ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЗА СЧЁТ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННЫХ БЕНТОНИТОВЫХ ГЛИН МЕСТОРОЖДЕНИЯ ВАУШ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются результаты применения механохимически активированных бентонитовых глин из Ваушского месторождения в составе песчано-глинистых формовочных смесей для литейного производства. Проведены комплексные лабораторные и промышленные испытания, в ходе которых установлено, что активация бентонита позволяет существенно повысить удельную поверхность, пластичность, сорбционные и связующие свойства глинопорошка. Оптимальные параметры формовочных смесей с добавлением активированного материала обеспечивают повышение прочности на сжатие, восстановление формы и термостойкости. Проведён сравнительный анализ с импортными аналогами, подтверждающий технологическую и экономическую целесообразность использования местного сырья. Предложена эмпирическая модель зависимости прочностных характеристик формы от физико-химических показателей активированного глинопорошка.

ABSTRACT

This article presents the results of using mechanochemically activated bentonite clays from the Vaush deposit in sand-clay molding mixtures for foundry production. Comprehensive laboratory and industrial tests were carried out, which established that bentonite activation significantly increases the specific surface area, plasticity, sorption, and binding properties of the clay powder. Optimal parameters of molding mixtures with the addition of activated material ensure increased compressive strength, shape recovery, and thermal resistance. A comparative analysis with imported analogs confirms the technological and economic feasibility of using local raw materials. An empirical model is proposed to describe the dependence of mold strength characteristics on the physicochemical properties of the activated clay powder.

Ключевые слова: бентонит, механохимическая активация, глинопорошок, литейные формы, прочность формы, Ваушское месторождение, термостойкость, микроструктура.

Keywords: bentonite, mechanochemical activation, clay powder, foundry molds, mold strength, Vaush deposit, thermal resistance, microstructure.

Введение. Современное литейное производство требует всё более высоких требований к формовочным смесям, обеспечивающим точность, прочность и термостойкость литейных форм. Основным связующим компонентом таких смесей традиционно являются бентонитовые глины, обладающие высокой пластичностью, водоудерживающей способностью и адгезией. Однако природные свойства бентонитов, особенно кальциевого типа, не всегда удовлетворяют требованиям высокотехнологичных процессов литья, что делает актуальной задачу их модификации и активации.

В этой связи особый интерес представляет механохимическая активация бентонитовых глин, позволяющая интенсифицировать их физико-химические свойства за счёт диспергирования, разрушения кристаллической решётки и увеличения удельной поверхности. В Узбекистане, на Ваушском месторождении, сосредоточены значительные запасы кальциевого бентонита, обладающего высоким содержанием монтмориллонита. Исследование его активации и применения в литейных смесях открывает широкие возможности для создания импортонезависимой сырьевой базы.

Целью настоящего исследования является изучение влияния механохимически активированного глинопорошка из Ваушского месторождения на физико-технические и технологические параметры формовочных смесей, а также оценка качества полученных отливок из чугуна и стали.

В основу настоящего исследования положены бентонитовые глины Ваушского месторождения, расположенного в Навоийской области Республики Узбекистан. Это месторождение характеризуется высоким содержанием кальциевого монтмориллонита (до 65–68 %), что определяет его потенциальную пригодность в качестве базового сырья для литейных формовочных смесей. Однако, ввиду природной недостаточной активности, было принято решение об интенсификации его свойств путём механохимической активации.

Материалы и методы исследования.

1. Подготовка и характеристика сырья. Первоначально добытая глина подвергалась воздушной сушке до остаточной влажности не более 8–10 %, затем измельчалась до фракции <2 мм. Полученное сырьё анализировалось на предмет:

• химико-минералогического состава (метод XRD и XRF),
• содержания монтмориллонита и примесных минералов (кварц, каолинит, полевой шпат),
• влагопоглощения и пластичности (пенетрометрический метод),
• потерь при прокаливании (LOI, 1000 °C).

2. Процедура механохимической активации. Активация проводилась в планетарной шаровой мельнице модели Fritsch Pulverisette 7 Premium Line при следующих параметрах:

• масса загрузки: 100 г;
• шарики: Ø 5–10 мм из оксида циркония;
• время измельчения: 15, 30, 45 и 60 минут;
• частота вращения: 800 об/мин.

Дополнительно, в ряде серий в глину вводился модификатор — натриевая сода (1,5–2,0 %) для повышения натрий-кальциевого обмена и активации межслоевых связей.

3. Физико-химическая и структурная характеристика активированного глинопорошка. После активации проводился комплексный анализ с использованием:

• BET-метода (удельная поверхность и пористость),
• ИК-Фурье спектроскопии (идентификация гидроксильных и сульфатных групп, наблюдение активации –OH и Si–O–Al связей),
• Рентгенофазового анализа (деградация кристаллической решётки монтмориллонита, аморфизация),
• SEM и TEM — для визуализации морфологии частиц, уровня дисперсности, структуры агломератов и наличия нано-пор.

4. Приготовление и испытание формовочных смесей. Формовочные смеси готовились на основе кварцевого песка (ГОСТ 2138–91) и активированного глинопорошка (5, 7, 9, 11 % от массы песка), при этом содержание воды варьировалось от 3,5 до 4,5 %. Контрольные смеси включали:

• импортные натрий-бентониты (турецкий и индийский),
• обычный кальциевый бентонит (без активации).

Измеряемые параметры:

• прочность на сжатие (влажное состояние) — ГОСТ 28177-89;
• газопроницаемость — ГОСТ 23409-84;
• восстанавливаемость формы — метод резиновой плиты;
• адгезия к модельной плите;
• пластичность — методом конусного пенетрометра.

5. Производственные испытания и оценка качества отливок. Формовочные смеси применялись на производственной линии литейного цеха завода «Quyuv mexanika», где производились отливки из:

• серого чугуна (СЧ20, СЧ25),
• углеродистой стали (20, 35, 45 марок).

Параметры оценки:

• геометрическая точность (3D измеритель Renishaw);
• шероховатость поверхности Ra — методом контактного профилометра;
• металлография (микроструктура, графитизация, усадочные дефекты) — микроскоп Olympus GX71;
• температурный анализ затвердевания — программный комплекс ProCAST с сенсорной термопарной матрицей;
• дефектоскопия — метод рентген-контроля и капиллярной дефектоскопии.

Результаты сравнивались с образцами, полученными с использованием неактивированной глины и контроль (обычная глина). Также проводился экономический анализ снижения себестоимости формовочной смеси и уровня условного брака.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики отливок, полученных в формах с использованием различного глинопорошка

Рисунок 1. Сравнительные характеристики контрольная и активированная глина Вауш

В результате проведённых исследований была экспериментально обоснована возможность применения механохимически активированного бентонитового глинопорошка Ваушского месторождения в составе песчано-глинистых формовочных смесей, используемых для изготовления отливок из чугуна и стали. Акцент в исследовании был сделан на комплексной оценке физико-химических, технологических и структурно-механических свойств формовочных смесей до и после активации.

1. Изменение физико-химических характеристик бентонитового глинопорошка

После механохимической активации в планетарной мельнице наблюдалось значительное увеличение удельной поверхности (с 22 до 82 м²/г), что сопровождается ростом адсорбционной способности и степени набухания. Средний размер частиц снизился до 13 мкм, обеспечивая формирование более плотной контактной структуры между зернами песка.

Таблица 2.

Физико-химические характеристики бентонитового глинопорошка

Такие изменения указывают на активацию гидроксильных и алюмосиликатных групп, что подтверждается ИК-Фурье спектроскопией: усиление полос поглощения в диапазоне 3420–3620 см⁻¹ свидетельствует о повышении гидратационной способности.

2. Технологические свойства формовочных смесей

Применение активированного глинопорошка (в дозировке 7–11 %) обеспечило улучшение прочностных характеристик смеси: прочность на сжатие увеличилась до 2,2 кг/см², восстанавливаемость достигла 96 %, а газопроницаемость осталась в пределах нормы.

Таблица 3.

Технологические свойства формовочных смесей

Таким образом, выявлено оптимальное соотношение: 9–11 % активированной глины и 3,8–4,2 % влаги обеспечивают стабильную структуру формы, высокую пластичность и прочность.

3. Влияние на качество отливок

При сравнении отливок, полученных с использованием обычной глины и активированной, было установлено:

• Снижение доли брака с 20,7 % до 7,5 %;
• Уменьшение шероховатости поверхности с 43 до 30 мкм;
• Повышение точности геометрии на 15–18 %;
• Снижение дефектов типа газовых раковин и прожогов.

Металлографический анализ показал более равномерную графитовую структуру в чугуне и ферритно-перлитную матрицу без склонности к ликвации в сталях. Программная симуляция процесса затвердевания (ProCAST) подтвердила снижение температурных градиентов до 18–22 %, что способствует формированию более плотной усадочной зоны.

4. Промышленная апробация и экономическая оценка

В условиях машиностроительного предприятия «Quyuv mexanika» переход на активированную смесь позволил:

• снизить потребление глины на 14 %;
• сократить трудоёмкость механической доработки на 12–15 %;
• повысить выход годной продукции до 92,5 %;
• уменьшить себестоимость формовочных материалов на 15–18 %.

Заключение.

Проведённое исследование подтвердило высокую эффективность применения механохимически активированного глинопорошка из бентонита Ваушского месторождения в составе формовочных смесей для литейного производства. Полученные данные позволили:

• обосновать научные принципы повышения активности бентонита за счёт интенсификации его физико-химических характеристик (удельная поверхность, пластичность, сорбционная способность);
• экспериментально определить оптимальный гранулометрический и минералогический состав активированного глинопорошка, обеспечивающий максимальную прочность, газопроницаемость и стабильность литейных форм;
• показать, что механохимическая активация позволяет добиться значительного повышения качества металлических отливок — за счёт равномерного теплового распределения, уменьшения дефектообразования и улучшения микроструктуры;
• подтвердить, что внедрение технологии на промышленном уровне приводит к снижению производственного брака, повышению точности отливок и снижению затрат на сырьё;
• разработать эмпирические модели зависимости прочности формы от ключевых параметров глины, что может быть использовано для инженерного проектирования литейных смесей.

Таким образом, механохимическая активация бентонита Ваушского месторождения является не только научно обоснованным, но и промышленно эффективным решением для создания высококачественных формовочных материалов на базе местного сырья. Это открывает перспективы для развития замкнутой технологической цепочки в литейной отрасли Узбекистана и других стран СНГ с минимизацией зависимости от импортного бентонита.

Список литературы:

1. Васильев В. А. Физико-химические основы литейного производства: Учебник для вузов. — М.: ИнтермеИнжиниринг, 2001. - 336 с.
2. Гуляев Б. Б. Формовочные процессы / Б. Б. Гуляев, О. А. Корнюшкин, А. В. Кузин. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 264 с.
3. Формовочные материалы и смеси / С. П. Дорошенко, В. П. Авдокушин, К. Русин, И. Мацашек. - Киев: Выща шк.; Прага: СНТЛ, изд-во техн. лит., 1990. - 415 с.
4. Формовочные материалы и технология литейной формы: Справочник / С. С. Жуковский, Г. А. Анисович, Н. И. Давыдов, Н. Н. Кузьмин, Э. Л. Атрощенко, И. П. Ренжин, Б.Л. Суворов, С. Д. Тепляков, А. А. Штек-тор: Под общ. ред. С. С. Жуковского. - М.: Машиностроение, 1993. - 432 с.
5. Илларионов И. Е. Формовочные материалы и смеси: Монография / И. Е. Илларионов, Ю. П. Васин. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1992. - Ч. 1. - 223 с.
6. Сварика А. А. Покрытия литейных форм. - М.: Машиностроение, 1977. - 216 с.