Бентонит для литейного производства в 2019 году. Часть 2.

Снисарь В.П.

Первая часть этой статьи была опубликована в №1, но из-за технического сбоя при верстке не были  отпечатаны две последние строчки таблицы 2 и поэтому здесь она дублируется в полном объеме. В последней строке этой таблицы приводятся цифры для сравнения показателя «предел прочности при сжатии», определенного по разным нормативным документам, а именно: испытания одного и того же бентонита согласно VDG P-69 дают намного ниже показатель прочности, чем испытания согласно ГОСТа 28177-89.

Таблица 2. Свойства бентонита Асканского месторождения.  Испытания по Методике немецкого общества литейщиков VDG P-69 в лаборатории  «Аскангел Альянс», Грузия, г. Озургети

Это очень важное отличие, поскольку если, например,  по одному бентониту приводятся данные о прочности формовочной смеси  согласно ГОСТа 1,1 кг./см.², а по другому бентониту декларируются значения прочности 9,0 N/cm² согласно VDG P-69, то можно сделать ошибочное заключение, что первый бентонит обеспечит выше прочность смеси, чем второй.  На самом же деле их прочности соотносятся с точностью до наоборот – из-за того что при испытании согласно ГОСТа  второй бентонит покажет прочность  около 1,4-1,5 кг./см.².

Хорошим примером этого случая является поставка бентонита Асканского месторождения на одно из литейных предприятий Украины в январе 2019г.  Согласно сертификата качества производителя – компании «ASKANGEL ALLIANS» Грузия,  показатель «предел прочность при сжатии в сыром состоянии»  составлял 10,2 N/cм² при испытании согласно немецкой методики, что соответствует приблизительно 1,0 кг./с./см.²  в единицах измерения согласно ГОСТа.   При входном контроле качества этого бентонита в лаборатории завода-потребителя была получена цифра прочности смеси 1,7 кс./см.² – при испытании согласно требований ГОСТ 28177-89.   Поэтому нужно всегда уточнять, согласно какой методики испытаний или ГОСТа измерен тот или иной показатель.

Важной особенностью бентонитового связующего в формовочной смеси является быстрота его гидратации в процессе приготовления формовочной смеси.  На рисунке 1 схематически показаны три состояния бентонита в процессе его использования в формовочной смеси. В состоянии 1а порошкообразный бентонит поставляется на предприятия и при этом  имеет влажность обычно около  9-10%. В таком состоянии он не проявляет связующей способности.  После смешивания бентонита с песком и подачи в смеситель воды она вначале  адсорбируется на поверхности частиц кварца и бентонита  - состояние 1б.  В этом состоянии бентонит  также еще не готов выполнять роль связующего материала, поскольку смесь может проявлять склонность прилипать к рабочим органам смесителя, ее текучесть и сыпучесть низкие. Лишь после какого-то промежутка времени вода с поверхности частиц монтмориллонита абсорбируется в межпакетное пространство – состояние 1в на рис.1  -  и уже после этого бентонит способен в полной мере работать как связующее формовочной смеси.  В этом состоянии смесь сыпучая, не липнет к рабочим органам оборудования, имеет высокое значения показателя «текучесть по Орлову». Происходит это потому что связующая способность бентонита в формовочной смеси обусловлена не силами поверхностного натяжения воды, а неравномерным распределением электрического заряда в кристалле монтмориллонита после его гидратации  – когда базальные поверхности кристалла приобретают отрицательный заряд, а торцевые грани – положительный (см. рис. 1в).

 Рис. 1. Стадии увлажнения и гидратации бентонита.

Иначе говоря, в увлажненном состоянии (1б)  бентонит может  связывать кварцевые зерна за счет того же эффекта, что и мокрая рубашка прилипает к телу. А вот в гидратированном состоянии его связующая способность обеспечивается эффектом электризации частиц, известным со школьных уроков физики, когда после трения о волосы стеклянная палочка притягивает к себе мелкие кусочки бумаги за счет эффекта накопления статического электричества в результате трения.  В случае с монтмориллонитом такая электризация обеспечивается ориентированным расположением молекул воды в межпакетном пространстве кристалла – рис. 2.

Чтобы смесь обладала не только достаточной прочностью, но и хорошей текучестью, сыпучестью, хорошо заполняла углубления форм, не создавала проблем при извлечении модели из формы – важно при подготовке смеси к формовке обеспечить условия наиболее полной гидратации бентонита, Но эти особенности бентонита как связующего далеко не всегда учитывались при проектировании участков смесеподготовки литейных цехов и поэтому не на всех предприятиях есть возможность обеспечить наиболее оптимальные условия работы бентонита как связующего вещества сырой песчано-бентонитовой формы.

На рисунке 2 представлена схема строения кристалла монтмориллонита – основного компонента бентонитовой глины. Он имеет довольно сложное внутренне строение с возможностью занятия в криcтале той или иной позиции разными элементами или же одним и тем же элементом, но в разной степени окисления (Fe²⁺, Fe³⁺) – и это предопределяет очень большие различия свойств бентонита разных месторождений.

Рис.2 Схема структуры монтмориллонита.

Бентониты с высоким содержание железа в октаэдрическом слое как правило имеют низкую термическую устойчивость. Если общее количество железа в монтмориллоните невысокое, и довольно значительная часть от общего его содержания находится в форме Fe²⁺, то при определении термической устойчивости согласно ГОСТ 28177-89 может иметь место ситуация, когда значение термостойкости получается выше 1,0. Обычно это воспринимают как ошибку анализа, но на самом деле это вполне закономерное явление для бентонитов вулканического происхождения. После прокалки при 550 ^оС часть железа, находящегося в монтмориллоните в форме Fe²⁺ окисляется до Fe³⁺  и при этом прочность смеси возрастает – эффект термостимуляции связующей способности бентонита.  Если же условия теста на термостойкость несколько изменить, добавив к бентониту при прокаливании 4% угольной пыли, (смоделировать смесь для чугунного литья с противопригарными добавками) - то можно  получить гораздо больше полезной информации чем при стандартном тесте. Этот простой тест позволяет выбрать более эффективные разновидности бентонита для чугунного литья чем тест на термостойкость строго согласно ГОСТ 28177-89.

Наиболее распространенным способом влияния на свойства бентонита для литейного производство является замещение щелочноземельных обменных катионов (Са²⁺ + Mg²⁺) в межпакетном пространстве на Na⁺ – позиция М на рис. 2.  и схема процесса на рис. 3.

Рис. 3. Схема процесса активации кальциевого бентонита содой.

Обработка содой кальциевого бентонита увеличивает в несколько раз его способность связывать воду, существенно увеличивает термическую устойчивость бентонита и немного повышает связующую способность. То есть, обработка содой повышает все три маркуобразующие показатели качества бентонита согласно ГОСТ 28177-89  – предел прочности при сжатии (увеличение на 5-10%) , продел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги (увеличение до 3-4 раз)  и термостойкость (увеличение на 10-40%).  

Рис. 4. Влияющие факторы и оптимальное значение показателя «предел прочности в зоне конденсации влаги»

Но чрезмерная обработка содой бентонита нежелательна, так как при этом возрастает влагоемкость смеси, ее газотворная способность, увеличивается показатель осыпаемости. Иначе говоря, оптимальная обработка содой кальциевого бентонита способна значительно снизить склонность смеси к дефектам типа «ужимины», но передозировка соды способна провоцировать увеличения брака литья типа «засор», «газовые раковины», «пригар». К сожалению, в ГОСТе 28177-89 при его составлении было указано для марки П1Т1 значение показателя «предел прочности в зоне конденсации влаги»  - не менее 0,028 кг.с./см.² . Тогда как гораздо целесообразнее было бы позиционировать его как «типичное значение» или «оптимальное», а не минимально допустимое.  Потому что если его величина возрастает до значений 0,040 кг.с.см.² и выше – то придется работать на переувлажненной смеси и наблюдать возрастание брака по тем позициям, которые вполне можно было избежать – см. рис. 4. 

Из-за этого эффекта чисто натриевые бентониты типа вайомингского МХ-80 не используются в формовочном деле в чистом виде, а смешиваются с кальциевым бентонитом в пропорции приблизительно 2:1.

В связи с этим стоит акцентировать внимание на особенностях бентонитов кавказских месторождений  (Даш-Салахлинское  в Азербайджане и Асканское в Грузии), которые в исходном природном состоянии не является ни чисто кальциевым, ни чисто натриевым бентонитом, а фактически является промежуточным видом кальций-натриевого типа. И большинство этого материла  в природном состоянии, без необходимости обработки содой,  соответствует требованиям к марке П1Т1 – то есть имеет показатель предел прочности в зоне конденсации влаги не ниже 0,028 кг.с./см.².  Дополнительная обработка содой  позволяет увеличить термическую устойчивость этих бентонитов, но при этом неизбежно проявятся негативные факторы, схематически показанные на рис. 4.  Поэтому целесообразно при заказе бентонита этих месторождений рассматривать вариант поставки бентонита для формовочных смесей без обработки содой – если в исходном состоянии он имеет значение показателя «предел прочности в зоне конденсации влаги»  около 0,028 кг.с./см.².

ИСТОЧНИКИ  

1. Снисарь В.П. Определение качества бентонита  - Методика испытаний немецкого общества литейщиков VDG - MERKBLATT P – 69. Литье Украины, 2018, №1, с.2-6.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №3  (223) 2019 г.