Формовочные глины

Литейными формовочными глинами называются горные породы, состоящие в основном из тонкодисперсных частиц водных алюмосиликатов, приобретающих при добавлении воды связующую способность и обладающих термохимической устойчивостью, достаточной для того, чтобы образовывать прочные и не пригорающие к отливке формовочные смеси.

По своему происхождению глины подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные - остаточные глины разложения - образовались в результате разложения кристаллических горных пород или выпадения из водных растворов, содержащих глинозем и кремнезем, и остались на месте образования.

Вторичные глины образовались путем выпадения из водных растворов и перенесения с места своего образования в районы залегания.

Состав глин, образовавшихся в результате разрушения горных пород, зависит от пород и степени кислотности или щелочности, характеризуемой концентрацией водородных ионов (рН). В кислой среде (рН< 7) образуются каолинитовые, в щелочной (рН> 7) - монтмориллонитовые глины. Формовочные глины являются минеральным связующим в формовочных смесях.

Минералогический состав глин определяют с помощью рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа.

Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих Al₂О₃, зерен кварца Si0₂ и небольшой примеси некоторых других минералов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые.

К каолинитовым относятся глины, содержащие в основном минерал каолинит (см. рис. 31) Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O, его плотность 2, 580-2, 600 кг/м³, температура плавления 1750-1787°С. Название минерала происходит от названия местности Као-лин в Китае, где он впервые был обнаружен. При нагреве каолинит претерпевает превращения: при 100-140°С удаляется гигроскопическая вода, при 400-700°С теряется конституционная (химически связанная или кристаллогидратная) вода и глина превращается в шамот, не претерпевающий в воде никаких изменений. Каолинит переходит в метакаолинит (Al₂O₃ · 2SiO₂), и глина теряет связующую способность. При 900-1050°С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al₂O₃ и SiO₂. При 1200-1280°С из свободного глинозема и кремнезема образуется минерал 3Al₂O₃ · 2SiO₂ (муллит), что сопровождается также эндотермическим эффектом.

Каолинитовые глины находят широкое применение в литейном производстве и особенно при изготовлении форм для отливки стальных и чугунных деталей.

Каолинитогидрослюдистые глины представляют собой промежуточные продукты разложения от слюд к каолиниту. По своему химическому составу и физическому состоянию эти минералы непостоянны.

Химический состав слюд K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O с температурой плавления 1150-1400°С.

В зависимости от содержания H₂O некоторые слюды относятся к гидрослюдам и очень часто составляют значительный процент (до 30%) каолинитовых глин.

Ocновой бентонитовых глин (от назв. г. Форт-Бентон, шт. Монтана, США, в районе которого впервые была обнаружена эта глина) является минерал монтмориллонит Al₂O₃ · 4SiO₂ · H₂O · nH₂O (см. рис 33). В нем возможна замена некоторой части Al³⁺ на Mg²⁺, а Si⁴⁺ - на Al³⁺ (минерал назван по имени местности Монтморийон во Франции).

Ocобенноcтью монтмориллонита является способность расширяться в направлении одной из кристаллографических осей. Эти свойства позволяют проникать ионам Н⁺ и OH ^- внутрь кристаллической решетки, что ведет к значительному, до 16 раз, набуханию глины. Температура плавления монтмориллонита - 1250-1300°С. Монтмориллонит гигроскопичен, то есть способен поглощать влагу из воздуха.

Рис. 48 Микропористая структура глин, увеличение × 20000.

При нагревании до 100-150°С из него удаляется гигроскопическая, а также межслойная вода (H₂O); при 600°С он теряет способность набухать в воде. При температуре 735-900°С происходит раз рушение кристаллическом решетки монтмориллонита и превращение его в аморфное вещество.

В глинах обычно присутствует кварц SiO₂, от нескольких долей до 50%; являясь инертным материалом, он снижает связующую способность, пластичность, усадку и увеличивает газопроницаемость. Кроме того, в глинах присутствуют гидраты оксидов железа, карбонаты в виде кальцита, магнезита, доломита, сидерита, гипса, которые являются вредными примесями.

Глина является связующим материалом в формовочных и стержневых смесях. Обволакивая зёрна песка, она связывает их друг с другом и, таким образом, придаёт смеси необходимую прочность и одновременно пластичность. Пластичность глины объясняется её строением: в отличие от песка глина состоит не из зёрен, а из мелких пластинок или чешуек. Глиной, как уже было отмечено, принято считать частицы размером не более 0, 020 мм (20 мк). Связующие свойства глины увеличиваются с уменьшением её частиц – с увеличением её дисперсности. Наиболее ценными в глине являются частицы размером до 0, 0001 мм, которые при смачивании водой переходят в желеобразное состояние (гель). Эти частицы составляют основу высококлейких бентонитовых глин. Коллоидный раствор при потере растворителя переходит в студенистое состояние, а затем превращается в твёрдый гель, который содержит некоторое количество растворителя и окружает зерно оболочкой. Даже небольшое количество глины с большим содержанием коллоидной составляющей придает смеси высокую прочность. Для формовочных и стержневых смесей это очень важно, так как обычная глина, присутствуя в смеси в нужном количестве для получения нужных пластичности и прочности, одновременно снижает газопроницаемость, податливость. Это обстоятельство заставляет сокращать количество глины в смесях до минимума и наряду с этим использовать глины с максимальными связующими свойствами.

Формовочная смесь должна иметь определённую структуру (см. рис. 49). Между зёрнами песка, покрытыми тонким слоем глины, должны оставаться зазоры для выхода газов и водяного пара, образующихся при заливке формы расплавом.

Рис. 49 Структура формовочной смеси.

1 – зерна песка; 2 – пленка связующего материала; 3 – пора; 4 – специальные добавки.