DE2848578A1

DE2848578A1 - Verfahren zum aluminothermischen schweissen von austenitischem manganstahl

Info

Publication number: DE2848578A1
Application number: DE19782848578
Authority: DE
Inventors: Michael Edward Ashton; Anthony John Key
Original assignee: Thermit Welding GB Ltd; British Railways Board
Current assignee: Thermit Welding GB Ltd; British Railways Board
Priority date: 1977-11-16
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1979-05-17
Also published as: KE3244A; SE447549B; NZ188840A; ES475145A1; DE2848578C2; FR2409122B1; JPS5476459A; ATA815978A; AU523731B2; NL7811049A; HK11683A; AT374720B; AU4140878A; SE7811387L; FR2409122A1; US4216816A; JPS6120397B2; ZA786228B; CA1090626A; BE872043A

Description

Verfahren zum aluminothermischen Schweißen von austenitischem Manganstahl

Die Erfindung "betrifft aluminothermisches Schweißen von Teilen, die aus austenitischem Manganstahl bestehen, mit 10 - 20 Gewichtsprozenten Hangan, 0,5 -1,5 Gewichtsprozenten Kohlenstoff und 0-5 Gewichtsprozenten Nickel.

-Vustenitische Manganstähle werden für Schienen von Eisenbahnen verwendet, insbesondere an Spitzen und Kreuzungsstellen, da diese eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Stoßverformung haben. Der während vieler Jahre weitgehend verwendete austenitische I.anganstahl enthält 1,1 bis 1,4 Gewichtsprozente Kohlenstoff und 11 bis 14 Gewichtsprozente Mangan. Dieser Stanl hat jedoch den Nachteil, daß er einen wärmeempfindlichen Bereich von zwischen 90C° G hinab nis 600° C aufweist, in welchem Karbidausscheidungen 3uftreten, die Brüchigkeit zur Folge haben. Schienen, die aus diesem 'itahl hergestellt werden, müssen nach dem Walzen von 1000° C abgeschreckt werden, um ein langsames Durchlaufen der wärmebeeinflußten Zone zu vermeiden. Beim Schweißen unterliegt dieser Stahl ebenfalls einem Verspröden in der wärmebeeinflußten Zone, insbesondere bei solchen Behandlungen, bei welchen größere Wärmemengen erzeugt werden. Deshalb ist eine Wärmebehandlung einschließlich einer Abschreckung nach dem Schweißen erforderlich, um einwandfreie Ergebnisse zu erzielen. Dies macht das Schweißen an Ort und Stelle schwierig. Man hat herausgefunden, daß ejn austenitischer !Manganstahl, der 14 bis 17 Gewichtsprozente Mangan und 0,5 bis 0,95 Gewichtsprozente Kohlenstoff enthält, wesentlich weniger anfjillig für Karbidbildung; ist und der auch dann noch befriedigende "jigenachafton entwickelt, wenn er nach dem Schweißen langsam abgekühlt wird. Dieser austenitische Manganstahl wird im folgenden

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als "austenitischer Manganstahl nit niedrigem Kohlenstoff" angesprochen.

Aluminothermisches Schweißen von Schienen für Eisenbahnen umfaßt üblicherweise das Vorerhitzen der miteinander zu verschweißenden Schienenenden. Dabei wird beispielsweise um die Schienenenden aus vorgefertigten, feuerfesten Gießblöcken eine Form gebildet, sodann geschmolzener aluminothermischer Stahl aus einem oberhalb der Form angeordneten Tiegel in die Höhlung der Form fließen gelassen und der geschmolzene Stahl erstarren gelassen, so daß er für die beiden Schienenenden eine Schweißverbindung darstellt. Sodann wird überschüssiges Metall weggeschnitten oder durch sonstige mechanische Mittel entfernt. Hierzu kann beispielsweise ein pneumatisch betriebener Meißel oder eine hydraulisch betriebene Trimmvorrichtung verwendet werden.

Aluminothermischer Stahl wird im wesentlichen dadurch hergestellt, daß man eine bestimmte Mischung aus annähernd stöchiometrischen Proportionen von Aluminium und Eisenoxyd (en) miteinander reagieren läßt. Weitere, ähnlich wirkende De^xydiermittel wie Magnesium können verwendet werden. Die Begriffe "aluminothermischer Stahl" und "aluminothermisches Schweißen" sollen dazu dienen, die Verwendung dieser anderen Deoxydationsmittel zu bezeichnen. Andere ■ßinzelbestandteile werden hinzugegeben, um dem aluminothermischen Stahl ähnliche Eigenschaften wie verschweißter Schienenstahl zu verleihen und um unerwünschte Kikrostrukturen an den Schmelzgrenzlinien zu vermeiden.

Im Falle austenitischen Hanganstahles erstarrt aluminothermischer Stahl in Gestalt langer, säulenförmiger Körner. Aufgrund der Konzentration von eutektischen Stählen von geringem Schmelzpunkt bei den Korngrenzschichten aufgrund der starken Schrumpfung können Schwachstellen im Bereich der Kornbegrenzungen auftreten. Es hat sich herausgestellt, daß sustenitische Msnganstähle besonders anfällig für derartige Korn^renzenschwachen sind, und zwar zufolge von Silikat- und T>hofv '-n -¹- -utektischen Stählen. Derartige Korngrenzweichhei ■' ⁿ . " ~ . in Gestalt von intergranularen Er-

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starrungsrissen oder von Warmreißen zeigen, was dann auftritt, wenn überschüssiges Material durch mechanische Mittel entfernt wird. Scwohl Erstarrungsrisse als auch Warmreißen kann zu einem Unbrauchbarwerden der Schweißung infolge Ermüdung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aluminothermisches Schweißverfahren für austenitische Manganstähle zu schaffen, bei welchem das Vorliegen von KorngrenzenweichMeiten in der entstehenden Schweißnaht vermindert oder in einem noch annehmbaren Bereich gehalten wird.

Gemäß der Erfindung beinhaltet das aluminothermische Schweißverfahren zum Schweißen austenitischer Manganstähle die Anwendung eines aus -Einzelteilen bestehenden Gemisches zum Bilden des aluminothermischen Stahles; dieses Gemisch ist im wesentlichen frei von Phosphor und Silicium; das Verfahren sieht ferner die Anwendung einer Form vor, deren Körper aus einem vorwiegend nicht siliciurahaltigen Material besteht.

Die Erfindung ist insbesondere für das Schweißen von austenitischem Manganstahl niedrigen Kohlenstoffs anwendbar. Sie kann aber auch angewandt werden auf andere, oben angeführte austenitische Manganstähle, vorausgesetzt, daß eine nachfolgende Wärmebehandlung sowie ein Abkühlen durchführbar sind.

Bei der Durchführung des Verfahrens werden die Bestandteile des Gemisches zum Bilden aluminothermischen Stahles innerhalb praktisch anwendbarer Grenzen ausgewählt, und zwar derart, daß der geringstmögliche Phosphor- und Siliciumgehalt erzielt wird. Es mögen also Spuren von Phosphor und Silicium im Gemisch als nicht vermeidbare Verunreinigungen enthalten sein.

Die Verwendung eines derartigen, von Phosphor und Silicium freien Gemisches bringt für sich alleine noch nicht die gewünschte, erfindungsgemäße Lösung herbei. Es wurde nämlich festgestellt, daß bei Verwendung herkömmlicher feuerfester Formen in der Form enthaltenes Silikon von der Form abgegeben wird und so in die

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aluminothermische Stahlschmelze gelangt. Diese Erscheinung tritt dann nicht im selben Maße auf, wenn gewöhnlicher, d. h. nicht austenitischer Schienenstahl mittels eines aluminothermischen Verfahrens verschweißt wird. Gemäß der Erfindung wird daher weiterhin die Anwendung einer Form vorgesehen, die überwiegend aus nicht-silicumhaltigem Material besteht. Das bevorzugte Material für den Formkörper ist Magnesit. Es können jedoch auch andere Werkstoffe wie Graphit verwendet werden, vorausgesetzt, deß sie keine unerwünschten Mengen anderer Materialien wie Konlenstoff abgeben, die in die aluminothermische Stahlschmelze wandern.

Eine geeignete Magnesitform kann dadurch hergestellt werden, daß ein Gemisch aus Magnesitsand und Silikatbinder in eine Form gepreßt wird. Die derart gewonnene Form wird dann durch die Reaktion des Silikats mit Kohlendioxyd ausgehärtet, um Karbonatbindungen zu bilden. Die Form ist deshalb nicht ganz siliciumfrei. Ihr Silicirn?-

sollte
gehalt vorzugsweise nicht mehr als 5 Gewichtsprozente betragen, jedoch können auch noch 10 Gewichtsprozente Silicium toleriert werden. Die entscheidende Voraussetzung besteht darin, daß der aluminothermische Stahl dann keinen höheren Silicumgehalt als 0,6 Gewichtsprozente, vorzugsweise nicht über 0,4 Gewichtsprozente aufweist, wenn er sich als Schmelze in der Form befindet.

Aluminothermischer Stahl, der sich als Schmelze in der Form befindet und der zum Schweißen von austenitischem Manganstahl niedrigen Kohlenstoffs bestimmt ist und 14 bis 17 Gewichtsprozent Mangan sowie einen Kohlenstoffgehalt von 0,J bis 0,8 Gewichtsprozent aufweist, hat vorzugsweise die folgende Zusammensetzung:

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Gewichtsprozent

Kohlenstoff	0,75 bis 0,95
Mangan	12 bis 17
Aluminium	0,2 bis 0,6
Silicium	0,6 maximum
Schwefel )	so gering wie möglich
Phosphor )
Nickel (wahlweise)	bis H- %
Eisen	Rest

Innerhalb dieses Zusammensetzungsbereiches ist folgende Zusammensetzung anzustreben:

Gewichtsprozent

Kohlenstoff 0,8

Mangan 15

Aluminium 0,3

Silicium )

■Schwefel I so gering wie möglich

Phosphor )

Nickel 4

Eisen Rest

Das aus einzelnen Bestandteilen bestehende Gemisch zum Herstellen der bevorzugten Zusammensetzung aluminothermischen Stahl enthält demnach zweckmäßigerweise die folgenden Bestandteile:

1. Eisenoxyd(e) (z. B. FeO und Fe„0 ).

2. Aluminiumpulver.

3. Wahlweise Flußstahlanteile.

H-. Eisenmangan und/oder Elektrolytmangan.

5. Eickel in reiner Form und/oder Nickellegierungen und/oder Nickeloxyle (oder andere reduzierbare Nickelverbindungen).

6. Kohlenstoff (in; allgemeinen als Verunreinigungen in einer odor mehreren der Bestandteile gemäß 1 bis 5 enthalten).

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Beim .Schweißen anderer auatenitisc: er r^;'C^!;,ganst^hle tonnen die Kohlenstoff-, i.angan- uni ''isonrreholts des elurainothermisciien Stahls gegenüber dem oben abgegebenen, bevorzugten Zusammensetzung;: bereich abgewandelt werden, so daß sie im wesentlichen den Längen dieser Bestandteile in dem zu verschweißenden sustenitischen Mangon:^;tn^v!l entsprechen.

Es ist anzustreben, daß zum Herstellen einer Schweifung eine kurze Vorerwärr.unp vergesehen i-/ird und daß der Schwc-ifispalt recht gering isb, so daß die Gchweirimetallschruiapfung und damit die Gefahr des Reißens verringert wird. 3-eringe Vorv^rmseitdauern können ohne Sch-elsin-ingel hin_:gencr::Een werden, da die thermische Leitfähigkeit von austenitischern Mvngan.'-tahl gegenüber herkcir.mlichen, nicht austenitischen "chienenstählen gc-ring ist.

Es kann entweder dos herkömmliche (3m·:!) ähminothsrmische Schv/eißverfahren oder das neuerlich bekannt gewordene (3kV)-Verfahren angewendet werden. Das SkV-Verfahren ist in PR-PS 34-9 o1C beschrieben.

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Claims

PAT λ ·: TANS ' H Γ C H

^;. Verfahren sum aliruinothermischen Schweißen von Werkstücken ■me Tustenitischerh Manganstahl mit einem Gehalt von 10 bis C Gewichtsprozenten Mangan, 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozenten Kohlenstoff und 0 bis 5 /? Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß •.-■in aus iinzelbestandteilen bestehendes Gemisch zum tierstellen να:; alusiüothermischem Stahl verwendet wird, das im wesentlichen rrei von Phosphor und SiIi ion ist, und daß eine Form verwendet ^:./ird, deren Körper überwiegend aus einem nicht-siliciumhaltigen Material besteht.

. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte austenitische Manganstahl 14- bis 17 Gewichtsprozent - sngan, 0,5 bis 0,95 Gewichtsprozente Kohlenstoff und 0 bis 5 Gewichtsprozent nickel enthält.

. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß iie Fora aus Magnesit besteht.

. Vorfahren nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß das Magnesit des Forir.v3rkstoffes durch Karbonatbiüungen zusammenschalten ist.

. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte aluminothermisch^ Stahl als Schmelze in -!er Form einen Siliciumgehalt von höchstens 0,6 Gewichts- -!■iiOzonten hat.

. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lliciumgehalt 0,4· Gewichtsprozent nicht überschreitet.

. /erfahren nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß der genannte austenitische Mar"■■nnstahl 14 bis 17 Gewichtsprozent i.oncan und 0,7 bis 0,8 % I-eile, stoff enthält und daß die genannte aluminothermische otahlschmelze die folgende Zusammen-

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Setzung aufweist:

Gewichtsprozent Kohlenstoff 0,75 bis 0,95 Mangan 12 bis 17 Aluminium 0,2 bis 0,6 SiIicium 0,6 maximal Schwefel ) Phosphor ) so gering wie m Nickel (wahlweise) bis 4- ν Eisen Rest

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte austenitische Manganstahl 14- bis 17 Gewichtsprozent Mangan und 0,7 bis 0,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff auf v/eist, und daß die genannte aluminothermisch^ Stahlschmelze die folgende Zusammensetzung hat:

Kohlenstoff Mangan
Aluminium Silicium ] Schwefel ] Phosphor Nickel
Eisen

Gewichtsprozent

0,8

so goring wie möglich Rest

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