DE19648369C1 - Alumino:thermal mixture for welding rails - Google Patents
Alumino:thermal mixture for welding railsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein aluminothermisches Gemisch aus einem feinteiligen Gemenge von Eisenoxiden und Aluminium sowie Zu satzstoffen, wie Legierungsbildner und Dämpfungsmittel.The invention relates to an aluminothermic mixture from a finely divided mixture of iron oxides and aluminum and Zu substitutes such as alloying agents and damping agents.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein aluminothermisches Ge misch für die Verbindungsschweißung von Schienen.The invention particularly relates to an aluminothermic Ge mix for the joint welding of rails.
Bei der bekannten aluminothermischen Schienenverbindungsschwei ßung, bei der die mit einer Lücke verlegten und mit einer Gieß form umgebenen Schienenenden durch aluminothermisch erzeugten Stahl aufgeschmolzen und miteinander verbunden werden, soll der als Schweißgut dienende aluminothermisch erzeugte Stahl in sei nen Festigkeitseigenschaften dem Schienenstahl möglichst ent sprechen.In the known aluminothermic rail connection welding Solution, where the laid with a gap and with a pour form surrounding rail ends by aluminothermic The steel should be melted and connected to one another serving as weld metal aluminothermic steel in strength properties from the rail steel as far as possible speak.
Dieser Forderung tragen die bekannten - auch Schweißportionen genannten - aluminothermischen Gemische dadurch Rechnung, daß dem aus Aluminium und Eisenoxiden bestehenden Basisgemisch Le gierungselemente, wie insbesondere Kohlenstoff, Mangan, Vana dium und Titan, beigegeben werden. Zur Dämpfung und Kühlung sind dem aluminothermischen Gemisch ferner Eisen bzw. Stahl schrott untermischt, wodurch gleichzeitig die Stahlausbeute er höht wird.The well-known - also weld portions - meet this requirement mentioned - aluminothermic mixtures in that the basic mixture Le consisting of aluminum and iron oxides Alloying elements, such as carbon, manganese, vana in particular dium and titanium. For damping and cooling are the aluminothermic mixture iron or steel scrap mixed in, thereby reducing the steel yield is increased.
Die vorzugsweise verwendeten Schienenstähle mit Zugfestigkeiten von 690 bis 880 N/mm² weisen Kohlenstoffgehalte von 0,4 bis 0,82% und Mangangehalte von 0,8 bis 1,7% und ein dementspre chend vorwiegend perlitisch ausgebildetes Gefüge auf.The preferred rail steels with tensile strengths from 690 to 880 N / mm² have carbon contents from 0.4 to 0.82% and manganese levels from 0.8 to 1.7% and a corresponding predominantly pearlitic structure.
Gemäß DE-PS 36 44 106 wird ein aluminothermisches Gemisch be reitgestellt, welches die Erzeugung eines Schweißgutes mit er höhter Reproduzierbarkeit der Zusammensetzung gewährleistet. Hierdurch soll insbesondere erreicht werden, daß das Gefüge des Schweißgutes dem Gefüge des Schienenwerkstoffes entspricht.According to DE-PS 36 44 106 an aluminothermic mixture be Provides the creation of a weld metal with it Ensures higher reproducibility of the composition. This is intended in particular to ensure that the structure of the Weld metal corresponds to the structure of the rail material.
In diesem aluminothermischen Gemisch sind Zusatzstoffe in Form eines homogenen Granulates enthalten, insbesondere Legierungs metalle wie z. B. Mn, Cr, Ni, V, Ti, die in reiner Form oder als Legierungen, z. B. mit Fe, eingesetzt werden können, Dämp fungsmittel, wie z. B. Fe oder Fe-Legierungen, sowie Aufkoh lungsmittel, wie Kohlenstoff oder C enthaltende Metalle, Legie rungen oder Carbide.Additives are in shape in this aluminothermic mixture contain a homogeneous granulate, in particular alloy metals such as B. Mn, Cr, Ni, V, Ti, which in pure form or as alloys, e.g. B. with Fe, can be used, damper means such. B. Fe or Fe alloys, and carburizing solvents such as carbon or C-containing metals, alloy stakes or carbides.
Zur Verschweißung von Schienen wird dem Gemisch ein Granulat, bestehend aus Kohlenstoff, Mangan und Eisen, in einer Menge zu gesetzt, welche die Ausbildung eines perlitischen Gefüges in dem aluminothermisch erzeugten Stahl gewährleistet. Vorzugs weise besteht das Granulat aus 1,5 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff, 8 bis 12 Gew.-% Mangan und 85 bis 90,5 Gew.-% Eisen. Teilweise werden Mangangehalte bis zu 80% eingesetzt.To weld rails, the mixture is granulated, consisting of carbon, manganese and iron, in an amount too which is the formation of a pearlitic structure in guarantees the aluminothermic steel. Preferential the granules consist of 1.5 to 3% by weight of carbon, 8 up to 12% by weight of manganese and 85 to 90.5% by weight of iron. Partially Manganese contents of up to 80% are used.
In der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 7-299572 ist der Zusatz einer Vorlegierung beschrieben, die aus den Ele menten Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Molybdän, Vanadium, Niob, Kupfer, Chrom und/oder Nickel besteht, die einem aluminothermi schen Gemisch zugesetzt wird, das zum Verschweißen zweier Schienenstücke eingesetzt wird. Durch den Zusatz dieser Vorle gierung ist es möglich, den notwendigen Kohlenstoff in das Schweißgut auf einfache und vorteilhafte Weise einzubringen und gegebenenfalls auch andere Legierungselemente, wie Silicium, Mangan, Molybdän, Vanadium, Niob, Kupfer, Chrom und/oder Nickel. Diese Legierungszusätze werden ausschließlich in metal lischer Form dem aluminothermischen Gemisch zugemischt.In published Japanese patent application 7-299572 describes the addition of a master alloy, which is derived from the Ele elements carbon, silicon, manganese, molybdenum, vanadium, niobium, Copper, chrome and / or nickel, which is an aluminothermi mixture is added, which is used to weld two Rail pieces is used. By adding this Vorle It is possible to add the necessary carbon into the alloy Introduce weld metal in a simple and advantageous manner and optionally also other alloy elements, such as silicon, Manganese, molybdenum, vanadium, niobium, copper, chromium and / or Nickel. These alloy additives are made exclusively in metal of the aluminothermic mixture.
Der Vorteil dieser Vorlegierungsmethode soll in einer gleichmä ßigeren Einbringung insbesondere des Kohlenstoffs, aber auch anderer metallischer Legierungselemente, wie Silicium, als bei den herkömmlichen Vorlegierungen liegen.The advantage of this master alloy method is said to be but more in particular the introduction of carbon other metallic alloy elements, such as silicon, than in the conventional master alloys.
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.The security requirements for a connection technology, its To find application especially in the field of passenger transport is, but also in freight transport, are constantly increasing. Take next to it in addition, the loads on the rails continuously increase what leads to increased wear and failure. Often be purely visual impressions increasingly impair this Many users of such a ver driving.
Die Qualität einer Schweißung wird nicht nur durch fest defi nierte Kenngrößen, wie chemische Zusammensetzung oder mechani sche Eigenschaften der Thermit-Schweißverbindung beschrieben, 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 Oberflächen-defekte - Riß, Pore, Sand- oder Schlackeneinschluß - deren Größe und der allgemeine visuelle Eindruck der Oberflächenrauhigkeit festgehalten.The quality of a weld is not only defined by fixed nated parameters, such as chemical composition or mechani described the properties of the thermite welded joint, but also through a visual assessment. Here wins ben the assessment of the flawlessness of the fracture surface according to ei After a violent breach, the surface of the weld increasingly interpretation and becomes more and more an important quality criterion rium. The type of surface defects - crack, pore, Inclusion of sand or slag - their size and general visual impression of the surface roughness recorded.
Es besteht somit ein Bedarf nach Maßnahmen, die einerseits das Auftreten von Defekten innerhalb der Schweißung und die Entfer nung des Formensandes erleichtern und andererseits das Auftre ten von Oberflächendefekten minimieren. Mit einer entsprechend verbesserten Schweißverbindung wird den steigenden Sicherheits ansprüchen und den wirtschaftlichen Zwängen Rechnung getragen. There is therefore a need for measures which, on the one hand, Occurrence of defects within the weld and the removal facilitate the molding sand and on the other hand the appearance Minimize surface defects. With one accordingly Improved weld connection will increase security claims and the economic constraints.
Eine Ursache für die Bildung von Oberflächenfehlern ist die Grenzfläche zwischen Form und Thermit-Stahl.One reason for the formation of surface defects is Interface between form and thermite steel.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein aluminothermisches Gemisch bereit zustellen, welches eine wei tere Verbesserung der Morphologie der Verbindungsschweißung er möglicht. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu grunde, die Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches so zu verändern, daß eine Grenzflächenmodifizierung derart er folgt, daß einerseits durch Beeinflussung der Grenzflächenspan nung und/oder andererseits durch Erzeugung einer zusätzlichen Trennschicht auf dem Stahl die Oberflächenbeschaffenheit einer Verbindungsschweißung verbessert wird.The present invention is based on the object to provide an aluminothermic mixture which has a white improve the morphology of the joint weld possible. The invention has the object in particular reasons, the composition of the aluminothermic mixture so to change that an interface modification such he follows that on the one hand by influencing the interfacial chip tion and / or on the other hand by generating an additional Separating layer on the steel the surface quality of a Connection welding is improved.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß der Zusatz von Siliciumdioxid oder metallischen Silicaten der Formel Me-Si-O und/oder Me-Si-C-O in das aluminothermische Gemisch zur Ausbil dung einer glasartigen Trennschicht auf dem Thermit-Stahl führt und damit zu einer Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit der Verbindungsschweißung.It has now surprisingly been found that the addition of Silicon dioxide or metallic silicates of the formula Me-Si-O and / or Me-Si-C-O in the aluminothermic mixture for training a glass-like separating layer on the thermite steel and thus to improve the surface quality the connection welding.
Anhand des folgenden Reaktionsverlaufs soll die Wirkung der si licatischen Verbindung gezeigt werden:The effect of the si Licensed connection are shown:
Fe₂O₃ + 2 Al → 2 Fe + Al₂O₃ (1)Fe₂O₃ + 2 Al → 2 Fe + Al₂O₃ (1)
3 SiO₂ + 4 Al → 3 Si + 2 Al₂O₃ (2)3 SiO₂ + 4 Al → 3 Si + 2 Al₂O₃ (2)
2 Fe₂O₃ + 3 Si → 4 Fe + 3 SiO₂ (3)2 Fe₂O₃ + 3 Si → 4 Fe + 3 SiO₂ (3)
Die Reaktion (1) beschreibt die bekannte Thermit-Reaktion. Durch diese Reaktion wird im wesentlichen der Thermit-Stahl bzw. die Wärme für den Schweißprozeß erzeugt.The reaction (1) describes the known thermite reaction. This reaction essentially turns the thermite steel or generates the heat for the welding process.
Aufgrund der höheren thermodynamischen Stabilität des Al₂O₃ wird das der Schweißportion zugesetzte SiO₂ durch Al reduziert. Das Si reagiert mit dem Fe₂O₃ unter Bildung von Fe und SiO₂, das wiederum mit dem Al reagiert. Auf diese Weise wird während der Reaktion eine durchgängige, glasartige Trennschicht auf dem Thermit-Stahl als Abgrenzung zur Form durch Reaktion (3) gebil det und aufrechterhalten und zudem das Formfüllverhalten ver bessert durch Beeinflussung der Viskosität des Stahls - Reaktion (2) -.Due to the higher thermodynamic stability of Al₂O₃ the SiO₂ added to the sweat portion is reduced by Al. The Si reacts with the Fe₂O₃ to form Fe and SiO₂, which in turn reacts with the Al. This way, while the reaction a continuous, glass-like interface on the Thermit steel as a delimitation to form by reaction (3) det and maintain and also ver the mold filling behavior improves by influencing the viscosity of the Stahls reaction (2) -.
Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Gewichtsanteile der erfin dungsgemäßen Zusatzstoffe ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7.Further advantageous and expedient proportions by weight of the inventions Additives according to the invention result from the subclaims 2 to 7.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen aluminothermischen Ge misches können Anzahl und Größe der Oberflächendefekte und die Oberflächenrauhigkeit erheblich reduziert werden. Dies geht einher mit einer wesentlich erleichterten und nahezu vollstän digen Entfernbarkeit der Formenreste nach dem Schweißprozeß. Die Oberflächenrauhigkeit wurde dabei metallographisch be stimmt, Oberflächendefekte durch Ausmessen und Auszählen.By using the aluminothermic Ge according to the invention can mix number and size of the surface defects and the Surface roughness can be significantly reduced. This is possible along with a much easier and almost complete Removability of the mold remnants after the welding process. The surface roughness was thereby metallographically true, surface defects by measuring and counting.
Nur durch den Einsatz von SiO₂ oder anderer silicatischer Ver bindungen in einem aluminothermischen Gemisch werden insbeson dere die Oberflächendefekte deutlich vermindert. Eine Reduzie rung bis zu 40% ist bei Einsatz von SiO₂ möglich.Only through the use of SiO₂ or other silicate Ver In particular, bonds in an aluminothermic mixture which significantly reduces the surface defects. A reduction tion of up to 40% is possible when using SiO₂.
Zur beispielhaften Herstellung einer üblichen 13 kg schweren Schweißbasisportion werden 2500 g Aluminium, 7500 g Eisenoxid und 300 g metallische Zuschläge vermischt. Diesem Gemisch wer den 650 g Siliciumdioxid oder 1050 g metallische Zuschläge der Formel Fe-Si-O oder 1350 g metallische Zuschläge der Formel Fe-Si-C-O zugesetzt.For the exemplary production of a conventional 13 kg heavy 2500 g of aluminum, 7500 g of iron oxide are added to the sweat base and 300 g of metallic aggregates mixed. This mixture who the 650 g of silicon dioxide or 1050 g of metallic additives Formula Fe-Si-O or 1350 g metallic additions of the formula Fe-Si-C-O added.
Die Reduzierung der Oberflächendefekte, wie Poren, Sandein schlüsse, Risse, etc. beträgt ungefähr 40%. Die Oberflächen rauhigkeit konnte ebenfalls um 40% vermindert werden.The reduction of surface defects such as pores and sand conclusions, cracks, etc. is about 40%. The surfaces roughness could also be reduced by 40%.
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