Что такое качественный бентонит для технологии ПГС

По данным статистики до 70 % всех отливок из чёрных сплавов в мире заливается в формы из песка и глины (ПГС).

Огнеупорная основа такой смеси – это кварцевый песок. Он образует «скелет». А связывает его природный материал – глина. 

Его отличительная особенность – возможность повторного использования после увлажнения. Часть связующего при заливке подвергается деструкции и уже не восстанавливается. Но больший объём формовочной смеси после добавления свежих добавок (освежения) – применяется повторно. 

Многократное использование таких формовочных смесей уменьшает расходы на формовочные материалы и позволяет более бережно относиться к окружающей среде – уменьшается количество отвалов.

От качества глины или бентонита зависит не только качество отливки, но и «сохранность» смеси после многократных заливок. То есть количество циклов, когда глину (или бентонит) ещё можно повторно использовать после освежения. 

Для современных автоматических формовочных линий используют бентонит, потому что его свойства и стойкость к термическому воздействию выше. 

Именно из-за более высокой экологичности технологии ПГС в мире сохраняется интерес к этому методу. До сих пор ПГС серьёзно конкурируют с получившими такое широкое распространение холодно-твердеющими смесями (ХТС). 

Производители оборудования не останавливаются в своём развитии, совершенствуют как само формовочное оборудование, так и методы уплотнения форм. Поэтому стало возможным получение очень точных и сложных отливок с тонкими стенками и высоким качеством поверхности. 

Однако и требование к формовочным материалам, в частности к связующему, также возросли. 

На современном оборудовании для ПГС нельзя работать на глине. Нужен именно бентонит. На этом природном материале мы и остановимся более подробно. 

Что такое бентонит

Своё название этот природный алюмосиликат получил от названия американского города Бентон в штате Монтана, где был впервые обнаружен. 

Бентонит – разновидность глины. Он отличается от неё наличием особого породообразующего минерала – монтмориллонита. Именно он придаёт бентониту способность набухать в воде и восстанавливать свои свойства после увлажнения, что так важно при использовании его в литейном производстве. 

Бентонит способен удержать огромное количество влаги. Его объём при увлажнении может увеличиться в 15 раз, и вся вода будет держаться внутри структуры в виде плотного геля. Наощупь при намокании он становится мыльным или жирным. 

Используется бентонит не только в литейном производстве. Здесь его стали применять сравнительно недавно и на это повлияло необходимость повышения качества уплотнения формовочной смеси и использование более современного оборудования. Раньше же было достаточно свойств обыкновенной каолинитовой глины. 

Благодаря своему свойству так хорошо набухать (впитывать) воду и потом удерживать её, бентониты широко используются для изготовления железнорудных окатышей, в буровых растворах при бурении скважин, как гидроизолирующий материал в строительстве, в виноделии для очищения виноматериалов, при производстве комбикормов и как основной компонент кошачьих туалетов.

Как любые полезные ископаемые, на образование бентонита в земной коре повлияло время и давление. Бентонит образовывался из вулканического пепла много тысяч лет назад, попавшего в морскую воду. На земле сейчас открыто множество месторождений этого природного ископаемого, но все они отличаются друг от друга по качеству и составу минерала. Добыча бентонита из-за его неглубокого залегания производится открытым способом. 

Производят и экспортируют бентонит многие страны мира. В России – это месторождение 10-й Хутор (Хакасский бентонит), Зырянское месторождение (Курганская область), на Украине – Черкасское (Дашуковское), в Азербайджане Даш-Салахлинское. Поставляют бентониты также США, Греция, Турция, Италия, Испания.

Какие свойства бентонита важны для литейной формы

Отечественные стандарты определяют бентониты для литейного производства, как высококачественные формовочные глины. Классификация их также определяется свойствами. Стандартизируются прочностные свойства – прочность при сжатии и при разрыве в зоне конденсации влаги, а также термическая устойчивость. 

1. Предел прочности при сжатии во влажном состоянии 

Характеризует способность уплотнённой смеси сопротивляться нагрузке, которая возникает от воздействия жидкого металла при заливке. Считается, что при заполнении формы металлом и кристаллизации она испытывает чаще сжимающие напряжения.

2. Прочность при разрыве в зоне конденсации влаги («мокрая» прочность) 

Показатели этой прочности самые низкие по сечению формы. Однако очень важны для получения качественной отливки. Наиболее близкий к металлу слой смеси нагревается и в нём возникают сжимающие напряжения. При этом более глубокие слои формы сопротивляются температурному расширению. На границе раздела двух слоёв возникает зона с низкой прочностью – зона конденсации влаги, если она совсем мала, может произойти отслоение и растрескивание тонкого слоя формы, туда попадает металл, появляются ужимины и уход металла. 

3. Термическая устойчивость

Это показатель деструкции бентонита. Чем выше термостойкость бентонита, тем меньше его выгорает при температурном воздействии, тем меньше нужно добавлять на освежение. 

Предел прочности при сжатии и термическая устойчивость бентонитов во многом определяется строением кристаллической решётки монтмориллонита. Она зависит от места и условий, при которых происходило формирование природного минерала и повлиять на её структуру трудно. А вот с прочностью при разрыве в зоне конденсации влаги дело обстоит по-другому, на это стоит обратить внимание.

Активированные и неактивированные бентониты

Более высокими показателями прочности в зоне конденсации влаги обладают щелочные бентониты, которые содержат в своей структуре обменные катионы натрия. Как раз натриевый бентонит способен удерживать в себе максимальное количество воды. Он максимально набухает и держит высокие показатели прочности смеси в зоне конденсации влаги. Однако месторождения такого бентонита встречаются редко. Чаще это щелочноземельные бентониты, они в своём составе содержат обменные катионы кальция и магния. 

Но ещё одним замечательным свойством обладает бентонит. Он способен «терять» или «приобретать» катионы, которые входят в его состав – кальций, магний, натрий – и таким образом менять свои свойства. 

Процесс изменения катионного состава бентонита называется активацией – катионы кальция и магния замещают на катионы натрия и бентонит становится щелочным. Используют для этого кальцинированную соду – карбонат натрия – Na₂CO₃. Теоретически соду можно вводить в смесители при получении формовочной смеси, но при таком способе сода усваивается не вся, накапливается в смеси как легкоплавкое соединение и увеличивает пригар. 

Существуют месторождения, где разработана технология промышленного получения активированных бентонитов. Там сода вводится в сырьё при определённой влажности, и дальнейшая обработка позволяет химической реакции пройти максимально полно.

Отчасти, активированные бентониты показывают повышенные показатели и по другим важным для литейного производства свойствам. Термическая устойчивость и прочность при сжатии таких бентонитов в целом выше, чем неактивированных.

Активированные бентониты поставляются потребителю в виде порошка, который легко дозируется для приготовления высококачественных формовочных смесей.

Специалисты компании СЛТ не только подберут всё необходимое оборудование для получения отливок по технологии ПГС, но и помогут с выбором бентонита и отработкой всего технологического процесса.