Механизм образования прочности формовочных и стержневых смесей.

Свойства формовочных смесей зависит как от физико-механических и химических свойств исходных компонентов (химический и минералогический состав, гранулометрический состав, величине свободной поверхности, поверхностной энергии и т.д.) так и от технологии приготовления способа уплотнения.

Механические свойства формовочных и стержневых смесей зависят от прочности связи отдельных частиц смеси. Форма частиц применяемых материалов разнообразна. В соответствии с этим различна и площадь контакта между частицами одного стержня массой 3кг. Достигает 10⁸ — 10¹². В системах с таким количеством частиц действует закон больших чисел, который позволяет оперировать понятиями средней прочности формовочных смесей, средней величиной поверхности зерна и т.д.

Чтобы выяснить, как влияют исходный состав формовочных смесей и технология их приготовления на конечные физико-механические свойства, рассмотрим механизм образования прочности формовочных материалов.

Гранулометрический состав является одной из основных характеристики формовочных песков наряду с другими факторами он определяет газопроницаемость смесей, их способность к спеканию, сушке, влияют на прочностные свойства смесей.

Основная масса формовочных песков и глин образовалась в результате дробления крупных массивов горных пород под воздействием температурных напряжений, влаги, ветра и механического перетирания при движении частиц относительно друг друга. Согласно правилу академика А.М. Холмогорова при механическом дробление плотность распределения частиц Р(х) подчиняется нормально- логарифмическому закону:

Распределение гранулометрического состава формовочных песков различных месторождений различна:

Луковицкого 4крса

Люберецкого 1К016А, 1К02Б

Кичигинского 1К0315Б

Басьяновского 1К0315Б

Пояснение:

По размеру зерен пески разделяют на группы (грубый, очень крупный, крупный, средний, мелкий, очень мелкий, тонкий, пылевидный) чтобы определить группу песка, его пробу просеивают на специальном приборе через набор сит со стандартными размерами ячеек 063, 04,0315,02,016,01,0063, 005. Номер сита определяется размером ячейки в мм, например 0,63мм - №063 и тд. Если основная масса зерен песка при просеивании распределяется на трех смежных ситах, то группа характеризуется номерам среднего сита, например группа 0315 номера сит распределения песка 04 0315 02. Если остаток зерен на верхнем сите основной фракции песка больше, чем на нижнем, то песок относится к категории А, в противном случае — к категории Б. Если количество основной фракции песка на трех смежных ситах менее 6%, то структура песка называется рассредоточенной и обозначается буквами РК, РС, РМ, и РО, соответственно рассредоточенный крупный, средний, мелкий и с общей рассредоточенностью.

При маркировке песка на первом месте ставят класс, на втором грунту и на третьем — категорию. Например, кварцевые 1К02А, 1К0315Б, глиняные П02, 0Ж01, где буквы обозначают:

ОБ — обогащенный кварцевый

К — кварцевый

Т — тощий

П — полужирный

Ж — жирный

ОЖ — очень жирный

Это характеризуется содержанием глинистой составляющей в составе песка.

На практике гранулометрический состав определяется рассевом песков или молотого огнеупора на ситах. Количество частиц на каждом сите находят при помощи интеграла вероятного распределения Гаусса:

Значения этого интеграла приводятся в справочниках.

Связующие. Частицы исходных естественных песков или молотых огнеупоров практически не образуют механически устойчивых систем. Сила притяжения при размерах частиц менее мкм начинают проявляться за счет возникновения двойного электрического слоя на поверхности частицы, сил Ван-дер-Ваальса и адсорбционных сил.

Соединения разрозненных частиц формовочного материала в единую смесь осуществляется связующим для скрепления твердых частиц формовочной смеси необходимо, что бы связующее находилось в жидком или пластичном состоянии. В литейном производстве в качестве связующих применяют вещества:

- жидкие при комнатной температуре, переходящие в жидкое состояние при растворении их в соответствующих растворителях (таких как вода, ацетон, спирт и т.д.);

- расплавляющиеся и приобретающие свойства жидкости при нагреве (бакелит, формальдегид и тп.).

Таким образом, процесс связывания частиц формовочной смеси можно рассматривать как скрепление твердых тел жидким веществам при определенных условиях.

Прочность связывания зависит от сил когезии и сил адгезии если силы когезии превышают силы адгезии - происходит отрыв сил адгезии над силами когезии вызывает раскрепление формовочного материала по пленке связующего. Если силы когезии и адгезии превышают силы внутреннего сцепления частиц огнеупора, то разрушение формовочной будет происходить по зернам смеси. Подобное явление можно наблюдать в случае применения в качестве связующего жидкого стекла.

Экономическая необходимость многократного использования формовочных смесей требует сохранения гранулометрического состава смеси. Это возможно в таком случае, если сила когезии в формовочных смесях превышает силы адгезии.

Адгезия между твердым телом и связующим зависит от многих причин. Основными из них являются следующие:

1. Молекулярные силы, действующие между твердыми телами и связующим (силы Ван-дер-Ваальса)

2. Адсорбция связующего на поверхности твердого тела (создание «молекулярного припоя» из поверхностно – активных веществ на подложке)

3. Химические реакции между связующим и подложкой и образование химической связи.

4. Двойной электрический слой, образующийся на границе раздела фаз «связующее- твердое тело».

По данным Б.Б. Гуляева, в песчано-глинистой смеси с 6% монтмориллонита и 4% воды силы Ван – дер – Вальса составляющей около 80% от всех сил взаимодействия. В отличие от адгезии когезия зависит только от поверхностного натяжения жидкости на границе с газовой фазой.

Между пределом прочности при растяжении и работой сил когезии существует прямая зависимость – чем больше сила когезии, тем выше предел прочности при растяжении. Тепловая обработка формовочной смеси со связующим может существенно изменить величину сил адгезии и когезии. Например, испарение растворителя из связующего, а так же твердение связующего, с изменением объема, вызывает появление в нем трещин и может изменить поверхность контакта с твердой фазой. В результате ухудшаются прочностные свойства смеси.

Из коллоидной химии известно, что повышение скорости испарения растворителя или скорости гелеобразования, увеличение исходной толщины пленки, затвердевающей с уменьшением объема, способствует появлению трещин в твердеющей пленке. Наличие множества разветвленных трещин пленка связующего снижает величину сил адгезии. Например, по данным А.М. Лясса, при изменении толщины пленки глинистой составляющей на кварцевой положке сила адгезии изменяется следующим образом:

Толщина глинистого слоя в мкм	21	105	145
Адгезия в Мн/м2	1,615	1,4	1,147

Оптимальная толщина пленки связующего, затвердевающего с уменьшением объема, зависит от физико–механических свойств связующего. Оптимальная толщина пленки связующих, применяемых в литейном производстве, составляет 10-50мкм.

Если физико – механические свойства связующего не изменяются с течением времени (например, песчано – глинистых смесях) или при затвердевании связующего не нарушается сплошность пленки, то величина адгезии практически не зависит от толщины пленки. Предел прочности смеси с повышением содержания связующего до определенного предела будет возрастать за счет увеличения площади контактов между частицами смеси единице объема.

Необходимо отметить, что в тонких пленках связующего, непосредственно прилегающих к склеиваемым поверхностям молекулы могут ориентироваться определенным образом, что увеличивает силы адгезии.

Величину сил адгезии и когезии можно регулировать введением в формовочную смесь нескольких связующих различного вида. Например, в зависимости от взаимодействия глинистой составляющей с вводимыми в смесь связующими адгезия последних либо возрастает, либо уменьшается.

Если в песчано-глинистую смесь вводят гидрофобное связующее (олифу, мазут, органические масла), то прочность смеси понижается вследствие того, что гидрофобные части молекул органических масел препятствуют проникновению воды к глине и уменьшают смачиваемость поверхности частиц формовочной смеси (частиц наполнителя). Напротив, связующие, способные к ионному обмену с глинистой составляющей, повышают прочность смеси. Согласно теории К. К. Гедройца высокодисперсная смесь нерастворимых алюмосиликатов (глины) способна поглощать основания Na⁺, K⁺, Li⁺ и т.д. в результате вытеснения ионов двух-трех и многовалентных металлов. Подобная замена способствует увеличению количества связанной воды и повышению коэффициента адсорбции глины на поверхности зерен кварца, следствием чего является упрочнение смеси.

Примерами ионообменных связующих могут быть Na₂CO₃, Na₂SiO₂, NaCl, Na₂P₂O₂ и т.д.