本发明属于高温合金铸造技术领域，具体涉及一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂及其制备方法和应用。
背景技术：
铸造砂是铸造生产中作为型砂和芯砂的一种颗粒状耐火材料。目前在采用砂型铸造生产大型钢铸件和高温合金铸件以及精密合金铸件时，使用的铸造砂主要有两种：一种是天然的矿石砂，另一种为人造陶粒砂。天然的矿石砂有锆砂、铬铁矿砂、镁砂、橄榄石砂等非石英质特种砂。这些非石英质原砂，具有耐火度高、膨胀系数低等优点，但其资源稀少、价格高，增加了铸件的成本，易与某些特殊成分的金属液体发生化学反应，造成铸件缺陷，而且这些型砂大都采用机械破碎，其角型系数大，圆球度较低，流动性较差，粘结时会消耗大量粘结剂，所以应用具有局限性。
人造球形陶粒砂具有耐火度高、热膨胀低、高温物理化学性能稳定、角形系数低、耗酸值低，可适用于各种粘结剂，回用性能好等特点，在厚大件、铸钢件、制作砂芯及覆膜砂中获得了良好的应用，用量逐年增加。
目前，人造球形砂在使用过程中存在以下问题：
1、传统生产采用电弧熔融法制备，制备能耗高，不利于提高能源效率，如发明专利“一种铝镁尖晶石重熔球形铸造砂的制备方法”（公开号为cn107840653a）；
2、球形砂主要集中于铝硅系球形砂，耐火度仍然不够理想，如发明专利“一种铸造用陶粒砂”（公开号为cn105344919a）和“一种新型人造铸造砂及其制备方法”（公开号为cn1899722a）；
3、陶粒砂属于脆性材料，材料的韧性不高，易破碎，重复利用时间不长，长期使用时角形系数会增大，严重影响铸件的表面质量。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂及其制备方法和应用，该人造球形铸造砂原材料廉价、制造工艺简单、制备能耗低，并且主物相为耐高温尖晶石相和轻质、增韧的六铝酸钙相。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，所述铸造砂包括以下质量百分比的组份：铝矾土78~79%、白云石14~22%以及工业氧化镁0.2~8%，并且各原料的质量百分比之和为100%；其中，所述铝矾土中al2o3含量不小于74.3wt%，所述工业氧化镁中mgo的含量不小于98wt%，所述白云石中caco3·mgco3的含量大于95wt%。
进一步地，所述铝矾土中其它杂质的含量为：fe2o3含量为2.0wt%，tio2含量为2.7wt%，sio2含量为6.0wt%。
进一步地，所述铸造砂为mgal2o4-caal12o19复相铸造砂，复相铸造砂中主晶相为镁铝尖晶石相（mgal2o4）和六铝酸钙相（caal12o19），镁铝尖晶石相具有较高的耐火度，六铝酸钙相呈片状分布，可增强该砂的高温力学性能；次晶相主要为含硅的低熔点相：钙铝黄长（ca2al2sio7）和钙长石相（caal2si2o8），这些低熔点相caal2si2o8能有效的抵抗高温温差下材料内部产生的热应力带来的损毁，提高该砂的抗热震性。
进一步地，所述镁铝尖晶石相的含量为25~50wt%，六铝酸钙相的含量为40~70wt%，含硅的低熔点相的含量为5~10wt%。
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，包括以下步骤：
s1、按照质量百分比称取原料：铝矾土78~79%、白云石14~22%以及工业氧化镁0.2~8%，然后向称取的原料中加入原料总重量2%的氧化锆粉末，采用湿法球磨混料并烘干，粉碎后制得混合均匀的配料；
s2、将步骤s1制得的配料加入制球机中，将粘结剂和水均匀喷洒至配料上，粘结剂的重量占配料总重的4%-5%，启动制球机造粒成球，然后将得到球状生坯进行干燥，干燥温度为110℃，干燥时间为24h；
s3、将步骤s2干燥后的球状生坯置于氧化铝材质的坩埚内高温烧结，待自然冷却后将球形砂过筛网进行筛分，筛网的孔径为40~140目，制得铸造砂。
进一步地，在所述步骤s1中，湿法球磨所选用的球磨介质为水，球磨时间为4~8h。
进一步地，在所述步骤s2中，粘结剂为聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的重量占物料总质量的4%，聚乙烯醇溶液的浓度为3%。
进一步地，在所述步骤s4中，高温烧结的升温机制为：
第一阶段：由室温加热至250℃，加热速率为4℃/min，并于250℃保温20min；
第二阶段：由250℃加热至1100℃，加热速率为7℃/min；
第三阶段：由1100℃加热至1500℃，加热速率为5℃/min，并于1500℃保温5h；
第四阶段：由1500℃降温至800℃，降温速率为5℃/min；
第五阶段：由800℃随炉冷却至室温。
进一步地，制得的铸造砂的耐火度大于1800℃，1200℃线膨胀系数小于7×10-6℃-1，40-70目的铸造砂在52mpa下破碎率≤5.34%。
如前所述的铸造砂或者所述制备方法制得的铸造砂的应用：适用于水玻璃、酚醛树脂、呋喃树脂、酚醛尿烷树脂或者膨润土造型方法；并适用于精密铸造、消失模铸造、v法铸造或者有色金属的抛光处理。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、本发明提供的铸造砂的耐火度高于1800℃；
2、本发明提供的铸造砂的角形系数小于1.1，提高了型砂填充率与铸型透气率；
3、采用氧化锆作为添加剂，降低烧结温度的同时提高了型砂高温力学性能，1200℃线膨胀系数小于7×10-6℃-1，40-70目的铸造砂在52mpa下破碎率≤5.34%；
4、本发明化学成分可提高型砂高温抗渣性能；
5、高强度、低破损率、回用性好。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
实施例1
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，包括以下质量百分比的组份：铝矾土78.3%、白云石18.7%以及工业氧化镁3%；其中，所述铝矾土中al2o3含量不小于74.3wt%，所述工业氧化镁中mgo的为98wt%，所述白云石中caco3·mgco3的含量大于95wt%。
进一步地，所述铝矾土中其它杂质的含量为：fe2o3含量为2.0wt%，tio2含量为2.7wt%，sio2含量为6.0wt%。
进一步地，所述铸造砂为mgal2o4-caal12o19复相铸造砂，复相铸造砂中主晶相为镁铝尖晶石相（mgal2o4）和六铝酸钙相（caal12o19），镁铝尖晶石相的含量为35wt%，六铝酸钙相的含量为58wt%；次晶相主要为低熔点的钙铝黄长（ca2al2sio7）和钙长石相（caal2si2o8），含硅的低熔点相的含量为7wt%。
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，包括以下步骤：
s1、按照质量百分比称取原料：铝矾土78.3%、白云石18.7%和工业氧化镁3%，然后将上述原料粉碎、研磨后分别过300目筛(孔径为0.054mm)备用，最后向称取的原料中加入原料总重量2%的氧化锆粉末，采用湿法球磨混料并烘干，粉碎后制得混合均匀的配料；湿法球磨所选用的球磨介质为水，球磨时间为4~8h。湿法球磨所选用的设备为行星式球磨机，湿法球磨的时间为40min；
s2、将步骤s1制得的配料加入制球机中，将粘结剂和水均匀喷洒至配料上，所述粘结剂为聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的重量占物料总质量的4%，聚乙烯醇溶液的浓度为3%；称取500g造粒后的物料放入成球机中，控制进水速率，根据颗粒大小补充水分或者物料，启动制球机造粒成球，待物料成球并达到一定尺寸后取出过30目筛的颗粒收集待烧，不符合尺寸要求的物料重新研磨成球；然后将得到球状生坯进行干燥，干燥温度为110℃，干燥时间为24h；
s3、将步骤s2干燥后的球状生坯置于氧化铝材质的坩埚内高温烧结，高温烧结的升温机制为：
第一阶段：由室温加热至250℃，加热速率为4℃/min，并于250℃保温20min；
第二阶段：由250℃加热至1100℃，加热速率为7℃/min；
第三阶段：由1100℃加热至1500℃，加热速率为5℃/min，并于1600℃保温5h；
第四阶段：由1500℃降温至800℃，降温速率为5℃/min；
第五阶段：由800℃随炉冷却至室温；
待自然冷却后将球形砂过筛网进行筛分，筛网的孔径为40~140目，制得含尖晶石相和六铝酸钙相的铸造砂，具有环保、耐高温、高强度、低热膨胀率、抗侵蚀性好、回用性能好的特点，耐火度大于1800℃，荷重软化温度t5高于1500℃，1200℃线膨胀系数小于7×10-6℃-1，40-70目的铸造砂在52mpa下破碎率≤5.34%。
制得的铸造砂适用于水玻璃、酚醛树脂、呋喃树脂、酚醛尿烷树脂、膨润土造型方法；并适用于精密铸造、消失模铸造、v法铸造或者有色金属的抛光处理。
实施例2
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，包括以下质量百分比的组份：铝矾土78.4%、白云石21.3%以及工业氧化镁0.3%；其中，所述铝矾土中al2o3含量不小于74.3wt%，所述工业氧化镁中mgo的为98wt%，所述白云石中caco3·mgco3的含量大于95wt%。
进一步地，所述铝矾土中其它杂质的含量为：fe2o3含量为2.0wt%，tio2含量为2.7wt%，sio2含量为6.0wt%。
进一步地，所述铸造砂为mgal2o4-caal12o19复相铸造砂，复相铸造砂中主晶相为镁铝尖晶石相（mgal2o4）和六铝酸钙相（caal12o19），镁铝尖晶石相的含量为25wt%，六铝酸钙相的含量为67wt%；次晶相主要为低熔点的钙铝黄长（ca2al2sio7）和钙长石相（caal2si2o8），含硅的低熔点相的含量为8wt%。
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，包括以下步骤：
s1、按照质量百分比称取原料：铝矾土78.4%、白云石21.3%和工业氧化镁0.3%，然后将上述原料粉碎、研磨后分别过300目筛(孔径为0.054mm)备用，最后向称取的原料中加入原料总重量2%的氧化锆粉末，采用湿法球磨混料并烘干，粉碎后制得混合均匀的配料；湿法球磨所选用的球磨介质为水，球磨时间为4~8h。湿法球磨所选用的设备为行星式球磨机，湿法球磨的时间为40min；
s2、将步骤s1制得的配料加入制球机中，将粘结剂和水均匀喷洒至配料上，所述粘结剂为聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的重量占物料总质量的4%，聚乙烯醇溶液的浓度为3%；称取500g造粒后的物料放入成球机中，控制进水速率，根据颗粒大小补充水分或者物料，启动制球机造粒成球，待物料成球并达到一定尺寸后取出过30目筛的颗粒收集待烧，不符合尺寸要求的物料重新研磨成球；然后将得到球状生坯进行干燥，干燥温度为110℃，干燥时间为24h；
s3、将步骤s2干燥后的球状生坯置于氧化铝材质的坩埚内高温烧结，高温烧结的升温机制为：
第一阶段：由室温加热至250℃，加热速率为4℃/min，并于250℃保温20min；
第二阶段：由250℃加热至1100℃，加热速率为7℃/min；
第三阶段：由1100℃加热至1500℃，加热速率为5℃/min，并于1600℃保温5h；
第四阶段：由1500℃降温至800℃，降温速率为5℃/min；
第五阶段：由800℃随炉冷却至室温；
待自然冷却后将球形砂过筛网进行筛分，筛网的孔径为40~140目，制得含尖晶石相和六铝酸钙相的铸造砂，具有环保、耐高温、高强度、低热膨胀率、抗侵蚀性好、回用性能好的特点。
实施例3
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，包括以下质量百分比的组份：铝矾土78%、白云石14.8%以及工业氧化镁7.2%；其中，所述铝矾土中al2o3含量不小于74.3wt%，所述工业氧化镁中mgo的为98wt%，所述白云石中caco3·mgco3的含量大于95wt%。
进一步地，所述铝矾土中其它杂质的含量为：fe2o3含量为2.0wt%，tio2含量为2.7wt%，sio2含量为6.0wt%。
进一步地，所述铸造砂为mgal2o4-caal12o19复相铸造砂，复相铸造砂中主晶相为镁铝尖晶石相（mgal2o4）和六铝酸钙相（caal12o19），镁铝尖晶石相的含量为50wt%，六铝酸钙相的含量为42wt%；次晶相主要为低熔点的钙铝黄长（ca2al2sio7）和钙长石相（caal2si2o8），含硅的低熔点相的含量为8wt%。
一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，包括以下步骤：
s1、按照质量百分比称取原料：铝矾土78%、白云石14.8%以及工业氧化镁7.2%，然后将上述原料粉碎、研磨后分别过300目筛(孔径为0.054mm)备用，最后向称取的原料中加入原料总重量2%的氧化锆粉末，采用湿法球磨混料并烘干，粉碎后制得混合均匀的配料；湿法球磨所选用的球磨介质为水，球磨时间为4~8h。湿法球磨所选用的设备为行星式球磨机，湿法球磨的时间为40min；
s2、将步骤s1制得的配料加入制球机中，将粘结剂和水均匀喷洒至配料上，所述粘结剂为聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的重量占物料总质量的4%，聚乙烯醇溶液的浓度为3%；称取500g造粒后的物料放入成球机中，控制进水速率，根据颗粒大小补充水分或者物料，启动制球机造粒成球，待物料成球并达到一定尺寸后取出过30目筛的颗粒收集待烧，不符合尺寸要求的物料重新研磨成球；然后将得到球状生坯进行干燥，干燥温度为110℃，干燥时间为24h；
s3、将步骤s2干燥后的球状生坯置于氧化铝材质的坩埚内高温烧结，高温烧结的升温机制为：
第一阶段：由室温加热至250℃，加热速率为4℃/min，并于250℃保温20min；
第二阶段：由250℃加热至1100℃，加热速率为7℃/min；
第三阶段：由1100℃加热至1500℃，加热速率为5℃/min，并于1600℃保温5h；
第四阶段：由1500℃降温至800℃，降温速率为5℃/min；
第五阶段：由800℃随炉冷却至室温；
待自然冷却后将球形砂过筛网进行筛分，筛网的孔径为40~140目，制得含尖晶石相和六铝酸钙相的铸造砂，具有环保、耐高温、高强度、低热膨胀率、抗侵蚀性好、回用性能好的特点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
1.一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，其特征在于：所述铸造砂包括以下质量百分比的组份：铝矾土78~79%、白云石14~22%以及工业氧化镁0.2~8%，并且各原料的质量百分比之和为100%；其中，所述铝矾土中al2o3含量不小于74.3wt%，所述工业氧化镁中mgo的含量不小于98wt%，所述白云石中caco3·mgco3的含量大于95wt%。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，其特征在于：所述铝矾土中其它杂质的含量为：fe2o3含量为2.0wt%，tio2含量为2.7wt%，sio2含量为6.0wt%。
3.根据权利要求1所述的一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，其特征在于：所述铸造砂为mgal2o4-caal12o19复相铸造砂，复相铸造砂中主晶相为镁铝尖晶石相和六铝酸钙相，次晶相为含硅的低熔点相。
4.根据权利要求3所述的一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂，其特征在于：所述镁铝尖晶石相的含量为25~50wt%，六铝酸钙相的含量为40~70wt%，含硅的低熔点相的含量为5~10wt%。
5.一种如权利要求1所述轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
s1、按照质量百分比称取原料：铝矾土78~79%、白云石14~22%和工业氧化镁0.2~8%，然后向称取的原料中加入原料总重量2%的氧化锆粉末，采用湿法球磨混料并烘干，粉碎后制得混合均匀的配料；
s2、将步骤s1制得的配料加入制球机中，将粘结剂和水均匀喷洒至配料上，粘结剂的重量占配料总重的4%-5%，启动制球机造粒成球，然后将得到球状生坯进行干燥，干燥温度为110℃，干燥时间为24h；
s3、将步骤s2干燥后的球状生坯置于氧化铝材质的坩埚内高温烧结，待自然冷却后将球形砂过筛网进行筛分，筛网的孔径为40~140目，制得铸造砂。
6.根据权利要求5所述的一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，其特征在于：在所述步骤s1中，湿法球磨所选用的球磨介质为水，球磨时间为4~8h。
7.根据权利要求5所述的一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，其特征在于：在所述步骤s2中，粘结剂为聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的重量占物料总质量的4%，聚乙烯醇溶液的浓度为3%。
8.根据权利要求5所述的一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，其特征在于：在所述步骤s4中，高温烧结的升温机制为：
第一阶段：由室温加热至250℃，加热速率为4℃/min，并于250℃保温20min；
第二阶段：由250℃加热至1100℃，加热速率为7℃/min；
第三阶段：由1100℃加热至1500℃，加热速率为5℃/min，并于1500℃保温5h；
第四阶段：由1500℃降温至800℃，降温速率为5℃/min；
第五阶段：由800℃随炉冷却至室温。
9.根据权利要求5~8任一项所述的一种轻质高强耐高温人造球形铸造砂的制备方法，其特征在于：制得的铸造砂的耐火度大于1800℃，荷重软化温度t5高于1500℃，1200℃线膨胀系数小于7×10-6℃-1，40-70目的铸造砂在52mpa下破碎率≤5.34%。
10.一种如权利要求1所述的铸造砂或者如权利要求5所述制备方法制得的铸造砂的应用，其特征在于：适用于水玻璃、酚醛树脂、呋喃树脂、酚醛尿烷树脂或者膨润土造型方法；并适用于精密铸造、消失模铸造、v法铸造或者有色金属的抛光处理。
技术总结