1.雜質對結晶區溫度范圍的影響
雜質對剛玉的熔點和熔體的凝固溫度都會有影響。最典型的例子見含A12)197.5%,含TiO2、Mg0、Al2S;分別為2.5%的Al2O3-TiO2系統、Al2O3-MgO系統、Al2O3-Al2S系統。含這三種雜質的剛玉分別代表棕剛玉、微晶剛玉、單品剛玉。熔點與凝固點又決定了結品溫度范圍,結晶溫度范圍又會影響晶體尺寸。有些雜質對剛玉晶體尺寸的影響非常大,所以被有意引入熔體,以控制結晶過程和晶體尺寸。
含T022.5%的熔體從2030℃開始結晶,隨著溫度下降,不斷析出剛玉晶體,熔體中Ti02含量相應升高。當熔體冷至1850C時,整個熔體逐漸凝固并干涸。該溫度相當于A120與A1203·Ti02的低共熔點。熔體的結晶溫度間隔是180C,整個結晶過程是比較平穩的。
含Mg02.5%的熔體,開始結晶溫度為1950C,熔體全部凝固溫度為1925(,熔體的結晶溫度間隔僅25C,有利于剛玉熔體的急冷。因此,Mg0又稱為微晶剛玉的微晶促進劑。
含A12S32.5%的熔體,開始結晶溫度為2000C,析晶終止溫度為1000C,熔體的結晶溫度間隔長達1000℃。所以,單晶剛玉的結晶溫度過程非常平穩,晶體生長過程相當完整。
2.雜質對晶體表面的侵蝕
在Al2O3-CO或類似的系統中,六鋁酸鈣是系統的第二結晶相。熔體在析出六鋁酸鈣時,要溶解掉一部分早先結晶的剛玉晶體,使其表面受侵蝕而變得不規則。
3.雜質的利用
雜質的種類和數量對剛玉晶體有不同的影響
(1)氧化硅在含鈣礬土時的利用
礬土中存在的氧化鈣很難被碳還原,幾乎全部進入熔體。如果熔體中只有氧化鈣和氧化鋁,那么在冷卻過程中雜質氧化鈣全部以六鋁酸鈣結晶析出,每個氧化鈣分子要消耗個氧化鋁分子,即每份質量的氧化鈣要消耗10.91份質量的氧化鋁,生成11.91份質量的六鋁酸鈣。如果在熔體中同時存在一定數量的二氧化硅雜質,結晶可能以鈣斜長石析出,每個氧化鈣分子只消耗1個分子的氧化鋁,即每份質量的氧化鈣只消耗1.818份質量的氧化鋁,生成4.96份質量的鈣斜長石。
(2)氧化硅在含鎂礬土時的利用
熔體中的氧化鎂對剛玉結晶有嚴格的限制作用。在剛玉結晶區,剛玉的結晶路線隨氧化鎂含量的增加而縮短。如果Mg0含量超過3%時,第一結晶區已經不是剛玉而是鋁鎂尖晶石。當熔體中同時存在一定數量的二氧化硅時,可使第一結晶區回到剛玉結晶區,或使剛玉的結晶路線增長、使更多的氧化鋁以剛玉相析出。
(3)氧化硅與氧化鈉
在白剛玉冶煉中,鋁氧粉中的氧化鈉在熔融后會與氧化鋁生成高鋁酸鈉(NA2)·11A123),每個分子的氧化鈉要消耗掉11個分子的氧化鋁,即每份質量的氧化鈉要消耗掉18.10份質量的氧化鋁、生成19.10份質量的高鋁酸鈉。如果在熔體中加入一定數量的氧化硅,使氧化鈉以三斜霞石(Na2O·Al2O3·2SiO2)結晶析出的話,每個分子的氧化鈉只消耗1個分子的氧化鋁,即每份質量的氧化鈉只消耗1,645份質量的氧化鋁,生成4.584份的三斜霞石。