铸造生产中使用量最大的原砂是以石英为主要矿物成分的天然硅砂（natural silica sand）。硅砂是构成砂型（芯）的基本组分[通常占型（芯）砂的90%以上]，广泛应用于铸钢、铸铁和铸造非铁合金的生产中。
1.铸造用硅砂的来源和筛分
（1）铸造用硅砂的来源 我国铸造生产中所用硅砂根据其来源和加工方式不同可以分为天然硅砂和人工硅砂两大类。天然硅砂是由火成岩经过风化或变质作用，逐渐剥裂、细化，坚硬的石英颗粒与其他组分分离，然后再经水流或风力搬运沉积形成砂矿。这些砂矿按其成矿条件和特点，可以分为河砂、湖砂、海砂、风积砂等几种。海砂和湖砂还可再细分为海（湖）滩砂、沉积砂、堆积砂等。
我国内蒙古通辽的西辽河上游一带的风积砂，黄河古道以及其他河流的河砂，郡阳、洞庭等湖泊周围的湖砂，其二氧化硅的质量分数都在85%～93%之间，是我国主要的铸铁用砂产地；福建闽江口以南和海南文昌、东部沿海以及广东珠江三角洲新会等地，有大量二氧化硅的质量分数在97%以上的天然硅砂，可用于铸钢件的生产。为了提高硅砂质量，一些砂厂开始对原砂进行水洗、擦洗加工，以降低原砂含泥量。通辽、都昌、平潭等地已建立硅砂选矿厂，对原砂进行精选，以提高原砂的二氧化硅含量。
人工硅砂是将硅石或硅砂岩经过采矿、清洗、粗碎、细碎、筛选等加工而制成的，硅砂的二氧化硅含量很高，但岩石坚硬，破碎后所得砂粒大部为尖角形，而且粉尘较多。硅砂岩的结构较松散，比较容易破碎，胶结的砂粒经加工后仍然保持原来的形状，因此粒形较好。我国早期铸钢件生产大都采用硅石加工制成的人造硅砂，现逐渐被天然硅砂所代替。
（2）粒度分选 目前我国在硅砂粒度分选方面主要有水力分级和机械筛选分级两种。
1）水力分级：将硅砂原矿通过水采，用管道或自卸送至厂内加工车间，矿浆经格栅去除树根、砾石，然后进行脱泥和水力淘汰分级。水力分级设备容易维修保养，投资小、噪声小，脱泥效果好。分级粒度主要通过清水的流量和压力进行调节。但每次分级只能分出两种粒度。
2）筛选分组：筛选分级的工艺流程与水力分级有许多相似之处，其主要差别在于机械筛代替了水力分级机，分出的硅砂粒度是先粗后细，筛选分级根据所用的筛砂机的形式和布置不同，可分为高频振动筛选、滚筒筛筛选和单筛分选等几种类型。
a.高频振动筛选：利用高频振动，将通过初步脱泥的原砂矿浆在水流的携带和冲洗下进行粒度分级，同时进一步冲走砂中残留的泥分，并使砂水分离，最后获得不同粒度规格的成品砂。
b.滚筒筛筛选：将经过擦洗或混合的矿浆送入第一个滚筒，一边冲水一边筛出粗砂，通过筛网的砂和水再进入第二个滚筒筛。如此重复进行，将各种粒度的砂子筛出，最后剩下的浑水在沉淀池中沉淀并溢出。
c.单筛分选：将脱泥和烘干后的干砂，利用平筛分别筛出40、50、70、100、140等各筛号的砂粒，然后将各筛号砂按标准规定的比例混合并在机器中混合均匀，即可获得粒度分布比较精确的各种规格的成品硅砂。
2.铸造用硅砂的分级及牌号
铸造用硅砂可根据GB/T 9442—2010《铸造用硅砂》国家标准规定，按二氧化硅含量、含泥量、粒度、角形系数等进行分级或命名牌号，也可按照铸钢用和铸铁用硅砂进行分级。
铸造用硅砂按二氧化硅含量、含泥量、颗粒形状及角形系数等进行分级，分别见表2-1～表2-3。
铸造用硅砂以二氧化硅含量作为其主要验收依据，杂质含量作为验收参考依据。
铸造用硅砂的含泥量应符合表2-2的规定。含泥量质量分数：水洗砂不大于1.0%，擦洗砂不大于0.3%，精选砂不大于0.2%。
另外，关于平均细度及粒度组成，对任一牌号的硅砂，生产厂家都需提供其平均细度及粒度分布图表，铸造用硅砂的主要粒度组成为三筛不小于75%，四筛不小于85%，五筛不小于95%。
表2-1 铸造用硅砂按二氧化硅含量分级和各级的化学成分 （单位：质量分数，%）
表2-2 铸造用硅砂按含泥量分级 （单位：质量分数，%）
表2-3 铸造用硅砂按颗粒形状、角形系数分级
铸造用硅砂根据粒度组成，其细粉含量应参照表2-4的规定，其他粒度组成的细粉含量由供需双方协议商定。
表2-4 铸造用硅砂粒度组成及其细粉含量 （单位：质量分数，%）
例：ZGS90—50/58（50/100）
表示该牌号硅砂的最小二氧化硅含量为90%；粒度的平均细度最小值为50，最大值为58；主要粒度组成为三筛，其首筛筛号为50，尾筛筛号为100。
为检定铸造粘结剂的强度性能，通常采用标准砂，其性能应符合《检定铸造粘结剂用标准砂》标准（GB/T 251038—2010）的规定。其中，铸造用标准砂的化学成分和粒度应分别符合表2-5和表2-6的规定。铸造用标准砂的平均细度为51～55，细粉含量不大于0.3%。
表2-5 铸造用标准砂的化学成分 （单位：质量分数，%）
表2-6 铸造用标准砂的粒度组成
3.树脂砂用原砂的性能
（1）概述 选用树脂砂用原砂主要依据下列八项原砂物化性能：①矿物组成和化学成分；②粒度及其分布；③粒形及表面状态；④含泥量及细粉含量；⑤含水量；⑥耗酸值及pH值；⑦复用性；⑧灼烧减量等。
通常通过测定原砂的烧结点来简单判断原砂的矿物组成和化学成分含量。原砂烧结点测定比较简单直观。事实上测定烧结点比测定耐火度和用化学成分来评价原砂的耐火度要快，也更具有实际意义。原砂的耐火度固然取决于SiO2含量，但化学分析得出的SiO2含量并不等于砂中的石英矿物含量，因为云母和长石中也含有SiO2的成分。砂粒越大，耐火度越高。圆形砂的表面积比尖角形的小，故耐火度也较高。因此，从这一角度来说测定烧结点更能反映原砂的实际情况。
烧结温度原则上应该是允许固相烧结但不允许熔融的那个温度。可先将拟订出的合格原砂进行测试，做出一个标样，给出一个温度控制范围，在实际测试中就有据可依了。
对上述原砂理化性能的测试是有意义的，但关键的是测试结果的滞后性，往往原砂进厂使用后才能得到测试结果，仅仅只能作为铸件缺陷分析的参考依据。另一方面，测试往往是依照验收标准来进行的，对于一些不能给出定量值的性能一般都不作为验收依据，如粒形及表面状态。而事实上随着树脂砂、水玻璃砂的不断扩大应用，铸造工作者越来越认识到硅砂的粒度形状对型砂性能有很大影响，在选择原砂时越来越重视原砂的粒形。
原砂进厂测试的项目可以进行调整，测试速度要快，测试的数据要较直接反映原砂的物理性能和状态。这是因为，虽然化学成分是重要的特性，也是确定原砂品位的依据，但生产中通常根据铸造合金浇注的温度和铸件的厚度来确定所采用原砂的品位，品位一经确定，所选定原砂供应点的化学成分基本是稳定的，所以现场控制原砂质量应偏重于物理性能和状态，对生产才更具指导意义。
（2）原砂的含泥量 天然硅砂在它的形成过程中，不可避免地要被周围的其他物质污染，即使曾长期在水力作用下运动的沉积砂也不会例外。这里所说的污染，是指颗粒尺寸比砂粒小得多（颗粒尺寸等于或小于20μm）并附着于砂粒表面或掺杂于砂粒之间的杂质，即通常所说原砂中的泥分。其中既有黏土，也包括极细的砂子和其他非粘土质点。由于原砂的形成条件和开采方式不同，其含泥量的差别很大。例如，大林砂、新会砂、都昌砂等的开采加工均用水洗涤，含泥量低到0.5%左右；红砂含泥量可能高达10%或更高。
使用树脂等化学粘结剂时，对原砂中泥分含量的要求更为严格，这是因为泥分的表面积大，会消耗掉大量粘结剂。树脂砂用原砂均需经过水洗去泥，尽量控制原砂含泥量在0.2%～0.3%（质量分数），必要时还可对原砂进行擦洗净化处理，使含泥量降至0.1%（质量分数）以下。
（3）砂粒表面的微观污染 天然砂粒放在电子扫描显微镜下，能清楚地看见其外形与卵石相似。通常在砂粒（卵石）表面上都覆盖着一层污染膜，污染物系黏土类物质或金属氧化物，表面上有裂隙、凹陷的砂粒，污染的程度一般较重。除污染膜以外，还有一些片状、杆状矿物微粒通过污染膜粘附在砂粒表面上。原砂的含泥量，除说明20μm以下的微粒的多少外，也是原砂污染程度的标志。
（4）原砂的pH值和耗酸值（ADV） 采用酸固化的树脂砂时，如原砂中含有碱性物质，将显著影响树脂砂的固化。因为原砂碱度大，必将有一部分酸固化剂作用于原砂中的碱性物质，使用于固化的酸量相应减少，导致树脂砂固化反应不完全而强度不高，为不降低反应速度，固化剂用量就要多加一些。如果碱度太大，不仅降低固化反应速度，还将会损害树脂砂的最终粘结强度。
对于胺固化的树脂砂，原砂中的碱性物质也会使树脂砂的固化难以控制。原砂中如含有酸性物质，则其作用与上述情况相反，对工艺控制也是不利的。
原砂酸碱度（pH）值，是指原砂在水溶液中所显示的酸度。当原砂含有较多的不溶于水的碱性物质时，它们对最终的pH值没有影响，但在加入酸性固化剂时，却会和一部分酸起作用，故pH值显示酸性较强的原砂，可能有较高的耗酸值。
原砂中还不应含有贝壳，否则也会起到损害固化剂的作用，从而降低固化速度和最终强度。
因此，对于树脂砂所用的原砂，检测并控制其pH值和耗酸值是必要的。
1）原砂的pH值的测定方法是：称量待测定原砂25g置于250mL的烧杯中，加蒸馏水100mL。然后在磁力搅拌器上用聚四氯乙烯搅棒进行搅拌，用酸度计测定悬浮液的pH值。
2）原砂的耗酸值（ADV）。原砂中含有不溶于碱性物质或能与酸作用的碳酸盐时，它们并不影响原砂的pH值，但却能与树脂砂中的酸性固化剂反应，从而影响树脂砂的固化过程和最终性能。耗酸值是原砂含有的可与酸反应的物质的表征，它表明用酸性固化剂时原砂本身所需酸的多少，与pH值没有关系。很有可能见到这种情况：原砂的pH值小于7呈酸性，但其需酸量却相当高。
耗酸值的测定：称取待测原砂50g置于250mL的烧杯中，加入pH值为7的蒸馏水50mL和0.1mol的HCl溶液50mL，放在磁力搅拌器上搅拌5min，让HCl与碱性物质或碳酸盐充分作用。然后用0.1mol的NaOH溶液滴定，并用酸度计测定pH值。在pH值为3.0、4.0、5.0或其他预定值时，读取所用NaOH溶液的毫升数。原加HCl的毫升数减去所用NaOH溶液的毫升数，就是原砂到预定pH值时的耗酸值。
（5）原砂的粒度及粒度分布
1）原砂的粒度。在铸造生产中，根据不同的工艺要求选择硅砂的粒度相当重要。而铸造用硅砂的粒度是根据试验筛开孔尺寸来划分的，一般都以筛网网丝平行方向上每英寸，即25.4mm长度内筛孔的个数来表示砂的粗细，并以相邻三筛或四筛上停留量最多的首尾两个筛号来表示该硅砂主要粒度组成的粒度组别。其颗粒大小的测定采用铸造用试验筛对供试硅砂进行筛分，该试验筛的筛号与筛孔的尺寸应符合表2-7的规定，即从6号至270号共11个筛号，孔径最大的是6号筛，其筛孔尺寸为3.35mm，孔径最小的为270号筛，筛孔尺寸为0.053mm。11个筛号中，20号及以后各号筛前面一个筛号的筛孔尺寸大约为后筛筛孔的尺寸乘以2，每隔一个筛号的筛孔尺寸之比为2。但6号筛及12号筛，两筛的筛孔尺寸之比则约为2。测定硅砂粒度时，是将洗去泥分、烘干的一定量供试硅砂放入试验筛进行筛分，称量停留在各号筛上的砂的质量，找出停留量之和为最大值的相邻三筛或四筛，用其首尾两个筛号表示该硅砂的主要粒度组成，如40/100、50/70、70/140、70/200等，同时规定主要筛号粒度组成：三筛不小于75%，四筛不小于85%。另外，我国国家标准还规定必须注明硅砂的平均细度。
表2-7 铸造用试验筛筛号与筛孔尺寸的关系
平均细度也叫美国铸造协会细度（AFS细度），是对供实验的硅砂砂样，将其大小不一的砂粒，假定把大颗粒的砂粒尺寸拿出部分来弥补小颗粒，使之变成颗粒直径一样的砂粒，则该硅砂的平均细度，就是该尺寸的砂粒恰巧能通过该筛号的每一英寸长度内的近似筛孔数，即相应的筛号；这也可以说，平均细度显示出该硅砂的平均颗粒尺寸，它能够大致反映该硅砂（泥分除外）单位质量的表面积。
平均细度的测定方法是：首先计算出筛分后各筛上停留的砂粒质量占砂样总质量的百分数，再乘以相应的细度因数（见表2-8），然后将各乘积相加，用乘积总和除以各筛号停留砂粒质量分数的总和，所得数值根据数值修约规则取整，结果即为平均细度。可用式（2-1）计算
式中 η──砂样的平均细度；
Pn──任一筛号上停留砂粒质量占总量的百分数；
Xn──细度因数，见表2-8；
n──筛号。
现以40/100的A砂和50/100的B砂为例计算其平均细度。表2-9列出两种砂的筛分结果及相关计算，其含泥量分别为0.5%和0.8%。其平均细度为：A砂=5900/99.5=59.3；B砂=5888/99.2=59.35，根据数值修约规则取整，均可取其平均细度为59。可见两种砂的粒度虽不同，分别为40/100和50/100，但平均细度却一样，这有利于估算粘结剂加入量（因平均细度能大致反映单位质量硅砂的表面积）。
表2-8 铸造用硅砂筛号与细度因数对照
2）在确定原砂的粒度时，可从以下三方面来考虑：
a.从铸件表面质量考虑。用较细的型砂，铸型和型芯表面致密，其铸件表面粗糙度值也较低，且由于细砂粒之间的空隙小，有利于防止粘砂。此外，细粒砂所形成的铸型表面抵抗金属液冲刷的能力较强，铸件不易产生冲砂缺陷。这些方面，都说明采用较细的原砂有助于改善铸件的表面质量。
b.从型砂的透气性考虑。型砂的透气性决定于两个因素，一个是砂粒之间的空隙总体积（孔隙率），另一个则是空隙的大小。对透气性影响最大的是空隙尺寸。所用原砂越细，则空隙的尺寸越小，型砂的透气性也就越低。如果特别强调型砂的透气性，应该选用较粗的原砂。
表2-9 平均细度的计算
如果砂粒均匀，相当于单筛砂，即使舂得非常紧（砂粒作最紧密排列），砂粒之间的孔隙率也不会少于型砂体积的25.95%，型砂的透气性当然是很高的。
如果砂粒不均匀，但粗砂的尺寸小于细砂尺寸的2.5倍，则粗砂作最紧密排列时，砂粒之间的空隙容纳不了细砂。如细砂借外力进入粗砂粒的空隙，则将挤坏粗砂的排列，也就是说，粗砂不能保持最紧密的排列。在这种情况下，型砂的透气性也不会太低。
如果粗砂的尺寸等于或大于细砂尺寸的2.5倍，则粗砂作最紧密排列时，细砂可填入粗砂之间的空隙。这将使型砂的空隙率大为降低，空隙的尺寸也会变得很小，型砂的透气性会显著下降。
铸造标准筛系列中，从SBS03（20号筛）到SBS11（270号筛），各筛的开口尺寸都严格地以1/2的乘数递减。任何相邻两筛，粗筛的开口尺寸都是细筛的1/2倍。任何相邻三筛，最粗筛的开口尺寸都是最细筛的2倍。(www.xing528.com)
所以，从透气性的角度看来，应使用三筛砂，对以黏土为粘结剂的湿型砂来讲，这一要求尤为必要。通常我们要求原砂粒度分布集中于三筛，如我们非常熟悉的40/70号筛，50/100号筛，70/140号筛等，道理就在这里。至于三筛以外的粗砂和细砂，只要其量很少，影响就不大。
树脂砂中加入的树脂量很少，一般不超过3%，而且其中大多数情况下不含粉料，型砂的结构与黏土砂大不相同，型砂的透气性很高。在此情况下，要求原砂粒度分布集中于三筛的必要性不大。
c.从型砂的强度考虑。型砂的强度主要决定于砂粒表面粘结膜的厚度和砂粒之间的粘结桥的数量。对树脂砂这一粘结剂用量很小的型砂来讲，原砂的粒度对粘结强度的影响是不可忽视的。这种影响有两个不同的方面。
粒度细化可以使单位体积型砂中的粘结桥数量增加，有利于提高强度；同时又因原砂比表面积增加而使粘结膜厚度下降，导致粘结桥有效粘结面积降低，又会使强度下降，由于这两种因素的综合影响，抗拉强度会呈先上升后下降的趋势。一般在生产中要求用平均粒度较细的原砂，其范围通常在75～130号筛之间。
用单筛砂所做的实验表明，对于颗粒尺寸小于0.21mm（即70号筛以下）的砂子，采用较粗的砂，表面积减少的作用大于粘结桥减少的作用，树脂砂的强度提高。对于颗粒尺寸大于0.42mm（即40号筛以上）的砂子，采用较粗的砂，粘结桥数目减少的作用大于表面积减少的作用，树脂砂的强度下降。对于颗粒尺寸在0.21～0.42mm（70～40号筛）之间的砂子，两方面的影响大致相当，改变砂粒尺寸对树脂砂的强度没有明显的影响。
在粘结剂加入量一定的条件下，如原砂中配有一定量的细砂，细砂又能填入紧密排列的粗砂的空隙中，如图2-1所示，则粘结桥的数量将大为增加。虽然细砂的比表面积较大，会使型砂的粘结膜的厚度有所减少，但综合效果还是会导致型砂的强度提高。
对于树脂砂来讲，粘结剂的量只有黏土砂的1/5～1/10，增加粘结桥数量的作用就非常突出。由于树脂价格昂贵，又特别希望用最少量的树脂使型砂具有必要的强度，因此，应考虑采用四筛砂或五筛砂，造成d≤0.4D的条件，使细砂可进入紧密排列的粗砂之间的空隙。国内外的经验都已证明，这样做可使型砂强度大幅度提高，而透气性也不成问题。
图2-1 细砂充填于粗砂的间隙
3）粒度级配。除了选择原砂粒度，还需要考虑粒度配比。一般推荐用粒度组成分布较广的原砂。因为两种不同粒度的原砂混合后，粒度较小的原砂可以填充一部分粒度较大的原砂的空隙，使砂粒的空隙度下降，单位断面上砂粒间的接触面积增大，根据粘结桥理论，这时型砂强度会随之增加。而且砂子受热时的集中膨胀现象减少，堆积的紧实度增加。
一般生产中通常大都采用四个筛号的原砂。为了得到合适的粒度组成和平均粒度，在生产中可以采用不同产地的天然硅砂或掺入人造硅砂的方法来达到。但在生产中掺合操作复杂，故一般仍以采用主要粒度分布在70～200号四个筛号的原砂比较多。
（6）原砂的粒形 用光学显微镜或扫描电子显微镜观察原砂的颗粒，可以清楚地看出各种砂粒的不同轮廓形状（即“粒形”）。图2-2所示为铸造常用原砂的主要粒形分类法。粒形从角形（angular）到半角形（sub angular），由不圆但无锯齿状不平处（not jagged）到圆形（rounded）分为六种；按圆球度（sphericity）分为三级。
图2-2 原砂粒形分类法
近些年，我国制定的国家标准《铸造用硅砂》（GB/T 9442—2010）采用角形系数来反映铸造用硅砂的颗粒形貌。
角形系数是铸造用硅砂的实际比表面积与理论比表面积的比值。其原理是：等体积的各种几何体中，球形的表面积最小。因而可以用砂粒的实测表面积与同体积假想圆球表面积的比值来表示该砂粒形状偏离圆球形的程度。比值为1时，砂粒为圆球形；比值越大于1，砂粒的形状就越偏向尖角形。由于同一原砂中，每一颗粒的形状和大小各不相同，不可能逐个颗粒分别测定和计算。所以，角形系数（E）的定义是：单位质量原砂的实测表面积（即实际比表面积SW）与单位质量同样粗细等直径假想圆球的表面积（即理论比表面积Sth）的比值。
铸造用的原砂，究竟是圆形的好，还是多角形的好，要具体情况具体分析。
1）从比表面积（是指单位质量原砂的实际表面积）的角度来看，通常认为粒形最好是圆形，这是因为圆形砂在粒度分布相同的条件下比表面积最小，可以实现最紧密堆积。在粘结剂加入量一定时，颗粒表面上的树脂膜较厚，覆盖面完整，砂粒间形成的粘结桥断面积大，因而型（芯）砂的强度可以达到最大强度，而多角形或尖角形砂粒的粘结强度较差。按比表面积增大的顺序是，圆形砂→多角形砂→尖角形砂。圆形砂是边和角磨钝了的多角形砂。按照测定角形系数的数据，多角形砂较圆形砂的比表面积大25%左右。为了进一步比较原砂粒形对树脂砂抗拉强度的影响，有人做了三组实验，其结果见表2-10所示。
表2-10 原砂粒形对树脂砂抗拉强度的影响
由表2-10中数据可以看出，在原砂粒度、树脂、固化剂加入量相同的条件下，圆形砂抗拉强度为多角形砂的3.5倍。从第1组与第3组的实验看，对多角形砂即使粘结剂的加入量增加（增加了33%，一般圆形砂粒比多角形砂粒比表面积少25%左右），使树脂粘结膜加厚，其抗拉强度仍不会超过圆形砂。另一重要原因是角形系数大的原砂，颗粒上较尖利的棱角和表面的粗糙凸起影响型砂的可紧实性，使砂粒排列较为疏松，减少了砂粒间接触的机会，从而使粘结桥的总断面积进一步减小，使树脂砂的强度更加降低。
图2-3所示为大林砂和湖口砂的粒形，从中可看出，前者为圆形，后者为多角形。在相同树脂加入量的条件下，后者角形系数增加0.275，强度降低27.6%。
图2-3 两种原砂的自硬呋喃树脂砂的粒形与强度
a）大林砂的断面（角形系数1.107），100×，抗拉强度2.83MPa
b）湖口砂的断面（角形系数1.376），100×，抗拉强度2.05MPa
注：含氮≤7.5%，呋喃树脂加入量1.5%，磷酸0.5%（占原砂质量分数）。
因此，从提高树脂砂的抗拉强度和减少树脂加入量的角度看，圆形砂粒比多角形砂粒好。
2）从型砂的流动性角度来看。在采用树脂作粘结剂时，因树脂的粘度很低，砂粒表面上涂覆的树脂膜又很薄，粒形对型砂流动性的影响就特别明显。圆形砂的尖角和棱边都已磨钝，砂粒之间较易于滑动，故很容易舂紧，多角形砂有尖角和棱边，有镶嵌作用，砂粒的滑动受阻，故难舂紧。
为了考查砂粒粒形对树脂砂抗压强度的影响，有人做了标准试样的抗压强度实验。用甲阶酚醛树脂（加入量1.5%）混制粒度为50号筛的原砂。用圆形砂者，锤击3次，制成ϕ50mm×50mm标准试样（重160g），其抗压强度值为5.5MPa；用多角形砂者，锤击50次，制成ϕ50mm×50mm标准试样（重155g），其抗压强度值高达10.1MPa。由此看出，多角形砂对提高型砂的抗压强度非常有利，同时也可看到原砂粒形对型砂流动性的影响很大。
3）测定原砂比表面积和角形系数。原砂比表面积的测定能更科学、更全面地反映出原砂的质量。因为原砂的形状和表面状况，原砂的粗细、集中率，都直接与其表面积有关。如果能直接定量给出原砂比表面积数值或角形系数的值，就可以为原砂选择提供可靠的参数。
目前对比表面积测试是采用型砂比表面积测定仪，利用该仪器可以方便迅速地测出原砂的实际比表面积SM（cm2/g）。将测量实际比表面积的砂样从测量仪中取出，按GB/T 2648—2009中规定的方法测定砂样的粒度，将每一筛子上的砂样的百分数分别乘以筛子的表面积系数（表2-11），将各乘积的和除以砂样的总百分数，即求得砂样的理论比表面积ST（cm2/g）。由此可计算出该原砂的角形系数：S=SW/Sth。
表2-11 筛子的表面积系数
当S=1时，原砂为圆球形；当S≥1时，为圆球形转向尖角形；S的数值越大，原砂形状呈尖角形的程度也越大。
测定角形系数用立体显微镜来观察，将原砂颗粒形状分为圆形、多角形和尖角形，这种方法可定量给出角形系数值，依据角形系数值可以选择原砂。生产中总是希望得到圆形砂，但原砂如不经整形处理，角形系数通常都在1.5左右，属于多角形原砂，角形系数最小的原砂为大林砂。通过对角形系数的计算，能了解所用原砂相对标准圆形砂所偏差的程度。
有人曾用通气法实验了几种规格的标准砂的实际比表面积，见表2-12。由表2-12可见，随着砂子的粒度的改变，比表面积随之改变，砂子由粗变细，比表面积逐渐增大，由此比表面积可以大致估计出砂子粒度范围。
表 2-12几种标准砂比表面积SW （单位：cm2/g）
4）干透气性测定。透气性主要表现在砂子的颗粒大小和均匀度方面，粒形对透气性的影响较小。因此，如果对拟订的合格原砂进行干透气性测定，然后给出一个控制范围，那么通过原砂透气率的测定可以间接评定出原砂粒度的均匀状况，再结合立体显微镜观察到的情况就能较快地知道原砂的粒度形状了。测定原砂透气性时，试样筒底部和试样上部都放有与试样筒内壁紧密配合的网状金属标准片，然后在捶击式制样机上冲击成标准试样，其余过程与湿透气性的测定一样，在直读式透气仪上进行。
（7）原砂的表面状况 用扫描电子显微镜观察砂粒，能看出不同砂源的砂粒表面状况，包括表面粗糙程度，有无侵蚀沟痕、裂缝和孔洞等（图2-4）。用吸附原理测定比表面积可更清楚地反映砂粒表面坑洼、裂隙和孔洞情况。如图2-4所示，硅砂中除了表面光整的砂粒外，还有一些表面不平或起伏的凹陷，有的砂粒还带有一些碎屑的鳞片，它们对混合料的强度均有一定的影响，特别是对采用树脂粘结剂的混合料强度影响更大。硅砂表面越光整洁净，粘结剂之间的物理、化学结合力越强，混合料的强度越高。
4.树脂砂用原砂的纯净度处理
（1）原砂的纯净度 原砂的纯净度包含以下两方面的含义：
1）在化学组成上，是指SiO2及其他成分的含量多少，以及SiO2以何种形态存在，即它是以自由形态存在，还是以复合硅酸盐的形态存在。为了保证原砂具有较高的耐火度，通常要求有较高的SiO2含量，并且不是以复合硅酸盐的形态存在，因为硅酸盐的软化点要比纯二氧化硅低得多。因此，可以根据对不同种类合金铸件的生产要求，选择合适的SiO2含量的原砂。
硅砂中含有碳酸钠（Na2CO3）、磷酸钠（Na3PO4）、氯化钠（NaCl）、碳酸钙（CaCO3）等时，能明显地妨碍型砂固化。任何情况下，若加大固化剂的用量，虽然有可能使型砂初期强度恢复，但却不能使型砂达到不含上述盐类时的后期强度（终强度）。
例如，在含有碳酸钠的硅砂中加磷酸固化剂时，两者的反应式为
图2-4 砂粒表面状态
a）光滑的表面 b）有起伏凹陷的表面 c）有鳞片碎屑的表面
在磷酸的浓度稀释以后，在固化速度被延迟的同时，所形成的生成物使树脂的粘结力减弱。
硅砂中FeO和Fe3O4的含量要少，因为它们对树脂砂的固化起阻碍作用。虽然Fe2O3对固化几乎没有不良影响，且含有Fe2O3的砂型，经过长时间放置以后，其强度比没有加Fe2O3的还高。但考虑到Fe2O3有变成FeO和Fe3O4的可能性，仍希望Fe2O3含量越少越好。
硅砂中的三氧化铝也同氧化亚铁和四氧化三铁一样，对树脂的固化起阻碍作用；氧化镁也是如此，因镁属于碱土金属，能与固化剂反应，橄榄石砂就是一例。故原砂中氧化铝和氧化镁的含量要少。
2）在物理组成上，是指以混合物形态存在的无机及有机杂质的种类和数量，例如，以自由形态存在的金属和非金属氧化物（黏土等），以及可挥发物质如水、油类及其他残留的有机物质，粘附在砂粒表面的微量物质如气体及油膜等。上述杂质的存在，对型（芯）用砂分别起着不同的作用，因此原砂的纯净度包括化学的与物理的两方面的意义。
（2）原砂的纯净化处理工艺 原砂（特别是天然砂）都含有不同程度的泥分。砂粒表面常包有水化膜、黏土等杂质。这些杂质的存在，污染了砂粒的表面，改变了砂粒表面的物理化学性能，影响了型砂的强度、透气性和耐火度，因此，铸造用的原砂通常需要经过净化处理。原砂的净化处理有如下几种方法：
1）水洗法：是最普通的一种原砂净化处理方法。如果原砂含泥的质量分数低于1%，砂粒表面洁净，一般经水采和水洗，即可使硅砂中泥的质量分数达到0.3%以下。
2）擦洗或擦磨法：近几年来树脂砂的发展对原砂质量的要求越来越高。若单靠水力冲洗已满足不了低含泥量的要求，擦洗处理是目前普遍采用的原砂处理方法，通过两级擦洗处理可有效去除原砂泥分。擦洗砂的含泥量一般为0.1%～0.3%。
3）精选法（浮选法）：我国天然硅砂资源十分丰富，具有良好的颗粒形状，但一般SiO2含量偏低，含有较多的长石类及其他矿物，其耐火度较低，仅适用于一般铸铁件用原砂。为了将砂中SiO2的质量分数提高到97%以上，以满足铸钢件生产用原砂的需求，必须对原砂进行精选（浮选），以去除原砂中长石等其他杂质矿物，从而提高天然硅砂SiO2的含量。
精选方法有许多种，应该根据原矿特点及产品用途选用不同的精选工艺。对于铸造用硅砂，精选主要是去除砂中的长石。精选工艺对原矿粒度、矿浆的pH值，以及捕收剂、活化剂、抑制剂的种类和性能有一定的要求，工艺比较复杂，建厂投资比较大。精选时一般先要去除泥尘，然后用胺类捕收剂，最后用氢氟酸和胺（或其他混合捕收剂）选出长石，获得硅砂精矿。
4）酸洗：原砂表面洁净处理方面，主要采取化学处理方法和提高表面活性的处理方法。其中化学处理方法大都采用酸洗，以求原砂表面洁净。酸洗能去除原砂中的泥分和砂粒表面的污染物，可使砂粒表面包覆的树脂量相对增多（泥分表面积大，消耗树脂量大），避免了粉尘混杂在树脂薄膜中，破坏树脂膜的连续性；同时酸洗能有效地去除砂粒表面的碱性污物，显露出砂粒表面的原貌，使砂粒表面的沟槽、微孔更清晰，树脂更容易渗入砂粒表面的沟槽、微孔中，增加了树脂与砂粒表面的接触面，使树脂与砂粒表面的机械连接和啮合增强，从而使型（芯）砂强度增大的幅度高于水洗的原砂。表面净化后的原砂再用偶联剂改性处理，可改善砂粒表面与树脂的粘附性，使树脂更为牢固地附着在砂粒表面，充分发挥树脂的粘结效率。
（3）原砂的纯净化对树脂砂强度的影响 石英具有高的表面自由能，而树脂粘结剂具有低表面自由能，因此它们之间能很好地浸润。但是砂粒表面特别是天然砂粒表面并不干净，如果污染的是具有低表面能的有机物，就会影响粘结剂对砂粒表面的浸润、粘附，从而影响粘结强度；如果砂粒上包覆的是具有高表面能的无机物，而无机物的内聚强度不高，或者对砂粒的粘附力不够强，也会影响粘结强度。因此用物理和化学方法对原砂进行处理，除去杂质，清洁表面，有利于提高粘结剂的粘结力。
以湖口砂为例，分别采用不同纯净化处理后，含泥量均大大降低（表2-13），而自硬树脂砂的强度成倍地提高（图2-5）。采取水漂洗时，自硬树脂砂强度由0.6MPa增到1.1MPa，增加83%；用水擦洗和碱擦洗，强度分别提高183%和188.3%；用酸浸洗和酸擦洗，强度分别提高83%和161.6%。
表2-13 湖口砂经过不同纯净化处理后性能的变化
图2-5 不同纯净化处理的湖口砂对自硬树脂砂强度的影响
注：原砂100，树脂1.8%，磷酸0.68%（占原砂质量分数）。
为了探讨更纯净的原砂对自硬树脂砂强度的影响，对湖口砂和大林砂进行了精选。精选后原砂化学成分中的SiO2含量大大提高，其他杂质显著降低（表2-14）；其矿物组成中的长石等杂质急剧降低，而石英含量大幅度提高（表2-15）。用光谱半定量全分析也可看出，精选前后成分变化很大，即使微量元素，如Mn、Ti、Ba、Zr等也明显降低。这种高纯度的优质原砂可显著提高自硬树脂砂的强度（图2-6）。但对照图2-5与图2-6可见，精选砂同擦洗砂相比，其对强度提高的幅度还不算大，甚至比擦洗砂的还稍低。其原因是，精选时残存的捕集剂使砂粒表面对树脂的润湿性受到损害，降低了树脂对砂粒的附着力，从而影响了自硬树脂砂的强度。如将精选湖口砂进行再处理，脱去残留的捕集剂，然后配成自硬树脂砂，其强度比再处理前的约高11%（图2-7）。
表2-14 原砂化学成分分析 （单位：质量分数，%）
表2-15 原砂矿物组成 （单位：质量分数，%）
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