4.2. Неорганические связующие материалы

Неорганические связующие материалы нашли свое применение в составах как смесей, так и противопригарных красок. Основным их достоинством по сравнению с органическими связующими является их экологическая чистота и относительно низкие цены. Наиболее широкое применение имеют следующие виды неорганических свя­зующих: формовочные глины, водные растворы щелочных силика­тов (жидкие стекла, кислые металлофосфатные связки и их произ­водные), гидратационные вяжущие (цементы, глины, алюминатные спеки и др.). Области применения каждого из этих связующих зави­сят в первую очередь от вида сплава отливки, ее массы, серийно­сти, эксплуатационных показателей и ряда других факторов.

4.2.1. Вода как фактор, влияющий на прочность смеси

Минеральные формовочные материалы и готовые смеси всегда в или ином количестве содержат воду, которая является необхо­димым компонентом, не только формирующим показатели минерала но и придающим смеси требуемые технологические свойства Прочность, пластичность, текучесть, формуемость и др.).

По принадлежности к исходным материалам смеси вода подразделяется на входящую и не входящую в состав минералов. Вода входящая в состав минералов, разделяется на конституционную кристаллизационную и цеолитную. Конституционная и кристаллизационная вода химически связана с минералами. Конституционная влага имеет наиболее прочную связь, находится в точном молекулярном соотношении с другими компонентами химического единения (например, в каолините Al2O3*SiO2*H2O). Начало выделения конституционной влаги из минералов наблюдается при 300-350 °С, полная ее потеря происходит при 700 °С. Процесс выделения конституционной влаги из минералов необратим, свойства минералов резко изменяются и не восстанавливаются при последующем увлажнении. Например, потеря конституционной влаги из каолина приводит к необратимому образованию соединения Al2O3*2SiO2 называемому шамотизацией глины.

Кристаллизационная влага входит в состав минерала, но ее количество переменно. Оно зависит от условий выделения минера из раствора. В формуле соединения кристаллизационную влагу обозначают nН2О. При нагревании кристаллизационная влага удаляется при более низких, чем конституционная, температурах, но при намокании она может возвращаться в состав минерала, сообщая ему исходные свойства.

Цеолитная влага не входит в химический состав минералов (цеолитов), а впитывается внутрь из кристаллических решеток (внутрикристаллическое набухание). Основными признаками цеолитной воды являются обратимость ее внедрения в кристаллическую решетку и нечеткая температурная граница начала выделения при нагреве. Например, в бентонитовых глинах с высоким содержанием основного минерала (мотмориллонита) количество цеолитной воды достигает 30%. Цеолитная вода, наряду с адсорбированной (пленочной) и капиллярной, оказывает основное влияние на формирование физико-механических свойств песчано-глинистых смесей.

К адсорбированной относят воду, поглощенную из воздуха, а ее количество в смесях обычно не превышает 0,1%. Адсорбированная влага делится на гигроскопическую (прочносвязанную с минералами) и осмотическую (рыхлосвязанную). Различают физическую и физико-химическую адсорбцию влаги. Твердые частицы наполнителя во влажной смеси заряжаются отрицательно, покрываясь гидросильными ОН-группами. За счет водородных связей полярная молекула воды взаимодействует с ОН-группами, образуя гидратный слой. При этом между частицами минерала и диполями воды возникают силы взаимодействия, достигающие у поверхности частиц значения в сотни мегапаскалей. Они быстро убывают в зависимости от расстояния, приближаясь к нулю на расстоянии между частица­ми 0,5 мкм. Удерживаемый этими силами тонкий слой прочно свя­занной влаги отличается по своим свойствам от свободной влаги.

Прочносвязанная влага имеет большую вязкость, плотность, уп­ругость и более низкую температуру замерзания. К слою этой влаги примыкает слой рыхлосвязанной влаги, которая легко может отры­ваться от частицы минерала.

Свободная влага подразделяется на капиллярную и гравитацион­ную. Капиллярная влага располагается в кольцеобразных контактах стыков зерен (манжетах) и на поверхности зерен. Она не стекает из смеси под действием силы тяжести.

Гравитационная влага располагается в порах смеси. Она отделя­ет зерна друг от друга и стекает под действием собственного веса (силы тяжести). В формовочных и стержневых смесях такая влага отсутствует.

Капиллярная влага стягивает частицы наполнителя друг с дру­гом за счет сил капиллярного давления, усиливая прочность смеси во влажном состоянии.

Влага улучшает уплотняемость смеси. Поэтому для достижения максимальной прочности в сухом состоянии смеси для заливки по-сухому содержат больше влаги, чем для заливки по-сырому. С точ­ки зрения снижения газотворности смеси и повышения ее текучести при заливке по-сырому стремятся по возможности снизить влаж­ность смеси.