Свойства литья

Физико-химические и механические свойства каменного литья

Знание свойств камнелитых изделий важно не только для регулирования технологического процесса производства этих изделий, но главным образом, для определения возможности и целесообразности их применения на конкретных объектах различных отраслей народного хозяйства. В то же время выяснение факторов, влияющих на свойства изделий из каменного литья, дает возможность регулировать и изменять эти свойства в соответствии с интересами и запросами экономики.

К настоящему времени, хотя и не в полной мере, изучены химические, физико-механические и минералогические свойства камнелитых изделий, производимых основными камнелитейными предприятиями.

В результате исследований установлено, что изделия из каменного литья в сравнении с металлами, стеклом, керамикой, пластмассами и другими материалами обладают более высокой устойчивостью механическому истиранию и химическому воздействию агрессивных сред. Этими двумя основными особенностями определяется характер применения камнелитых изделий в различных отраслях промышленности, строительства, транспорта и сельского хозяйства.

Кроме отличной износоустойчивости и химической стойкости, камнелитые изделия обладают хорошими диэлектрическими свойствами, низким водопоглощением, высокой твердостью и другими свойствами, но вместе с тем они имеют повышенную хрупкость, относительно низкую термостойкость, недостаточную прочность на изгиб и растяжение и слабую устойчивость ударной нагрузке.

Химический состав каменного литья, % окислов: SiO₂ 46-52; CaO 6-10; MgO 7-12; Al₂O₃ 7-16; FeO+Fe₂O₃ 15-22; прочие не более 20. Приведенные данные, полученные в результате исследования свойств изделий из каменного литья. Определение спектральным методом количественного содержания окислов SiО₂, А1₂О₃, CaO, MgO и суммы железных окислов в сырье и отливках. Количественный спектральный анализ основан на закономерной связи интенсивности спектральных линий с концентрацией определяемых окислов элементов. Интенсивность линий зависит от количества вещества, поступающего в разрядный промежуток, от условий возбуждения спектральных линий в облаке разряда и других причин.

Создать строго одинаковое поступление вещества в разряд и неизменные условия возбуждения атомов не удается. Поэтому концентрацию элементов в пробе определяют по отношению интенсивностей двух спектральных линий. С этой целью, кроме линии определяемого элемента, выбирают линию другого элемента, который входит в состав анализируемой пробы в заранее известном количестве.

Выбранные линии должны быть гомологическими, то есть их интенсивность практически не должна зависеть от условий возбуждения спектра в разряде, они должны быть близко расположены друг к другу и не слишком отличаться по интенсивности.

Для анализа каменного литья был выбран метод подачи пробы в разряд из раствора. При этом использовали методику анализа мартеновских шлаков на окислы, в основе которых лежит метод пленочной фульгурации. Этот метод заключается в полном переводе навески в раствор с последующим анализом основных окислов (SiО₂, Al₂O₃, FeO + Fe₂O₃, СаО и MgO) по одной спектрограмме. В качестве элемента сравнения в раствор вводят пятипроцентный раствор молибденовокислого аммония. Перед анализом раствор каменного литья смешивают с раствором молибденовокислого аммония в соотношении 2:1. В разрядный промежуток раствор подают с помощью фульгуратора.

Нижним электродом служит угольный стержень диаметром 6 мм с отверстием в центре в 1 мм, через которое протягивают фитиль из хлопчатобумажных нитей. Электрод закрепляют в держателе фульгуратора, чтобы он выступал над раствором на 1 мм. Верхним электродом служит медный стержень диаметром 8 - 10 мм, усеченный на конус с рабочей площадкой диаметром в 2 мм.

Спектры возбуждаются в искре Райского при помощи искрового генератора ИГ-3 и фотографируются на спектрографе ИСП-28 с трех линзовой системой освещения.

Интенсивность линий измеряют микрофотометром МФ-2. Графики строят в координатах ∆S — lg С.

Удельным весом каменного литья называется отношение веса образца, высушенного до постоянного веса, к его фактическому объему, не считая объема пор определяют удельный вес пикнометрическим методом.

Удельный вес различных видов каменного литья 2,9 – 3,0 г/см³.

Объемным весом каменного литья называется отношение веса образца, высушенного до постоянного веса к его объему, включая поры.

Результаты определения объемного веса каменного литья 2,87 - 2,95 г/см³.

Пористостью каменного литья считают отношение суммы объемов всех пор к общему объему образца, выраженное в процентах:

Уп = (1 – (Ɣо / Ɣу)) * 100, где:

Уп - пористость;
Ɣо - объемный вес образца;
Ɣу - удельный вес образца.

Средняя пористость изделий из каменного литья, 4%.

Химическая стойкость каменного литья (сопротивление разрушающему действию кислот, щелочей, солей) зависит главным образом от химического и минералогического состава образцов, а также структуры, определяющей размер активной поверхности. Разрушающее действие различных химических реагентов зависит также от их концентрации, примесей в них, температуры, давления, а также характера окружающей среды.

Кислотостойкостью каменного литья считается отношение веса измельченной пробы после обработки ее кислотой к ее весу до обработки кислотой, выраженное в процентах. Для определения кислотостойкости готовят пробу в виде крупки, остающейся при просеве между ситами и ячейками в 1,0 и 0,5 мм. Подготовленную крупку промывают водой и сушат при температуре 110°С до постоянного веса.

Пробу подготовленной крупки в 1 г, взвешенную с точностью до 0,0002 г, помещают в колбу и обрабатывают 25 мл серной кислоты плотностью 1,84.

Кислотостойкость каменного литья в серной кислоте 97% и в соляной кислоте 90%.

Кислоту с пробой кипятят на электроплитке в течение часа, при этом колбу посредством резиновой пробки соединяют с обратным шариковым холодильником. После кипячения колбу охлаждают в течение 30 мин до исчезновения в ней белых паров и отключают от холодильника.

Вслед за этим в колбу вводят 50 мл воды и туда же сливают воду от промывки пробки и трубки холодильника. Содержание колбы пропускают через беззольный фильтр и промывают водой до ее нейтральной реакции. Фильтр с осадком помещают в фарфоровый тигель и прокаливают до постоянного веса.

Кислотостойкость вычисляют по формуле:

k = (g₁ * 100) / g, где:

k - кислотостойкость, %;
g - вес испытуемой пробы, г;
g₁ - вес прокаленного остатка, г.

За конечный результат принимают среднюю кислотостойкость от двух параллельных определений, причем расхождения между ними не должны превышать 0,5%. Устойчивость образцов к другим кислотам определяют аналогичным способом.

В некоторых случаях кислотостойкость изделий определяют на кусковых образцах с отнесением веса потерь к площади образца:

k = (g - g₁) / s, где:

k - кислотостойкость, г/см²;
g - вес образца до испытания, г;
g₁ - вес образца после испытания, г;
s - площадь образца, см².

Этот метод определения кислотостойкости менее точный, но осуществляется быстрее.

Силикаты благодаря высокой прочности кристаллической решетки устойчивы по отношению ко всем кислотам, за исключением плавиковой. При воздействии фтора плавиковой кислоты происходит активное разрушение силикатов с образованием газообразного соединения SiF₄. В соляной кислоте по сравнению с серной растворимость каменного литья возрастает из-за наличия минерала оливина. Дело в том, что в оливинах и некоторых минералах в кристаллической решетке имеются изолированные тетраэдры аниона (Si0₄)^4-, легко реагирующего с НС1.

В стеклах с повышением содержания Si02 кислотостойкость возрастает. В принципе стекла менее кислотостойки, чем кристаллические вещества, так как они не располагают единой и прочной кристаллической решеткой.

Содержащиеся в каменном литье силикаты кальция также снижают кислотостойкость. Например, в светлокаменном литье кислотостойкость резко снижает минерал волластонит (CaSi0₃).

Для определения щелочестойкости пробу крупки приготовляют и взвешивают так же, как и для определения кислотостойкости. Затем к пробе в колбу с холодильником добавляют 100 мл 35% NaOH и кипятят в водяной бане в течение часа. После кипячения содержимое колбы переносят на фильтр и в него же сливают промывную воду с раствором соляной кислоты из колбы и трубки холодильника. Осадок на фильтре промывают горячей водой до исчезновения реакции на хлор и прокаливают до постоянного веса.

По полученным данным щелочестойкость вычисляют по формуле

х = (g₁ * 100) / g, где:

х - щелочестойкость, %;
g₁ - вес прокаленного остатка, г;
g - навеска пробы, г.

За результат щелочестойкости принимают среднюю величину из трех параллельных определений, при этом разница в их данных не должна превышать 0,5%.

Средняя щелочестойкость каменного литья составляет 90,68%.

Твердостью считается способность материалов сопротивляться внедрению в их поверхность другого материала. Твердость материала определяет их истираемость. Для определения твердости материалов имеется несколько методов - склерометрический, по Бринелю, или шкале Мооса.

Твердость изделий из каменного литья чаще всего определяют по шкале Мооса нанесением царапины на образец эталоном твердости. В качестве эталонов твердости приняты: алмаз - 10, корунд - 9, топаз - 8, кварц - 7, полевой шпат - б, апатит - 5, плавиковый шпат - 4, известковый шпат - 3, гипс или каменная соль - 2, тальк - 1.

Ниже приведены результаты определения твердости изделий каменного литья 8 - 8,5.

Стойкость на механическое истирание. Стойкость изделий на истирание зависит от минералообразования, структуры, пористости, наличия остаточного стекла и других факторов. Наиболее стойки изделия, имеющие мелкозернистую плотную и равномерную структуру с минимальным количеством остаточного стекла.

Истираемость характеризуется весовой или объемной потерей образца изделий при определенных условиях истирания. Для определения потерь от истирания пользуются методом шлифования образцов на кругах или же методом обработки в барабанах. При испытании на приборе барабанного типа образцы изделий подвергаются одновременно действию сил трения ш удара. При испытании на круге образцы подвергаются лишь воздействию сил трения.

Определение истираемости образцов из каменного литья производится в основном по методу Баушингера на круге «ЛКИ». Сущность этого метода состоит в следующем: испытуемые образцы должны быть в виде пластин размером 70 * 70 * 20 мм. Просушенный образец вывешивают с точностью до 0,1 г, замеряют его размеры с точностью до 0,1 мм, после чего устанавливают на металлический круг прибора для испытания. Образец с помощью рычажной системы прижимают к вращающемуся кругу под постоянной нагрузкой в 30 кг. Средний радиус трения образца 220 мм.

До начала испытания на круг по радиусу нахождения образца насыпают 20 г Вольского кварцевого песка с таким расчетом, чтобы при вращении круга образец все время лежал на песке. После каждого цикла в 22 оборота круг автоматически останавливается, при этом удаляется отработанный песок. Затем подсыпают новую порцию в 20 г, образец поворачивают в горизонтальной плоскости на 90° и продолжают испытание. По завершении пяти циклов с числом оборотов круга ПО образец взвешивают и определяют его потери от истирания. Такую операцию по испытанию образца повторяют пять раз и в итоге получают пять определений потерь.

Средняя потеря в весе (г) за каждый цикл испытания образца, отнесенная к его площади трения (см), дает потерю от истирания (г/см²).

Потери от истирания изделий из каменного литья, г/см² 0,015 - 0,022.

Камнелитые изделия по сравнению с естественными горными породами и некоторыми искусственными имеют значительно меньшие потери от истирания. Так, потери от истирания естественного онежского базальта составляют 0,256 г/см², тулунского базальта 0,160 г/см², фаянса 0,35 г/см², фарфора 0,25 г/см², оконного стекла 0,5 - 0,6 г/см².

В производственных условиях стойкость истиранию футеровки из каменного литья определяется твердостью транспортирующих абразивных материалов, скоростью их движения и углом падения на футеровочную поверхность.

Прочность на сжатие, растяжение и изгиб. Механическая прочность камнелитых изделий определяется их способностью сопротивляться внешним нагрузкам. Камнелитые изделия хорошо сопротивляются сжатию» значительно хуже - изгибу и еще хуже растяжению.

Предел прочности камнелитых изделий на сжатие, изгиб и растяжение определяется при статических нагрузках. Величина предела прочности при сжатии зависит от минералогического состава камнелитых изделий, их структуры, плотности и других факторов. Прочность на сжатие также зависит от характера подготовки образцов и метода ведения испытаний.

Максимальные показатели на прочность дают образцы, поверхность которых хорошо отшлифована, плоскости строго параллельны. Величина прочности на сжатие возрастает, если образцы для испытания отлиты, а не выточены из внутренних слоев отливки. Для исследования берут образцы в виде кубиков размером 50 * 50 * 50 мм. Прессы применяют гидравлические на 100 т и более.

Предел прочности при сжатии рассчитывают по формуле

Gc = P/F, где:

Gc - предел прочности при сжатии, кг/см²;
Р - разрушающая нагрузка, кг;
F - площадь сечения образца, см².

Для испытания на изгиб образцы изготовляют в виде четырехгранных столбиков размером 100 * 20 * 20 мм.

Если изгибающее усилие приложено сверху, то это приводит к сжатию верхних слоев образца и растяжению нижних.

Так как предел прочности камнелитых изделий на растяжение меньше предела прочности на сжатие, то разрушение образца начинается в нижней зоне. Испытания проводят на прессе типа УМ-5.

Для проведения испытаний на растяжение отливают плоские восьмерки и используют ручной гидравлический пресс, работающий по принципу рычага.

Расчет прочности на растяжение ведется по формуле:

Gp = (P * a * δ) / F, где:

Gр - предел прочности на растяжение, кг/см²;
а - соотношение плеч рычага пресса (1:10);
δ - площадь сечения большого поршня, см²;
F - площадь шейки восьмерки, см².

Прочностные характеристики камнелитых изделий:

При сжатии предел прочности, кг/см² – 4000;
При изгибе предел прочности, кг/см² – 500;
При растяжении предел прочности, кг/см² – 250.

Водопоглощением называется способность материала впитывать и удерживать воду при нормальном давлении. Определяют водопоглощение на образцах правильной и неправильной геометрической формы, не имеющих трещин.

Размеры сторон испытуемых образцов должны быть не менее 40 мм.

Водопоглощение в процентах по объему (W₀) вычисляется по формуле

W₀ = ƴ₀ * ((g₂ – g₁) / g₁) * 100, где:

ƴ₀ - объемный вес образца, г/см³;
g₁ - вес образца до испытания, г;
g₂ - вес образца после испытания, г.

За окончательный результат определения водопоглощения принимается среднее арифметическое трех определений.

Водопоглощение каменного литья, % - 0,03

Под водонасыщением понимается способность материала впитывать воду при давлении ниже атмосферного или же кипячении. Каменное литье имеет водонасыщение для изделия из породы 0,05%, для изделия из золы 0,10%.

Термостойкостью считается способность материала выдерживать без разрушения резкие повторяющиеся колебания температуры. Разрушение испытуемых образцов происходит вследствие растягивающих усилий при охлаждении или усилий сдвига при нагревании.

При испытании на термостойкость камнелитых изделий важную роль играет однородность их структуры. В условиях разноструктурности образца, вследствие разности коэффициентов их линейного расширения, разрушение образца проходит быстрее.

На термостойкость также влияют усадочные и газовые раковины, макротрещины, инородные включения и остаточное стекло. Основным методом испытания образцов на термостойкость является определение количества теплосмен до появления трещин.

В камнелитейном производстве определение термостойкости производится по следующей методике:

Из партии выпускаемых малых плит отбирают 10 штук и проверяют, нет ли в них трещин. Отобранные плиты нагревают до 100°С и охлаждают в воде при температуре 18 - 20°С. За одну теплосмену принимается цикл нагрева и охлаждения образцов. Испытания ведут до тех пор, пока в плитах не появятся трещины.

Средняя термостойкость изделий, составляет 20 теплосмен.

Коэффициентом линейного расширения каменного литья называется относительное увеличение линейных размеров образца при нагреве его на 1°С. Методы измерения коэффициента линейного расширения отличаются друг от друга способами нагревания образца и методами регистрации изменения длины.

Расчет коэффициента линейного расширения производится по формуле:

a = ∆l / (l * ∆t) + a_k, где:

а - коэффициент линейного расширения;
∆l - удлинение образца, мм;
∆t - температурный интервал, °С;
a_k - коэффициент линейного расширения кварца, 0,55 * 10^-6 1/°С.

Исследование каменного литья показало, что коэффициент линейного расширения колеблется: при 100°С - от 4 * 10^-6 до 6 * 10^-6 1/°С, при 700°С - от 7,4 * 10^-6 до 8,6 * 10^-6 1/°С

Удельной теплоемкостью каменного литья называется количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг образца на 1°С.

Теплоемкость каменного литья вычисляют по уравнению теплового баланса:

Cm (Т - Ɵ) = C_T m_T (Ɵ - t₁) + C_K m_K (Ɵ - t₁) + C_B m_B (Ɵ - t₁) + ^bʃ_a φ * dx, где:

С - теплоемкость образца;
m - масса образца;
Т - температура нагретого образца;
Ɵ - температура калориметра, установленного после помещения образца;
C_T - теплоемкость термометра;
m_T - масса термометра;
C_K - теплоемкость калориметра;
m_K - масса калориметра;
C_B - теплоемкость воды;
m_B - масса воды;
t₁ - номинальная температура воды в калориметре после опускания в него нагретого образца.

Интегральный член уравнения выражает тепловые потери, которые незначительны и ими при расчете пренебрегают.

Средняя теплоемкость каменного литья на основе горелых шахтных пород следующая, ккал/(кг * град) при температуре 100°С - 0,163; при 330°С - 0,221; при 800°С - 0,227.

Коэффициентом теплопроводности (λ) каменного литья называется количество тепла, проходящего через образец толщиной 1 м, площадью 1 м² в течение часа при разности температур на его противоположных плоскопараллельных сторонах в 1 °С.

Коэффициент теплопроводности вычисляется по формуле:

λ = (Ɵ * h) / (F (T – T₀)), Ɵ = 0,86W, где:

Ɵ - количество тепла, ккал/ч;
W - часовое количество электроэнергии, вт;
h - толщина образца, м;
F - площадь центрального нагревателя, м²;
Т - Т₀ - разность температур по толщине образца, °С.

Среднее значение теплопроводности каменного литья λ = 1,456 – 0,85 ккал/(м * ч * град).

Каменное литье обладает хорошими диэлектрическими свойствами и его можно использовать для электроизоляционных целей. Диэлектрики должны обладать минимальной электропроводностью, для этого проверяют удельные, объемные и поверхностные сопротивления, пробивную напряженность, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическую проницаемость и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.

Значение электропроводности диэлектриков выражается обратной величиной - сопротивлением. В каменном литье с повышением температуры растет электропроводность. Расплав каменного литья является хорошим проводником.

Удельная электропроводность плавленого базальта (ом * м), при температуре °С: 8,8*10^-10 при 20°С; 9*10^-10 при 200°С; 3*10^-8 при 300°С; 2*10^-7 при 400°С; 1*10^-6 при 500°С.

Исследована диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь в каменном литье. Испытанию подвергались закристаллизованные и стеклянные пластины круглой формы размером по диаметру 100 мм и толщине 3 мм.

Для определения указанных диэлектрических величин в соответствии с требованиями ГОСТ использован мост Ширенга, выполненный в виде моста Р-525.

Испытуемые образцы помещали между электродами. Тангенс угла диэлектрических потерь подсчитывали по формуле:

tg δ = C₄ * π, где:

С₄ - емкость, мкф.

Диэлектрическую проницаемость определяли по формуле:

ε = (14,4 * С₀ * R₄ * d) / (R₃ * D²), где:

С₀ - емкость образцового конденсатора, мкф;
R₄ - безреактивные сопротивления, ом;
R₃ - безреактивное сопротивление, ом, отсчитываемое непосредственно на верхнем ряду ручек моста;
d - толщина образца, см;
D - диаметр верхнего электрода, см.

В результате опытов и расчетов установлено, что камнелитые изделия имеют тангенс угла диэлектрических потерь около 0,1, а диэлектрическую проницаемость близкую к 8.

Исследована пробивная напряженность базальтового литья, при этом она оказалась равной 7,18 — 7,86 мм² для испытываемых пластин толщиной от 8,86 до 12,51 мм.

Минералогический состав

Камнелитые изделия слагаются из различных минералов, в основном, силикатных или алюмосиликатных, при этом для каждого вида каменного литья характерно наличие какого либо, господствующего минерала и нескольких сопутствующих.

Образование в каменном литье определенных минералов, зависит от химического и минералогического составов применяемого сырья, условий плавки шихты и режима термической обработки отливок.

Камнелитые изделия на основе горелых пород имеют плотную равномерно зернистую структуру. Масса отливок состоит из лапчато-перистых пироксеновых агрегатов, как бы расположенных вплотную в субмикроскопической массе с точечными вкраплениями стекла. Такая структура обеспечивает хорошую прочность изделий.

Наблюдается также структура отливок, состоящая из мелких игольчатых образований пироксена, собранных в сферолитовые стяжения, внутри которых имеются мелкие зерна хромита. Прочность отливок с такой структурой недостаточная. В некоторых отливках при высокой температуре разливаемого расплава и длительной выдержке при кристаллизации образуются кристаллы оливина, и такие изделия склонны к растрескиванию.

Изделия из шихты на основе топливной золы имеют плотную и однородную сферолитовую структуру, сложенную агрегатами листовато-лапчатой формы; размеры кристаллов от 0,02 до 0,03 мм. Среди минералов листовато-лапчатой формы имеются мелкие игольчатые кристаллы размером от 0,01 до 0,05 мм. Основной кристаллической фазой является авгит, кроме того, имеется клипоэнстатит и энстатит.

Базальтовые изделия имеют весьма плотную мелкозернистую структуру, минералы которой сконцентрированы в виде сферолитовых стяжений.

Среди минералов преобладает пироксен, составляющий до 90% всего состава, кроме того, присутствуют магнетит (до 15%), хромит (до 2%), пустотные породы (до 2%) и изредка зерна оливина. В светлокаменном литье структура крупнокристаллическая; минералогический состав литья: 65 - 80% диопсида, 15 - 30% волластонита и 5 - 10% остаточного стекла. Диопсид представлен в виде листовых и сферолитовых зерен размером 0,1 - 0,15 мм. Заметно взаимное прорастание зерен, плотно прилегающих друг к другу. В узких пространствах между зернами диопсида расположены зерна волластонита размером 0,005 - 0,006 мм. Нередки случаи прорастания кристаллов диопсида и волластонита. Остаточное стекло состоит в основном из кремнезема и обволакивает зерна диопсида. Внутри зерен диопсида бывают полукристаллические сферолитовые включения остаточного стекла. Изделия имеют мелкозернистую звездчатую структуру.

Для определения фазового состава каменного литья наряду с микроскопическим исследованием опробовано рентгенографическое.

Рентгенографический фазовый анализ ровенского базальта и каменного литья из него производился с помощью рентгеновской установки УРС-70-К1 по методу порошка. Источником рентгеновых лучей служила электронная трубка БСВ-4 с железным антикатодом. Съемка производилась при постоянных условиях, а именно: напряжение поддерживалось 30 кв, сила тока 14 ма, выдержка 30 ч.

Расшифровка минералогического состава образцов ведется методом сравнения полученных в результате расчета значений межплоскостных расстояний и интенсивности линий рентгенограммы исследуемого образца с теми же значениями для линий рентгенограмм эталонных минералов.

Рентгенографическим исследованием, как и микроскопическим, показано, что в базальте имеются минералы: лабрадор, авгит и магнетит. В отливках из базальта оказался господствующим авгит и частично магнетит. Лабрадора, как и следовало ожидать, не было.

Таковы в кратких чертах физико-химические основы и свойств каменного литья.

Из сказанного выше следует, что получение каменного литья заданных свойств вполне реально. Для этого необходимо соответственно варьировать химическим и минералогическим составом шихты, атмосферой ее плавки и режимом термической обработки отливок с тем, чтобы получить в них нужное минералообразование и соответствующую структуру.

Читать далее.