Процессы формирования прочности песчаных формовочных и стержневых смесей

В настоящее время до 75 % отливок получают в песчано-глинистых формах, примерно половина из которых не подвергается сушке. Все формы должны обладать той или иной конструктивной прочностью. На прочность песчано-глинистых форм в сыром состоянии влияют следующие основные факторы: качество и количество связующего (бентонита, огнеупорной глины), генезис, состав и состояние поверхности наполнителя (кварцевого песка): химическая природа и количество технологических добавок; содержание влаги и степень уплотнения смеси.

Прочность смесей является интегральной характеристикой сложного физико-химического взаимодействия различных компонентов смеси между собой. Прочность синтетических песчаноглинистых смесей определяется силами Ван-дер-Ваальса, которые складываются из сил притяжения (ориентационных, индукционных и дисперсионных) и составляет 75-80 % от общей прочности; капиллярными силами, а также водородными связями и донорно-акцепторным взаимодействием. Водородные связи возникают непосредственно между гидроксильными группами наполнителя (кварцевого песка), а также между ними и слоями атомов базальных поверхностей глинистых частиц связующего.

В формировании прочностных контактов в песчано-глинистых смесях при формообразовании важную роль играет блок глинистых минералов, а не отдельная пластинка бентонита. Для отделения одной пластинки от другой требуются затраты большого количества энергии. Энергия химической связи изменяется в пределах 159-400 кДж/моль, водородной связи 8-40 кДж/моль и межмолекулярного взаимодействия 5-15 кДж/моль.

Согласно электронно-микроскопическим исследованиям, толщина пленки бентонита незначительна по сравнению с ее длиной и шириной. Блок состоит из ряда пластинок, расположенных параллельно одна с другой, и их свойства предопределяют связующую способность пакета в целом. Такое строение бентонита позволяет объяснить процесс образования связи между зернами в песчаноглинистых смесях. Химическая активность блока связана с действием неуравновешенных электрических сил. Воздействие этих сил создает способность блока пластинок удерживать большое количество молекул воды, проникающих в пространство между пластинками; связь между пластинками остается достаточно прочной, если в пространство между ними попадает не более трех слоев молекул воды. В противном случае связь нарушается и может произойти смещение пластинок относительно друг друга. Со всех четырех сторон блока действуют неуравновешенные молекулярные силы, а к верхним и нижним пластинкам приложены электрохимические силы. Таким образом, два типа сил,

Антошкина Е.Г., Смолко В.А.

молекулярные и электрохимические, воздействующие на блок, обеспечивают связь между блоками и поверхностью зерен песка. Молекулярные силы обеспечивают связь между блоками пластинок, а электрохимические - между блоком и поверхностью зерна.

Прочность связи между блоками и зернами песка зависит от влажности смеси. При наличии между пластинками более трех слоев молекул воды происходит ослабление электрохимических сил, что приводит к отслоению блока от поверхности зерна. Это сопровождается переориентацией и соединением соседних пакетов с помощью молекулярных сил, так происходит образование волокнистой цепочки (блоба) бентонита между зернами песка в массе смеси. При низкой влажности электрохимические силы прочно удерживают блок пластинок на поверхности зерен песка, а увеличение продолжительности перемешивания смеси усиливает эффективность обволакивания зерна при деформации его блочной структуры, что способствует образованию чешуйчатого типа оболочек на зернах песка.

Для синтетических песчано-глинистых смесей важным фактором формирования прочности является соотношение между двумя видами связи: через гидратную воду (мостиковую связь) и через водные оболочки, находящиеся в поле действия электростатических сил (поверхностную связь).

С учетом гетерогенности поверхности зерен кварцевого песка и наличия на них аутогенной пленки возможно схематично представить структуру песчано-глинистой смеси. На рисунке показано формирование связей зерен песка с каолини- том, монтмориллонитом, образование кластеров, симметричной и асимметричной влаги, участие аутогенной пленки и эндогенных включений зерен кварца.

Вклад электростатических сил в формирование прочности больше, так как они действуют на большей поверхности, в то время как адсорбированные катионы, формирующие мостиковую связь, занимают небольшую часть поверхности глинистых минералов.

Эти два вида связи проявляют максимальную эффективность в разных диапазонах влажности. Так поверхностные связи наиболее сильны при оптимальной влажности (глина : вода = 10 : 4) и падают до нуля при влажности, в 3 раза большей оптимальной. Эффективность мостиковых связей равна нулю при оптимальной влажности и достигает максимума при трехкратном ее повышении [3]. В случае повышенной влажности смесей из-за больших расстояний между зернами песка силы Ван-дер-Ваальса незначительны и прочность целиком обуславливается капиллярным давлением. При малых содержаниях воды в смеси величина прочности зависит от вероятности соприкосновения зерен через связующее, что оценивается структурным фактором. А.А. Степанов и Б.Б. Гуляев [2] предлагают аналитическую формулу для расчета прочности на сжатие в сыром состоянии: 0,93 - 10 ^{- 23}        ₂

Осж =----14--n 'nR , где о - прочность на сжатие, кг/см3; l - толщина пленки воды в смеси, см; n - число контактов на площади в 1 см3; R - радиус контакта, см.

Виртуальная структура синтетической песчано-глинистой смеси

Достаточная степень однородности формовочной смеси при перемешивании компонентов обеспечивается в условиях более низкого влагосо-держания смесей, то есть на низшем уровне оптимального соотношения системы вода : бентонит для каждой разновидности бентонитовой глины. При формовке по-сырому для смесей, уплотняемых прессованием, рекомендуется влажность в пределах 3-4 %. Для смесей, уплотняемых встряхиванием или применяемых при ручной формовке, влажность обычно составляет 4-6 % [1].