По химическому составу каменные отливки относятся к многокомпонентным алюмосиликатным системам. Слагающие их минералы содержат окислы кремния, алюминия, кальция, магния, железа, щелочных металлов. В таблице I приведено содержание SWZ в типовых разновидностях каменного литья, указывающее, что двуокись кремния выступает в роли основного минералообразующего компонента*
Базовым структурным элементом кристаллической решетки силикатов являются тетраэдры 3[0ц . Они обладают значительной прочностью связей между ионами кремния и кислорода, имеющими большую долю ковалентности. При взаимодействии оксида кремния с основными окислами образуются сложные анионные радикалы типа (Si Of) и др., которые могут быть получены при различных сочленениях тетраэдров. В формирующихся при этом структурах комплексы «5V 0</ могут быть изолированными друг от друга ("островные" силикаты), связанными в кольца, цепочки, ленты, слои, в трехмерный пространственный каркас.
Между отрицательно заряженными ионами кислорода располагаются катионы Са+, Мр2+, Ре^+ и др., образуя в целом электро-нейтральную структуру силиката. С увеличением содержания SiD сложность структуры возрастает.
Как указывалось выше, в структуре отливки необходимо получить пироксен, Пироксены относятся к группе цепочных силикатов, В них кремнекислородные тетраэдры имеют по две общих вершины с соседями (Рис.1), что отвечает структурному составу. В поперечном направлении цепочки связаны между собой через анионы кислорода "мостиковыми" связями, образованными катионами Са^+, Рв^+ и др. Такое цепочечное строение напоминает структуру полимеров, элементы которой сохраняются и в жидком силикате* На рис.2 схематично изображено строение диопсида, являющегося типичным представителем пироксенового ряда# Характерной особенностью пироксенов является их способность к широким изоморфным (без существенных изменений кристаллической решетки) замещениям. Так, катионы Са могут замещаться на-M,. Это позволяет в значительной степени уменьшить влияние колебания химического состава исходной шихты на свойства изделий и обеспечивать в отливках получение преимущественно мономинеральной структуры.
Креме пироксенов в структуре каменных отливок могут присутствовать и другие минералы, например, шпинели, состав которых отвечает Формуле:
(Но, Ре2+) [(AI, Се3+, C)204J
Из железистых силикатных расплавов при высоких температурах в структуре каменных отливок выкристаллизовывается также магнетит.
Встречаются включения плагиоклазов, оливина и других минералов группы полевых шпатов. Полевые шпаты - наиболее распространенные в земной коре алюмосиликаты «Ж? и К. Их в ней по весу около 50 %0 сенов может быть представлена в виде XYZ.
Рис.1. Схема цепочки пироксена.
Рис 2. Структура диопсида
Полевые шпаты широко используются в стекольной и керамической промышленности, для чего их плавят в печах ваграночного типа.
До 15-20 % объема каменных отливок остаются незакристаллизованными и присутствуют 2 виде межкристаллического стекла. Это снижает прочностные характеристики отливок, но при литье в «оболочковые» формы, это исправимо.
Таким образом, цепочечное строение молекул пироксена - основной структуры каменных отливок, а также его изоморфность позволяют свести к минимуму влияние колебания химического состава исходной шихты. Как показывает практика, эти колебания довольно значительны.