DE19635173C1

DE19635173C1 - Gießform für die Verbindungsschweißung von Schienen

Info

Publication number: DE19635173C1
Application number: DE19635173A
Authority: DE
Inventors: Helmut Lammerting; Gerhard Skreba; Michael Dr Steinhorst
Original assignee: Elektro Thermit GmbH
Current assignee: Elektro Thermit GmbH and Co KG
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2016-08-31
Also published as: EA199600092A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aus zwei Formhälften bestehende vorgefertigte Gießform zur aluminothermischen Verbindungs schweißung von mit einer Lücke verlegten Schienen, zusammenge setzt aus Bindemittel und Quarzsand.

Bei der aluminothermischen Schienenverbindungsschweißung werden die Enden zweier, mit einer festgelegten Lücke verlegten Schie nen mit einer mehrteiligen Gießform umgeben. Üblicherweise wer den die Schienenenden und die zusammengesetzte und meist seit lich mit Klebsand abgedichtete Gießform mit Hilfe eines Bren ners von oben her vorgewärmt. Anschließend werden die Schie nenenden durch Einguß einer aluminothermisch erzeugten Stahl schmelze in die Form aufgeschmolzen und miteinander verbunden. Eine solche Verfahrensweise ist seit vielen Jahren bekannt und wird in großem Umfang benutzt.

Die Sicherheitsanforderungen an eine Verbindungstechnik, deren Anwendung gerade im Bereich des Personentransportes zu finden ist, aber auch im Güterverkehr, steigen ständig. Daneben nehmen zusätzlich die Belastungen der Schienen kontinuierlich zu, was zu einem verstärkten Verschleiß und Versagen führt. Häufig be einträchtigen dabei durchaus rein visuelle Eindrücke das zuneh mende Sicherheitsempfinden vieler Anwender eines solchen Ver fahrens.

Die Qualität einer Schweißung wird nicht nur durch fest defi nierte Kenngrößen beschrieben, wie chemische Zusammensetzung oder mechanische Eigenschaften der Thermit-Schweißverbindung, sondern auch durch eine visuelle Beurteilung. Hier gewinnt ne ben der Beurteilung der Fehlerfreiheit der Bruchfläche nach ei nem Gewaltbruch die Oberfläche der Schweißung zunehmend an Be deutung und wird mehr und mehr ein wichtiges Qualitätskrite rium. Dabei werden die Art der Oberflächendefekte - Riß, Pore, Sand- oder Schlackeneinschluß - deren Größe und der allgemeine visuelle Eindruck der Oberflächenrauhigkeit festgehalten.

Aufwendig ist vor allen Dingen nach der Thermit-Schweißung die sorgfältige Entfernung der Gießform bzw. des Formsandes nach dem Schweißprozeß.

Es besteht somit ein Bedarf nach Maßnahmen, die einerseits das Auftreten von Defekten innerhalb der Schweißung verhindern, die Entfernung des Formensandes erleichtern und andererseits das Auftreten von Oberflächendefekten minimieren sollen. Mit einer entsprechend verbesserten Schweißverbindung wird den steigenden Sicherheitsansprüchen und den wirtschaftlichen Zwängen Rechnung getragen.

Entscheidend für die Bildung von Oberflächenfehlern ist die Grenzfläche zwischen Form und Thermit-Stahl. Deshalb stellte sich die Aufgabe, durch das Einbringen einer oder mehrerer zu sätzlicher Trennschichten zwischen Form und Stahl das Entstehen von Oberflächendefekten zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.

Es bestand daher ein Bedarf an Substanzen, die in der Lage sind, Trennschichten beim aluminothermischen Schweißverfahren auszubilden oder die Verglasung der Formoberfläche während des Schweißverfahrens zu fördern.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die Oberflächen qualität der miteinander zu verschweißenden Schienenenden er heblich verbessert wird, wenn die Gießform Polyorganosiloxane enthält. Es war überraschend, daß trotz der bei diesem alumi nothermischen Schweißverfahren entstehenden hohen Temperaturen von über 2000°C diese siliciumorganischen Verbindungen in der Lage sind,- Trennschichten auszubilden und damit die Oberflä chenbeschaffenheit der Schweißung deutlich verbessern. Darüber hinaus fördern die erfindungsgemäß eingesetzten Verbindungen die Verglasung der Formenoberflächen und vereinfachen die Ent fernung der Formenreste nach Abkühlung der Schweißung.

Die Polyorganosiloxane sollten flüssig vorliegen, um eine gute Verteilung beim Mischen der Rezepturbestandteile zu erzielen. Aufgrund der niederenergetischen Eigenschaften und hohen Beweg lichkeit vermögen sie auf Feststoffen zu spreiten und können sehr dünne Filme ausbilden. Somit wird die Reibung der Sandkör ner untereinander reduziert. Dies führt naturgemäß zu einer Verdichtung der Sandmischung und zu einer Glättung der For menoberfläche.

Die Polyorganosiloxane können ungelöst oder in Form von Lösun gen in organischen Lösungsmitteln oder in Form ihrer wäßrigen Emulsionen eingesetzt werden. Dabei sind vor allem Siliconöle mit einer Viskosität von 20 bis 60 000 mPa.s wirksam. Werden diese Siliconöle im ungelösten Zustand der Gießformmischung zu gesetzt, ist es zweckmäßig, Siliconöle mittlerer Viskosität, wie 100 bis 1000 mPa.s, zu verwenden.

Die Siliconöle können auch in einem Träger, d. h. einem organi schen Lösungsmittel, wie z. B. aliphatische Kohlenwasserstoffe, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Ketone, gelöst werden. Bevorzugt werden umweltfreundliche Lösemittel, wie aliphatische Kohlen wasserstoffe mit Flammpunkten < 55°C, eingesetzt. Besonders geeignet sind die sogenannten Testbenzine, die einen Aromaten anteil von ca. 20% aufweisen. Lösungsmittel können im allge meinen eine bessere Verteilung der Siliconöle erwirken. Inso fern können bezüglich der Viskositätslage der Siliconöle höhere Toleranzgrenzen zugelassen werden, wie z. B. 20 cP bis 300 000 cP. Bevorzugt werden auch hier Viskositätsbereiche von 100 bis 1000 cP.

Üblicherweise werden 20%ige Lösungen, die das Lösemittel und das erfindungsgemäße Siliconöl enthalten, der Formensandmi schung zugesetzt.

Weiter können auch wäßrige Emulsionen der erfindungsgemäßen Substanzen der Formensandmischung zugesetzt werden. Diese wäß rigen Emulsionen sind mittels nichtionischer Emulgatoren bis zu einer Wirkstoffkonzentration von 50% herstellbar. Bevorzugt werden Emulsionen, die 35% Siliconöl und 5% Emulgator enthal ten. Zur Emulgierung sind Anlagerungsprodukte von Fettalkohol- EO-Addukten oder auch Polyoxyethylenfettsäureestern geeignet. Die Herstellung einer solchen Emulsion erfolgt vorzugsweise nach der Wasser-in-Öl-Methode. Zur Herstellung werden zweckmä ßigerweise zunächst der Wirkstoff, der Emulgator und eine ge ringe Wassermenge vorgelegt und scherkraftreich vermischt. Dar aufhin erfolgt portionsweise die Zugabe der Restwassermenge. Dieser Verdünnungsvorgang erfolgt in der Regel mit scherkraft armen Rührwerken. Dabei entsteht eine feinteilige, stabile Emulsion. Hinsichtlich der Viskositätstoleranzen des erfin dungsgemäßen Siliconöls kann die gleiche Bandbreite, wie oben ausgeführt, zugrunde gelegt werden, da die verwendete wäßrige Zubereitung naturgemäß niedrigviskos ist und leicht mit der Formensandmischung vermischt werden kann.

Das verwendete Siliconöl ist in der Regel ein Dimethylpoly siloxan der allgemeinen Formel

n kann dabei einen Durchschnittswert von 20 bis 1500 aufweisen; R bedeutet dabei Methyl. Die erfindungsgemäßen Siliconöle kön nen auch organische Reste aufweisen, die nicht Methyl entspre chen. Diese können seitenständig und/oder endständig angeknüpft sein. R könnte z. B. Alkyl (1 bis 28 Kohlenstoffatome), Hydroxyl, Alkoxy, Aryl, Alkyloxyalkylen u. a. m. entsprechen. Ungeachtet der Art der Modifizierung solcher Siliconöle sollte die erfindungsgemäße Substanz mindestens 50% Methylgruppen enthalten (R = Methyl: < 50%). Die Modifizierung ist nur unter der Maßgabe möglich, daß die flüssige Erscheinungsform erhalten bleibt und die gewünschten Viskositätsbereiche erreicht werden. Mischungen von Siliconölen und Siliconharzen, die in dem Sili conöl gelöst und/oder dispergiert sind, sind auch möglich.

Mit der Anknüpfung von Oxyalkylengruppen wird z. B. eine ge wisse Wasserlöslichkeit erreicht. Diese Substanzgruppen sind sehr gut mit der wäßrigen Phase des Binders (Wasserglas) zu do sieren. Ihre Wirkung, Trennschichten auszubilden, ist ebenfalls vorhanden. Bevorzugt sind deshalb Substanzen, die in dem was serlöslichen Binder, d. h. in Wasserglas, teillöslich bzw. un löslich sind und somit zur Oberfläche wandern und dort einen Trennfilm ausbilden.

Diese Polyethersiloxane können durch die folgende allgemeine Formel wiedergegeben werden

wobei
R¹ = -CH₃,
R² = -(CH₂-)₃O-(C₂H₄O-)_x(C₃H₆O-)_yH,
R³ = CH₂-(CH₂-)_zCH₃,
n = 5 bis 300,
m = 1 bis 100,
o = 0 bis 100,
x = 0 bis 50,
y = 0 bis 80 und
z = 0 bis 30 ist.

Beispiel eines solchen Siloxans ist eine Verbindung, in der R¹ = R³ = -CH₃ und
R² = -(CH₂-)₃O-(C₂H₄O-)_x(C₃H₆O-)_yH ist
und die Indices
n = 40, m = 6, o = 0, x = 20 und y = 10 sind.

Diese Verbindung ist wasserlöslich und kann in der wäßrigen Phase des Bindemittels gelöst werden.

Ein weiteres Siloxan mit folgenden Resten und Indices
R¹ = -CH₃,
R² = -(CH₂-)₃O-(C₂H₄O-)_x(C₃H₆O-)_yH,
R³ = -CH₂-(CH₂-)_zCH₃,
n = 35, m = 4, o = 10, x = 8, y = 5 und z = 10
ist eine Verbindung, die in Wasser dispergierbar ist und somit auch in der wäßrigen Phase des Bindemittels dispergiert werden kann.

Ein Siloxan mit den folgenden Resten und Indices
R¹ = R³ = -CH₃,
R² = -(CH₂-)₃O-(C₂H₄-)_x(C₃H₆O-)_yH,
n = 70, m = 3, o = 0, x = 2 und y = 8
ist sowohl in Wasser als auch im Bindemittel unlöslich. Diese Verbindung muß vor der Zugabe mittels eines nichtionischen Emulgators in eine wäßrige Emulsion überführt werden.

Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Polyorganosil oxane und deren Modifizierungsmöglichkeiten sind in W. Noll "Chemie und Technologie der Silikone", 2. Auflage, 1968, Verlag Chemie, beschrieben. Die Verknüpfung organischer Substanzen er folgt in der Regel über eine Veresterungsreaktion von Chlorsil oxanen und Monoolen. Ein häufig verwendeter Syntheseweg ist die sogenannte Hydrosilylierungsreaktion olefinischer Doppelbindun gen an Wasserstoffsiloxane. Beide Reaktionen sind in Noll be schrieben.

Es ist von besonderem Vorteil, wenn als Bindemittel bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Formen Wasserglas verwendet wird. Zweckmäßigerweise wird dabei flüssiges Natronwasserglas als Formstoffbinder eingesetzt.

Die eingesetzten Polyorganosiloxane wirken als interne Trenn mittel und werden bei der Herstellung der Gießformmischung zu gesetzt. Quarzsand und gegebenenfalls Eisenoxid als farbgebende Komponente und Wasser werden dabei vorgelegt, gemischt und da nach das Polyorganosiloxan und das Wasserglas unter weiterem kräftigen Rühren zugesetzt. Unter Druck wird dann die Mischung in ein vorgefertigtes Modell gegeben und mit Kohlendioxid be gast. Danach wird die Form aus dem Modell genommen und 30 bis 150 Minuten bei Temperaturen von 120 bis 250°C getrocknet.

Die so hergestellte Form kann jetzt bei der aluminothermischen Schweißung eingesetzt werden. Durch den Einsatz der erfindungs gemäßen Form können Anzahl und Größe der Oberflächendefekte als auch die Oberflächenrauhigkeit erheblich reduziert werden. Oberflächenrauhigkeit wurde dabei metallographisch festge stellt. Durch den Einsatz der Polyorganosiloxane als interne Trennmittel konnte sie je nach Art des Polyorganosiloxans um 50 bis 60% im Vergleich zur ursprünglichen Oberflächenrauhigkeit vermindert werden.

Claims

1. Aus zwei Formhälften bestehende vorgefertigte Gießform zur aluminothermischen Verbindungsschweißung von mit einer Lücke verlegten Schienen, zusammengesetzt aus Bindemittel und Quarzsand, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben dem Bindemittel zusätzlich aus Trennmittel Organopolysiloxane in Mengen von 0,005 bis 5 Gew.-%, bezogen auf Gesamtmischung, enthält.

2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Organopolysiloxane in Mengen von 0,2 bis 1 Gew.-%, bezogen auf Gesamtmischung, enthält.

3. Gießform nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyorganosiloxane Siliconöle einer Viskosität von 20 bis 60 000 mPa.s verwendet sind.

4. Gießform nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyorganosiloxane Siliconöle einer Viskosität von 100 bis 1000 mPa.s verwendet sind.

5. Gießform nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliconöle in organi schen Lösungsmitteln gelöst verwendet sind.

6. Gießform nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliconöle in wäßrigen Emulsionen verwendet sind.

7. Gießform nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyorganosiloxane mo difizierte Polyethersiloxane verwendet sind.

8. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel flüssiges Wasserglas verwendet ist.