JPH1085960A - レール頭部域で鋳鋼にトッピング合金処理を施したレールのテルミット式中間鋳込み溶接法 - Google Patents

レール頭部域で鋳鋼にトッピング合金処理を施したレールのテルミット式中間鋳込み溶接法

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JPH1085960A
JPH1085960A JP9246610A JP24661097A JPH1085960A JP H1085960 A JPH1085960 A JP H1085960A JP 9246610 A JP9246610 A JP 9246610A JP 24661097 A JP24661097 A JP 24661097A JP H1085960 A JPH1085960 A JP H1085960A
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JP
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rail
mold
thermite
crucible
steel
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JP9246610A
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Inventor
Joannes Murudaa Geruharudousu
ヨハネス ムルダー ゲルハルドゥス
Steinhorst Michael
シュタインホルスト ミヒァエル
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Goldschmidt ETB GmbH
Original Assignee
Elektro Thermit GmbH
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Publication date
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K23/00Alumino-thermic welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/26Railway- or like rails

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  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Nonmetallic Welding Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レールのテルミット式中間鋳込み溶接におい
て特に、テルミット反応によって生成した鋼湯のうち、
レール頭部域の溶接部を形成するところの反応坩堝から
流出する鋼湯部分を、混入合金すべきテルミット鋼添加
剤と接触させることを可能にする、可能な限り単純にし
て確実かつ再現可能な方法を提供する。 【解決手段】 テルミット反応を終了させかつスラグか
ら鋼湯を分離した後、湯出し中に、かつ鋳型によって形
成された鋳込みキャビティ内への流入前に合金添加剤を
添加合金し、かつ鋳型内では溢流口を閉鎖しておく。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レール頭部域で鋳
鋼に所期のようにトッピング合金処理を施したテルミッ
ト式中間鋳込み溶接法に関する。この溶接法は、溶接部
内に所望の特性プロフィールを所期のように軌道の要求
に応じて生ぜしめるためのものである。
【0002】
【従来の技術】テルミット溶接法は、公知の溶融金属溶
接法の唯一のものとして、高熱液状の添加剤を生成する
ために化学反応を活用する。
【0003】この場合、酸素に対するアルミニウムの大
きな親和力が、重金属酸化物、特に酸化鉄を還元するた
めに使用される。
【0004】強烈な発熱反応を伴うプロセスは次のよう
に表すことができる。すなわち: 重金属酸化物+アルミニウム→重金属+酸化アルミニウ
ム+熱 として表され、或いは鉄反応については Fe23+2Al→2Fe+Al23+849kJ として表される。
【0005】テルミット反応は、反応坩堝内において点
火棒による点状着火の後に数秒間で強烈な反応熱を発生
しつつ進行する。約2500℃の高熱の反応生成物は次
いで分離し、この場合比重の軽いスラグ(Al23)は
鉄の上を浮遊する。
【0006】テルミット反応に与る基本成分、つまり酸
化鉄と微粒度のアルミニウムには、反応を緩衝するため
に粒状化された鋼粒子及びC,Mn,Cr,V,Moの
ような鋼形成物が被溶接母材に応じて混加される。
【0007】反応混剤内に溶融された高熱液状の特定品
質のテルミット鋼は、溶接技術目的を達成するために著
しく適している。
【0008】テルミット溶接法は次の作業段階によって
特性づけられる。すなわち: a)溶接横断面と方法とに関連したギャップをもって布
設された被溶接母材を同一線上に整合させる; b)耐火性鋳型で溶接部位を型込めする; c)ガス/空気混合気、ベンジン/空気混合気、ベンジ
ン/酸素混合気、アセチレン/酸素混合気或いは有利に
はプロパン/酸素混合気を使用する専用バーナによって
被溶接母材端部を予熱する; d)鋳型内へ高熱液状の鋼湯を注入しかつ中間鋳込み及
び周囲鋳込みによって被溶接母材端部を溶接する。
【0009】この方法によれば、組立及び補修において
任意の横断面を有するあらゆる被溶接母材を溶接するこ
とが可能である。テルミット溶接法の適用は、その施工
が簡便でかつ外部エネルギ源に無関係であるためレール
溶接において最も普及している。
【0010】その場合、溶接物として使用されるテルミ
ット反応によって生成した鋼はその強度特性の点でレー
ル鋼に可能な限り合致していなければならない。
【0011】溶接分担混合剤とも呼ばれる公知のテルミ
ット混剤は、アルミニウムと酸化鉄とから成るベース混
剤に、特に炭素、マンガン、クロム、珪素、バナジウム
及びチタンのような合金元素を混加することによって前
記要求を考慮に入れている。更に緩衝及び冷却のために
テルミット混剤には、鉄もしくは屑鋼が混入され、これ
によって同時に鋼収量が高められる。
【0012】例えば諸国において、部分的には全く特別
に合金処理の施されたレール品質が使用され、そこに在
る狙いは、レール足部には合金処理を施すことなしに、
レール頭部における前記の特殊な合金元素を、レール組
成に相応して所期のように所定の濃度に濃縮することで
ある。
【0013】しかしながら近年、レール運輸業界では、
レール頭部に硬化処理を施したレールを使用する趨勢が
ますます強まってきた。この趨勢の要因は、一面におい
て在来のレールでは強い摩耗を惹起するほどレール負荷
が増大し、他面においてレールの交換サイクルをより長
くしようとするほど経済的な逼迫が増強していることに
ある。
【0014】例えば狭い半径(<300m)、極端な勾
配或いは、特に北アメリカ、南アフリカ、アジア及びオ
ーストラリアのような重貨物運輸の圧倒的に多い国々に
おいて益々高まる車軸荷重は、レール負荷の増大化を意
味し、このレール負荷はレール自体においてもレール継
手においても考慮されねばならない。
【0015】レール頭部に硬化処理の施されたレールの
強化使用が、所要の接合技術の適合も必要とするのは自
明のことである。
【0016】その場合軌道運用にとって特に重要な関心
事は、レール頭部域の硬度を高めること及び、これに関
連してレール足部における延性を高めることである。
【0017】これと相俟って微粒状の合金添加剤がしば
しば使用され、その場合レールヘッドにおける合金添加
剤の濃縮化を制御することが望ましい。
【0018】これまで新規開発されたレール品質では要
するに、テルミット溶接混剤が修正されたに過ぎず、従
ってレール継手全体が変更レール品質に適合され、しか
もそれ自体、単一的な特性プロフィールを有していた。
【0019】これは取りも直さず、在来のテルミット溶
接技術の場合、レール頭部に必要な硬度を生ぜしめるた
めにテルミット溶接混剤に硬化性添加剤を混加すること
を意味すると同時に、レール断面形状全体に、要する
に、むしろ延性が所望されるレール足部域においても、
等しい硬度を得ることを意味しているに他ならない。
【0020】スイス国特許第658817号明細書に
は、テルミット複合溶接法が記載されており、この場合
2つの鋳鋼合金は、2種の異なった組成の溶接物質から
構成されており、両種の溶接物質は2つの坩堝室から、
レール頭部用の硬質で耐摩耗性の鋼並びに、ウェブ及び
レール足部溶接用の、最初に鋳型内に流入する靭性かつ
延性の鋼を生成する。
【0021】このことは、当該方法が2段階プロセスで
あることを意味している。この方法は著しく時間がかか
り、かつ軌道における実際の適用のためには広く公知に
なっている慣用のテルミット継手溶接に対比して煩瑣過
ぎて、実施することができない。その上、両テルミット
鋼間には別の境界面が形成され、しかも溶接部に不都合
な欠陥が発生することがある。
【0022】またテルミット反応時に生成された鉄に鋼
調質金属又はメタロイドでトッピング合金処理を施し、
しかも前記鋼調質金属又はメタロイドを、被溶接母材を
包囲する鋳型の上部部分又は底部に設けた切欠内に収容
しておくようにすることが、ドイツ連邦共和国特許第8
98989号明細書に基づいて公知になっている。
【0023】当該ドイツ特許の目的は、可能な限り均質
のテルミット鋼を調製しかつスラグを介して起こり得る
所要合金添加剤の損失を十分に回避することである。し
かしこの場合は、親密に混和された鋼が所望されている
ことを指摘しておく。
【0024】更に又、前記の鋼調質金属又はメタロイド
を鋳型内に収容することは、生産技術的に見て手間がか
かり、かつレール頭部のトッピング合金処理の場合には
困難ですらある。それというのは、レール頭部のトッピ
ング合金処理を施すべき走行面と鋳型との間の距離が大
きいからである。この距離は、金属/メタロイドの拡散
のみによって克服されねばならない。
【0025】従って、単純な方式で、つまり所要の使用
物質を製造する上でもテルミット溶接継手を形成する上
でも簡便でしかも確実な方式で、添加合金すべき金属又
はメタロイドを調製し、かつこの合金添加剤をレール頭
部において所期のように濃縮化することのできるただ1
つの処理段階又は反応段階から成る、可能な限り単純な
溶接法に対する要望が、以前から存続している。開発す
べき溶接法の目的は、溶接すべきレールの特性プロフィ
ールに合致し、かつ特にレール頭部においてより硬質で
可能な限り微粒状の溶接材を得ると同時に折損発生率の
低いかつ可能な限り延性のレール足部を保証する継手を
製造することである。
【0026】このような溶接継手が得られれば、支持能
を有する組織構造の、より高い硬度と微粒状化とに基づ
いて、耐摩耗性及び、これに必然的に付随する経済的な
利点が実現され、かつ溶接部の品質が改善されることに
なる。
【0027】合金元素もしくは合金元素の組合せ及び混
入すべき量に応じて異なった特性プロフィール、つまり
鋼の化学組成、機械的特性、組織構造などを調整するこ
とが可能である。これらの諸特性は部分的には、添加剤
の種類と量に応じて相互に関連し合っている。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、レー
ルのテルミット式中間鋳込み溶接において特に、テルミ
ット反応によって生成した鋼湯のうち、レール頭部域の
溶接部を形成するところの反応坩堝から流出する鋼湯部
分を、混入合金すべきテルミット鋼添加剤と接触させる
ことを可能にする、可能な限り単純にして確実かつ再現
可能な方法を提供することである。この場合、鋳型内部
におけるテルミット鋼湯の親密な混和は絶対に避けられ
ねばならない。さもなければレール頭部における合金添
加剤の濃縮化を得ることはできなくなるからである。
【0029】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の構成手段は、テルミット反応を終了させかつ
スラグから鋼湯を分離した後、湯出し中に、かつ鋳型に
よって形成された鋳込みキャビティ内への流入前に合金
添加剤を添加合金し、かつ鋳型内では溢流口を閉鎖して
おく点にある。
【0030】
【実施例】次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説す
る。
【0031】鋳型2内において閉鎖すべき溢流口は図1
では符号10で表されている。
【0032】本発明による下注式(押上げ式)鋳込み法
では(図2)、テルミット反応により生成された鋼湯5
は、即座に鋳型2のレール領域内へ流入するのではなく
て、押湯部3内を通って鋳型2内へ流入させられる。そ
の際に流入する鋼湯は鋳型のレール領域内を上昇し、そ
の場合溢流口10は閉鎖されている。
【0033】また溢流口を開放したままにしておくこと
も可能であるが、その場合溢流口は、最初に反応坩堝1
から流出するテルミット鋼湯が早期に、つまりレール頭
部に到達する以前に、最後に流出するテルミット鋼湯と
接触することがないように配置されねばならない。これ
は、溢流口をレール頭部より上位に位置決めすることに
よって得られる。
【0034】最初に鋳型2内に流入する鋼湯は、要する
にその場合レール頭部を形成するので、下注式鋳込み法
の場合には、最初に流入する鋼湯に適当なトッピング合
金処理( auflegieren )が施されねばならない。反応
坩堝1の最下位域に位置している反応混剤が、鋳型2内
に最初に流入する鋼湯を形成するのであるから、合金成
分を、反応坩堝1からの流出時に、かつ鋳型2によって
形成された鋳込みキャビティ内への流入前に鋼湯内に装
入することが可能である。
【0035】下注式鋳込み法の場合、坩堝出口7を閉塞
する一体成形された溶融体8を備えた坩堝栓(いわゆる
自動開放形坩堝栓)内に合金成分9を組込むことによっ
て、特に合目的的な操作方式が得られる。この坩堝栓は
テルミット溶接の場合、溶融した鋼湯を所定の温度で、
従って特定時点に自動的に湯出しするのを保証するため
に通常使用される。この場合合金元素は、このために坩
堝栓内に設けられた中空室内に簡単に収納することがで
きる。
【0036】また流出するテルミット鋼湯内への合金成
分の装入を、別の方式で坩堝栓体を介して行うことも可
能である。この場合は合金添加剤が、坩堝栓体の製造中
に鋳型砂混合物内に混入される。
【0037】補填的に混加される合金添加剤としては硬
化性金属及び/又は微粒化性金属が優先使用される。こ
のような金属としては、元素V,Ti,Nb,Cr,M
n,Si等の合金鉄、希土類又はその酸化物及び炭化物
並びに結合した形又は元素の形の炭素が挙げられる。
【0038】従って本発明の方法では、供用される合金
添加剤の種類と量に応じて、溶接部において特別に混入
される元素の所望の濃度勾配を得ること及び軌道におけ
る負荷に所期のように適合させることが可能である。
【0039】補填混入して合金処理の施される成分は、
元素の形もしくは金属の形で、或いは金属テルミット反
応混剤として使用することができる。
【0040】この方法は、要するにロッキングバーの選
択に応じて、混加合金すべき成分の化学的状態には無関
係である。
【0041】補填的に混入される合金元素は粉末又は顆
粒の形で使用されるのが有利である。
【0042】本発明では原料混合物として通常のように
主としてアルミニウムと酸化鉄と緩衝剤とから成るテル
ミット混剤が使用され、これによって溶接部では、0.
1〜1.0重量%の炭素含有量及び0.2〜2.0重量
%のマンガン含有量が得られる。
【0043】合金成分である炭素及びマンガンの調製は
必ずしもテルミット混剤を介して行う必要はない。これ
は、下注式鋳込み法の場合に各合金成分の補填混入によ
る合金処理を可能にする本発明のトッピング合金処理法
によっても可能である。この場合は単にテルミット鉄が
生成されるにすぎない。
【0044】トッピング合金処理法、合金元素及び該合
金元素の濃度を適正に選択すれば溶接部を所期のよう
に、要するに例えば化学的組成又は硬度のようなレール
の特性プロフィールに限りなく近く、適合させることが
可能である。例えば著しく簡単な方式で、比較的硬質の
レール頭部と比較的軟質のレール足部を有するような硬
度勾配を発生させることが可能である。
【0045】硬度と同様に撓み度及びひび割れ抵抗力は
材料に関連しているので、比較的延性のレール足部の場
合には、この特性値の改善が得られる。
【0046】撓み度、より正確に云えば、破壊撓み度は
曲げ強さ実験で求められる。撓み度以外に破壊荷重、つ
まり溶接されたレールを破損させるために最大限にかけ
られる力が確定され、この破壊荷重は、幾何学的形状が
一定であれば曲げ強さのための1尺度でもある。撓み度
とは異なって破壊荷重は、レールの幾何学的形状のみに
関連しているので、この機械的な特性量に合金技術的な
影響を及ぼすことは不可能である。
【0047】軌道の運用安全性にとって格別重要な特性
値は、ひび割れ抵抗力、つまり材料が亀裂形成及び亀裂
の拡がりに抵抗できる力である。周知の通り、ひび割れ
抵抗力は材料の靭性の増大に伴って増強する。従って本
発明の方法によれば、レール足部がレール頭部よりも延
性であることに基づいて、ひび割れ抵抗力の顕著な改善
が得られている。
【0048】鋳型内への流入時に約2,100℃を有し
ている、レール頭部を形成する鋼湯にトッピング合金処
理を施す場合、後に混加すべき適当な合金元素の所期の
濃縮化が、溶接継手部のレール頭部域において得られ
る。このようにして特性プロフィールには所期の影響を
及ぼすことが可能である。該特性プロフィールとしては
硬度、撓み度、ひび割れ抵抗力及び摩耗強さが挙げられ
る。
【0049】本発明によってレール断面形状内で得られ
る硬度勾配を次に詳説する。すなわち:先ず図3では、
レール断面形状例としてのメートル当り重量49kg/
mのレール断面形S49における若干の分析・硬度測定
点が、走行面からの距離(mm単位)で表されている。
【0050】図4では、頭部に硬化処理を施したレール
(S49HH)の硬度経過曲線が、図3に示したような
走行面からの距離を関数とするブリネル硬さHB(kp
/mm2 単位)で表されている。レール頭部域における
硬度がその他のレール断面形状域に対比して著しく増大
しているのは図4から一目瞭然である。
【0051】図5には、頭部硬化処理の施されたレール
における今日慣用のテルミット溶接部の硬度経過曲線が
図示されている。この場合は実質的に、レール頭部の硬
度に相当する硬度値が得られる。しかしながら該硬度値
はレール横断面全体にわたって均等であるので、すでに
前述した欠点を有している。
【0052】図6にはレール頭部域に下注式鋳込み法で
本発明によりトッピング合金処理の施された溶接部の硬
度経過曲線が図示されている。この場合は10gのFe
Vが坩堝栓内に組込まれた。硬度値がレール頭部域にお
ける所望の高い硬度からレール足部域のより高い延性に
まで低下しているのが図6のダイヤグラムから明らかで
ある。走行面において得られた硬度が300kp/mm
2以上である場合、33mmの撓み値が得られる。
【0053】図7には測定点における相応のバナジウム
含有量が示されている。
【0054】図8及び図9には、レール強度が異なって
いて合金添加剤FeVが20gである場合の硬度特性曲
線が示されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】レールのテルミット式中間鋳込み溶接法を実施
するための反応坩堝と溢流口の開放状態にある鋳型との
関係位置を示す概略図である。
【図2】下注式テルミット溶接法によるレール溶接を示
す概略図である。
【図3】レール断面形S49の形状例における分析・硬
度測定点を走行面からの距離で表した図である。
【図4】走行面からの距離を関数とするブリネル硬さで
表された頭部に硬化処理を施したレール横断面全体にわ
たる硬度特性曲線図である。
【図5】頭部硬化処理の施されたレールにおける慣用の
テルミット溶接部の硬度特性曲線図である。
【図6】10gのFeVを使用してレール頭部域に本発
明によりトッピング合金処理の施された溶接部の硬度特
性曲線図である。
【図7】10gのFeVを使用した場合のレール横断面
全体にわたるバナジウム濃度の特性曲線図である。
【図8】20gのFeVを使用してレール頭部域に本発
明によりトッピング合金処理の施された溶接部の硬度特
性曲線図である。
【図9】20gのFeVを使用してレール頭部域に本発
明によりトッピング合金処理の施された溶接部の異なっ
た硬度特性曲線図である。
【符号の説明】
1 反応坩堝、 2 鋳型、 3 押湯部、 5
鋼湯、 7 坩堝出口、 8 溶融体、 9
合金成分、 10 溢流口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI // B23K 9/00 501 B23K 9/00 501R B23K 101:26

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 テルミット反応によって生成した鋼湯
    を、両方の接合すべきレール端部を包囲する耐火性の鋳
    型内に鋳込み、かつ合金添加剤を、反応坩堝から流出す
    る鋼湯部分と接触させ、これによってレール頭部域に溶
    接部を形成する形式の、レールのテルミット式中間鋳込
    み溶接法において、テルミット反応を終了させかつスラ
    グから鋼湯を分離した後、湯出し中に、かつ鋳型によっ
    て形成された鋳込みキャビティ内への流入前に合金添加
    剤を添加合金し、かつ鋳型内では溢流口を閉鎖しておく
    ことを特徴とする、レール頭部域で鋳鋼にトッピング合
    金処理を施したレールのテルミット式中間鋳込み溶接
    法。
  2. 【請求項2】 合金添加剤を、鋳型によって形成された
    鋳込みキャビティ内への流入前に、自動開放形坩堝栓を
    介して添加合金する、請求項1記載のレールのテルミッ
    ト式中間鋳込み溶接法。
  3. 【請求項3】 合金添加剤を、坩堝栓の下側の中空室内
    に収納する、請求項2記載のレールのテルミット式中間
    鋳込み溶接法。
  4. 【請求項4】 合金添加剤を、坩堝栓体の製造中に鋳型
    砂混合物内に混入する、請求項2記載のレールのテルミ
    ット式中間鋳込み溶接法。
  5. 【請求項5】 合金添加剤を粉末又は顆粒の形で使用す
    る、請求項1から4までのいずれか1項記載のレールの
    テルミット式中間鋳込み溶接法。
  6. 【請求項6】 合金添加剤をコンパクトな固相の形で使
    用する、請求項1から3までのいずれか1項記載のレー
    ルのテルミット式中間鋳込み溶接法。
JP9246610A 1996-09-13 1997-09-11 レール頭部域で鋳鋼にトッピング合金処理を施したレールのテルミット式中間鋳込み溶接法 Pending JPH1085960A (ja)

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DE19637282.8 1996-09-13

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DE (1) DE19637282C1 (ja)
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