Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптимизация свойств формовочных смесей и красок на основе активированных глин с целью повышения качества отливок
1.1. Формовочные глины, их кристаллохимическое строение и свойства
1.2. Способы активации глинистых минералов с целью оптимизации их свойств
1.3. Влияние активности глин на свойства формовочных смесей, красок и качество отливок
1.4. Цели и задачи
Глава 2. Исследуемые материалы и методы оценки их свойств
2.1. Составы исходных материалов и методы оценки их свойств
2.2. Оборудование для механо- и механохимической активации глин
2.3. Разработка программа расчета на ЭВМ геометрических параметров сыпучих материалов
2.4. Выводы
Глава 3. Зависимость свойств каолиновых и бентонитовых глин от режимов механоактивации
3.1. Геометрические параметры частиц глин
3.2. Энергетические параметры глин
3.3. Расчетная активность частиц каолиновых и бентонитовых глин
3.4. Технологические параметры глин
3.5. Выводы
Глава 4. Зависимость свойств бентонитовых глин от режимов механохимической активации
4.1. Зависимость свойств бентонита от типа активатора и режимов обработки
4.2. Зависимость свойств бентонита с интенсификатором помола от типа активатора и режимов обработки
4.3. Оптимизация режимов активации глин с технологией «Изакт-процесс»
4.4. Выводы
Глава 5. Разработка составов формовочных песчано-глинистых смесей и противопригарных покрытий
5.1. Сухие песчано-каолиновые смеси
5.2. Сырые песчано-бентонитовые смеси
5.3. Водные противопригарные покрытия
5.4. Опытно-промышленные испытания разработанных составов смесей и водных противопригарных покрытий
5.5. Выводы 111
Общие выводы 112
Библиографический список 113
Приложения 123
- Влияние активности глин на свойства формовочных смесей, красок и качество отливок
- Разработка программа расчета на ЭВМ геометрических параметров сыпучих материалов
- Расчетная активность частиц каолиновых и бентонитовых глин
- Зависимость свойств бентонита с интенсификатором помола от типа активатора и режимов обработки
Введение к работе
Для повышения качества литых изделий и снижения брака по вине литейной формы, который составляет 70-80 % от всех видов брака, важное значение имеет выбор материалов и составов смесей и противопригарных покрытий с оптимальными свойствами. Песчано-глинистые смеси для сырых и сухих форм являются универсальными для любых видов литья металлов и сплавов. Они экологически чисты, не содержат дорогих и дефицитных компонентов, а при подборе освежающих компонентов легко восстанавливают свои свойства, благодаря чему находятся в постоянном обороте без регенерации. Однако с увеличением содержания глины в смесях увеличивается пригар на отливках, накапливается неактивная глина, что приводит к ухудшению рабочих свойств смесей.
В природном состоянии глины обладают различным кристаллохимическим строением основных минералов: монтмориллонита и каолинита. Высокомарочные каолиновые глины обеспечивают сухим смесям при достаточной прочности и высокую термостойкость, но для сырых форм, особенно для АФЛ, они не обеспечивают формовочным смесям высокую пластичность и прочность. Этим требованиям удовлетворяют качественные бентониты, но кристаллохимическая особенность строения монтмориллонита по составу обменных катионов вызывает необходимость дополнительной активации бентонита с целью перевода его из магниевого и кальциевого в натриевый, что способствует увеличению набухаемости, пластичности бентонита и прочности сырых форм.
В Красноярском крае сосредоточены значительные запасы каолиновых и бентонитовых глин. В настоящее время широко эксплуатируются месторождения каолиновых и бентонитовых (Кампановское и Кантатское) и бентонитовой (Черногорское) глин.
Ведутся постоянные исследования и разрабатываются новые технологии подготовки бентонитовых глин с целью повышения их качества и снижения расхода их в составах формовочных смесей, противопригарных покрытий. Однако до настоящего времени не проводились исследования по разработке комплексных способов активации в процессе подготовки глин различными натрийсодержащи-ми соединениями. Поэтому разработка способа механо- и механохимической активации глин Красноярского края является весьма актуальной проблемой, решение которой позволяет изменять энергию, геометрию и состав глинистых частиц; улучшать свойства формовочных смесей и противопригарных покрытий, что в итоге позволяет повышать качество отливок.
Целью работы является создание управляемых технологий, обеспечивающих повышение качества отливок на основе изучения закономерности влияния механо- и механохимической обработки глин на структуру и свойства песчано-глинистых смесей, противопригарных покрытий.
Научная новизна:
1. Выявлены зависимости диспергируемости и активности бентонитовых и каолиновых глин от режимов обработки в энергонапряженных мельницах планетарного типа;
2. Установлены зависимости геометрических и энергетических параметров бентонитовых глин от режимов их механохимической активации;
3. Определены зависимости свойств смесей от строения и активности глин; разработаны новые процессы приготовления формовочных смесей с механохими-чески активированными глинами;
4. Установлена эффективность применения комплексного способа активации по технологии «Изакт-процесс», позволяющего получать активированные глины и формовочные смеси с улучшенными свойствами.
Практическая ценность работы:
1. Определены рациональные режимы активации глин различного кристал-лохимического строения в АГО-2 с варьированием времени активации от 60 до 120 с в атмосфере воздуха при соотношении массы глины и мелющих тел 2:1, и постоянной скорости г)об=1500 об/мин, позволяющие получать механоактивирова-ные глины с улучшенными свойствами марок КСЗ(А), КМЗ(А), БМ2Т2(А) и БП1Т,(А);
2. Разработан комплексный способ механохимической активации кальциевых и магниевых бентонитов с модифицирующими натрийсодержащими соединениями;
3. Разработан процесс активации бентонита по технологии «Изакт-процесс» в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 с применением комплекса натрий-содержащих добавок;
4. Оптимизированы составы формовочных смесей для чугунного литья с механо- и механохимически активированными глинами, что обеспечивает повышение прочности смесей на 15-25 % в зависимости от свойств зернового наполнителя;
5. Разработана технология приготовления универсального активированного водного графито-бентонитового противопригарного покрытия с улучшенными свойствами для чугунного и цветного литья;
6. Разработано методическое и программное обеспечение для комплексной оценки качества сыпучих зерновых, дисперсных материалов и расчета их геометрических параметров на языке программирования Object Pascal в среде разработки Borland Delphi 7.0.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, содержащего 157 источников и 6 приложений. Основной материал изложен на 112 страницах, включая 31 таблицу и 45 рисунков.
Влияние активности глин на свойства формовочных смесей, красок и качество отливок
Оптимизировать требуемые свойства исходных компонентов (связующих, наполнителей), сокращать расход дефицитных материалов или заменять их более доступными можно различными методами активации, осуществляемой на стадии подготовки исходных материалов или приготовления смесей и покрытий.
Процессы подготовки материалов могут проводиться для физико-механических превращений в материалах (измельчение, смешивание, механические и физические способы активации) или с целью химических превращений (химическая и механическая активация, обогащение). Поэтому вклад отдельных факторов в общую активность рекомендуется оценивать для каждого конкретного материала [47-49].
К наиболее перспективным методам активации можно отнести следующие: химические, термические, физические (отдельное воздействие физических полей), химико-термические и комплексные методы [81].
Термообработка повышенными температурами позволяет удалить лишнюю свободную или адсорбционную влагу, кроме того, происходит релаксация напряжений в поверхностных слоях частиц, изменение цвета, что связано с минералогическим, физико-химическим составами и содержанием примесей [82-86].
Термическая активация бентонита осуществляется при температуре 150-300С, при этом удаляется межпакетная вода, в результате чего расстояние между частицами бентонита и поверхностью кварцевых зерен сокращается, электростатические силы притяжения возрастают, улучшая ориентацию частиц бентонита. Применение термоактивации в массовом производстве целесообразно лишь для таких процессов подготовки материалов, где предусматривается сушка.
Довольно широкое практическое применение нашли методы физического воздействия ультразвуком, электрическим и электромагнитными, комплексными полями на свойства жидких связующих, суспензий, красок. В основе физических способов лежит диспергация структурных составляющих и увеличение количества контактов между отдельными фазами. При этом теория физической активации развивается довольно успешно с позиций химических, дисперсных превращений [87-92]. Одним из эффективных направлений является активация мощными физическими полями формовочных материалов и смесей. Для повышения свойств низкосортных бентонитов их обрабатывают магнитным полем. Обработка суспензий бентонитов проводится в магнитном поле постоянного магнита. Опыты показали явное изменение свойств бентонитовых суспензий после их магнитной обработки. Однако для различных сортов бентонита эти изменения различны. Так, седиментационная устойчивость бентонитов низкого качества заметно возросла, тогда, как у высококачественных бентонитов она практически не изменилась или даже понизилась. Аналогичные результаты получены при изменении электрокинетического потенциала частиц, который находится во взаимосвязи с седиментационной устойчивостью. Наибольшее улучшение свойств после магнитной обработки происходит у наименее качественных бентонитов.
Связующая способность не является объективным показателем для оценки влияния магнитной обработки бентонитов, так как ее увеличение составило от 0 до 10 %. После магнитной обработки низкосортных бентонитов их влажность повышается примерно на 10 %, за счет освобождение части связанной воды.
Магнитная обработка наиболее сильно воздействует на низкосортные глины, которые имеют малое количество обменных катионов, т. е. такая обработка изменяет количество обменных катионов. Энергия магнитного поля увеличивает диссоциирующую способность катионов. При этом повышается потенциал частиц и увеличивается сила отталкивания между ними, а часть связанной воды переходит в свободную, что и вызывает соответствующие изменения технологических свойств смесей. У бентонитов высокого качества ионообменная способность велика, поэтому после магнитной обработки они мало изменяют свои свойства и свойства смесей.
При омагничевании воды, глинистых суспензий, жидкого стекла, органических связующих зависимость их физико-химических свойств от вида и мощности поля носит экстремальный характер. В результате электромагнитной обработки повышается плотность и седиментационная устойчивость глинистых связующих.
Ультразвуковая активация применяется для различных материалов: воды, глинистых суспензий, других связующих [93-96]. Под воздействием ультразвука частицы каолинита и монтмориллонита диспергируются в воде в большей степени, чем под действием химических веществ - пептизаторов. Глинистая суспензия при этом приобретает повышенную вязкость и седиментационную устойчивость. Ультразвуковая обработка компонентов дает наиболее стойкие и мелкодисперсные эмульсии, так как воздействие ультразвуковых колебаний на водные суспензии глинистых материалов способствует равномерному распределению компонентов. Ультразвуковую и звуковую обработку следует проводить при оптимальных В/Ц-отношениях и частотах [97-103].
Однако физические методы активации являются дополнительной операцией в технологических процессах, и требующей введения в технологические линии электрических или электромагнитных установок, ультразвуковых генераторов [49].
В первых работах по механической активации формовочных материалов предлагалось повышать потенциальные возможности наполнителей и связующих за счет увеличения интенсивности и продолжительности перемешивания смесей, что увеличивает дисперсность частиц материала или их удельную поверхность [7, 101].
В рациональных режимах механоактивация позволяет улучшить свойства исходных материалов и довести их до кондиционного композита, свойства которого будут удовлетворять требованиям ГОСТ и ТУ [107].
Механическая активация монтмориллонитовой глины осуществляется путем ее размола в различных мельницах, например в центробежных мельницах [106, 108], в дезинтеграторах-активаторах [108, 109]. Применение механической активации влечет увеличение удельной и обменной поверхности твердых частиц связующего, а также повышение количества активных связей. Активность материалов оценивается по технологическим свойствам смесей и красок.
Теоретически положения по механоактивации и механохимии разработаны В.В. Болдыревым [50], Е.Г. Аввакумовым [51], В.И. Молчановым [52], Г. Хайнике [53], П. Тиссеном [54], П.Ю. Бутягиным [55], Т.С. Юсуповым, А.С. Бергером [21], А.С. Колосовым [56], Х.Ф. Уркаевым [57], Л.И. Маминой [49] и многими другими учеными, занимающимися в настоящее время механоактивацией материалов с целью интенсификации различных технологических процессов. При обработке материалов механической энергией может усиливаться реакционная способность без изменения химического состава (механоактивация), а может изменяться состав и строение вещества (механохимия).
Вообще процесс активации определяется как изменение энергетического состояния, физического строения и химических свойств веществ под действием механических сил при обработке в энергонапряженных мельницах. Механоак-тивированые вещества характеризуются термодинамической неустойчивостью, меняются их термодинамические потенциалы (свободная энергия, энтальпия, энтропия) вследствие структурных преобразований [49-53].
Разработка программа расчета на ЭВМ геометрических параметров сыпучих материалов
Физико-химические свойства глин, как связующих, во многом определяются особенностями из взаимодействия с водой, поэтому было исследовано влияние времени активации на набухаемость, коллоидальность и водопоглоще-ние глин. Результаты исследований представлены на рис. 3.12-3.13.
Зависимость коллоидальности каолиновых глин от времени активации показана на рис. 3.12,а, из которого видно, что с увеличением времени активации до 60-90 с коллоидальность каолиновых возрастает, дальнейшее увеличение времени активации до 300 с приводит к снижению коллоидальности.
Коллоидальность бентонитовых глин увеличивается до 90-120 с активации, что можно объяснить увеличением активности частиц бентонитовых глин, а после 120 с начинается агрегация частиц.
На структуру глинистых суспензий значительное влияние оказывает кри-сталлохимическое строение глин [15, 49, 121, 155].
В каолиновых и бентонитовых глинах с увеличением времени активации кроме обычных стехиометрических (изовалентных) замещений развиваются не-стехиометрических (гетеровалентные) замещения, которые приводят к нарушению электронейтральности кристаллической структуры глин и появлению у нее избыточного отрицательного заряда, величина и распределение которого находится в прямой зависимости от характера замещений. Возникновение отрицательного заряда связано с тем, что ионы алюминия могут выступать в роли обменных катионов, компенсирующих отрицательный заряд решетки алюмосиликатов.
Четырехзарядный ион кремния в тетраэдрической сетке монтмориллонита может замещаться трехзарядным ионом алюминия (до 15 %). При замещении иона большей зарядности (Si4+) на ион меньшей зарядности (А 13+) возникает отрицательный заряд, равный единице. Увеличение величины электростатического заряда на поверхности частиц глин приводит к тому, что частицы становятся способны притягивать к себе большее количество молекул воды, в результате увеличивается структурная вязкость суспензии. Причем величина и знак заряда зависят не только от глубины структурных превращений, но и от свойств самих минералов. Возникновение электрических зарядов и накопление их на поверхности частиц материалов происходит в зависимости от различных факторов: за счет пьезоэффекта, контактного наведения заряда, появления заряженных областей в районе трещин, переноса зарядов к поверхности движущимися дислокациями, образования электрических двойных слоев. Возникающие электрические заряды в двух- и многокомпонентных системах, к числу которых относятся и глины различного кристаллохимического строения, определяют такие процессы как аутогезия и адгезия. Так как частицы глины в процессе механоактивации приобретают избыточный электрический заряд, то из четырех составляющих сил адгезии (кулоновской, электрической, молекулярной и капиллярной) определять адгезию будет кулоновская сила. Чем больше контактная разность потенциалов, тем большая доля в величине адгезии приходится на электрические силы.
С увеличением влагосодержания в системе увеличивается роль капиллярных сил в формировании адгезионной прочности между частицами. Из остальных сил только дальнедействующие кулоновские могут проявлять свое действие в зависимости от величины избыточного заряда на поверхности частиц. Чем большим становится зазор между частицами, тем меньше вероятность проявления сил молекулярного и электрического характера. Следовательно, под влиянием электрического поля атомов кислорода и гидроксильных групп решетки вода, находящаяся на поверхности структурных единиц глин, становится упорядоченной или ориентированной структурой.
В процессе активации коллоидальность возрастает: для КСЗ с 23,2 до 39,4 %, для КМЗ с 14,3 до 25,1 %, а для БМ2Т2 с 54,6 до 69,3 % и для БШТ, с 62,0 до 72,8 %. Более высокая дисперсность бентонитовых глин, совершенная спайность слоев и наличие ориентированной воды обусловливают коллоидальность в 2-3 раза больше, чем у каолиновых глин.
Влияние времени активации на набухаемость каолиновых и бентонитовых глин представлено на рис. 3.12, а, б. Видно, что набухаемость глин КСЗ и КМЗ увеличивается в 1,2-2 раза (рис. 3.12, а).
Большую набухаемость бентонитов по сравнению с каолиновыми глинами можно объяснить их минералогическим составом (рис.3.12, б). Каолинит имеет основное расстояние между слоями порядка 0,715 нм и обладает довольно большой прочностью связей между ними, которую обеспечивают водородные связи. Внешние грани кристаллов каолинита обладают малой адсорбционной способностью, но она сильнее проявляется на краевых участках кристаллов, в местах разрушений и дефектов решетки.
Тетраэдрические и октаэдрические сетки в пакете монтмориллонита связаны таким образом, что образуют один общий слой, на поверхностях которого располагаются вершины тетраэдров друг с другом за счет Ван-Дер-Вальсовых сил, поэтому связь между слоями слабая. Молекулы воды свободно проникают в межплоскостное пространство и раздвигают слои. Кристаллическая решетка монтмориллонита характеризуется избытком отрицательных зарядов, создаваемым в результате изоморфных замещений катионов. Возникающий дефицит положительных зарядов компенсируется обменными катионами, которые адсорбируются на поверхности и в межслоевом пространстве минерала [17, 151].
Частичная замена катионов кальция и магния на ионы натрия в бентоните способствует увеличению степени набухаемости, поэтому бентонит БШТ] обладает большей набухаемостью, чем бентонит БМ2Т2. Это можно объяснить тем, что гидратационная способность катионов натрия в 5 раз больше, чем гид-ратационная способность катионов кальция и магния.
Уменьшение степени набухаемости бентонитов после 120 с активации, вероятно, связно с изменением заряда двойного электрического слоя на поверхности частиц (пакетов) глины за счет высвобождения после активации катионов натрия [121].
В работе [155] отмечается, что молекулы воды хорошо вписываются в структуру тетраэдрической сетки и располагаются таким образом, что кислородный атом каждой молекулы обращен внутрь слоя, а протоны образуют водородную связь с атомами кислорода базального слоя. При этом не исключается возможность взаимодействия кислородного атома молекул воды с протоном внутрислойного гидроксила. С увеличением времени активации происходит не только смещение слоев друг относительно друга, но и разворот тетраэдров. С увеличением разворота тетраэдров происходит уменьшение размера дитриго-нальных ячеек по сравнению с идеальными гексагональными ячейками, молекулы воды могут не полностью погружаться в тетраэдрическую сетку. Такие молекулы воды не создают сплошного гидратного слоя, так как для образования водородной связи они слишком удалены друг от друга.
С другой стороны, на поверхности глинистых минералов существуют, по крайней мере, два вида активных адсорбционных центров, различающихся по энергии взаимодействия с молекулами воды. Первоначальная адсорбция воды осуществляется на наиболее активных центрах, к числу которых можно отнести поверхностные дефекты. На них образуется гроздевидная структура из молекул воды. После достижения определенного значения адсорбции пленка распространяется на свободную поверхность [151].
Действие поверхностных сил, исходящее от твердого тела, приводит к тому, что структура воды во многом повторяет структурный мотив поверхности адсорбента. Это явление представляет собой поверхностный псевдоморфизм, являющийся частным случаем эпитаксии.
В начальный момент осуществляется взаимодействие молекул воды с наиболее активными центрами адсорбции - координационно-ненасыщенными атомами боковых сколов и кислородными ячейками базальных поверхностей.
Расчетная активность частиц каолиновых и бентонитовых глин
Увеличение прочности смеси во влажном состоянии с увеличением времени активации природного или фабричного бентонита до 120 с можно объяснить тем, что согласно теории Гедройца [152], высокодисперсный бентонит способен поглощать более активные основания 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, вследствие чего увеличивается прочность смеси. Снижение прочности смеси при введении в нее природного или фабричного бентонита, активированного в течение 180 с, можно объяснить следующим. После активации в течение 120 с частицы бентонита начинают агрегатировать, что обусловлено Ван-Дер-Вальсовыми силами притяжения молекул поверхности частиц. Эти силы быстро уменьшаются с удалением частиц друг от друга. Для усиления этих сил необходимо расстояние между частицами порядка тысячных долей микрона. Снизить расстояние между частицами можно за счет увеличения дисперсности материала. А в результате активации размер частиц уменьшается, расстояния между ними в глинистой суспензии (обмазке) сокращаются и силовые взаимодействия между ними соответственно увеличиваются, что приводит к агрегатированию частиц даже в присутствии воды (рис. 5.5).
Таким образом, оптимальное время активации для бентонитовых глин определено по полученным результатам: 90-120 с. Полученные данные хорошо согласуются с установленными 120 с.
В работе [81 ] отмечается, что на каждый процент мелкой фракции дополнительно требуется вводить в среднем около 0,3 % воды. Была исследована зависимость прочности во влажном состоянии ПГС от содержания природного и фабричного бентонита при влажности смеси 3-5 %. Полученные результаты представлены на рис.5.6, анализ которых показал, что увеличение содержания природного бентонита с 5 до 9 % способствует повышению прочности в 2 раза. При замене природного бентонита на механоактивированный прочность повышается в 1,1-1,3 раза. При увеличении содержания активированного бентонита с 5 до 9 % прочность увеличивается в 1,2-1,4 раза.
Увеличение прочности смеси при замене исходного бентонита на активированный бентонит можно объяснить следующим образом. Если принять, что процессы упрочнения смесей происходят, главным образом, в поверхностных слоях, то они должны получить тем больше развитие, чем больше развита поверхность соприкосновения частиц. С увеличением времени активации бентонита происходит уменьшение среднего размера частиц и, как следствие, увеличение их поверхности, что и приводит к увеличению поверхности соприкосновения частиц бентонита и кварца, и следовательно, увеличивается прочность смеси.
Из рис. 5.6 видно, что увеличение влажности с 3 до 5 % приводит к увеличению сырой прочности в 1,5-2 раза. В работе [154] отмечается, что высокую прочность имеют смеси с влажностью, превышающей толщину слоя адсорбированной влаги. При влажности, превышающей количество, соответствующее «пленочному слою», прочность начинает снижаться и доходит до минимальной величины, после чего она снова повышается. Нами было установлено (гл. 3), что увеличение времени активации бентонита приводит к образованию новых поверхностей, в результате чего возникают оборванные связи. В результате происходит увеличение толщины слоя адсорбированной влажности на поверхности частиц бентонита за счет создания на поверхности двойного электрического слоя, способного притягивать дополнительные молекулы воды. В конечном итоге образуются более прочные мостиковые связи «бентонит - мостиковая связь -кварцевое зерно» и наблюдается увеличение прочности смеси во влажном состоянии (рис. 5.5).
Так, увеличение содержания природного бентонита с 5 до 9 % способствует повышению прочности в 2 раза. Замена природного бентонита на механоак-тивированный повышает прочность смеси в 1,1-1,3 раза. А повышение содержания активированного бентонита с 5 до 9 % приводит к увеличению прочности во влажном состоянии в 1,2-1,6 раз.
Полученные зависимости хорошо согласуются с экспериментальными и расчетными данными, полученными при исследовании геометрических и энергетических параметров природного и фабричного бентонита: после активации в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 в течение 90-120 с, как показано в главе 3, частицы природного и фабричного бентонита достигают максимальной активности.
Как показано в главе 4, использование натрийсодержащих соединений в качестве модифицирующих добавок при активации бентонита в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 позволяет повысить в 1,5-2 раза его технологические свойства. Поэтому было исследовано влияние влажности смеси и количества активированного с различными модифицирующими добавками бентонита на прочность смеси во влажном состоянии. Результаты работы представлены на рис. 5.7, из которого видно, что использование в составе смесей глин, активированных с добавками (Ыа2РзОю; Na4P207 -10Н2О; Ыа2СОз), позволяет регулировать прочность формовочной смеси во влажном состоянии. Анализ полученных графиков позволяет сделать вывод, что с увеличением содержания бентонита, активированного с натрийсодержащими добавками Na2P3Oio и Na4P207 -10Н2О для Нижне-Игашского и Игирминского песков при различной влажности смеси, прочность увеличивается. Это можно объяснить тем, что замена частиц многовалентных ионов кальция, магния на одновалентный ион натрия увеличивает электрокинетический потенциал бентонита, в результате возрастает толщина гидратной оболочки глинистых частиц, обработанных солями натрия. Это приводит к разрыву связей между частицами глины или к так называемой ионной пептизации, в результате которой дисперсность глины увеличивается, что обуславливает также повышение ее коллоидальности и связующей способности. Кальциевые глины распадаются на более крупные частицы, а натриевые - на более мелкие. Поэтому на поверхности зерен песка натриевые глины образуют более однородную глинистую пленку, которая и придает смеси высокую прочность.
С другой стороны, как видно из рис. 5.7, прочность смеси зависит от ее влажности и от качества песка. Как отмечалось выше, Нижне-Ингашские пески относятся к тощим и смеси на их основе обладают большей прочностью во влажном состоянии, чем смеси на основе кварцевого песка Игирминского месторождения. Увеличение содержания воды в составе песчано-бентонитовой смеси на кварцевом песке и активированном механохимическим способом бентоните приводит к более существенному увеличению прочности, чем при использовании в составе смеси песка Нижне-Ингашского месторождения.
Необходимо отметить, что при использовании в смеси Нижне-Ингашского песка при влажности 3 % прочность увеличивается в 1,5 раза; при влажности 4 % увеличивается в 2,5-3 раза, а при влажности 5 % до 2,5-4 раз. При использовании в смеси Игирминского песка при влажности 3 % прочность увеличивается в 1,3-1,5 раз, а при влажности 4 % в 1,2-1,4 раза, при влажности 5 % в 1,2-1,4 раза.
Использование в смеси Игирминского песка при влажности 3 % с увеличением содержания бентонита, активированного с натрийсодержащими соединениями, прочность смеси во влажном состоянии возрастает в 1,5-1,8 раз, при влажности 4 % в 1,7-2,6 раз, при влажности 5 % в 2,5-3 раза.
Зависимость свойств бентонита с интенсификатором помола от типа активатора и режимов обработки
Анализ микроструктуры отливки, полученной по разработанной технологии, показал, что границы зерен прямолинейны и имеют полиэдрическую форму с плоскими гранями. Это объясняется тем, что зародыши образовывались одновременно и росли с одинаковой скоростью; в противном случае границы были бы гиперболическими. Кристаллизация проходила при медленном охлаждении на воздухе. В обоих случаях сталь имеет феррито-перлитную структуру. В структуре заводского образца перлит имеет грубопластинчатую форму с несколькими областями доэвтектоидного феррита, расположенного вокруг неметаллических частиц (предположительно формовочной смеси). В разработанном образце содержится гораздо более тонкопластинчатый перлит с ферритными границами зерен, а также меньшее количество неметаллических включений.
Следует отметить, что на формирование структуры поверхности отливки, полученной по разработанной технологии, оказало действие присутствие активированного каолина в составе песчано-глинистой смеси. Акт испытаний формовочных смесей на ОАО «АОМЗ» представлен в Приложении 3 и 4.
Испытание водных противопригарных покрытий. Испытания покрытий проводили на отливке «Корпус» из чугуна марки СЧ20, с максимальной толщиной стенки 7,5 мм. В ходе испытаний была проведена окраска 80 стержней из смеси с комплексным связующим (ЛСТ + БШТі). Состав стержневой смеси приведен в табл. 5.7.
По заводской технологии предусмотрена сушка стержней при температуре 200-250С. Для производственных испытаний были выбраны покрытия с оптимальными свойствами, в состав которых был введен бентонит механоактиви-рованый - БМ2Т2(МА120) и механохимически активированный - БМ2Тг (МХА 120). Испытание разработанных активированных покрытий проводили в сравнении с покрытиями на бентоните, поставляемом ОАО «Хакасский бентонит» -БП1 Ті.
Характеристика опытных отливок представлена в табл. 5.8. Состав и свойства противопригарного покрытия для чугунного литья представлены в таблице 5.9. Окраска стержней проводилась в один слой методом распыления. Фотографии поверхностного слоя и отливок, окрашенных краской разработанного состава, представлены на рис. 5.11.
Была исследована структура металла отливок, изготовленных по заводской и разработанной технологии. Образцы для приготовления шлифов для исследования структур были взяты с поверхностного слоя отливок на расстоянии до 5 мм от поверхности отливки.
По ГОСТ 3443-87 форму включений графита в образцах можно классифицировать как ПГф1 (пластинчатая прямолинейная) по шкале принадлежит к типу А. Пластинки графита однородно распределены без предпочтительных ориентации; относительно длинные и прямые, со средней скрученностью. Это является свидетельством содержания кремния и фосфора. При кристаллизации металла в результате нормального эвтектоидного распада аустенит распался на феррит, графит и перлит. Это означает, что основа структур является феррито-перлитной. Перлит в отливке, полученной по разработанной технологии, имеет гораздо более тонкопластинчатую форму, чем участки перлита в отливке по заводской технологии.
Графито-бентонитовые покрытия с активированным бентонитом различных марок имеют прочность в 2 раза больше по сравнению с аналогом, седимен-тационную устойчивость выше на 5-Ю %, термостойкость на 20-30 % при снижении расхода сухих компонентов на 15-20 %. Анализ качества отливок с окрашенными стержнями показал, что использование в покрытии активированного бентонита позволяет улучшать качество отливки со стороны стержня, способствует снижению шероховатости поверхности отливок с Rz 40 до R2 20. При этом соответственно уменьшаются и затраты на механическую обработку отливок. Отливки, полученные с использованием неокрашенных стержней, имели очень сильный пригар, который с большим трудом удалялся пневмозубилом, иногда вместе с металлом тела отливки; пригаром была покрыта практически вся внутренняя полость отливки. Акт испытаний водных противопригарных покрытий на ОАО «АОМЗ» представлен в 1. Оптимизированы составы формовочных смесей с механохимически активированным в рациональных режимах бентонитом, которые имеют прочность на 15-25 % выше. 2. Разработана технология приготовления универсального водного графито-бентонитового противопригарного покрытия с улучшенными свойствами для чугунного и цветного литья с активированным бентонитом, прочность которого в 2-3 раза больше, седиментационная устойчивость 100 %, при снижении расхода сухих компонентов на 15-20 % и затрат на механическую обработку отливок на 15-20 %. 3. Оптимизированы составы смесей и покрытий с механохимически активированными глинами, которые опробованы и приняты к внедрению на предприятиях Красноярского края. Получены акты производственных испытаний смесей и покрытий для чугунного и стального литья; изготовлено 1792 шт. отливок, общим весом 11109 кг. Акты промышленных испытаний имеются в Приложениях.
