Минералогический состав формовочных песков

Основной составляющей формовочного песка являются мелкие частицы кварца SiO₂ - одного из самых распространённых минералов в земной коре, имеющего плотность ρ = 2650 кг/м3, температуру плавления t_пл = 1713^оС, твердость по шкале Мооса 7. При нагреве кварц претерпевает ряд полиморфных превращений, сопровождающихся изменением объёма. Это недостаток. При 573^оС α -кварц переходит в β -кварц. Объем изменяется на 2, 4%; при 870^оС β -кварц → β -тридимит, изменение объема 15, 1%, при 1470^оС β -тридимит → β -кристобалит, изменение объема 4, 7%; при 1713^оС β -кристобалит → расплав, изменение объема 0, 1%.

Второй недостаток кварца в том, что кварц – это кислый материал, а окислы металлов относятся к основным материалам. Эти продукты склонны к химическому взаимодействию или к сплавлению между собой. Сплав компонентов часто имеет температуру плавления более низкую, чем вступившие в реакцию вещества, например эвтектика. Таким образом, идет взаимодействие между окислами и, прежде всего, с участием окислов железа, что способствует образованию пригара на отливках.

Вспоминаем химию. Оксиды - это сложные химические вещества, представляющие собой химические соединения простых элементов с кислородом. Они бывают солеобразующими и не образующими соли. Примером окислов, не образующих соли могут быть: CO (окись углерода, угарный газ) - газ без запаха, образуется при неполном сгорании угля. Солеобразующие оксиды бывают 3-х типов: основные (которым соответствуют определённые основания), кислотные (которым соответствуют кислоты) и амфотерные (которые взаимодействуют как с кислотами, так и с основаниями).

Основные оксиды образуют соли при реакциях с кислотами или кислотными оксидами и не реагируют с основаниями или основными оксидами. Это оксиды щелочных, щелочноземельных металлов и оксиды переходных металлов в степенях окисления +1 и +2. Например: K₂O, CaO, FeO, MnO, MgO, CuO.

Кислотные оксиды образованы неметаллами или некоторыми переходными элементами со степенью окисления от +4 до +7. Они дают соли при взаимодействии с основаниями или основными оксидами и не взаимодействуют с кислотными оксидами. Примерами могут быть: CO₂, P₂O₅, SO₂, SO₃, SiO₂.

Амфотерные оксиды уникальны тем, что они могут вступать в химические реакции как с основаниями (или основными оксидами), так и с кислотами (или кислотными оксидами). Примером амфотерных оксидов могут быть:
ZnO, BeO и Al₂O₃ (глинозём).

Рис. 21 Кристалл кварца.

Зерна кварца могут иметь различную окраску, обусловленную различными примесями, фиолетовый кварц называется аметист, прозрачный – горный хрусталь, лимонно-желтый – цитрин, желтый переливающийся – кошачий глаз, коричневый – оникс, светло-серый – раухтопаз. Это полудрагоценные камни или самоцветы, используемые для изготовления ювелирных и художественных изделий.

В качествепримесей пески содержат полевые шпаты - это наиболее распространённые породообразующие минералыобщей формулы MeO·Al₂O₃·6SiO₂. Полевые шпаты имеют твердость по Моосу 6.0–6, 5; температура плавления их 1170–1550^оС, плотность 2500–2800 кг/м3.

Рис.22 Полевой шпат

Полевые шпаты сами по себе бесцветны, различную окраску (серую, розовую, красную, зеленую, черную и др.) им придают мельчайшие включения других минералов. Кальциевый, калиевый, натриевый полевые шпаты – вредные примеси в песке, так как у них низкая температура плавления.

Слюду двух разновидностей – мусковит (К2О·3Al2O3·6SiO2·H2O) и биотит (К2О·6(Mg, Fe)О·Al2O3·6SiO2·2H2O). Температура плавления слюды 1150-1400^оС, термическое расширение при 1000^оС - 1, 55%. Слюда резко ухудшает огнеупорность песка.

Рис. 23 Мусковит	Рис. 24 Биотит

Оксиды железа разного минералогического вида – гематит, магнитный железняк, ильменит, из которых наиболее вредны гидраты оксидов железа общей формулы nFe₂0₃× mH₂0, которые термически неустойчивы и при нагревании теряют воду, снижая свойства песка, и способствуют образованию легкоплавких силикатных сплавов, вызывающих пригар на отливках.

Рис. 25 Гематит (красный железняк)	Рис. 26 Магнетит (магнитный железняк)	Рис. 27 Ильменит (титанистый железняк)

Карбонаты: кальцит CaCО₃, магнезит MgCО₃, доломит CaCО₃× MgCО₃, сидерит FeCО₃ - снижают огнеупорность формовочных песков, а разложение их при нагревании до 500-900°С способствует образованию различных дефектов в отливках.

Рис. 28 Кальцит

Рис. 29 Магнезит

Рис. 30 Доломит

Глинистые минералы. В формовочных песках встречается несколько глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды (минералов класса силикатов, которые отличается от слюд большим содержанием связанной воды, легко удаляющейся при нагревании). Все примеси в формовочных песках снижают его огнеупорность, физико-механические и технологические свойства, увеличивают пригар на отливках.

В связи с этим в последнее время все больше применяют обогащенные формовочные пески с минимальным содержанием примесей.

Рис. 31 Каолин (белая глина)

Рис. 32 Каолиновый рудник в г. Кыштым в Челябинской области.

Рис.33 Монтмориллонит (голубая глина)

Рис. 34 Гидрослюда