3. Наполнители формовочных смесей

3.1. Классификация наполнителей и требования, предъявляемые к ним

Как известно, наполнители представляют собой огнеупорную основу формовочных и стержневых смесей, а также противопри­гарных красок. В связи с этим они влияют как на качество литейной формы или стержня, так и на саму отливку. Поэтому наполнители должны быть прежде всего тугоплавкими, термостойкими, химиче­ски инертными, металлофобными, т.е. химически инертными к жидким сплавам, с незначительным объемным расширением в про­цессе нагревания.

Учитывая, что основным показателем наполнителей является их огнеупорность, они могут быть разделены на три основные группы (табл. 3.1):

- высокоогнеупорные с температурой плавления более 1800 °С;

- среднеогнеупорные с температурой плавления 1600-1800 °С;

- огнеупорные с температурой плавления 1200-1600 °С. Физико-химические свойства наполнителей определяются их

внутренним (кристаллическим или аморфным) строением. Для кри­сталлических соединений определяющим является строение кри­сталлической решетки, форма и структура ее элементарной ячейки.

Классификационные характеристики наполнителей

Огне­упор­ность напол­нителя	Минерал		Темпера­тура плавле­ния, °С	Удельная теплоем­кость при 100 °С, ккал/кг-град	Теплопро­водность при 100 °С, ккал/м-ч-град	Твер­дость по Моосу, ед.	Струк­турная плот­ность, ат/А3	Плот­ность, кг/м3	рН	Области применения
Высокоогнеупорные (температура плавления - более l800°С) 1	Магнезит МgO		2800	0,258	37,0	5,0-6,0	0,107	3620	9,0-10,0	Формовочные и стерж­невые смеси для изго­товления толстостенных отливок из легирован­ных сталей. Противопригарные краски, облицовочные смеси для стального литья, а также суспензии для оболочек по выплав­ляемым моделям. Краски, облицовочные смеси для чугунного литья и суспензии; для точного титанового литья
	Циркон ZrO2*SiO2		2430-2450	0,190	2,7	7,0-8,0	0,094	4650-4700	6,5-7,0
	Оливин MgO*FeO*Si02		1860-1960	0,190	-	6,5-7,0	0,095	3200-3500	9,8-10,2
	Дистен Al2O(SiO2)		1860	0,146	7,0	4,5-5,0	0,100	3500-3700	5,0-6,0
	Силлиманит А1О(А1, SiO4)		1860	0,146	7,0	5,0-6,0	0,098	3500-3700	5,0-6,0
	Дистен-силлиманит Al2O3*SiO2		1840-1880	0,146	7,0	5,0-6,5	-	3500-3700	5,2-5,9
	Графит С		3550	1,980	110	4,0-5,0	0,103	1600-2200	6,5-7,1
Среднеогнеупорные (температура плавления -1600-1800 °С)	Хромит FeCr2O4		1780-1800	0,149	7,5	5,5-7,5	0,098	4100-4300	7,0-10,0	Облицовочные смеси для крупных стальньк отливок. Все виды смесей для изготовления отливок из различных сплавов, краски, суспензии для литья по выплавляе­мым моделям
	Шамот 3Al2O3*2SiO2		1690-1800	0,147	7,3	6,0-7,0	0,099	2600-3200	7,0-8,5
	Кварц SiO2		1550-1713	0,180	5,5	7,0-7,5	0,083	2650	7,0-8,0
Огнеупорные (температура плавления -1200-1600 °С) j	Тальк Mg3(Si4O10)(OH)2		1300-1400	0,149	1,3	1,0-1,5	0,083	2700-2800	8,5-8,9	Краски для тонкостен­ного чугунного литья
	Профилит Al(Si4O10)(OH)2		1300-1400	0,149	1,3	1,0-1,5	0,083	2700-2800	6,0-6,5

Кристаллическая решетка каждого минерала характеризуется структурной плотностью, которая представляет собой количество структурных Узлов (атомов_, ионов) в единице объема кристалличе­ского пространства [12] и может быть выражена отношением числа томов элементарной ячейки к ее объему:

где

N_яч- число атомов элементарной ячейки минерала;

V_Яч - объем элементарной ячейки кристаллической решетки.

В свою очередь число атомов элементарной ячейки минерала можно представить следующим образом:

где n_i, - количество атомов каждого сорта в формульной единице вещества (например, для SiO₂ - n_Si = 1, n_о = 2);

∑ni, - сумма структурных узлов формульной единицы;

Z - число формульных единиц в элементарной ячейке.

Подставив (3.2) в (3.1), получим:

Исследованиями геохимиков установлено, что структурная плотность кристаллических решеток является функцией термоди­намических условий образования минералов - в результате минера­лы, имеющие повышенные значения структурных плотностей, об­разовываются при более высоких температурах и давлениях и во время повторных нагреваний способны сохранять свои свойства без изменений. В условиях работы литейной формы такие минералы обладают повышенной огнеупорностью, что наглядно видно из ре­зультатов, представленных в табл. 3.1.

Кристаллическая структура минерала определяет весьма важное свойство наполнителей - линейное и объемное расширение при нагреве.

В зависимости от характера соединения атомов структурные элементы кристаллической решетки могут быть открытого типа (атомы соединены по прямым или зигзагообразным линиям) и за­крытого (атомы или радикальные группы атомов образуют кольца). Термическое расширение кристаллов с элементами открытого типа определяется общей суммой изменений всех межатомных расстоя­ний, а с элементами закрытого типа - суммой произведений этих изменений на косинусы углов между направлениями связей. В слу­чае островного расположения радикальных групп увеличение меж­атомных расстояний носит локальный внутрикомплексный харак­тер и незначительно влияет на общее расширение кристалла.

По возрастанию влияния на термическое расширение типы кри­сталлических структур располагаются в следующей очередности; слоистые из замкнутых колец (графит, пирофиллит и др.); островные с изолированными группами (кварцевое стекло, циркон и др.); координационные с общими гранями (бадделеит), с общими ребра- ми (хромит, рутил, корунд и др.), с общими вершинами (кварц); координационные, структурные элементы которых расположены линейно во всех направлениях (нитрид титана, галит и др.).

Представленные в табл. 3.1 данные по твердости характеризуют не только степень устойчивости минерала, но и его абразивное дей­ствие, что немаловажно для организации технологических процес­сов смесеприготовления и изготовления форм и стержней. И, нако­нец, показатель рН позволяет технологу определить, какие компоненты смеси (щелочные или кислые) должны применяться с тем или иным наполнителем. Так, магнезит можно использовать только со щелочными связующими материалами, а дистен-силлиманит; предпочтительно с кислыми. В то же время кварц, имея ярко выраженную нейтральную атмосферу, может успешно применяться как со щелочными, так и с кислыми материалами.