

型砂的分类

按用途可分为：垫砂、芯砂、干砂、面砂、绿砂、泥砂、离型砂、表面砂。

1. 垫砂/落地砂

用于支撑面砂并填满整个砂箱。因反复使用混入煤粉并经熔融金属烧结呈黑色，故称黑砂。

2. 芯砂

用于制芯，亦称油砂。高纯度硅砂配油性粘结剂（亚麻籽油、树脂、轻质矿油等）。大型芯为节约成本也可用瀝青、面粉和水。

3. 干砂

造型芯制后经烘箱干燥/烘烤的绿砂。具更高强度、刚性和热稳定性，主用于大型铸件，制成的型称干砂型。

4. 面砂

形成型腔工作面，紧贴模样，浇注时直接接触熔融金属。面砂赋予型腔表面初始涂层，具高强度耐火度。由硅砂和粘土组成，不含旧砂。

面砂中添加各种碳素防止金属烧结。铸铁绿砂面砂配比可为25%新配特制砂+5%海煤。有时混入6~15倍细造型砂制面砂。面砂层厚通常20~30mm，占总型砂量10%~15%。

5. 绿砂

又称调制砂或天然砂，由硅砂与18%~30%粘土、6%~8%水分混合而成。粘土和水提供粘结力。质地细软轻且多孔。

手捏成团保持形状和压痕。此砂造型不需垫砂，称绿砂型。来源易得、成本低，广泛用于黑色和有色金属铸件生产。

6. 泥砂

砂、粘土加水调成薄塑性糊状。粘土含量高达30%~50%，水分18%。不使用模样，靠刮板成型。专用于大型灰铁铸件的泥砂造型。

7. 离型砂

无粘结剂和水分的洁净无粘土硅砂，防止绿砂粘连模样，使上下箱分型面不粘连顺利分离，作用同离型粉。

8. 表面砂/系统砂

机械造型铸造车间用于填满整个砂箱。机械砂处理单元中不使用面砂，旧砂经清理、加水和特殊添加剂再生激活，称系统砂。因整型由系统砂制成，其强度、透气性、耐火度须高于垫砂。

型砂性能

型砂和芯砂基本性能要求：粘结性、内聚性、坍塌性、流动性、干强度、湿强度、透气性、耐火性。

1. 粘结性

型砂附着异物能力，如粘附砂箱内壁。

2. 内聚性

砂粒间相互作用吸引能力，增强型砂粘结力，提高湿、干、热强度。

3. 坍塌性

熔融金属凝固后型砂须可坍塌，使金属自由收缩，避免裂纹。缺乏此性能会阻碍收缩导致裂纹。芯砂尤需此性能。

4. 干强度

浇注时靠近热金属的砂层水分蒸发，干砂层须有足够强度保持形状，防止熔融金属流动冲蚀型壁，也防止液态金属静压扩大型腔。

5. 流动性/可塑性

砂子压实后呈流体状均匀填满模样各部，均匀传递捏实压力。通常砂粒阻碍转角流动。流动性与湿强度呈反比。砂粒越细流动性越好，也随水分粘土含量变化。

6. 湿强度

混水后绿砂须有足够强度和韧性便于造型搬运。砂粒需有粘结性（附着他物）和内聚性（粒间粘结）。此性能使模样能不破坏型腔地抽出，熔融金属流动时型壁不被冲蚀。湿强度还取决于粒形粒度、粘土种类用量和水分。

7. 透气性

即型砂多孔性，允许浇注时型内空气、气体、水分及生成气体逸出。否则铸件产生缺陷。透气性取决于粒度、粒形、水分粘土含量。捏实程度直接影响型砂透气性。可用排气针增强透气性。

8. 耐火性

型砂耐高温不崩解、不熔融的能力，是获取合格铸件的关键特性。耐火性提升有限。耐火性差会烧结在铸件表面导致表面粗糙。耐火度取决于SiO₂含量、颗粒形状和粒度。SiO₂含量越高、颗粒体积组成越粗糙，耐火度越高。以烧结点而非熔点衡量。

9. 型砂其他性能

此外型砂不应粘连铸件、不与金属化学反应；应廉价易得；为经济需可重复使用；热膨胀系数应足够低。