CN104625480A - 一种钢轨铝热焊剂及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种用于铁道钢轨的具有贝氏体组织、高强度的铝热焊剂及其焊接方法。所述铝热焊剂，按重量百分比计，其包含铝粉18.4％～18.8％、氧化铁67.0％～67.6％、Cr 1.4％～1.6％、Ni 0.31％～0.33％、Mo 0.14％～0.16％、余量为铸铁粒；本发明所述铝热焊剂使得焊缝金属组织为贝氏体，其硬度可以与贝氏体钢轨母材相匹配，同时也能完全满足现场施工使用要求。

Description

一种钢轨铝热焊剂及其焊接方法

技术领域

本发明属于铝热焊剂领域，具体涉及一种用于铁道钢轨的具有贝氏体组织、高强度的铝热焊剂及其焊接方法。

背景技术

重载运输技术已被国际上公认是铁路货运发展的方向，为了适应重载运输的需要，我国铁路正在不断提高车辆载重。2006年我国载重60吨及以上的车辆约45万辆，占车辆总数的85.7％，其中轴重23吨、载重70吨的车辆已达到2万多辆，轴重25吨、载重80吨的车辆已有8400多辆，这对于提高铁路运输能力、缓解运输紧张的矛盾，实现铁路内涵扩大式再生产，推动中国铁路进入重载运输时代均具有重要意义。

随着铁路线路重载运输的发展，为提高钢轨的使用寿命，减小钢轨磨耗，采取了多种方法，主要为在轮轨之间添加摩擦改进剂、防脱减磨护轮轨装置、增加线路的平顺性和增加钢轨的硬度。其中，增加钢轨硬度是提高钢轨使用寿命的有效手段。随着钢轨硬度的增加，耐磨性增加，热处理钢轨踏面的硬度一般都在340HB以上，离线热处理U75V钢轨踏面的硬度高达370HB。

但是，目前钢轨铝热焊接头的金属组织基本上是珠光体组织，其强度和硬度有限，无法与高强度钢轨相匹配。虽然可通过合金化或热处理技术工艺提高接头金属的强度，但已接近极限，无法从根本上解决在提高其强度的同时保持较好韧性的问题，更无法满足铁路高速、重载对钢轨及道岔轨越来越高的技术要求。

钢轨铝热焊接，就是将铝粉、氧化铁和其它合金添加物配制成铝热焊剂，将其放在特制的反应坩埚中，用高温火柴点燃后引发铝热反应；反应过程中，放出大量的热熔化合金添加物，与反应生成的铁形成为钢液，由于其密度大而沉于坩埚底部，反应生成的熔渣较轻而浮在上部，在很短时间内，高温的铝热钢液熔化坩埚底部的自熔塞，浇铸到与钢轨外形尺寸一致的砂型和局部预热待焊钢轨形成的封闭空腔中，同时铝热钢液本身又作为填充金属，与熔化的钢轨共同结晶，冷却，将两段钢轨焊成整体。目前铝热反应生成的钢液金属组织均为珠光体组织，使得接头金属的硬度小于310HB，强度小于800Mpa，焊缝金属的硬度无法与目前高强度钢轨相匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于铁道钢轨的铝热焊剂及其焊接方法。本发明所述铝热焊剂使得焊接后得到的焊缝金属组织为贝氏体，其硬度可以与钢轨母材相匹配，同时也能完全满足现场施工使用要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钢轨铝热焊剂，由铝粉、氧化铁、铸铁粒及少量合金添加物均匀混合而成，其特征在于，所述合金添加物包括：Cr、Ni、Mo。

所述钢轨铝热焊剂，按重量百分比计，其包含：铝粉18.4％～18.8％、氧化铁67.0％～67.6％、Cr 1.4％～1.6％、Ni 0.31％～0.33％、Mo 0.14％～0.16％、余量为铸铁粒；

优选地，所述焊剂，按重量百分比计，其包含铝粉18.6％、氧化铁67.3％、Cr 1.5％、Ni 0.32％、Mo 0.15％、余量为铸铁粒；

优选地，所述铝粉的粒度10～80目，所述氧化铁的粒度为30～60目，所述铸铁粒的粒度10～80目，所述Cr的粒度为10～60目，所述Ni的粒度为10～60目，所述Mo的粒度为10～60目。

制备本发明钢轨铝热焊剂的方法，所述方法包括以下步骤：所述方法包括以下步骤：将所述铝热焊剂的组分均匀混合。

采用本发明所述钢轨铝热焊剂焊接钢轨的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将所述铝热焊剂装入坩埚，点燃，生成铝热钢水；

(2)步骤(1)得到的铝热钢水通过融化所述坩埚底部的自熔塞，浇铸到与钢轨外形一致的砂型和预热待焊钢轨形成的封闭空腔中；

(3)将铝热钢水冷却到850℃～950℃，切除多余焊接金属；后冷却至室温，清除残渣。

现有的钢轨铝热焊接技术焊接得到的焊缝金属组织为珠光体，而对于珠光体组织的焊缝金属，其强度和硬度有限，无法与高强度钢轨匹配。本发明在传统铝热焊剂配比(传统铝热焊剂组分为铝粉、氧化铁及铁合金)的基础上，增加一定比例的Cr、Ni、Mo合金，经焊接钢轨，得到表1所示化学成分的焊缝金属，焊缝金属组织在该化学成分下为贝氏体，其硬度达到327HB，抗拉强度达到853Mpa，远远高于珠光体组织下的接头金属的性能，与高强度钢轨相匹配。因此，本发明所述铝热焊剂使得焊缝金属组织为贝氏体，其硬度可以与钢轨母材相匹配，同时也能完全满足现场施工使用要求。

所述钢轨铝热焊剂的焊接方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将所述铝热焊剂装入坩埚，用高温火柴点燃，生成铝热钢水；

(2)步骤(1)得到的铝热钢水通过融化所述坩埚底部的自熔塞，浇铸到与钢轨外形一致的砂型和预热待焊钢轨形成的封闭空腔中；

(3)将铝热钢水冷却到850℃～950℃，用推瘤机切除轨头部位多余焊接金属。等焊头彻底冷却至室温后，清除砂型残渣。

表1焊缝金属化学成分

元素	C	Mn	Cr	Si	Ni	Mo	Al	P	S
										重量％	0.153	1.957	0.995	0.833	0.584	0.445	0.088	0.026	0.01

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1所示为焊缝由于所述铝热焊剂化学成分异常所导致的裂纹；

图2所示为焊缝由于所述铝热焊剂成分设计不当导致的焊缝金属马氏体组织；

图3所示为所述铝热焊剂生成的钢水温度太低而导致的焊接缺陷；

图4所示为采用本发明所述铝热焊剂进行焊接，得到的焊缝金属组织为贝氏体组织；

图5所示为采用传统焊剂进行焊接，得到的焊缝金属组织为珠光体组织；

图6所示为对焊缝金属采取的加工取样方式。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

在以下实施例中，本发明所述铝热焊剂制备采用专用焊剂配置生产线，设备自动称量所述铝热焊剂的组分即铝粉、氧化铁、铸铁粒、Cr、Ni、Mo的重量，后在室温下混合均匀后密封保存。

实施例1

本发明所述铝热焊剂与传统焊剂的效果对比

按重量百分比计，将铝粉18.6％、氧化铁67.3％、Cr 1.5％、Ni0.32％、Mo 0.15％、余量为铸铁粒，均匀混合得到本发明所述铝热焊剂；将本发明所述铝热焊剂按照本发明所述焊接方法进行焊接，得到的焊缝金属组织为贝氏体组织，如附图4所示，该组织的焊缝金属具有强韧性良好的综合性能；

采用传统焊剂，其组成为：铝粉、氧化铁、铸铁粒及少量铁合金均匀混合而成，按照本发明所述焊接方法进行焊接，其得到的焊缝金属组织为珠光体组织，其强度和硬度有限，无法与高强度钢轨相匹配。虽然可通过合金化或热处理技术工艺提高接头金属的强度，但已接近极限，无法从根本上解决在提高其强度的同时保持较好韧性的问题，更无法满足铁路高速、重载对钢轨及道岔轨越来越高的技术要求，如附图5所示。

实施例2

本发明所述铝热焊剂得到的焊缝金属的性能对比

按重量百分比计，将铝粉18.6％、氧化铁67.3％、Cr 1.5％、Ni0.32％、Mo 0.15％、余量为铸铁粒，均匀混合得到本发明所述铝热焊剂，将本发明所述铝热焊剂，按照本发明所述焊接方法进行焊接，得到的焊缝金属按照图6的方式加工，测试其性能，测试结果如表2所示；

将铝粉、氧化铁、铸铁粒及少量铁合金均匀混合，得到传统焊剂，将其按照本发明所述焊接方法进行焊接，得到的焊缝金属按照图6的方式加工，测试其性能，测试结果如表2所示；

表2本发明所述焊剂与传统焊剂得到的焊缝金属的抗拉强度对比

注：试验组号如图6所示焊接部分的组号，共9组。

本实施例中所述的抗拉强度采用万能试验机测定，测定试件断裂前所能承受的最大拉力与试件的受力面积的比值，即为试件的抗拉强度。

可以看出，采用本发明所述铝热焊剂得到的焊缝金属具有较高的强度。

实施例3

本发明所述铝热焊剂中各组分含量配比的筛选试验

组1～3为本发明所述铝热焊剂的组分含量配比，组4～6为对比例。

表3本发明所述铝热焊剂各组分含量配比得到的焊缝金属性能对比

表3显示，组1～3为本发明所述铝热焊剂的组分含量配比，其得到的焊缝金属组织为贝氏体组织，如附图4所示，该组织结构的焊缝金属具有强韧性良好的综合性能；铝热焊剂采用组4所示的组分含量配比，其得到的焊缝金属由于焊缝化学成分异常而导致裂纹，如附图1所示；铝热焊剂采用组5所示的组分含量配比，其得到的焊缝金属由于焊缝金属化学成分设计不当而导致焊缝金属形成马氏体组织，如附图2所示；铝热焊剂采用组6所示的组分含量配比，其得到的焊缝金属导致焊接缺陷，如附图3所示。

总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (4)

1.一种钢轨铝热焊剂，由铝粉、氧化铁、铸铁粒及少量合金添加物均匀混合而成，其特征在于，所述合金添加物包括：Cr、Ni、Mo。

2.根据权利要求所述的焊剂，其特征在于，按重量百分比计，其包含：铝粉18.4％～18.8％、氧化铁67.0％～67.6％、Cr1.4％～1.6％、Ni0.31％～0.33％、Mo0.14％～0.16％、余量为铸铁粒；

优选地，所述焊剂，按重量百分比计，其包含铝粉18.6％、氧化铁67.3％、Cr1.5％、Ni0.32％、Mo0.15％、余量为铸铁粒；

优选地，所述铝粉的粒度10～80目，所述氧化铁的粒度为30～60目，所述铸铁粒的粒度10～80目，所述Cr的粒度为10～60目，所述Ni的粒度为10～60目，所述Mo的粒度为10～60目。

3.一种制备如权利要求1或2所述的铝热焊剂的方法，所述方法包括以下步骤：将所述铝热焊剂的组分均匀混合。

4.一种采用如权利要求1或2所述的铝热焊剂焊接钢轨的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将所述铝热焊剂装入坩埚，点燃，生成铝热钢水；

(2)步骤(1)得到的铝热钢水通过融化所述坩埚底部的自熔塞，浇铸到与钢轨外形一致的砂型和预热待焊钢轨形成的封闭空腔中；

(3)将铝热钢水冷却到850℃～950℃，切除多余焊接金属；后冷却至室温，清除残渣。