Способ алюмотермической сварки рельсов заливкой промежуточного металла с легированием стальной отливки в зоне головки рельса

1 Настоящее изобретение относится к способу алюмотермической сварки рельсов заливкой промежуточного металла с целенаправленным легированием стальной отливки в зоне головки рельса. Целью способа является целенаправленное придание необходимых свойств при сварке в соответствии с требованиями к железнодорожному пути. В способе алюмотермической сварки (способ термитной сварки) в качестве единственного из известных способов сварки плавлением применяют химическую реакцию, предназначенную для получения расплавленного присадочного материала. При этом для снижения количества оксидов тяжелых металлов, предпочтительно оксида железа, используют большое сродство алюминия к кислороду. Высокоэкзотермический процесс может быть представлен в следующем виде: оксид тяжелого металла + алюминийтяжелый металл + оксид алюминия + тепло, или для реакции с использованием железаFе 2 О 3 + 2Al2Fe + Аl2 О 3 + 849 кДж. Алюмотермическая реакция в тигле протекает после точечного воспламенения, осуществляемого с помощью соответствующего воспламеняющего стержня, в течение нескольких секунд при сильном выделении тепла. Затем происходит разделение продуктов реакции, нагретых до температуры порядка 2500 С, причем более легкие по своему удельному весу шлаки(Al2O3) образуют плавающий слой на поверхности железа. В основные компоненты термитной смеси- оксид железа и алюминий малой зернистости вводят добавки зернистых частиц стали для замедления реакции, а также, в зависимости от особенностей свариваемого материала, добавки компонентов сталеобразования, таких как С,Мn, Сr, V и Мо. Образующаяся при сгорании термитной реакционной смеси расплавленная сталь необходимого качества пригодна для применения в технике высококачественной сварки. Способ сварки можно охарактеризовать следующими технологическими переходами:- размещение деталей в определенном порядке и положении при соответствующем зазоре между ними в зависимости от поперечного сечения сваривания и способа;- формирование места сварки с помощью огнеупорной формы;- предварительный нагрев торцов деталей с помощью специальной горелки с использованием смесей газ/воздух, бензин/воздух, бензин/кислород, ацетилен/кислород или предпочтительно пропан/кислород;- заливку расплавленной стали в форму и сварка торцов деталей промежуточной или круговой заливкой. 2 С помощью этого способа можно сваривать детали всех типов с любым поперечным сечением, причем сварку можно проводить как при монтаже конструкций, так и при ремонтных работах. Наибольшее распространение алюмотермический способ сварки благодаря своему простому и не зависящему от внешних источников энергии выполнению получил при сваривании рельсов. При этом служащая в качестве наплавляемого металла сталь, полученная при сгорании термитной смеси, по своим прочностным свойствам должна максимально соответствовать рельсовой стали. Известные алюмотермические смеси, называемые также порциями термитной смеси,удовлетворяют этим требованиям благодаря тому, что к основной смеси, состоящей из алюминия и окиси железа, добавляют легирующие элементы, такие как, например, углерод, марганец, хром, кремний, ванадий и титан. Для замедления реакции и охлаждения к алюмотермической смеси добавляют, кроме того, железо,соответственно стальной скрап, благодаря чему одновременно повышается количество получаемой стали. Так, например, в различных странах применяют рельсы, при изготовлении которых их частично легируют, придавая им особые качественные характеристики, а именно, когда необходимо целенаправленно повысить концентрации этих специальных легирующих элементов в головке рельса до определенных значений в соответствии с составом рельсового материала,не легируя при этом подошву рельса. Однако в последние годы на железнодорожном транспорте во все возрастающем объеме стали применять рельсы с закаленными головками. Эта тенденция связана с тем, что, с одной стороны, возрастают нагрузки на рельсы,вследствие чего при использовании обычных рельсов происходит их усиленный износ, а с другой стороны, вследствие все более жестких экономических требований стремятся увеличить циклы замены рельсов. Например, особенно малые радиусы поворота колеи (300 м), крутые подъемы или все более возрастающие нагрузки от оси на рельсы,прежде всего в странах со все возрастающим грузооборотом, например в странах Северной Америки, Южной Африки, Азии и в Австралии,значительно увеличивают общую нагрузку на рельсы, которую необходимо учитывать как в отношении самих рельсов, так и рельсовых стыков. Применение рельсов с закаленной головкой во все большем объеме, разумеется, требует также согласования необходимой техники соединения рельсов. При этом особый интерес для эксплуатации железнодорожных путей представляет обеспечение повышенной твердости в зоне го 3 ловки рельса в сочетании с достижением повышенной пластичности подошвы рельса. Наряду с этим часто применяют также модифицирующие (измельчающие зерно) легирующие добавки, когда в головке рельса желательно было бы целенаправленно повысить концентрацию таких легирующих добавок. Таким образом, до настоящего времени при разработке рельсов с новыми качественными параметрами модифицировали порции термитной смеси, так что хотя рельсовый стык в целом и был адаптирован к качественным параметрам вновь разрабатываемых рельсов, но при этом его свойства по всему профилю соединения были одинаковыми. Это означает, что при обычной алюмотермической технике сварки к порции термитной смеси примешивают повышающие твердость добавки, чтобы обеспечить необходимую твердость в зоне головки, но при этом одновременно получают ту же твердость по всему профилю рельса, в том числе и в зоне подошвы рельса,т.е. там, где скорее было бы желательно иметь повышенную пластичность. В патенте Швейцарии 658817 описывается способ комбинированной алюмотермической сварки, в котором два стальных литейных сплава из двух различных по составу сварочных масс используют таким образом, что они, расплавляясь в двухкамерном тигле, соответственно дают твердую и износостойкую сталь для головок рельсов и вязкую пластичную сталь,заливаемую в форму первой, для сварки шеек и подошв рельса. Это означает, что речь в данном случае идет о двухстадийном способе. В этом способе требуются очень большие затраты времени, и он настолько усложнен при его практическом использовании на железнодорожных путях, что по сравнению с общеизвестной термитной сваркой соединений он не смог найти широкого применения. Кроме того, между обеими сталями, полученными при сгорании термитной смеси, образуются дополнительные поверхности раздела,что может привести к возникновению нежелательных дефектов в сварке. Из патента Германии 898989 известно,что образующееся при алюмотермической реакции железо можно легировать улучшающими свойства стали металлами или металлоидами,которые добавляют в выемку в верхней части или на дно литейной формы, в которую заключены свариваемые детали. Цель этого патента состоит в получении максимально гомогенной структуры стали, получаемой при сгорании термитной смеси, и исключении возможных потерь необходимых легирующих добавок со шлаком. Однако при этом следует отметить, что желательно использование тщательно перемешанной стали. Кроме того, введение этих металлов или металлоидов в литейную форму с технологиче 000225 4 ской точки зрения связано с большими затратами, а в случае легирования головки рельса помимо этого еще и затруднено, поскольку расстояние между литейной формой и легируемой поверхностью катания головки рельса слишком велико. Это расстояние должно быть преодолено лишь за счет диффузии металла/металлоида. Таким образом, существует потребность в разработке максимально упрощенного способа сварки, который состоит лишь из одной стадии,соответственно из одностадийной реакции и который также не только просто, т.е. как в отношении получения необходимых исходных веществ, так и в отношении реализации сварного соединения способом термитной сварки, но и надежно обеспечивает введение легирующих металлов или металлоидов и позволяет целенаправленно повышать концентрацию этих легирующих добавок в головке рельса. Целью разрабатываемого способа сварки является получение соединения, которое по своему набору свойств соответствует таковому материалу свариваемых рельсов и которое обеспечивает целенаправленное получение в зоне головки рельса более твердого наплавленного металла с максимально возможной мелкозернистостью и одновременно обеспечивает получение менее хрупкой и более пластичной подошвы. С помощью такого сварного соединения благодаря более высокой твердости и структуре,обладающей вследствие измельчения зерна более высокой несущей способностью, можно было бы повысить износостойкость, а тем самым реализовать связанные с ней экономические преимущества, и улучшить качество сварки. В зависимости от легирующего элемента,соответственно их комбинации и от количества вводимых легирующих добавок можно задавать различный набор свойств, т.е. химический состав стали, механические свойства, структуру и т.д. Эти различные свойства частично взаимозависимы, поскольку зависят от типа и количества добавок. До настоящего времени существовала особая потребность в разработке наиболее простых,надежных и воспроизводимых методов алюмотермической сварки рельсов заливкой промежуточного металла, которые позволяют легировать полученную при сгорании термитной смеси сталь, целенаправленно вводя в контакт с легирующими добавками ее сливаемую из реакционного тигля часть, которая образует сварное соединение в зоне головки рельса. Кроме того, следует полностью исключить тщательное перемешивание полученной при сгорании термитной смеси стали внутри литейной формы. В противном случае невозможно будет повысить концентрации легирующих добавок в головке. Предметом настоящего изобретения является способ, который отличается тем, что дополнительные легирующие добавки вводят по 5 окончании алюмотермической реакции и отделения стали от шлака через затвор в литейной форме и при закрытом переливе в литейной форме. Закрываемый перелив в литейной форме обозначен на фиг. 1 позицией (10). В способе сварки согласно изобретению с заливкой сверху (фиг. 2) сталь (5) после завершения реакции алюмотермической смеси в реакционном тигле (1) поступает в середину литейной формы (2) и поднимается в ней, соответственно в прибылях (3) вверх, при этом перелив остается закрытым. Часть стали, вытекающая из реакционного тигля последней, образует головку рельса, и именно ее согласно изобретению необходимо легировать. Это означает, что следует предотвращать легирование части стали, вытекающей первой, соответствующими легирующими компонентами. Это достигается за счет того, что легирующие компоненты (9) располагают в литейной форме на высоте головки рельса таким образом, что сталь, вытекающая из тигля первой, заливается в обход легирующей порции и только по мере заполнения формы сталь, находящаяся вверху, входит в контакт с легирующими компонентами (9). Такую заливку можно обеспечить, например, за счет размещения легирующих компонентов под затвором (4), который обычно имеется в литейных формах, применяемых при алюмотермической сварке. Этот затвор представляет собой фасонный элемент, который устанавливают в верхней зоне литейной формы,перекрывая головку рельса, и который при ударе об него позволяет погасить кинетическую энергию заливаемой стали и тем самым направляет эту сталь в зону рельса литейной формы. При этом легирующие компоненты могут быть соответствующим образом размещены в полости, предусмотренной с нижней стороны затвора,либо в виде фасонного элемента, либо в емкости, например, в виде капсулы (6), на расстоянии, необходимом для обеспечения точного контактирования на высоте головки рельса. В таком способе перелив также можно оставлять открытым. Однако в этом случае перелив должен быть расположен таким образом,чтобы часть полученной при сгорании термитной смеси стали, вытекающая первой, не могла преждевременно входить в контакт с легирующими компонентами и с частью стали, вытекающей последней, т.е. перед достижением головки или непосредственно на головке рельса. Этого можно достичь, расположив перелив на уровне выше легирующих добавок или ниже головки рельса. Алюмотермическую сварку можно также осуществлять по методу сифонной разливки,как это показано на фиг. 3. При этом сталь, полученная при сгорании термитной смеси, поступает в литейную форму (2) не в зоне рельса, а через прибыли (3). При этом уровень заливае 000225 6 мой стали поднимается в зоне рельса формы. Таким образом, часть стали, поступающая в форму первой, образует головку рельса, так что при этом способе разливки соответственно необходимо легировать сталь, поступающую первой. Этого можно достичь за счет размещения легирующих компонентов как с верхней, так и с нижней стороны используемого затвора (4). Размещение на нижней стороне соответствует контактированию легирующих компонентов при разливке сверху, т.е. сталь, уровень которой поднимается вверх, в зоне головки рельса вводится в контакт с соответствующими легирующими элементами, размещенными с нижней стороны затвора, в результате чего происходит ее дополнительное легирование. Легирующие элементы также можно заделать в нижнюю сторону затвора в виде цельного элемента или разместить под затвором в виде гранулята в капсуле или в виде подвесок. В данном случае перелив в литейной форме также предпочтительно должен быть закрыт. Если же используют открытый перелив, то предпочтительно располагать его ниже головки рельса или же выше легирующих добавок. При размещении легирующих добавок с верхней стороны затвора часть стали, заливаемая первой, при перетекании по поверхности затвора захватывает легирующие компоненты, и поэтому, поднимаясь первой в зоне рельса формы, образует головку, упрочненную таким путем. В этом случае перелив предпочтительно должен быть закрыт, или в противном случае его необходимо располагать выше головки рельса. Легирующие компоненты при этом можно наносить самыми разнообразными способами. Так, например, их можно просто наносить на верхнюю сторону затвора в виде порошка или гранулята. Однако затвор можно также выполнить составным, состоящим из керамического слоя и соединенного с ним слоя легирующих компонентов. Таким образом, предметом настоящего изобретения являются все способы дополнительного легирования полученного алюминотермией железа, или стали, полученной при сгорании термитной смеси, с помощью затвора в литейной форме. В качестве дополнительно вводимых легирующих добавок предпочтительны, во-первых,упрочняющие и/или модифицирующие металлы или сплавы. К ним относятся ферросплавы элементов V, Ti, Nb, Cr, Mn, Si и т.д., редкоземельные элементы или их оксиды и карбиды, а также углерод в элементарной или связанной форме. В зависимости от типа и количества используемых легирующих добавок с помощью способа по изобретению становится возможным достичь требуемого градиента концентрации специально вводимых при сварке элементов и 7 целенаправленно согласовывать их с нагрузками на железнодорожный путь. Дополнительно вводимые легирующие компоненты можно применять в элементарной,соответственно металлической форме или в виде металлотермической реакционной смеси. Данный способ зависит от выбора затвора,т.е. не зависит от химического состояния легирующего компонента. Дополнительно вводимые легирующие компоненты предпочтительно применяют в форме порошков или гранулятов. В этом случае добавки размещают в емкости, например железной капсуле, или в выемке в затворе. Обычно в способе по изобретению в качестве исходной применяют алюмотермическую смесь, состоящую в основном из алюминия,окиси железа и агентов, замедляющих реакцию,с содержанием в сварке углерода от 0,1 до 1,0 мас.% и марганца от 0,2 до 2,0 мас.%. Введение углерода и марганца в качестве легирующих компонентов не обязательно должно проводиться с помощью алюмотермической смеси. Это можно осуществлять также с помощью способа легирования по изобретению,позволяющего дополнительно легировать любыми легирующими компонентами как при разливке сверху, так и при сифонной разливке. В этом случае получают лишь алюминотермическое железо. При соответствующем выборе метода легирования, легирующих элементов и их концентрации свойства сварного соединения можно целенаправленно максимально приблизить к свойствам материала рельса, например, по химическому составу или твердости. Так, например, можно очень простым образом получить градиент твердости со сравнительно твердой головкой рельса и мягкой подошвой рельса. Наряду с твердостью от материала также зависят прогиб и сопротивляемость трещинообразованию, так что при более пластичной подошве рельса обеспечивается улучшение этих показателей. Прогиб, а именно, прогиб при разрушении,определяется при испытании на усталость при изгибе. Наряду с прогибом определяют разрушающую нагрузку, т.е. то максимально прилагаемое усилие, при котором происходит разрушение сваренного рельса и которое при неизменяющейся геометрии является также мерой прочности при изгибе. В противоположность прогибу разрушающая нагрузка зависит только от геометрии рельса, так что технологическое воздействие легирования на эти механические характеристики невозможно. Основным параметром, влияющим на надежность эксплуатации железнодорожного пути, является сопротивляемость трещинообразованию, т.е. усилие, при котором материал может противостоять трещинообразованию или распространению трещин. Как известно, сопротив 000225 8 ляемость трещинообразованию возрастает с увеличением вязкости материала. Поэтому при осуществлении способа по изобретению наряду с приданием подошве большей пластичности повышается сопротивляемость трещинообразованию. При легировании образующей головку рельса стали, которая при заливке в форму имеет температуру порядка 2100 С, в зоне головки рельса в сварном стыке достигается целенаправленное повышение концентрации соответствующих дополнительно вводимых легирующих компонентов. Таким путем можно целенаправленно влиять на свойства. К таковым относятся твердость, прогиб, сопротивляемость трещинообразованию и износостойкость. Градиенты твердости по профилю рельсов,достигаемые согласно изобретению, ниже поясняются более подробно. На фиг. 4 на примере рельсового профиляS49 с погонным весом 49 кг/м представлены точки замера химического состава и твердости и их расстояние от поверхности катания (в мм). На фиг. 5 представлена характеристика твердости рельса (S49HH) с упрочненной головкой, выраженная через НВ (твердость по Бринеллю) в кгс/мм 2 на соответствующем расстоянии от поверхности катания, как показано на фиг. 4. На этой диаграмме отчетливо видно повышение твердости в зоне головки рельса по отношению к остальному профилю. На фиг. 6 изображена характеристика твердости для обычно используемой в настоящее время алюмотермической сварки рельсов с упрочненной головкой. При этом преимущественно получают значения твердости, которые соответствуют твердости головки рельсов; однако весь профиль рельсов имеет такую же равномерную твердость, что приводит к возникновению вышеназванных недостатков. На фиг. 7 показан профиль твердости в месте сварки с легированием согласно изобретению в зоне головки. Легирование осуществляли с помощью 10 г FeV. Сварку проводили разливкой сверху. Легирующие компоненты размещали в капсуле под затвором. На графике отчетливо видно падение твердости от требуемого в зоне головки значения до более высокой пластичности в зоне подошвы. На фиг. 7 а показаны соответствующие концентрации ванадия в точках замера. При этом при твердости по Бринеллю в 268 кгс/мм 2 прогиб достигал 34 мм. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ алюмотермической сварки рельсов заливкой промежуточного металла, в котором сталь, полученную при сгорании термитной смеси, заливают в огнеупорную литейную форму, в которую заключены концы соединяемых 9 рельсов, а часть сливаемой из реакционного тигля стали, которая образует сварное соединение в зоне головки рельса, вводят в контакт с дополнительными легирующими добавками,отличающийся тем, что дополнительные легирующие добавки вводят по окончании алюмотермической реакции и отделения стали от шлака через затвор в литейной форме и при закрытом переливе в литейной форме. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что легирующие добавки размещают в емкости ниже затвора. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что легирующие добавки размещают сверху на затворе. 10 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что легирующие добавки размещают в выемке под затвором. 5. Способ по пп.1-3, отличающийся тем,что легирующие добавки применяют в форме порошка или гранулята. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что легирующие добавки подвешивают под затвором. 7. Способ по пп.1-6, отличающийся тем,что легирующие добавки применяют в твердой компактной форме.