Формовочные материалы (стр. 8 )

3.4.4. Циркон

Циркон – природный минерал, химическая формула ZrO2×SiO2. В природных цирконовых песках кроме циркона содержатся и другие минералы: кварц, рутил, дистен, ильменит, оксиды железа.

С целью увеличения содержания циркона цирконовые пески обогащают до получения так называемого цирконового (обезжелезенного) концентрата, в котором содержится не менее 65% ZrО2 и не более 0,5% ТiО2, 0,1% Fe2О3, 0,1% Al2О3, 0,15% P2О5.

Циркон имеет высокую огнеупорность – не ниже 1600°С (при
допустимом содержании примесей), малый температурный коэф-
фици­ент объемного расширения (0,003), высокие плотность (4600–4700 кг/м3) и теплопроводность. Он применяется в основном для приготовления противопригарных красок для стального литья, иногда для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям и в оболоч­ковые формы.

3.4.5. Оливин

Оливин представляет собой изоморфную смесь форстерита и фая­ли­та. Химическая формула его MgО·FeО·SiО2 (MgО – 23%, FeO – 42 и SiO2 – 35%). Температура плавления форстерита MgО·SiО2 – 1900°С, фаялита – 2FeO·SiO2 – 1200°С. Температура плавления оливина
зависит от соотношения содержания оксидов магния, железа и со-
держания кварца. Поэтому оливин необходимо применять с минимальным содержанием оксидов железа и не смешивать с кварцевым песком. Нежелательной примесью в оливине яв­ляется серпентин 3MgO·2SiО2·2Н2О.

Горные породы, содержащие свыше 80% оливина, называют оливинитами, а породы, содержащие 60–80% оливина, – дунитами. Оливин применяют для облицовочных формовочных смесей при изготовлении крупных стальных и чугунных отливок, что позволяет полу­чать их с более чистой поверхностью, чем при использовании кварце­вого песка. Кроме того, использование оливина, в отличие от кварца, не вызывает заболевания рабочих силикозом.

3.4.6. Дистен-силлиманит

Дистен-силлиманит содержит дистен и силлиманит, являющиеся модификациями одного и того же вещества (формула Аl2O3·SiO2),
но имеющие различную кристаллическую структуру. Структура дистена не претерпевает изменений при нагреве до 1300°С, а силлимани­та – до 1545°С. Плотность дистен-силлиманита 3200–3500 кг/м3.

Химический состав дистен-силлиманитового концентрата следу­ю­­щий, %: не менее 57 Аl2O3, не менее 39 SiO2, не более 1,0 TiO2, не бо­лее 0,8 Fe2О3, не более 0,2 СаО, не более 0,2 Na2О + К2О, 0,4 MgО и 1– 2 ZrО2.

Дистен-силлиманит применяется в противопригарных красках для стального литья.

3.4.7. Шамот

Шамот получают путем обжига огнеупорной глины до спекания. Химический состав шамота различный и зависит от соотношения SiO2 и Аl2О3. Чем больше в шамоте содержание Аl2О3, тем выше его огнеупорность. Шамоты бывают кислые (SiО2:А2О3 > 4), нормаль­ные (SiО2:А12О3 = 2...4), глиноземистые (SiО2:Аl2O3 < 2).

Чистый Аl2O3 (корунд) имеет температуру плавления (2047±8)°С, а шамот (в зависимости от класса) – 1580–1750°С.

Химический состав шамота, %: 30–45 А12О3; 54–70 SiO2; 4–7 ТiO2, Fе2О3, СаО, MgО, K2O, Na2O.

Основным преимуществом шамота по сравнению с кварцевым пес­ком является малое тепловое расширение, поэтому на отливах не образуется таких дефектов, как ужимины. Шамот дороже кварцевых песков. Он иногда применяется для изготовления форм многократ­ного использования несложной конфигурации и при формовке по сухому для изготовления средних и крупных стальных и чугунных отливок.

В литейных цехах из других алюмосодержащих материалов приме­няются муллит и корунд.

Корунд Аl2О3 – минерал синего цвета (сапфир) плотностью 4000 кг/м3. В технике применяется синтетический корунд, получаемый плавлением боксита или чистых глин, богатых оксидом алюминия. Для ускорения обжига применяют добавки 1–2 % TiO2, который об­разует с корундом твердый раствор и ускоряет рост кристаллов корунда. Синтетический корунд содержит до 95% Аl2О3 и характеризуется наилучшими свойствами: огнеупорностью, термостойкостью при резких изменениях температуры, химической стойкостью и отсутст­вием объемных изменений. Чистый Аl2О3 применяется для изготов­ления форм при литье по выплавляемым моделям и в качестве напол­нителя противопригарных красок для стального литья.

Муллит 3Аl2О3 · 2SiО2 – высокоогнеупорный материал, получае­мый путем сплавления каолина с корундом, применяется для изготов­ления форм при литье по выплавляемым моделям. В ряде случаев применяют и другие высокоогнеупорные наполнители формовочных смесей и противопригарных красок – рутил ТiО2, графит, шунгит.

3.5. Рекомендации по применению
свежих формовочных песков

С учетом содержания вредных примесей, понижающих ог­неупорность и противопригарную способность смесей, реко­мендуется применять пески следующих групп: для крупного стального литья – 1К1–2, для среднего и мелкого стального, а так­же для крупного и среднего чугунного литья – 2К1–3, для сред­него и мелкого чугунного литья, а также для всего цветного литья – 3К1–4, для мелкого несложного чугунного и всего цвет­ного литья – 4К1–5.

Тощие и жирные пески применяют для изготовления песчано-глинистых формовочных смесей для мелкого литья из чугуна и цветных сплавов. Для стального литья жирные пески не рекомендуются, так как в них содержится большое количество вредных примесей.

С учетом зерновой структуры грубые пески группы 063 в литейном производстве не применяются, так как они образу­ют шероховатую поверхность отливок. Очень крупный и круп­ный песок групп 04 и 0315 используется при получении чугун­ных и стальных отливок массой свыше 1000 кг. Средний песок группы 02 рекомендуется для мелкого и среднего литья из чугуна и стали. Мелкий и очень мелкий пески групп 016 и 01 применяются при изготовлении тонкостенных чугунных и стальных отливок, а также отливок из цветных сплавов. Тощий песок группы 0063 применяется при производстве индиви­дуальных поршневых колец и других тонкостенных отливок.

Обогащенные пески с низким содержанием глинистой составляющей (до 1,0%) рекомендуется исполь­зовать для изготовления форм и стержней по холодной и го­рячей оснасткам, из самотвердеющих смесей и прессованием под высоким давлением. Наиболее эффективными методами улучшения качества песков являются: гидравлическая обра­ботка песка при высокотемпературной сушке, гидравлическая обработка с оттиркой и термическая обработка. Термиче­ская обработка песка при высокотемпературной сушке (700– 850оС) в специальных установках с “кипящим слоем” при вихревом потоке горячего газа позволяет снизить способность кварцевого песка к расширению и растрескиванию.

Кварцевый песок остается основным формовочным мате­риалом во всех странах, несмотря на наличие месторождений оливинового, хромитового и других материалов. Использова­ние высококачественных классифицированных кварцевых песков имеет технико-экономические преимущества.

В отдельных случаях при индивидуальном и мелкосерий­ном производстве отливок целесообразна замена кварцевых песков некварцевыми. Так, например, смеси на основе хромитовых песков при литье стали дают возможность устранить механический пригар и улучшить качество поверхности отли­вок. Загрязнение хромитового песка кварцевым недопустимо из-за образования при высокой температуре жидкой фазы, ко­торая ухудшает противопригарные свойства смеси. Формы для крупных отливок необходимо окрашивать. Эффективная регенерация хромитовой смеси достигается в специальной ка­мере с последующей сушкой, воздушной и магнитной сепара­цией.

Применение хромита в совокупности с бентонитом для чу­гунного литья обеспечивает получение чистой поверхности отливок без добавки в смесь каменноугольной пыли.

4. Формовочные глины

4.1. Происхождение глин

Литейными формовочными глинами называются горные породы, состоящие в основном из тонкодисперсных частиц, водных алюмосиликатов, обладающих связующей способностью и термохимической устойчивостью, достаточной для того, чтобы в определенных условиях 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.

4.2. Минералогический состав формовочных глин

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

Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих Al2O3, зерен кварца и небольшой примеси некоторых других минералов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые.

К первой группе относятся глины, содержащие в основном минерал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O, его плотность 2,580–2,600 кг/м3, температура плавления 1750–1787°С. При нагреве каолинит претерпевает превращения: при 100–140°С удаляется гигроскопическая вода, при 400–700°С теряется конституционная (химически связан­ная) вода и наблюдается эндотермический эффект. 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 для отливок стальных и чугунных деталей.

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