JPH07299572A - テルミット溶剤用加炭材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 テルミット溶接金属のＣ量を効率的に調整す
る材料を提供する。 【構成】 金属材表皮に充填物を内蔵する複合ワイヤに
おいて、複合ワイヤ全重量に対してＣ：５〜８０％を含
有し、必要に応じてＳｉ：１〜４０％、Ｍｎ：５〜４０
％、Ｃｒ：１〜４０％、Ｍｏ：１〜３０％、Ｖ：１〜３
０％、Ｎｂ：０．１〜５％、Ｃｕ：１〜３０％、Ｎｉ：
１〜４０％の１種以上をさらに含有し、外径が０．６〜
５ｍｍ、長さがワイヤの外径寸法以上２０ｍｍ以下であ
るテルミット溶剤用加炭材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はテルミット溶接金属のＣ
および、その他の合金元素調整用材料に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、軌道保守コストの低減や騒音振動
の低減のために溶接によって継目を連続化するロングレ
ール化が普及しつつある。テルミット溶接は酸化鉄とア
ルミニウムの化学反応を利用した溶接法であり、レール
の現地溶接法として広く使われている。

【０００３】テルミット溶接法は、鋳型で覆った溶接部
の上方に反応るつぼを設置し、るつぼ内での溶剤反応に
よって生成した溶融鉄を、るつぼ底部の流出孔を開口さ
せて溶接部に注入し、母材を溶融、接合する溶接法であ
る。テルミット溶剤はアルミニウム、酸化鉄、鉄粉粒、
合金材から構成される。アルミニウム、酸化鉄は反応主
原料として、鉄粉粒は溶融鉄の温度調整および補助鉄源
用原料として、合金材は成分調整用原料として配合され
る。テルミット溶剤は耐火物製るつぼ内に装入、堆積さ
れ、点火剤により反応が開始される。溶剤の一部で反応
が開始すると、高温の生成物が新たな反応源となって次
々に伝播し、るつぼ全体に反応が及ぶ。反応により溶融
鉄と溶融スラグが生成するが、両者は比重差によりるつ
ぼ内で上下に分離し、注入のさいには、溶融鉄が鋳型内
の溶接部に先に充満し、引き続き溶融スラグが押し湯部
分に注入される。高温の溶融鉄の注入により母材の開先
面が溶融し、溶接継手が形成される。

【０００４】一方、レール鋼は強度、耐摩耗性が要求さ
れ、通常は８００ＭＰａ級の共析鋼が使用される。レー
ル鋼の化学組成の一例を表１に示す。本発明者らの研究
によると、母材と同等の強度、耐摩耗性を溶接部でも確
保するためには、溶接金属もレール鋼に近い高Ｃ組成と
することが望ましい。テルミット溶剤の加炭原料として
は高Ｃフェロマンガンが一般的に使われる。また、特開
平１−２４９２８３号公報に黒鉛を８ｍｍ以下に粒度調
整してテルミット溶剤に使用する方法が開示されてい
る。なお鋳造などにおける溶解作業では、黒鉛を溶融鉄
中に投入してＣ調整が行われている。一方、溶接用ワイ
ヤとしてＣ含有量の高いものの例としては、溶接用複合
ワイヤとしてＣ：０．４〜１．０ｗｔ％を含有するもの
が特公平４−５１２７５号公報に開示されている。

【０００５】

【表１】

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】黒鉛によってテルミッ
ト溶剤の加炭を行う場合、黒鉛はテルミット溶剤を構成
するアルミニウム、酸化鉄、鉄粉粒、合金材などの諸原
料に比較して比重が軽いため、溶剤中に均一に分散させ
ることが難しい。また、溶剤反応後も溶融鉄との比重差
が大きいため溶融鉄液面に浮き上がりやすい。これらの
点が影響し黒鉛によるテルミット溶剤への加炭は効率が
低く、ばらつきが多くなる。

【０００７】高Ｃフェロマンガンなどの高Ｃフェロアロ
イをテルミット溶剤の加炭に使用するさいの問題点は、
高ＣフェロアロイがＣ以外の合金元素を添加することが
本来の用途であるため、Ｃ以外の元素の含有率がＣ含有
率より相対的に高いことに起因している。すなわち溶接
金属のＣを目標成分に調製した場合、Ｃ以外の元素が必
要以上に高くなる。Ｃと他の元素とのバランスの良いフ
ェロアロイを使用すればこの問題はなくなるが、こうい
った材料を作成するには多大な費用がかかる。

【０００８】また、前記の特公平４−５１２７５号公報
に開示されている高ＣワイヤのＣ含有量は０．４〜１．
０ｗｔ％であり、テルミット溶剤のＣ調製用としてはＣ
含有率が低く、所要のＣを溶剤に添加するために必要な
ワイヤ量が著しく多量となり好ましくない。

【０００９】本発明は従来技術における上記問題点を解
決し、加炭効率の良いテルミット溶剤用加炭材を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、金属材表皮で形成される断面空隙内
に充填物を内蔵する複合ワイヤを用いたテルミット溶剤
用加炭材において、複合ワイヤ全重量に対して充填物と
金属材表皮中の合計で重量％で（以下同じ）、Ｃ：５〜
８０％を含有し、必要に応じＳｉ：１〜４０％、Ｍｎ：
５〜４０％、Ｃｒ：１〜４０％、Ｍｏ：１〜３０％、
Ｖ：１〜３０％、Ｎｂ：０．１〜５％、Ｃｕ：１〜３０
％、Ｎｉ：１〜４０％の１種以上をさらに含有し、残部
は金属材表皮成分および不可避不純物からなり、外径が
０．６〜５ｍｍ、長さがワイヤの外径寸法以上２０ｍｍ
以下であることを特徴とするテルミット溶剤用加炭材で
ある。

【００１１】

【作用】以下に本発明のカットワイヤ状加炭材の作用、
および該カットワイヤ状加炭材の組成、形状の限定理由
について述べる。

【００１２】金属材表皮で形成される断面空隙内にＣ：
５〜８０％を充填してなる複合ワイヤを、２０ｍｍ以下
かつワイヤの外径寸法以上の長さのカットワイヤ状に切
断する。これをアルミニウム粉末、酸化鉄粉末、鉄粉粒
からなるテルミット溶剤に添加して使用する。カットワ
イヤ状加炭材は、テルミット溶剤の他の原料との比重差
が小さく、溶剤中に均一に分散混合させることができ
る。なおテルミット溶剤における酸化鉄粉末とアルミニ
ウム粉末の配合比率は酸化鉄の酸化度合いによって異な
り、（酸化鉄粉末）：（アルミニウム粉末）＝１：０．
２〜０．４である。また鉄粉粒は補助鉄源であり、溶剤
全体に対して２０％以下配合する。

【００１３】複合ワイヤの表皮となる金属材としては炭
素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム材などのいずれでも
よく、充填するＣ源としては黒鉛を用い、人造黒鉛、天
然黒鉛を問わない。充填する黒鉛はワイヤ充填作業の可
能な、２ｍｍ以下の粉末および粒状黒鉛を用いるのが好
ましい。

【００１４】複合ワイヤの線径は５ｍｍ超ではカットワ
イヤ状に切断するさいにワイヤ端からＣ源である黒鉛が
脱落しやすくなり好ましくない。また、線径は細くする
ほど伸線コストが高くなるため、０．６ｍｍ以上がコス
ト上望ましい。またカットワイヤの切断長さは、２０ｍ
ｍ超では混合機などの動作に支障を与える場合があり好
ましくなく、逆にワイヤの外径寸法以下の長さでは切断
時に脱落する黒鉛が増大するため好ましくない。なお複
合ワイヤの表皮材の肉厚は、ワイヤ外径寸法の４０％超
では内部に充填できる黒鉛量が低下するため好ましくな
く、逆に０．１ｍｍ未満に肉厚を薄くするとワイヤの強
度が著しく低下するため好ましくない。

【００１５】カットワイヤ状加炭材に含有させるＣ量
は、５％未満では溶剤に配合する該カットワイヤ状加炭
材の量が増大し、該カツトワイヤ状加炭材の金属表皮の
溶融に消費される熱量ロスが増大するため好ましくな
い。また、カットワイヤ状加炭材にＣを８０％を超えて
含有させるのは金属材表皮の厚みが０．１ｍｍ未満に薄
くなるため好ましくない。

【００１６】前記テルミット溶剤は耐火物製反応るつぼ
に装入、堆積され、点火剤により反応が開始される。前
記カットワイヤ状加炭剤は溶剤中に均一に分散させるこ
とにより、テルミット反応の伝播とともに表層の金属材
表皮が溶融し、内部の黒鉛が溶融鉄に直接接触し、Ｃが
速やかに溶融鉄中に溶解していく。

【００１７】次にカットワイヤ状加炭剤中のＣ以外の必
要に応じて添加される各種元素の範囲限定理由について
述べる。

【００１８】Ｓｉは溶接材料に使用される場合、主に溶
接金属の脱酸材として用いられるが、テルミツト溶接の
場合にはアルミニウムが主な脱酸元素として機能するた
め、あえて脱酸を目的としてＳｉを添加する必要はな
い。一方、Ｓｉはパーライト組織においてフェライト相
を強化し、耐疲労損傷性を向上させる元素で、レール材
には通常１．１％以下含有される。Ｓｉはパーライト変
態に及ぼす影響は小さく、溶接金属中に１．０％程度ま
では含有しても悪影響は無い。カットワイヤ状加炭材に
Ｓｉを含有させる場合、Ｃおよびその他の元素とＳｉを
合計した含有率が８０％を超えると金属材表皮の厚みが
０．１ｍｍ未満となるため好ましくない。さらに、Ｃと
Ｓｉの添加量バランスを考慮すると、カツトワイヤ状加
炭材におけるＳｉ含有率は１〜４０％が望ましい。

【００１９】Ｍｎも溶接材に使用される場合、Ｓｉと同
様、溶接金属の脱酸材として用いられるが、テルミット
溶接ではＳｉと同様の理由で、脱酸を目的としてＭｎを
添加する必要はない。一方、Ｍｎはパーライト変態を遅
滞させる元素であり添加量によってパーライト組織の強
度が変化する。レール材には１．６％以下含有されてお
り、溶接金属のＭｎ量もレール材のＭｎ量と同等レベル
であることが望ましい。カットワイヤ状加炭材にＭｎを
含有させる場合、Ｃおよびその他の元素とＭｎを合計し
た含有率が８０％を超えると金属材表皮の厚みが０．１
ｍｍ未満となるため好ましくない。さらに、ＣとＭｎの
添加量バランスを考慮すると、カットワイヤ状加炭材に
おけるＭｎ含有率は５〜４０％が望ましい。

【００２０】Ｃｒ、Ｍｏ、ＶはＭｎと同様、パーライト
変態を遅滞させる元素であり添加量によってパーライト
組織の強度が変化する。高強度レール等にはこれらの元
素を１種ないし２種以上含有する場合があり、それぞれ
レール材中に１．３％以下、０．３％以下、０．３％以
下含有される。レール材がこれらの元素を含有する場合
には、溶接金属にもこれらの元素をレール材と同等レベ
ル含有することが望ましい。カットワイヤ状加炭材にＣ
ｒを含有させる場合、Ｃ及びその他の元素とＣｒを合計
した含有率が８０％を超えると金属材表皮の厚みが０．
１ｍｍ未満となるため好ましくない。さらに、ＣとＣｒ
の添加量バランスを考慮すると、カットワイヤ状加炭材
におけるＣｒ含有率は１〜４０％が望ましい。一方、Ｍ
ｏ、Ｖは母材に含有される量が少ないため、カットワイ
ヤ状加炭材におけるＭｏ、Ｖ含有率が各３０％を超すと
溶接金属のＭｏ、Ｖ含有量が過剰になり、溶接部の硬さ
が母材と著しく不連続になるため好ましくない。そのた
め、カットワイヤ状加炭材におけるＭｏ、Ｖ含有率はそ
れぞれ１〜３０％が望ましい。

【００２１】Ｎｂは、パーライト変態の終了時間を短縮
する元素であり、溶接後にレール材熱影響部に生成する
有害なマルテンサイトを防止する効果があり、レール材
中に０．１％以下含有させる場合がある。レール鋼がＮ
ｂを含有する場合には溶接金属もレール材と同等レベル
Ｎｂを含有することが望ましい。カットワイヤ状加炭材
にＮｂを含有させる場合、カツトワイヤ状加炭材におけ
るＮｂ含有率が５％を超すと溶接金属のＮｂ含有量が過
剰になり、溶接部の硬さが母材と著しく不連続になるた
め好ましくない。そのため、カットワイヤ状加炭材にお
けるＮｂ含有率は０．１〜５％が望ましい。

【００２２】Ｃｕはレール鋼の耐食性を向上させる元素
で、耐食性レールには０．３％以下含有される。レール
鋼がＣｕを含有する場合には溶接金属もレール材と同等
レベルのＣｕを含有することが望ましい。カットワイヤ
状加炭材にＣｕを含有させる場合、カットワイヤ状加炭
材におけるＣｕ含有率が３０％を超すと溶接金属のＣｕ
含有量が過剰になり、溶接部に熱間脆性が起きて表面き
ずを発生するため好ましくない。そのため、カットワイ
ヤ状加炭材におけるＣｕ含有率は１〜３０％が望まし
い。

【００２３】Ｎｉはレール鋼に含有されることは稀であ
るが、溶接金属には２．０％以下含有すると溶接部の延
性、靱性が向上するため、溶接金属にＮｉを添加する場
合がある。ただし、添加量が過剰となり、溶接金属中の
Ｎｉ量が２．０％を超すと溶接金属に凝固割れ欠陥が発
生しやすくなるため好ましくない。そのため、カットワ
イヤ状加炭材におけるＮｉ含有率は１〜４０％が望まし
い。

【００２４】カットワイヤ状加炭材におけるＣｒ、Ｍ
ｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉのそれぞれの上記の含有量下
限値は各成分における下限値未満の値では各成分による
有効な作用を得ることができないことにより設定されて
いる。

【００２５】なお、金属材表皮に黒鉛のみ充填した、本
第１発明のカットワイヤ状加炭材に対してさらにＣ以外
の元素の調整をする場合においては、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、ＶもしくはＣｕ等の純金属、またはフ
ェロシリコン、フェロマンガン、フェロクロム、フェロ
モリブデン、フェロニオブ、もしくはフェロバナジウム
等のフェロアロイを適宜添加すればよい。そのさいに上
記のフェロアロイが独自にＣを含有する場合にはカット
ワイヤ状加炭材の添加量を適宜調整すればよい。

【００２６】また、本発明の複合ワイヤの断面の例を図
１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す。この図にお
いて１は鋼製外皮、２は充填剤である。どの断面におい
ても黒鉛を５〜８０％充填することは可能であり、した
がって、断面形状において本発明の複合ワイヤが規制さ
れるものではない。

【００２７】

【実施例】表２に示すテルミット剤に、表３に示す種々
の加炭材、すなわち本発明のカットワイヤ状加炭材
（イ）、（ロ）、粒状および粉末状黒鉛（ハ）、
（ニ）、高Ｃフェロマンガン（ホ）を添加してレールの
溶接を行った。カットワイヤ状加炭材の充填黒鉛原料、
粒状、粉末状黒鉛はすべて人造黒鉛を使用した。カット
ワイヤ状加炭材に充填した黒鉛原料は粒サイズ０．１ｍ
ｍアンダーの粉末状である。また金属表皮の組成は金属
表皮材に対してＣ：０．１％、Ｓｉ：０．１％、Ｍｎ：
０．７％、残部がＦｅおよび不可避不純物である。

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】レールサイズは６０ｋｇ／ｍ、溶剤の総重
量は約１３ｋｇである。被溶接レールの化学組成は表１
に示すものと同等である。溶接金属のＣ量およびＭｎ量
の最終的な目標調整範囲は、それぞれレール材と同等レ
ベルの０．６〜０．８％、０．８０〜１．０５％とし
た。Ｓｉに関してはレール材の含有量が低く、鋳型成分
であるＳｉＯ₂ の溶接金属への溶解により、溶接金属Ｓ
ｉ量がレール材Ｓｉ量に近い値まで上昇するため、溶剤
からの添加は行わなかった。

【００３１】全テルミット剤に対する加炭剤中のＣ量
と、溶接金属中央部のＣ量の関係を調査したところ、図
２に示すごとく、本発明のカットワイヤ状加炭剤を使用
した例（イ）、（ロ）では溶接金属のＣ変動が少なく良
好な歩留で、カツトワイヤ状加炭剤の配合量を適切に設
定すれば、溶接金属Ｃ量を精度よく目標成分範囲内に調
整することが可能である。一方、粒状および粉末状黒鉛
を使用した例（ハ）、（ニ）では歩留が低く、しかも変
動も大きいために溶接金属Ｃ量の調整精度が本発明の方
法より劣る。

【００３２】また、ＣとＭｎを同時に含有するカットワ
イヤ状加炭材Ｂを使用した（ロ）の例では、図３に示す
ようにカツトワイヤ状加炭材の配合量とともに溶接金属
Ｍｎ量も増大した。溶接金属Ｃ量を目標成分範囲内の約
０．７％に調整すると、Ｍｎ量も目標成分範囲内の約
１．０％となり、カットワイヤ状加炭剤中のＣとＭｎの
バランスがよいといえる。

【００３３】高Ｃフェロマンガンを使用した例（ホ）で
はＣ歩留は優れているものの、フェロマンガン中のＭｎ
含有量が高いために、溶接金属のＣ量を目標成分範囲内
に調整すると、溶接金属のＭｎ量が３％を超え、金属組
織が著しく硬くて脆いマルテンサイト組織となった。

【００３４】

【発明の効果】黒鉛を充填した複合ワイヤをカットワイ
ヤ状に切断した本発明の加炭材をテルミット溶剤に添加
することにより、安定した溶接金属Ｃ量の調整が可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）ないし（ｄ）はそれぞれ本発明のテルミ
ット溶剤用加炭材の例を示す断面図

【図２】全テルミット溶剤に対する添加した加炭材中の
Ｃ量と溶接金属中のＣ量の関係を示すグラフ

【図３】全テルミット溶剤に対する添加した加炭材中の
Ｃ量と溶接金属中のＭｎ量の関係を示すグラフ

【符号の説明】

１ 鋼製外皮 ２ 充填剤

フロントページの続き (72)発明者 西村 均 東京都中央区築地３−５−４ 日鐵溶接工 業株式会社内 (72)発明者 小林 武臣 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (72)発明者 百合岡 信孝 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材表皮で形成される断面空隙内に充
   填物を内蔵する複合ワイヤを用いたテルミット溶剤用加
   炭材において、複合ワイヤ全重量に対して充填物と金属
   材表皮中の合計で重量％で、Ｃ：５〜８０％を含有し、
   残部は金属材表皮成分および不可避不純物からなり、外
   径が０．６〜５ｍｍ、長さがワイヤの外径寸法以上２０
   ｍｍ以下であることを特徴とするテルミット溶剤用加炭
   材。
2. 【請求項２】 複合ワイヤは複合ワイヤ全重量に対して
   重量％で、Ｓｉ：１〜４０％、Ｍｎ：５〜４０％、Ｃ
   ｒ：１〜４０％、Ｍｏ：１〜３０％、Ｖ：１〜３０％、
   Ｎｂ：０．１〜５％、Ｃｕ：１〜３０％、Ｎｉ：１〜４
   ０％の１種以上をさらに含有することを特徴とする請求
   項１記載のテルミット溶剤用加炭材。