Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

4.Преобладающий тип связи между твердыми частицами огнеупорного наполнителя:

химический (смоляные, масляные, жидкостекольные, цементные, фосфатные и прочие смеси, отверждаемые при нормальной температуре или под действием теплоты);

электромагнитный (смеси для магнитной формовки); молекулярный (керамическая форма после прокалки); электростатический (песчано-глинистые смеси «по-сырому»); гравитационный, в том числе в условиях разряжения (песок при

использовании графитизируемых моделей); металлический (металлические формы).

5.Показатель удельной прочности, характеризующий эффек-

тивность связующего материала и подразделяющий все связующие на три группы:

–с высокой удельной прочностью ( уд > 0,5 МПа/%);

–со средней удельной прочностью ( уд = 0,3…0,5 МПа/%);

–с низкой удельной прочностью ( уд < 0,3 МПа/%).

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 и 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 том 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.).

61

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, она находится в точном молекулярном соотношении с другими компонентами химического со-

единения (например, в каолините Al2O3 SiO2 H2O). Начало выделения конституционной влаги из минералов наблюдается при 300-350 С, а 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 минерала из раствора, и в формуле соединения кристаллизационную влагу обозначают nH2O. 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 гид-

62

роксильными 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 посухому 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.

4.2.2. Формовочные глины

Формовочные глины являются наиболее широко используемым связующим материалом в составах песчано-глинистых (в основном, формовочных) смесей. Литейные формовочные глины – это минералы, состоящие из высокодисперсных частиц водных алюмосиликатов, обладающих связующей способностью, термохимической устойчивостью, что позволяет использовать их в качестве связующего материала формовочных и стержневых смесей.

63

По происхождению глины бывают первичными, вторичными и метаморфическими. Первичные глины возникли при разложении кристаллических горных пород или при выпадении из водных растворов, содержащих кремнезем (SiO2) и глинозем (Al2O3). Эти глины располагаются на месте своего первичного образования. Вторичные (осадочные) возникли в результате размывания первичных глин и их повторного отложения. Метаморфические глины возникли в результате уплотнения первичных или вторичных глин под влиянием гидростатических или динамических воздействий.

В литейном производстве в основном используются вторичные глины. Минералогический состав глин зависит от степени кислотности или щелочности воды, воздействующей на горные породы. Так, в кислой среде образуются в основном каолинитовые и каолинитогидрослюдистые (огнеупорные), а в щелочной – монтмориллонитовые (бентонитовые) глины. Минералогический состав большинства глин представлен каолинитом, монтмориллонитом и гидрослюдами.

Структуру глинистых минералов можно рассматривать как сочетание перемежающихся слоев различных групп атомов кислорода, кремния, алюминия, водорода, кальция и др. Основой любого глинистого минерала являются октаэдрические образования в виде пласти-

нок толщиной 5 10-10 м. Элементом октаэдрического образования является октаэдр, состоящий из атомов кислорода и гидроксидов. Внутри октаэдра расположен атом алюминия или магния (рис. 4.1,а).

Элементом тетраэдрического образования является тетраэдр, состоящий из атомов кислорода. Внутри тетраэдра расположены атомы кремния (рис. 4.1,б).

Кристаллическая решетка минерала каолинита состоит из двух слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих так называемый «пакет» (рис. 4.1,в). Ввиду того что отдельные пакеты каолинитовой глины соприкасаются плоскостями различных атомов (кислорода и гидроксидов), они образуют достаточно прочную, так называемую водородную связь. Энергия взаимодействия между пакетами составляет 0,45-0,61 Дж/м2. При увлажнении каолинитовой глины такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют. Это объясняется тем, что межпакетное расстояние као-

линовой глины составляет около 2 10-10 м, а радиус молекул воды – 1,45 10-10 м, вследствие чего проникновение воды в межпакетный зазор и расщепление пакета затруднено.

64

жду пакетами расположены ионы калия и каждый четвертый ион кремния в кремнекислородном тетраэдре замещен ионом алюминия. В мусковите за счет ионов калия между пакетами действует валентная связь, однако она слабее, чем валентная связь внутри пакета. Межплоскостное расстояние в мусковите составляет около 1,0 10-10 м. Таким образом, наиболее слабые связи между пакетами у монтмориллонита, наиболее прочные – у мусковита, а каолинит занимает промежуточное положение. Прочность связи между пакетами обусловливает способность глин к набуханию.

Механизм формирования прочности песчано-глинистых смесей связан с физико-химическими свойствами глин, которые представляют собой дисперсную коллоидную систему с сильно развитой поверхностью.

При смешивании глины с водой в глинистых суспензиях образуется коллоидный раствор. Коллоидные частицы (мицеллы) имеют вид, как на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схема глинистой мицеллы:

а – адсорбционный слой; б – диффузный слой; в – сольватная оболочка (двойной электрический слой); 1 – ядро (глинистая частичка);

2 – ионы; 3 – противоионы; 4 – подвижные противоионы

Около ядра мицеллы 1, т.е. глинистой частицы, располагаются ионы и возникают адсорбционный (а) и диффузный (б) слои. Вместе они образуют двойной электрический слой (в). Противоионы 3, 4 находятся под действием электрического поля заряженной частицы и теплового движения жидкой фазы. Это приводит к динамическому

66

распределению противоионов подобно облаку, плотность которого убывает по мере удаления от заряженной поверхности. Ионы располагаются вокруг внешних структурных единиц поверхности глины на ненасыщенных валентностях атомов кислорода в дефектных местах.

Прочность концентрированной глинистой суспензии имеет коагуляционную природу и реализуется через водородные связи и электростатическое взаимодействие воды с ненасыщенными атомами и гидроксидами глинистых материалов. Вода, находящаяся на поверхности структурных элементов глин в пределах от 3 до 10 молекулярных слоев (0,8-2,3 нм), под влиянием электрического поля ионов кислорода и гидроксильных групп решетки обладает некоторой упорядоченностью (ориентированной структурой). Эта вода называется жесткой. Она усиливает связь между слоями, осуществляя мостиковую связь между пакетами.

Водные оболочки, расположенные на поверхности частиц глины

инаходящиеся в поле действия электростатических сил, осуществляют поверхностную связь пакетов. Этот вид влаги называется жидкой водой.

Вклад поверхностных связей в формирование прочности больше, так как они действуют на большой поверхности. Мостиковая связь особенно проявляется в монтмориллонитовых глинах, способных

сорбировать некоторые катионы и удерживать их в обменном состоянии. Обменными катионами могут быть Са2+, Mg2+, K+, NH+, H+, Na+. Они замещают в пределах адсорбционного слоя ионы Al3+. Количество обменных ионов тем больше, чем дисперснее глина. Поэтому монтмориллонитовые глины обладают более высокими значениями обменных катионов, чем каолинитовые.

При обмене одних ионов на другие глины приобретают новые

свойства. Поэтому свойства глин можно изменять их химической обработкой. Например, при обработке глин содой ионы Са2+ заменяются ионами Na+.

По отношению SiO2/Al2O3 различают жирные (SiO2/Al2O3 < 2,65)

иотощенные (SiO2/Al2O3 > 2,65) глины. В смесях, предназначенных для формовки по-сырому, целесообразно использовать жирные глины, а для формовки по-сухому – отощенные.

Минералогический и химический состав глин определяют их качество, как связующих материалов. Как уже указывалось, основными минералами глин являются:

67

Каолинит (Al2O3 2SiO2 Н2О) является основным породообразующим минералом каолинитовых глин. Это водный алюмосиликат белого цвета, имеющий твердость по шкале Мооса – 2,0-2,5, плот-

ность – 2580-2600 кг/м3, температуру плавления – 1750-1790 С. Важно знать те превращения, которые происходят в минерале при его нагреве в широком интервале температур, так как каолинитовые глины применяют в составах смесей при получении отливок как из

цветных, так и из черных сплавов. При нагреве до 100-140 С каолинит теряет гигроскопическую воду, при 350-570 С – конституци-

онную и переходит в метакаолинит (Al2O3 2SiO2). При 900-1050 С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3 и SiO2. В ин-

тервале 1200-1280 С из свободного глинозема Al2O3 и кремнезема

SiO2 образуется муллит (3Al2O3 2SiO2), не обладающий связующей способностью, но имеющий высокую температуру плавления. Именно поэтому каолинитовые глины относят к разряду огнеупорных связующих материалов, которые рекомендуется использовать при получении крупных чугунных и стальных отливок.

Монтмориллонит (Al2O3 4SiO2 Н2ОnН2О) является основным породообразующим минералом бентонитовых глин. В кристаллической решетке монтмориллонита некоторая часть Al3+ может быть замещена

Mg2+, а Si4+ Al3+, в результате тело частицы глины приобретает электрический заряд. Химический состав монтмориллонита непостоянен. Температура плавления монтмориллонита 1250-1300 С. При нагревании монтмориллонита от 20 до 100-150 С выделяется свободная вода, от 500 до 700 0С – конституционная вода, а при 600 С монтмориллонит теряет способность набухать. При температуре 735-900 С происходит разрушение кристаллической решетки монтмориллонита и превращение его в аморфное вещество (SiO2 и Al2O3), имеющее температуру плавления 1250-1300 С, т.е. при нагреве до высоких температур в бентоните не происходит мулитизации, как это имеет место у каолинитовых глин. Именно этим объясняется более низкая температура плавления бентонита по сравнению с каолинитом.

Отличается монтмориллонит от других глинистых минералов способностью к интенсивному набуханию при увлажнении. В процессе набухания промежутки между отдельными пакетами минерала значительно расширяются, содержание поверхностно-связанной воды при этом увеличивается с 6 до 30% и более.

68

Гидрослюдистые глины – промежуточные продукты разложения от слюды к каолину. По химическому составу и физическим свойствам эти минералы непостоянны. Из минералов, присутствующих в гидро-

слюдистых глинах, преобладает мусковит (К2О3Al2O3 6SiO2 2Н2О), относящийся к двухслойным алюминиевым гидрослюдам. Учитывая то, что у мусковита наиболее высокая прочность связи между пакетами (по сравнению с каолинитом и монтмориллонитом), он обладает наименьшей способностью к поглощению воды, а следовательно, к набуханию, что обусловливает его минимальные вяжущие свойства. В связи с этим применение гидрослюдистых глин в составах формовочных смесей весьма ограничено.

Кроме вышеуказанных основных минералов глины содержат различное количество примесей, как правило, ухудшающих их свойства, как связующих материалов.

Кварц (SiO2) содержится практически во всех глинах в количестве от долей процента до 60%, как правило, в виде значительно окатанных зерен. Кварц является инертным материалом в глинистых массах, однако он понижает их связующую способность и пластичность.

Полевые шпаты встречаются в глинах иногда в значительных количествах, причем как в виде тонких, так и в виде более крупных фракций. Чаще они представлены калиевыми полевыми шпатами –

ортоклазом или микроклином (К2О Al2O3 6SiO2), различающимися только формой кристаллической решетки.

Слюды широко распространены в глинах и содержатся в виде калийной слюды мусковита, биотита и других разновидностей. Даже наиболее простые по составу и чистые каолинитовые глины содержат гидрослюды, а в глинах Часов-Ярского месторождения количество слюды достигает 30%.

Карбонаты встречаются чаще всего в виде кальцита (СаСО3),

магнезита (MgСО3), доломита (СаСО3 MgСО3) и сидерита (FeСО3). Карбонаты могут быть равномерно распылены в глинах или образовывать отдельные включения.

Гипс (СаSO4 2H2O) встречается во многих глинах, часто образуя скопления, видимые невооруженным глазом.

Гидраты оксидов железа гетит (Fe2O3 Н2О) и лимонит

(2Fe2O3 3Н2О) окрашивают глины в цвета от светло-желтого до бу- ро-красного; находятся в тонко распыленном состоянии, в виде примазок или отдельных скоплений.

69

Пирит (FeS2) встречается во многих глинах; способствует образованию пригара на отливках.

Глины отличаются непостоянством химического состава даже для одного и того же месторождения. Химический состав глин устанавливается на основании определения различных оксидов, по которым можно судить о пригодности глин в той или иной области.

Свойства глин. Влажность. Вода, содержащаяся в глинах, подобно воде, содержащейся в песках, разделяется на входящую в состав минералов и не входящую в них. Монтмориллонит является типичным минералом, содержащим цеолитную воду, которая находится внутри молекул минерала, но не входит в его химический состав. Влажность комовых и молотых формовочных глин определя-

ется по ГОСТ 3594.11-77.

Зерновой состав глин характеризует степень дисперсности и наличие в них крупнозернистых включений. О степени дисперсности можно судить по содержанию частиц размером менее 0,02 мм, количество которых определяется отмучиванием. Для большинства глин содержание таких частиц находится в пределах 75-99 %. Оставшаяся после отмучивания часть глины относится к песчаной фракции, чаще всего состоящей из кварцевых зерен. Для оценки степени дисперсности глинистой составляющей целесообразно определять фракции частиц размером менее 0,001; 0,001-0,005 и 0,005-0,02 мм. Дисперсность глин оказывает существенное влияние на их прочностные свойства. Чем больше величина дисперсности, тем выше вяжущие свойства глины. Объясняется это тем, что минимальные по своим размерам глинистые зерна наиболее полно обнаруживают признаки коллоидальности. Дисперсность глины может быть охарактеризована величиной удельной поверхности ее зерен. Так, например, удельная поверхность каолинитовых глин находится в пределах 50-150 м2/г, а бентонитовых – 250-500 м2/г и выше. Практикой установлено, что тонкодисперсные глины придают смесям даже при кратковременном перемешивании компонентов существенно более высокую прочность, чем грубодисперсные.

Коллоидальность характеризует способность глин к набуханию в воде с образованием устойчивых коллоидных систем. Сильное влияние на коллоидальность оказывают емкость и состав обменного комплекса глин. В глинах, содержащих в обменном комплексе многовалентные ионы Са, Mg и других элементов, мелкие частицы

70