CN113894463A

CN113894463A - 一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法

Info

Publication number: CN113894463A
Application number: CN202111156830.XA
Authority: CN
Inventors: 欧阳珉路
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: CN113894463B

Abstract

本发明涉及一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法。该铝热焊剂按照重量百分比计的组成为：铝粉17.0％‑17.6％、氧化铁62.4％‑64.0％、C含量为3％‑3.5％的铸铁丸9％‑10％、Mn 0.5％‑0.7％、Cu 0.15％‑0.25％、Cr 0.2％‑0.3％、Nb 0.10％‑0.16％、其余为C含量≤0.1％的铁丁屑。本发明通过改进配方和焊接工艺，将U68CuCr钢轨的焊接接头耐腐蚀性能提升了40％左右，有效防止该部位出现选择性腐蚀，大大延长了钢轨的使用寿命，保证了列车的运行安全。在提高铝热焊接接头耐腐蚀性能的同时，不影响其强度和硬度，甚至能与U68CuCr钢轨母材相匹配，整个焊接操作简单，完全满足现场施工使用要求。

Description

一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法

技术领域

本发明涉及钢轨焊接技术领域，具体涉及一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法。

背景技术

金属腐蚀现象广泛存在于工业领域的各种机械设备中，是造成材料损失和设备失效的主要原因之一。金属材料受到腐蚀后，强度将大幅下降，影响金属结构的安全和可靠性，甚至严重危及人身财产安全。在铁路运输领域，工业大气环境和海洋大气环境下钢轨的腐蚀情况十分严重，对铁路的安全运行构成威胁。因此钢轨研发和生产部门开发了耐蚀钢轨(如U68CuCr钢轨)，铁路部门也开展了耐腐蚀材料和涂层防腐技术以减少钢轨的腐蚀。

铝热焊接是一种常用的钢轨焊接方式，该方法的优点是设备便携、不依赖电力、焊接时间短且不需要纵向顶锻，通常用于换轨作业。钢轨铝热焊使用的铝热焊剂通常由铝粉、氧化铁以及其它合金添加物混合而成，如中国专利CN102029486A、CN104625480A、CN111590192A等，这些现有技术主要关注焊接强度和硬度，基本不涉及耐蚀性。通常铝热焊剂中的合金成分与母材合金成分不必保持一致，对于性能要求较高的焊头来说，焊剂成分与母材成分差别不太大即可。现场焊接时将铝热焊剂放置在专用的反应坩埚中，用高温火柴点燃引发铝热反应。反应过程中氧化铁被还原成铁同时放出大量的热能，熔化合金添加物与铁混合形成钢液。由于钢液的密度大而沉积于坩埚底部，密度小的熔渣则浮于上方，高温的钢液将坩埚底部的自熔塞熔化后流出，浇铸到下方由待焊钢轨两端和砂型围成的空腔之中。该空腔形状与钢轨廓形保持一致，浇铸的钢液作为填充金属将空腔填满，冷却后即可将两段钢轨焊为一体。

耐蚀钢轨U68CuCr是武钢近些年研发的新型钢轨，通过添加Cu、Cr及Nb等合金成分，大幅度提高了钢轨的耐腐蚀性能和强度。然而我们发现U68CuCr钢轨在实际服役过程中，采用现有常规铝热焊剂形成的焊接头的耐腐蚀性能较差，在大气腐蚀环境下易出现选择性腐蚀，形成表面凹坑等缺陷使腐蚀性介质聚集，进一步加深了焊头腐蚀，可能会造成断裂等严重后果，严重危及行车安全。为此，发明人专门研发了一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂，其组成包括铝粉、氧化铁、铸铁丸、铁丁屑以及合金添加物，所述合金添加物包括Mn、Cu、Cr、Nb。

进一步的，所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.0％-17.6％、氧化铁62.4％-64.0％、铸铁丸9％-10％、合金添加物1.05％-1.41％、余量为铁丁屑，合计为100％。

更进一步的，合金添加物中各组分在铝热焊剂中的重量百分比为：Mn 0.5％-0.7％、Cu 0.15％-0.25％、Cr 0.2％-0.3％、Nb 0.10％-0.16％。

进一步的，所述铸铁丸的C含量为3％-3.5％，铁丁屑的C含量≤0.1％。铸铁丸的作用是增加钢水碳含量，铁丁屑的作用是增加铁水量。

进一步的，所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.4％、氧化铁63.3％、铸铁丸9.6％、Mn 0.62％、Cu 0.21％、Cr 0.25％、Nb 0.13％、其余为铁丁屑。

进一步的，原料中铝粉的粒度为40-60目，氧化铁的粒度为18-60目，铸铁丸的粒度为10-30目，Mn的粒度为10-80目，Cu的粒度为10-80目，Cr的粒度为10-80目，Nb的粒度为10-80目。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述耐腐蚀铝热焊剂焊接U68CuCr钢轨的方法，该方法包括以下步骤：(a)首先对U68CuCr钢轨的待焊接部位进行预处理，然后预热备用；(b)点燃耐腐蚀铝热焊剂进行焊接；(c)在接头的冷却过程中进行后处理。

进一步的，步骤(a)所述预处理包括打磨平整、清理残渣或杂质、对轨，预热温度为850-900℃，预热时间为5-10min。

进一步的，步骤(c)中当接头温度冷却至950℃-1000℃时迅速拆除铝热焊接设备并进行推瘤，当接头自然冷却至室温后清除残渣并修整打磨。

铝粉是铝热反应中的重要组成部分，其主要作用是还原氧化铁，与氧结合生成氧化铝并产生大量热量。铝粉的颗粒大小直接决定了铝热反应的剧烈程度，是铝热焊重要参数之一。铝粉颗粒过大时反应缓慢，热量损失大，难以生成钢水；铝粉颗粒过小时反应剧烈，温度过高不能均匀放热，也会导致钢水不足。经发明人反复实验筛选，最佳的铝粉粒度为40-60目。

氧化铁是铝热反应中的另一种重要组成部分，其主要作用是提供氧元素参与反应并被铝还原成铁，铁在反应形成的高温下液化，与合金元素混合形成钢水，成为焊接中的填充金属。氧化铁主要由三氧化二铁(Fe₂O₃)、氧化亚铁(FeO)与四氧化三铁(Fe₃O₄)三种组成，在制作焊剂前需要对这三种物质的含量进行测量，根据含量微调铝粉与氧化铁的配比。

本发明选用含碳量3％-3.5％的铸铁丸，通过控制铸铁丸的添加量调节焊头的碳含量，同时还可以增加钢水量并控制反应温度。这是因为碳是钢中最重要的强化元素，碳的存在可提高焊头强度，但会降低其韧性、劣化焊头整体性能，故焊剂中碳含量不宜过高，确保最终组织以珠光体为主，与母材保持一致即可。本发明选用的铁丁屑碳含量控制在0.1％以下，主要作用也是增加钢水量并控制反应温度。

合金添加物的选择是本发明的核心，其中Mn是强固溶强化元素，在一定含量范围内可提高焊头的强度与韧性，同时还具有一定的脱氧、脱硫能力；少量Cu的加入可显著提高钢的耐腐蚀性能，同时对强度的提升也有一定作用；Cr在高温下会形成高熔点氧化物Cr₂O₃，其在冷却过程中作为钢水的形核剂，能够细化晶粒进而提高焊头的强度和韧性，并且固溶的Cr可降低表面腐蚀速度，对提高耐蚀性有一定的贡献；Nb固溶于奥氏体中能够有效细化珠光体晶粒，提高焊头的强度和韧性。

与现有铝热焊剂相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)通过改进配方和焊接工艺，保证焊头组织为珠光体，通过控制C元素的加入量和控制冷却速度获得目标组织；

(2)引入Cu元素提高钢基体的腐蚀电位，起到较好的保护作用；引入Cr元素降低腐蚀层表面能，形成致密保护层，提升耐蚀性能，最终将U68CuCr钢轨的焊接接头耐腐蚀性能提升了40％左右，有效的防止该部位出现选择性腐蚀，大大延长了钢轨使用寿命，保证了列车运行安全；

(3)通过添加Mn、Cr、Nb等元素提高了钢的强度，并细化珠光体晶粒提高其韧性，实现了在提高铝热焊接接头耐腐蚀性能的同时不影响其强度和硬度(强度有所提高)的多重目的，由此得到的焊接接头甚至能与U68CuCr钢轨母材相匹配；

(4)焊接操作方法简单，完全满足现场施工使用要求。

附图说明

图1为采用本发明耐腐蚀铝热焊剂焊接U68CuCr钢轨所得接头的金相图；

图2为周浸实验腐蚀片取样位置示意图；

图3为采用本发明耐腐蚀铝热焊剂及常规铝热焊剂焊接U68CuCr钢轨的动电位极化曲线图；

图4为拉伸实验取样位置示意图。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。

实施例1

一种耐腐蚀铝热焊剂，在干燥状态下按照重量百分数计的配方如下：铝粉17.4％、氧化铁63.3％、铸铁粒9.6％、Mn 0.62％、Cu 0.21％、Cr 0.25％、Nb 0.13％、铁丁屑8.49％。其中铝粉的粒度为40-60目，氧化铁的粒度为18-60目，铸铁丸的粒度为10-30目，Mn的粒度为10-80目，Cu的粒度为10-80目，Cr的粒度为10-80目，Nb的粒度为10-80目。将上述原料按照化学计量比在室温下均匀混合后密封保存。

另外准备了一份现有常规铝热焊剂，在干燥状态下按照重量百分数计的配方如下：铝粉17％、氧化铁65％、铸铁粒9％、Si 0.4％、Mn 0.8％、铁丁屑7.8％。其中粉体原料与前述耐腐蚀铝热焊剂同批次。

利用上述两种铝热焊剂对同一批次的若干段U68CuCr钢轨进行焊接实验，具体过程如下：将两支待焊钢轨相邻的端部打磨平整并清理干净，对轨后安装砂型、坩埚支架，将同样重量的两种铝热焊剂装入坩埚内；对两支待焊钢轨相邻的端部进行预热，预热温度870℃，预热时间8min；预热结束后立刻用高温火柴点燃坩埚内的铝热焊剂，发生铝热反应生成钢水，高温钢水熔化自熔塞后流入砂型与钢轨端部围成的封闭空腔中；浇铸结束后使用测温枪对接头进行测温，当接头温度降至970℃时迅速拆除器具并进行推瘤，待焊头自然冷却至室温后清除残渣修整打磨即可。

利用本发明耐腐蚀铝热焊剂焊接所得接头的金相图如图1所示。从图1可以看出，该焊接接头组织为珠光体，完全符合铁道标准等相关标准要求。

参照图2所示方法，在两个焊头部位取腐蚀片试样(规格50×25×3mm)并进行耐蚀性能测试，结果如表1所示。周浸实验条件：腐蚀介质为0.01mol/L亚硫酸氢钠溶液，温度45℃，湿度70％，红外线光照。

表1 不同腐蚀片

实验结果对比表

从表1数据可以看出，采用本发明提供的耐腐蚀铝热焊剂及焊接方法得到的铝热焊头，其耐腐蚀性能相对于现有常规铝热焊剂焊头提高了约40％，效果十分明显。

在两种铝热焊焊头的焊缝中心区域分别取10×10×10mm试样进行电化学实验。工作电极为用环氧树脂封好的试样，对电极(辅助电极)为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为2.2wt％的NaCl溶液。测量动电位极化曲线选择稳态极化-动电位扫描，设置扫描初始电位为相对开路电位-300mV，终止电位为相对开路电位300mV，扫描速率0.5mV/s。实验测得极化曲线如图3所示，将数据拟合后得到电化学实验结果对比表。

表2 不同焊缝中心区域的电化学实验结果对比表

由图3及表2可知，采用本发明提供的耐腐蚀铝热焊剂及焊接方法得到的焊头腐蚀电位高于现有常规铝热焊剂焊头，并且腐蚀电流密度小于现有常规铝热焊剂焊头。由此可知，本发明得到的耐腐蚀铝热焊焊头在同等条件下更难出现腐蚀，并且腐蚀速率更低，耐腐蚀能力更强。

按照TB/T 1632.1规定，参照图4所示位置在两种焊头部位取拉伸试样(表中1#-9#即为图4中取样位置的对应编号)，对焊头力学性能进行测试，结果如表3所示。

表3 不同焊头拉伸实验结果对比表

从表3可以看出，采用本发明所述耐腐蚀铝热焊剂及焊接方法得到的铝热焊头具有较高的抗拉强度，均值比现有常规铝热焊剂焊头提高了3.5％左右。

实施例2

一种耐腐蚀铝热焊剂，在干燥状态下按照重量百分数计的配方如下：铝粉17.2％、氧化铁63.1％、铸铁丸9.2％、Mn 0.55％、Cu 0.16％、Cr 0.22％、Nb 0.11％、铁丁屑9.46％。将上述原料按照化学计量比在室温下均匀混合后密封保存。选用的粉体原料均满足粒径要求。

参照实施例1的方法，利用上述耐腐蚀铝热焊剂焊接了两段U68CuCr钢轨，并对接头取样进行了耐腐蚀性，结果表明其耐腐蚀性等各项性能与实施例1样品相近，实验结果见表4-6。

表4 不同腐蚀片

实验结果对比表

表5 不同焊缝中心区域的电化学实验结果对比表

表6 不同焊头拉伸实验结果对比表

实施例3

一种耐腐蚀铝热焊剂，在干燥状态下按照重量百分数计的配方如下：铝粉17.5％、氧化铁63.6％、铸铁粒9.6％、Mn 0.65％、Cu 0.24％、Cr 0.28％、Nb 0.15％、铁丁屑7.98％。将上述原料按照化学计量比在室温下均匀混合后密封保存。选用的粉体原料均满足粒径要求。

参照实施例1的方法，利用上述耐腐蚀铝热焊剂焊接了两段U68CuCr钢轨，并对接头取样进行了耐腐蚀性，结果表明其耐腐蚀性等各项性能与实施例1、2样品相近，实验结果见表7-9。

表7 不同腐蚀片

实验结果对比表

表8 不同焊缝中心区域的电化学实验结果对比表

表9 不同焊头拉伸实验结果对比表

Claims

1.一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：该耐腐蚀铝热焊剂的组成包括铝粉、氧化铁、铸铁丸、铁丁屑以及合金添加物，所述合金添加物包括Mn、Cu、Cr、Nb。

2.如权利要求1所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.0％-17.6％、氧化铁62.4％-64.0％、铸铁丸9％-10％、合金添加物1.05％-1.41％、余量为铁丁屑。

3.如权利要求2所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：合金添加物中各组分在铝热焊剂中的重量百分比为：Mn 0.5％-0.7％、Cu 0.15％-0.25％、Cr 0.2％-0.3％、Nb 0.10％-0.16％。

4.如权利要求3所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.4％、氧化铁63.3％、铸铁丸9.6％、Mn 0.62％、Cu 0.21％、Cr 0.25％、Nb 0.13％、其余为铁丁屑。

5.如权利要求1所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：所述铸铁丸的C含量为3％-3.5％，铁丁屑的C含量≤0.1％。

6.如权利要求1所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：原料中铝粉的粒度为40-60目，氧化铁的粒度为18-60目，铸铁丸的粒度为10-30目，Mn的粒度为10-80目，Cu的粒度为10-80目，Cr的粒度为10-80目，Nb的粒度为10-80目。

7.利用权利要求1所述耐腐蚀铝热焊剂焊接U68CuCr钢轨的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)首先对U68CuCr钢轨的待焊接部位进行预处理，然后预热备用；(b)点燃耐腐蚀铝热焊剂进行焊接；(c)在接头的冷却过程中进行后处理。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(a)所述预处理包括打磨平整、清理残渣或杂质、对轨，预热温度为850-900℃，预热时间为5-10min。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(c)中当接头温度冷却至950℃-1000℃时迅速拆除铝热焊接设备并进行推瘤，当接头自然冷却至室温后清除残渣并修整打磨。