В литейном производстве применяются глины нескольких минералогических групп. Главные породообразующие минералы, определяющие свойства материала — каолинит и монтмориллонит. Каолинит характеризуется плотной кристаллической решеткой, в которой частицы прочно связаны между собой. Из-за этого вода практически не проникает внутрь структуры, и набухание каолинита незначительно.
Совершенно иначе ведёт себя монтмориллонит — основной минерал бентонитовых глин. Его кристаллическая решетка способна расширяться, а расстояние между частицами может существенно увеличиваться. В результате при контакте с водой объём монтмориллонита возрастает в несколько раз. Помимо этих главных минералов, в составе глин присутствуют примеси: кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты и гидроксиды железа .
Согласно ГОСТ 28177, формовочные огнеупорные глины поставляются в комовой (содержание глинистой составляющей не менее 75 %) или порошкообразной форме. Порошок упаковывают в бумажные пяти-шестислойные мешки массой нетто до 50 кг.
Основные свойства и характеристики формовочных смесей
Свойства формовочных глин определяют качество будущих отливок. Специалисты оценивают материал по параметрам:
- Пластичность и связующая способность. Глина должна образовывать с водой пластичную массу, способную удерживать форму после уплотнения. Связующая способность определяется минералогическим составом и содержанием тонкодисперсной фракции. Бентонитовые глины, как правило, обладают более высокой связующей способностью по сравнению с каолинитовыми.
- Прочность. Различают прочность формовочной смеси во влажном и сухом состоянии. Эти показатели регламентируются действующими стандартами и техническими условиями. В зависимости от требуемых параметров глины подразделяются на марки по прочности и связующей способности.
- Газопроницаемость. Способность формовочной смеси пропускать газы, образующиеся при заливке металла. Если газы не будут удаляться из формы, в отливке появятся газовые раковины. Газопроницаемость напрямую зависит от зернового состава песка и количества глинистой связки.
- Огнеупорность. Глина должна выдерживать высокие температуры расплавленного металла, не расплавляясь и не спекаясь. Для стального литья, где температуры выше, чаще используют каолинитовые глины с высокой огнеупорностью.
- Коллоидальность и обменная способность. Для бентонитовых глин важным параметром является способность к набуханию и обмену катионами. Эти характеристики определяют активность глины в формовочной смеси и её устойчивость при многократном использовании.
Классификация и виды формовочных глин
По минералогическому составу
В зависимости от минерального состава формовочные глины разделяют на три основных вида :
- Бентонитовые глины (Б). Основной минерал — монтмориллонит. Отличаются высокой связующей способностью и термохимической устойчивостью. При преобладании в обменном комплексе Na⁺ и K⁺ бентонитовые глины называют натриевыми; при преобладании Ca²⁺ и Mg²⁺ — кальциевыми или кальциево-магниевыми.
- Каолиновые и каолино-гидрослюдистые глины (К). Более огнеупорны, но менее пластичны, чем бентонитовые.
- Полиминеральные глины (П). Смешанного состава, где чётко не выражен преобладающий минерал.
По прочности и связующей способности
По прочности во влажном состоянии и связующей способности в сухом состоянии выделяют следующие марки:
|
Обозначение марки |
Прочность во влажном состоянии |
Связующая способность в сухом состоянии |
|
П1 |
Прочная |
Высокосвязующая |
|
П2 |
Прочная |
Среднесвязующая |
|
П3 |
Прочная |
Малосвязующая |
|
С1 |
Среднепрочная |
Высокосвязующая |
|
С2 |
Среднепрочная |
Среднесвязующая |
|
С3 |
Среднепрочная |
Малосвязующая |
|
М1 |
Малопрочная |
Высокосвязующая |
|
М2 |
Малопрочная |
Среднесвязующая |
|
М3 |
Малопрочная |
Малосвязующая |
Глины подразделяются на марки в зависимости от показателей прочности формовочной смеси во влажном и сухом состоянии. Конкретные требования к значениям устанавливаются действующими стандартами и техническими условиями предприятия.
По способу поставки
В соответствии с нормативной документацией формовочные огнеупорные глины поставляются:
- в комовом (природном) виде;
- в порошкообразном виде после сушки и измельчения.
Применение формовочной глины в промышленности
Основная область применения формовочных глин — бентонит для литейного производства. Здесь их используют в качестве минерального связующего в составе формовочных и стержневых смесей, а также в противопригарных покрытиях . Типичная формовочная смесь состоит из кварцевого песка (основа), глины (связующее), воды и специальных добавок.
В зависимости от назначения смеси делятся на несколько типов:
- Облицовочные — непосредственно контактируют с расплавленным металлом и должны обладать наивысшими свойствами.
- Наполнительные — служат для заполнения остального объёма формы.
- Единые — используются для всей формы при машинной формовке.
Бентонитовые глины имеют значительное технологическое преимущество перед обычными огнеупорными глинами. Благодаря высоким связующим свойствам их достаточно вводить в смесь в небольшом количестве. Такие песчано-бентонитовые формы обладают высокой газопроницаемостью и прочностью, что позволяет заливать металл в сырые формы сразу после изготовления.
При приготовлении формовочных смесей огнеупорная глина используется в виде сухого порошка или водной суспензии. Применение суспензии позволяет исключить операции сушки и размола глины, однако она пригодна только для наполнительных и единых смесей. В облицовочных и стержневых смесях использование суспензии может вызвать переувлажнение, поэтому для них применяют глину в пылевидном состоянии. Бентонит подается в смешивающее устройство в сухом виде и в виде водной суспензии (бентонитовые шликеры).
Помимо литейного производства, формовочные глины применяются:
- В керамической промышленности — для изготовления огнеупорных изделий.
- В строительстве — как компонент растворов и специальных смесей.
- В скульптуре — в качестве материала для моделей.
Как правильно выбрать и подготовить формовочную глину к работе
Выбор глины определяется конкретными производственными задачами. Основные критерии выбора:
Тип сплава. Для стального литья, требующего высоких температур, выбирают огнеупорные каолинитовые глины. Для цветных металлов и чугуна подходят бентонитовые глины, которые обеспечивают хорошее качество поверхности.
Требуемая прочность. В зависимости от необходимых показателей прочности во влажном и сухом состоянии выбирают соответствующую марку глины из классификации П1-П3, С1-С3 или М1-М3 .
Технология формовки. При машинной формовке важна стабильность свойств смеси, поэтому предпочтительнее использовать бентонитовые глины с высокой коллоидальностью. При ручной формовке допустимы более простые составы.
Подготовка глины к работе включает несколько обязательных этапов :
- Сушка. Свежие формовочные материалы требуют сушки. Глину сушат в горизонтальных барабанных сушилах непрерывного действия при температуре 350-400°С до влажности 2-3% . Согласно ГОСТ 3226-93, массовая доля влаги в порошкообразных формовочных глинах должна составлять 6,0-10,0% .
- Дробление и размол. Для получения глиняного порошка сырую огнеупорную глину сначала дробят в зубчатых вальцах, затем сушат и размельчают в специальной мельнице (шаровой или молотковой) .
- Просеивание. Просушенный материал просеивают на механических ситах для отделения крупных частиц и посторонних примесей . По гранулометрическому составу порошкообразные глины должны иметь остаток на сите с размером ячеек 0,4 мм не более 3,0%, на сите 0,16 мм — не более 10,0% .
Регенерация отработанных смесей. Отработанные формовочные смеси могут быть повторно использованы после соответствующей обработки. Процесс регенерации включает :
- разминание комьев после выбивки
- отделение металлических частиц (магнитная сепарация)
- просеивание на механических ситах
- охлаждение
Существуют различные способы регенерации. Один из таких методов — термическая обработка отработанной смеси при температуре 200-300°С (термоудар). При таком режиме происходит отделение от зерен песка мелкодисперсных частиц шамотизированной глины. Это позволяет значительно сократить расход свежей глины при повторном использовании смеси, однако, следует учитывать, что бентонит деградирует при многократном нагреве выше 500–600 °C.
Для приготовления качественных формовочных смесей необходимы точная дозировка исходных материалов и тщательное перемешивание. Для смешивания используются бегуны с вертикальными или горизонтальными катками, а также шнековые смесители. После смешивания рекомендуется вылеживание готовой смеси для выравнивания влажности по всему объему.