Алюмотермическая смесь

1 Изобретение относится к алюмотермической смеси зернистого состава, включающего оксиды железа, алюминий и добавки, такие как легирующие компоненты и ингибиторы. Изобретение относится, в частности, к алюмотермической смеси, предназначенной для соединения сваркой рельсов. При соединении рельсов известным методом алюмотермической сварки, в котором торцы уложенных с соответствующим зазором рельсов, заключенные в литейную форму, оплавляют полученной с помощью алюмотермического способа сталью и соединяют их, полученная указанным способом сталь, служащая наплавленным металлом, должна по своим прочностным свойствам максимально соответствовать этим показателям рельсовой стали. Этому требованию отвечают известные(называемые также порциями термитной смеси) алюмотермические смеси за счет того, что в основную порцию термитной смеси, состоящую из алюминия и оксидов железа, вводят легирующие добавки, такие, прежде всего, как углерод, марганец, ванадий и титан. Для ингибирования и охлаждения в алюмотермическую смесь примешивают, кроме того, железо или стальной скрап, благодаря чему одновременно повышается выход стали. Предпочтительно применяемые сорта рельсовой стали с пределом прочности при растяжении от 690 до 880 Н/мм 2 содержат углерод в количестве 0,4-0,82% и марганец в количестве 0,8-1,7% и в соответствии с этим имеют преимущественно перлитную структуру. Согласно патенту Германии DE-C-3644106 предлагается алюмотермическая смесь, обеспечивающая получение наплавленного металла с высокой воспроизводимостью его состава. Цель этого заключается прежде всего в том, чтобы структура наплавленного металла соответствовала структуре материала, из которого изготовлены рельсы. В этой алюмотермической смеси содержатся добавки в форме гомогенного гранулята,прежде всего легирующие металлы, как, например, Mn, Cr, Ni, V, Ti, которые могут применяться в чистом виде либо в виде сплавов, например, с Fe, ингибиторы, как, например, Fe либо Fe-сплавы, а также карбюризаторы, такие,как углерод либо углеродсодержащие металлы,сплавы или карбиды. Для сваривания рельсов в смесь добавляют гранулят, состоящий из углерода, марганца и железа, в количестве, обеспечивающем образование перлитной структуры в стали, получаемой алюмотермическим способом. Предпочтительно гранулят содержит в своем составе 1,5-3 мас.% углерода, 8-12 мас.% марганца и 85-90,5 мас.% железа. В некоторых случаях содержание марганца повышают до 80 мас.%. В основу изобретения была положена задача по созданию такой алюмотермической 2 смеси, которая имела бы при ее получении более спокойный реакционный режим со сниженным дымовыделением, способствовала улучшению морфологии сварной поверхности и которая отвечала бы возрастающим требованиям касательно износостойкости сварных соединений. Наряду с этим требовалось повысить надежность сварных соединений. Положенная в основу изобретения задача состояла прежде всего в улучшении качества мест соединения, осуществляемого алюмотермической сваркой, с целью дальнейшего повышения безопасности движения железнодорожного транспорта. Указанная задача решается согласно изобретению с помощью алюмотермической смеси из тонкодисперсной основной порции термитной смеси, состоящей из оксидов железа и алюминия, а также добавок металлов, отличающейся тем, что в качестве этих металлических добавок применяют технически чистое железо и легирующие компоненты Fe, Cr, Si и С, а также при необходимости металлы-модификаторы. Предпочтительно легирующие добавки вводят в виде лигатуры из FeCrSiC. В состав лигатуры при этом могут вводить дополнительно модификаторы, такие, как бор, ванадий, титан, ниобий или редкоземельные металлы. Основная порция термитной смеси состоит из приблизительно 25% алюминия и 75% оксида железа, причем могут быть представлены различные стадии окисления оксида железа. Как уже указывалось выше, предпочтительно применяемые в настоящее время сорта рельсовой стали характеризуются содержанием углерода в пределах от 0,4 до 0,82 мас.% и содержанием марганца в пределах от 0,8 до 1,7 мас.% и имеют в соответствии с этим преимущественно перлитную структуру с пластинчатым ферритом и цементитом (Fе 3 С). При использовании смеси согласно изобретению для сварки рельсов такого типа металлические добавки должны содержаться в количестве, обеспечивающем образование перлитной структуры в полученной алюмотермическим способом стали. Предпочтительно вводить металлические добавки в количестве от 15 до 30 маc. ч. из расчета на 100 маc. ч. основной порции термитной смеси. Особенно предпочтительна алюмотермическая смесь, содержащая в качестве металлических добавок 5-20 мас.% лигатуры и 10-20 мас.% железа, соответственно в пересчете на количество основной порции термитной смеси. При дозировке добавляемых компонентов необходимо учитывать соотношение двух факторов,а именно, выгорание легирующих элементов,обусловленное алюмотермической реакцией, и дополнительное легирование ингибитора из железа. При этом необходимо обеспечить требуемую для сварки температуру при разливке полученной алюмотермическим способом стали. Соотношение легирующих компонентов между собой, количество ингибирующего железа в алюмотермической смеси, равно как и необходимое общее количество вводимых добавок могут определяться проведением несложных предварительных экспериментов. Для специалиста в данной области техники это не требует дальнейших пояснений изобретения. Количество добавляемых компонентов зависит, с одной стороны, от состава лигатуры, а с другой стороны, от концентрации легирующих веществ в сварочной композиции. Чем выше должна быть твердость сварного соединения, тем больше требуется легирующих добавок, иными словами, чем больше требуется лигатуры, тем выше должно быть количество легирующих элементов уже в самой лигатуре. При применении в качестве добавок 2025% чистого термита оказалось целесообразным использовать 5-10% лигатуры и в остальном максимально технически чистое железо. В этом случае для достижения твердости в наплавленном металле в пределах от 150 до более 400 твердости по Бринеллю, в пересчете на поверхность катания, лигатура имеет следующий состав FeCrl5-50Si5-20C0,5-8(%), предпочтительно FeCr25-45Si10-15C1,5-4,5(%). Применение лигатуры, например, с более высоким содержанием Сг, также возможно, при условии, что соответственно выдержано соотношение других легирующих компонентов, т.е. Si и С, и в соответствии с требуемой твердостью используют меньшее количество лигатуры. Указанные соотношения можно легко определить путем соответствующего расплавления лигатуры различного состава и последующей экспериментальной сваркой. В случае применения лигатуры с меньшим содержанием Сг ее требуется использовать в большем количестве. 4 Модифицирующие компоненты добавляют обычно в количестве, обусловливающем содержание 1% в сварочном материале. В нижеприведенных табл. 1-3 представлены примеры получения термитной смеси для четырех различных классов термитной сварки. В табл. 1 представлена основная рецептура. Таблица 1 Рецептура порций термитной смеси Основная порция: чистый термит (ЧТ) АлюминийFе-оксид Общее количество ЧТ Добавки: Технически чистое железо Лигатура Общее количество сварочной массы В табл. 2 представлены предпочтительные пределы получения композиций применяемых лигатур для достижения требуемой степени твердости сварочного материала. Таблица 2 Состав лигатур Твердость В табл. 3 представлены данные анализа сварки, проведенной порциями термитной смеси согласно табл. 2. Выявленные концентрации Мn представляют собой примеси, наличие которых определяли по растворенной рельсовой стали. Таблица 3 Анализ сварки на поверхности катания С, % Соответствующие количественные добавки для получения требуемого химического состава наплавленного металла могут быть легко определены для каждого случая экспериментальным путем в ходе проведения пробных сварок. Таким образом, алюмотермическая смесь согласно изобретению обеспечивает возможность получения наплавленного металла для алюмотермической сварки рельсов, который по своему химическому составу и своей структуре,а также твердости соответствует тем же характеристикам различных свариваемых сортов рельсовой стали, благодаря чему обеспечивают ся параметры равномерного износа наплавленного металла и материала, из которого изготовлены рельсы, и тем самым бесперебойное и не требующее обслуживания функционирование железнодорожного пути. Кроме того, имеется возможность для формирования перлитной структуры, состоящей из соответствующих количеств троостита и сорбита, в сочетании с зернистой морфологией верхнего промежуточного слоя. Такая структура благодаря мелкозернистости отличается повышенной износостойкостью. Применение гранулята обеспечивает в соответствии с существующими требованиями равномерное, малодымное и спокойное проте 5 кание реакции при устойчивом, высоком качестве сварки. По сравнению с какой-либо сварочной смесью из уровня техники преимущество предлагаемых согласно изобретению алюмотермических смесей состоит в отсутствии необходимости вводить добавки компонентов, способствующих усиленному дымовыделению и повышению химической активности. Эта протекающая более равномерно и более спокойно металлотермическая реакция имеет важное значение не только с металлургической точки зрения, но и снижает нагрузки на персонал, возникающие при разбрызгивании частиц расплавленного металла и выделении из реакционной смеси паров, что затрудняет проведение сварочных работ прежде всего в туннелях или при строительстве метро. Еще одно преимущество изобретения заключается в расширении спектра получаемых классов твердости и повышении износостойкости. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Алюмотермическая смесь из высокодисперсной основной порции термитной смеси,состоящей из оксидов железа и алюминия, а также добавок металлов, отличающаяся тем, что в качестве металлических добавок применяют технически чистое железо и легирующие компоненты Fe, Cr, Si и С и при необходимости металлы-модификаторы. 6 2. Алюмотермическая смесь по п.1, отличающаяся тем, что металлические добавки состоят из технически чистого железа и лигатуры из FeCrSiC и при необходимости металловмодификаторов. 3. Алюмотермическая смесь по п.1 или 2,отличающаяся тем, что добавки металлов вводят в количестве, обеспечивающем образование перлитной структуры в полученной алюмотермическим способом стали. 4. Алюмотермическая смесь по п.1 или 2,отличающаяся тем, что добавки металлов вводят в количестве, обеспечивающем образование перлитной структуры, состоящей из троостита/сорбита, в сочетании с зернистой морфологией верхнего промежуточного слоя в полученной алюмотермическим способом стали. 5. Алюмотермическая смесь по пп.1-4, отличающаяся тем, что добавки металлов вводят в количестве от 15 до 30 мас.% в пересчете на количество основной порции термитной смеси. 6. Алюмотермическая смесь по пп.1-5, отличающаяся тем, что в качестве металлических добавок применяют 5-10% лигатуры и 10-20% технически чистого железа, соответственно в пересчете на количество основной порции термитной смеси. 7. Алюмотермическая смесь по пп.1-6, отличающаяся тем, что лигатура имеет следующий состав, %: FeCr 15-50; Si 5-20; C 0,5-8,предпочтительно FeCr 25-40; Si 10-15; C 1,5-4,5.