世界各國鑄造行業中所用的原砂，一直都是以硅砂為主。目前，全世界鑄造行業每年耗用的原砂不下6000萬噸，其中，硅砂所占的比重約在97%以上。硅砂中，又以天然顆粒狀沉積砂的用量最大，由破碎石英巖制成的人工硅砂用量很小。硅砂最可取之處是儲量豐富、價廉易得，這一點是任何其他礦砂都無法與之相比的。此外，還具有能適應鑄造工況條件的一些特性，如：
　　l有足夠高的耐火度，能耐受絕大多數鑄造合金澆注溫度的作用；
　　l顆粒堅硬，能耐受造型時的舂、壓作用和舊砂再生時的沖擊和摩擦；
　　l在接近其熔點時仍有足以保持其形狀的強度。
　　但是，硅砂也有不少的缺點，主要是：
　　l熱穩定性差，在570℃左右發生相變，伴有甚大的體積膨脹，是鑄件產生各種“膨脹缺陷”的根源，也是影響鑄件尺寸精度和表面粗糙度主要因素；
　　l高溫下化學穩定性不好，易與FeO作用產生易熔的鐵橄欖石，導致鑄件表面粘砂；
　　l破碎產生的粉塵易使作業人員罹患矽肺病。
　　在對鑄件質量的要求日益提高，對環保和清潔生產的法規日益嚴格的今天，“硅砂并非理想的原砂”已成為大家的共識，尋求硅砂的代用材料已是當前鑄造行業中重要的研究課題之一，各工業國家對此都相當重視。
　　目前鑄造行業中廣泛應用的非硅質砂主要有鎂橄欖石砂、鋯砂和鉻鐵礦砂。
　　鋯砂具有多種適于作鑄造原砂的特性,是比較理想的造型材料，但是，全世界鋯砂的儲量不多，主要產于澳大利亞和南非，而且價格很高，制約了其在鑄造生產中的應用，只在熔模精密鑄造中使用較廣。
　　鎂橄欖石砂和鉻鐵礦儲量較多，價格也比鋯砂便宜，但兩者都是由破碎礦石制得的，粒形不好，而且價格也比硅砂貴得多，目前都只用于某些鑄鋼件。
　　尋求硅砂代用品的另一途徑是開發人工制造的顆粒材料。在這方面進行研究開發工作，迄今已有40多年了，近10多年來逐漸進入了實際應用階段，并已在各國鑄造行業顯現了很好的效果。
　　在人造砂的開發方面，應該特別提到：我國在這方面已經有非常重要的自主創新成果，研制了高鋁質的“寶珠砂”。
　　“寶珠砂”具有多種優異的性能，適用于各種鑄造合金和多種特種鑄造工藝，而價格低于鋯砂和鉻鐵礦砂。“寶珠砂”問世之初，立即受到了外國的重視，早期的產品主要出口到日本，并由日本轉銷到其他國家。近幾年，我國鑄造行業中也已開始采用，并取得了很好的效果，但迄今為止尚未得到應有的重視。
　　為了使讀者對各種人造砂的特點和發展過程有所了解，將對四種主要的人造砂的情況作簡單的介紹。
　　1、碳粒砂
　　美國最早用以代替硅砂的碳粒砂，是由破碎石墨電極塊得到的角形顆粒。這種碳粒砂雖然有很多優點，但缺點也不少，如：砂粒的比表面積大，需用粘結劑量增多；配制的型砂流動性差，難以舂實；反復使用時易于碎裂等。因而，未能推廣應用。
　　1960年，美國的J.Gentry由煅燒液態石油焦制得球形碳粒砂，并在鑄造生產中試用，取得了較好的效果。1984年，開始在美國加州投入商品生產，并向鑄造行業推銷。1989年起，由美國膠體公司經營，此后，其應用逐漸推廣。
　　（1） 碳粒砂的特性
　　碳粒砂主要特性是：
　　l熱膨脹少，用其配制型砂，鑄件不會產生膨脹缺陷；
　　l顆粒為球形，型砂的流動性好，易于舂實，而且透氣性好；
　　l用以配制的型砂、芯砂脫模性能很好，即使模樣上有深的凹部也易于脫出；
　　l無矽粉塵危害；
　　l不為金屬液所潤濕，也不與金屬氧化物作用，可消除粘砂缺陷；
　　l顆粒不易破碎，回用率高于硅砂。
　　（2）碳粒砂的應用
　　鑄造行業中所用的各種粘結劑，都可用于碳粒砂；用碳粒配制的型砂、芯砂，適用于任何造型工藝和制芯工藝；可用于制造鑄鐵件和各種有色合金鑄件，如果鑄型或芯子上涂以適當的涂料，也可用以制造鑄鋼件。
　　碳粒砂中的含硫量雖較高（5％左右），但所有的硫都是與碳緊密結合的，對鑄件質量和環境都無影響。
　　碳粒砂的價格低于鋯砂，但比硅砂高得多，一般都將其與硅砂配合使用。用50:50的混配砂制芯，在同樣射砂條件下，芯子的緊實度提高，從而可使芯子的尺寸精度提高。而且，芯子還可不施涂料。
　　用加有碳粒砂的粘土濕型砂造型，型砂中的煤粉加入量可按混配砂中碳粒砂所占的比例減少，從而可減少澆注時散發的有害氣體。
　　用混配砂制造球墨鑄鐵件時，因碳粒砂的熱導率高，而且鑄型的緊實度高，可減少甚至消除縮松缺陷。
　　美國一家鑄造廠曾在生產條件下考核碳粒砂的耐用性：用碳粒砂配制粘土濕型砂，用震、壓式造型機雙面模板造型，型砂每天周轉2～3次，每次混砂時只補加膨潤土和水，不補加新砂。經8個月的驗證，砂量未見減少，系統砂中碳粒砂的粒度組成也基本上沒有變化。
　　2、頑輝石砂
　　頑輝石砂是利用冶煉鐵鎳合金的爐渣制成的，頑輝石砂的開發可以說是廢棄物的再利用，成品砂的價格只略高于硅砂。
　　冶煉鐵鎳合金的原礦，是由含鎳的橄欖巖風化而成的。熔煉時產生的爐渣，化學成分也大體上類似于天然的橄欖巖，主要組分是SiO2和MgO，也含有少量氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣等成分。從礦物組成來看，以頑輝石為主，也有部分鎂橄欖石和透輝石等，不存在游離的MgO、CaO和SiO2。
　　目前，生產頑輝石砂的廠家都是冶煉鐵鎳合金的廠家。美國主要的生產廠是Green Diamond Products公司。日本則由生產鐵鎳合金的太平洋金屬八戶制作所和生產鑄造材料的山川產業株式會社合作制造。
　　頑輝石砂的化學成分范圍大致見表1．

　　目前，有兩種不同粒形的頑輝石砂供應，其基本情況如下。
　　(1) 頑輝石砂的品種
　　早期的頑輝石砂，是將熔融的爐渣淬入水中，使之碎裂，然后再加以破碎而制得的。這樣制成的顆粒，粒形為尖角形，粒度也不易控制，不適于作為鑄造用的原砂，主要用于噴砂清理和建筑業。
　　1985年前后，日本山川產業株式會對此種頑輝石砂的生產工藝上作了改進，使之能用作鑄造用原砂。工藝的要點是：將熔融的爐渣淬入水中冷卻，并加以破碎，得到尖角形頑輝石顆粒，然后置山川公司專有的槽式磨礦機中加水研磨，以改善粒形和表面性狀。這種頑輝石砂的商品名稱為“NE 砂”，粒形為尖角形-多角形，見圖1。

　　圖1  角形頑輝石砂（NE 砂）的粒形
　　此后，美國也生產這種頑輝石砂，商品名稱為“Green  Diamond aggregate”，大約從1995年起在鑄造行業中應用，代替硅砂和鎂橄欖石砂。
　　鑒于角形頑輝石砂的粒形仍不理想，配制的型砂不易舂實。1998年，日本山川株式會社與太平洋金屬合作，成功地制成了球形頑輝石砂。其制備工藝的要點是：不將熔融狀態的鐵鎳合金爐渣淬入水中冷卻，改用空氣流將其吹散，冷卻后成為細小的球狀顆粒。然后再置槽式磨礦機內加水研磨，得到非常適于作鑄造原砂的球形砂，商品名稱是“太陽珠”，粒形見圖2。

　　圖2  球形頑輝石砂（太陽珠）的粒形
　　（2）頑輝石砂的特性
　　頑輝石砂的主要特點是：表面清潔；熱膨脹少；不產生有害的硅粉塵；由于是熔融材料制成的，質地堅實、耐用性好；球形頑輝石砂還具有球形砂的各種優點。
　　兩種頑輝石砂的幾項性能指標見表２，為便于對比，表中還列出了一種優質硅砂的性能。

　　（3）頑輝石砂的應用
　　頑輝石砂的耐火度較低，主要用于制造鑄鐵件。也可用于制造熔點較低的高錳鋼鑄件。
　　角形頑輝石砂的粒形不佳，不易舂實，故熱導率較低。用以配制的覆膜砂，不易硬化。實際上生產中，很少單獨用角形頑輝石砂制覆膜砂，往往與硅砂配合使用。
　　角形頑輝石砂可以代替鎂橄欖石砂，用于制造高錳鋼鑄件。美國俄勒岡州的Eagle Creek鑄造廠，原用水玻璃粘結的鎂橄欖石砂造型，制造高錳鋼鑄件。改用頑輝石砂后，由于此種原砂的一致性優于鎂橄欖石砂，鑄型質量的穩定性較好，此外，由于較易于再生回用，原砂的耗用量減少，生產成本有所下降。
　　球形頑輝石砂是更為理想的造型材料，用的配制覆膜砂，可明顯減少樹脂加入量，從而可以降低生產成本并減少氣體的散發量。但是，由于其需酸量較高，采用酸硬化的樹脂時，需用作用較強的硬化劑。
　　日本的山川公司是日本生產、供應覆膜砂的廠家，其頑輝石砂產品（太陽珠）也多用于配制覆膜砂，供鑄造廠制作內燃機缸體、缸蓋以及液壓閥等重要鑄件的芯子。日本一些鑄造廠使用球形頑輝石砂的情況見表３。

　　特別值得提到的是，球形頑輝石砂表面非常光滑，舊砂再生時，只要施以輕微的摩擦就可將砂粒表面的粘結膜脫除。用于各種有機粘結劑的型砂、芯砂時，砂再生工序的能耗少，舊砂再生率高，從而可帶來多方面的效益。即使是砂再生一直是難題的水玻璃粘結砂，改用球形頑輝石砂后，也可能會出現一個新的局面。
　　3、莫來石陶粒
　　莫來石陶粒首先由美國 Carbo Ceramics公司于上世紀80年代研制問世，商品名稱為“Ceramacore”，是人工燒制的陶瓷球形顆粒，最初作為支撐劑用于油、氣工業中。90年代初，美國和日本先后將其用于鑄造行業，作為鋯砂的代用品。日本的制造廠商為伊藤忠陶業株式會社，產品的名稱是“Cerabeads”，簡稱CB砂。
　　（1）莫來石陶粒的特性
　　作為鑄造行業用的原砂，莫來石陶粒有以下優點：
　　l顆粒為球形，流動性好，易于舂實；
　　l透氣性好，用于油、氣工業時，油、氣都可通過；
　　l熱膨脹率小，可以和鋯砂媲美。曾試用陶粒配砂造型，澆注1650℃的金屬液，鑄件未見膨脹缺陷；
　　l再生、回用性能好。
　　（2）莫來石陶粒的應用
　　在美國，原先莫來陶粒主要用于消失模鑄造工藝，例如，Citation鑄造公司是采用消失模工藝的主要廠家，改用陶粒作填充砂后，效果很好。據報道，該廠認為采用陶粒后，造型所耗的能量大幅度減少，鑄件尺寸精度明顯改善，特別是，他們認為陶粒的耐用性極佳。
　　由于其熱導率低，制造薄壁鑄鐵件時，在粘土濕型砂中配入陶粒，不僅有利于鐵液充型，而且還可避免鑄件上出現過冷組織，這對于汽車的輕量化至關重要。
　　美國的Ashland公司很重視莫來石陶粒的各種優點，1997年與Carbo Ceramics公司簽署了排他性的銷售協議。
　　原則上，莫來石陶粒可適用于現有的各種粘結劑。
　　近幾年，美國、日本開始將陶粒用于配制膨潤土粘結的濕型砂，制造球墨鑄鐵件，并已得到滿意的效果。
　　使用莫來石陶粒的問題是其價格高，大體上與鋯砂相近。其次則是目前供應的產品粒度規格尚不齊備。
　　4、我國出產的“寶珠砂”
　　我國河南洛陽一帶，高鋁礬土資源豐富，十多年前就由生產企業與高等學校合作研制高鋁質人造砂，現由凱林鑄材公司、金玨鑄材公司、寶珠砂鑄材公司等企業生產，這種產品最初的名稱為“寶珠砂”，后來金玨公司又稱之為“鈺珠砂”，實際上都是相同的產品。
　　寶珠砂的制造方法是：選取優質鋁礬土原料，置電弧爐中熔融，當熔融液自爐中流出時，用壓縮空氣流將其吹散，冷卻后，得到球形或接近于球形的顆粒，表面光滑。就制造方法而言，與日本山川公司制造“太陽珠”的方法基本相同，但化學成分則完全不同。
　　（1）寶珠砂的特性
　　寶珠砂的化學成分大致如表４所示。

　　寶珠砂的粒形為球形或接近于球形，顏色為黑棕色。粒徑可在0.5～2.0 mm之間，可由客戶根據工藝要求選定。
　　寶珠砂的耐火度在1800℃以上，比頑輝石砂高很多，高溫化學穩定性遠優于硅砂，可用于鑄鋼、鑄鐵和各種有色合金。
　　寶珠砂是電熔材料質地致密，耐用性優于“Ceramacore”。
　　寶珠砂受熱后的膨脹率是硅砂的1/5，鉻鐵礦砂的1/2，作為造型材料可有效地防止鑄件產生膨脹缺陷。
　　寶珠砂的價格比較便宜，大約是鋯砂的1/3，鉻鐵礦砂的1/2。
　　（2）寶珠砂的應用
　　在型砂、芯砂中配用部分寶珠砂，能有效地防止鑄件產生膨脹缺陷。近年來，我國一些覆膜砂制造廠商，已在原料砂中加入部分寶珠砂，從而可以使制成的殼型、殼芯具有耐高溫、低膨脹、易潰散、高強度、發氣量低等性能。對于形狀特別復雜的芯子，還可以解決射砂不易緊實的問題。
　　大中型鑄鋼件，造型時通常都在熱節部位敷以鉻鐵礦面砂，以改善鑄件的表面質量。現在，可用寶珠砂代替鉻鐵礦砂，既能提高鑄件的表面質量，又可降低生產成本，而且還有利于舊砂的再生、回用。
　　采用消失模鑄造工藝或V-法造型工藝的鑄造廠，如用寶珠砂代替硅砂，在同樣的緊實條件下，填砂的緊實度更高，鑄件的尺寸精度和表面質量都將明顯改善。更為重要的是，可消除生產車間內的硅粉塵，使作業環境大為改善。
　　目前，我國寶珠砂的年產量大約在40000噸以上，其中，大部分都出口供外國，國內還未廣泛應用。近幾年，國內的用量雖逐漸有所增加，但仍然未能充分利用我們自己的優勢，希望鑄造行業的同仁，對此予以更多的關注。