常见人工特种铸造砂的典型化学成分和矿物相

从化学成分上看，以上人工砂均属于硅酸铝质耐火材料，矿物相大体遵循Al2O3-SiO2二元相图的原则（见图7），主要矿物相及化学性质可参照表3。

图7  Al2O3-SiO2平衡状态图

莫来石（Mullite）相是Al2O3-SiO2系中唯一稳定的二元化合物，组成可在3Al2O3•2SiO2和2Al2O3•SiO2之间变化，即Al2O3含量可在71.8~77.3%范围内波动。莫来石具有以下优良性能：耐火度高（1870℃）；热膨胀低（20~1000℃,5.3×10-6/℃），抗热震性优良；抗化学腐蚀性好；抗蠕变性能优良。莫来石相是铝硅系特种砂具有优良铸造性能的内在根本之一。

刚玉（Corundum）主要成分为Al2O3，具有α、γ、δ等多种晶型，其中α-Al2O3为稳定晶型，属于离子晶体，氧离子做六方最紧密排列，质点间距小，结构牢固，不易被破坏，刚玉具有很高的硬度（莫氏硬度为9级），熔点高达2053℃，化学性质稳定，对酸性、碱性炉渣、金属熔液等有良好的抗浸蚀能力。

对于烧结类的人造砂来说，烧制过程中，Al2O3和SiO2接触部分发生固相反应生成莫来石，未反应完全的SiO2和Al2O3转化为方石英和刚玉。烧成过程中产生的液相固化为玻璃相，在表面张力的作用下形成闭气孔。一般认为，反应烧结形成莫来石的机理是：刚玉先在氧化硅中溶解形核，然后逐渐长大，生长方向朝氧化硅。

根据以上图表，陶粒砂的平衡态矿物相应为“莫来石（50~60%）、石英变体、玻璃体”，月砂CL、Cerabeads的平衡态矿物相应为“莫来石+少量玻璃体”。高铝宝珠砂采用Al2O3含量≥75%的高铝矾土，采用石墨电极电弧熔化，熔融的液体会流到石墨电极的下方，从引流孔排除，之后雾化（风碎或者喷雾急冷）。在空中因为液体的表面张力变成球状粒子，急冷后变成人工砂。由于急冷，没有结晶化，作为非晶质的残留量比较多。这种宝珠砂经过加热、保温，充分结晶化，大量减少玻璃相，可得到矿物相应为“莫来石+刚玉+少量玻璃体”的组织。图8 是结晶化处理的宝珠砂的矿物相分析结果。

以上人造特种砂由于化学成分、生产工艺的不同造成矿物相的不同，各自具有不同的理化性能和热性能。

图8  宝珠砂矿物相分析结果