Оценка качества бентонитовых глин производится по следующим показателям: пределу прочности при сжатии во влажном состоянии; пределу прочности при разрыве в зоне конденсации влаги; термической устойчивости; влагосодержанию и гранулометрическому составу (для порошкообразных бентонитовых глин).

Кроме того, на стадии геологической разведки новых месторожде­ний и при эксплуатационной разведке действующих месторождений пре­дусмотрен контроль качества глин по следующим показателям: содержа­нию монтмориллонита; сумме и составу обменных катионов; содержанию карбонатов в пересчете на СаСОз; массовой доле сульфидной серы; содержанию железа в пересчете на Fe₂O₃; содержанию глинистых частиц; коллоидальности; водопоглощению.

За рубежом для оценки качества бентонитовых глин определяют практически аналогичные показатели, дополнительно регламентируя в стандартах характеристику условий образования и способа производства бентонитов (кальциевые природные, натриевые природные, активиро­ванные).

Связующую способность бентонитовых глин (их прочностные ха­рактеристики) оценивают следующим образом. Глину в порошкообразном виде, отобранную для испытаний, предварительно сушат на противне слоем не более 10 мм при температуре 105...110 °С в течение 3 ч. Далее готовят 3 кг песчано-бентонитовой смеси, состоящей из 95 частей песка и 5 частей глины, перемешивая ее в течение 2 мин в лабораторных смесителях. Затем добавляют 66...70 см³ воды, закрывают смеситель крышкой и перемешивают увлажненную смесь в течение 20 мин, после чего отбирают образец смеси для определения ее уплотняемости, которая должна быть выше 60 %. Затем продолжают перемешивать смесь в смесителях с открытой крышкой, через каждые 1...2 мин определяя показатели уплотняемости и прочности смеси при сжатии. Испытание прекращают с момента снижения прочности при сжатии. За предел прочности принимают среднее арифметическое результатов трех определений, при которых прочность при сжатии испытуемых образцов будет наибольшей.

В процессе указанного испытания определяют также предел проч­ности при разрыве в зоне конденсации влаги, для чего отбирают пробу смеси с показателем уплотняемости 45...50 %. Для оценки связующей способности бентонитовых глин используют приборы для определения прочности при сжатии во влажном состоянии и приборы для определения прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, укомплектованные специальными гильзами для изготовления образцов.

Регламентированный стандартом метод определения предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги в состоянии оптимальной ак­тивации основан на определении сопротивления образца разрыву при од­ностороннем поверхностном нагреве. Для испытания применяют песчано-бентонитовую смесь (массой 3 кг) с показателем уплотняемости 45...50 %. Для определения прочности при разрыве в зоне конденсации влаги в со­стоянии оптимальной активации добавляют в смеситель 10 см³ раствора реагента-активатора (кальцинированной соды), перемешивают смесь в течение 1...3 мин и при повторном достижении показателя уплотняемости 45...50 % определяют прочность при разрыве в зоне конденсации влаги. Операцию повторяют до момента снижения прочности при разрыве. Ис­пытания проводят на трех образцах, смесь всех разрушенных образцов возвращается в смеситель.

.

Рис. 14. Зависимость водопоглощения от содержания соды

За прочность при разрыве в зоне конденсации влаги в состоянии оптимальной активации принимают среднее арифметическое результатов трех измерений, при которых прочность в зоне конденсации влаги будет наибольшей.

Систематический контроль прочностных характеристик и термиче­ской устойчивости - показателей, определяющих марку бентонитовых формовочных глин, - позволяет судить о поведении этого неорганиче­ского связующего материала в отношении образования поверхностных и внутренних дефектов отливок, таких как наросты, подутость, ужимины, земляные раковины.

В качестве оперативного метода контроля активированных бентони­товых порошков используется показатель водопоглощения, характеризующий степень активации и количество введенной кальцинированной со­ды. Тарировочный график показан на рис. 14 для валовой пробы черкас­ского бентонита.

Рис. 15. Зависимость водопоглощения от содержания соды при разном содержании монтмориллонита (показано цифрами у кривых в процентах)

Имеется прямая зависимость коэффициента водопоглощения от со­держания монтмориллонита в бентоните. Чем выше содержание монтмо­риллонита, тем выше коэффициент водопоглощения и большее количество соды требуется для оптимальной активации бентонита (рис. 15).

Зависимость прочности в зоне конденсации влаги от коэффициента водопоглощения для активированных бентонитов с различным содержанием монтмориллонита приведена на рис. 16.

Требуемая прочность в зоне конденсации влаги может быть получена только при активации бентонитов с достаточно высоким содержанием монтмориллонита. При снижении содержания в бентоните монтморилло­нита прочность в зоне конденсации влаги также снижается независимо от содержания соды. Снижение прочности в зоне конденсации влаги после достижения максимальной величины означает переактивацию бентонита Таким образом, коэффициент водопоглощения хорошо коррелирует с прочностью в зоне конденсации влаги и количеством введенной соды те отвечает требованиям контролирующего параметра.

Рис. 16. Зависимость прочности в зоне конденсации влаги от водопоглощения. Цифры у кривых - содержание монтмориллонита, %

4.3 Активная глина и методы ее определения

Глинистая составляющая формовочных смесей состоит из неподвергшейся термическому разложению так называемой активной глины и неактивной шамотизированной глины. Последняя не обладает связующими свойствами и является балластом в формовочных смесях.

Для практики важно установить соотношение между содержаниями активной и неактивной глин с целью расчета количества вводимых в смесь освежающих добавок.

Существует определенный предел содержания активной глины в формовочной смеси, при котором данная смесь сохраняет оптимальные физико-механические свойства. Этот предел неодинаков для различных случаев и зависит от: марки применяемого формовочного песка; марки используемой глины; содержания и качества добавок, а также характера изготовляемых отливок.

В настоящее время еще не разработан прямой метод определения активной глины, позволяющий выделить и взвесить ее. Содержание активной глины в смеси определяется косвенным методом, т.е. через ее влияние на одно или одновременно несколько свойств смеси. При этом выбирается такое свойство, которое зависит только от содержания активной глины. Известно несколько методов определения активной глины.

4.4 Метод определения прочности на сжатие и на срез.

Метод основан на том, что для формовочной смеси с одинаковым содержанием сырой глины существует линейная зависимость между прочностью на сжатие и прочностью на срез.

Каждая кривая на рис. 17 отвечает заданному содержанию бентони­та. Точки на каждой прямой соответствуют разному числу ударов копра и различной влажности (при заданном содержании глины).

Содержание активной глины определяют так: сначала обычным спо­собом находят прочность смеси на сжатие и на срез. Затем ищут соответ­ствующую точку на графике. Положение этой точки по отношению к прямой укажет содержание активной глины.

Рис. 17. Взаимосвязь между прочностью смесей на сжатие и на срез.

Содержание бентонита:1 - 3 %; 2 - 7 %; 3 - 12 %; 4 - 5%

4.5 Метод определения уплотняемости смесей.

Метод основан на способности смеси уплотняться. Берут 160 г смеси, изготовляют стандартный образец и одним ударом копра его уплотняют. Затем производят еще 9 ударов копра и находят высоту образца H₁ и H₁₀. Далее вычисляют значение плотности образцов, г/см³, по формуле

где 19,63 - площадь сечения стандартного образца высотой H, см².

Определение содержания активной глины в смеси осуществляется по графику (рис. 18). При построении градуировочных кривых следует учитывать добавки и примеси в формовочной смеси - воду, шамот, ка­менноугольную пыль, декстрин и другие, а также желательно брать раз­личное соотношение между активной и шамотизированной глиной.

Рис. 18. График определения в смесях активной глины

Адсорбционный метод.

Метод основан на способности глинистых минералов к адсорбции органических красителей и изменению окраски в зависимости от относительной прочности связи катионов основных красителей с поверхностью глинистых частиц. Для этого в 10 г формовочной смеси заливается 150 см³ раствора метиленового голубого. После взбалтывания и центрифугирования 5 см³ отцентрифугированного раствора отливается в мерную колбу емкостью 100 мл и доводится дистиллированной водой до уровня заданной метки. Полученный разведенный раствор просматривается в кювете фотоэлектрического колориметра при светофильтрах с заданной длиной волны монохроматического света X.

Далее на графике строятся прямые зависимости оптической плотности от концентрации метиленового голубого в растворе для светофильтров с заданной длиной волны. По этому графику определяется содержание в смеси активной глины А (рис. 19).

Рис. 19. Зависимость держания активной глины А в смеси от оптической плотности раствора D: 1 - 0,24%-ный раствор, λ = 610 мкм; 2 - 0,16 %-ный раствор,λ= 610 мкм

Рис. 20. Зависимость от содержания глины

Обращается внимание на то, что глины разных минералогических фупп по-разному адсорбируют красители. По степени уменьшения ад­сорбционной способности глины располагаются в следующий ряд: монтмориллонитовые, гидрослюдистые, каолиновые. Эту особенность глин следует учитывать при построении градуировочного графика.

Ускоренный метод.

Для ускоренного определения активной глины в формовочной смеси можно использовать титрование метиленовым голубым в присутствии серной кислоты. Для этого предварительно строят тарировочный график зависимости объема V поглощенного красите; (метиленового голубого) от процентного содержания активной глины (рис. 20).

Навеску испытуемой смеси (5 г) помещают в колбу вместимость 0,5 л, доливают 50 мл дистиллированной воды, кипятят 5 мин, охлаждают до комнатной температуры, добавляют 2 мл 5-нормального раствор серной кислоты H₂SO₄ и тщательно перемешивают. После этого добаляют по 1 мл метиленового голубого (приготовленного из расчета 3,74 на 1 л дистиллированной воды) до появления светло-зеленого ореола вокруг пятна от раствора смеси с метиленовым голубым, нанесенного стеклянной палочкой на фильтровальную бумагу. Если ореол утвердился, добавление метиленового голубого прекращают. По количеству израсходованного метиленового голубого находят по графику количество активной глины. Содержание активного бентонита определяют по ГОСТ 23409.14-78.

Противоужимные добавки

В производстве отливок на автоматических линиях в составах фор­мовочных смесей в качестве стабилизатора влажности и противоужимной

Рис. 21. Изменение прочности в зоне конденсации влаги от содержания крахмалореагента: бентониты: 1 – черкасский активированный;

2 — асканский;3 - болгарский активированный;4 - черкасский неактивированный

добавки используются крахмалсодержащие материалы, из которых наиболее широкое применение получил экструзионный крахмалсодержащий реагент (ЭКР).

Механизм действия ЭКР заключается в том, что сухой ЭКР, введенный в формовочную смесь, отбирает на себя имеющийся в смеси избыток влаги, давая возможность глинистому связующему, в частности бентониту, развить максимальную связующую способность, так как избыточная влага снижает прочность смесей.

Влияние ЭКР на свойства формовочных смесей при использовании различных бентонитов, массовая доля которых составила 5 %, на рис. 21-23.

В смесях на неактивированных бентонитах ЭКР повышает в 1,5...2,5 раза прочность в зоне конденсации влаги и снижаете 2...3,5 раза осыпаемость, при этом улучшаются формуемость, текучесть, уплотняемость.

Рис. 22. Изменение формуемости от содержания крахмалореагента:

бентониты: / - болгарский активированный; 2 - асканский; 3 - черкасский неактивированный; 4 - черкасский активированный

Рис. 23. Изменение текучести от содержания крахмалореагента:

бентониты: 1 - болгарский активированный; 2 - черкасский неактивированный; 3 - асканский; 4 - черкасский активированный