DE19648369C1 - Aluminothermisches Gemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aluminothermisches Gemisch aus einem feinteiligen Gemenge von Eisenoxiden und Aluminium sowie Zu­ satzstoffen, wie Legierungsbildner und Dämpfungsmittel.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein aluminothermisches Ge­ misch für die Verbindungsschweißung von Schienen.

Bei der bekannten aluminothermischen Schienenverbindungsschwei­ ßung, bei der die mit einer Lücke verlegten und mit einer Gieß­ form umgebenen Schienenenden durch aluminothermisch erzeugten Stahl aufgeschmolzen und miteinander verbunden werden, soll der als Schweißgut dienende aluminothermisch erzeugte Stahl in sei­ nen Festigkeitseigenschaften dem Schienenstahl möglichst ent­ sprechen.

Dieser Forderung tragen die bekannten - auch Schweißportionen genannten - aluminothermischen Gemische dadurch Rechnung, daß dem aus Aluminium und Eisenoxiden bestehenden Basisgemisch Le­ gierungselemente, wie insbesondere Kohlenstoff, Mangan, Vana­ dium und Titan, beigegeben werden. Zur Dämpfung und Kühlung sind dem aluminothermischen Gemisch ferner Eisen bzw. Stahl­ schrott untermischt, wodurch gleichzeitig die Stahlausbeute er­ höht wird.

Die vorzugsweise verwendeten Schienenstähle mit Zugfestigkeiten von 690 bis 880 N/mm² weisen Kohlenstoffgehalte von 0,4 bis 0,82% und Mangangehalte von 0,8 bis 1,7% und ein dementspre­ chend vorwiegend perlitisch ausgebildetes Gefüge auf.

Gemäß DE-PS 36 44 106 wird ein aluminothermisches Gemisch be­ reitgestellt, welches die Erzeugung eines Schweißgutes mit er­ höhter Reproduzierbarkeit der Zusammensetzung gewährleistet. Hierdurch soll insbesondere erreicht werden, daß das Gefüge des Schweißgutes dem Gefüge des Schienenwerkstoffes entspricht.

In diesem aluminothermischen Gemisch sind Zusatzstoffe in Form eines homogenen Granulates enthalten, insbesondere Legierungs­ metalle wie z. B. Mn, Cr, Ni, V, Ti, die in reiner Form oder als Legierungen, z. B. mit Fe, eingesetzt werden können, Dämp­ fungsmittel, wie z. B. Fe oder Fe-Legierungen, sowie Aufkoh­ lungsmittel, wie Kohlenstoff oder C enthaltende Metalle, Legie­ rungen oder Carbide.

Zur Verschweißung von Schienen wird dem Gemisch ein Granulat, bestehend aus Kohlenstoff, Mangan und Eisen, in einer Menge zu­ gesetzt, welche die Ausbildung eines perlitischen Gefüges in dem aluminothermisch erzeugten Stahl gewährleistet. Vorzugs­ weise besteht das Granulat aus 1,5 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff, 8 bis 12 Gew.-% Mangan und 85 bis 90,5 Gew.-% Eisen. Teilweise werden Mangangehalte bis zu 80% eingesetzt.

In der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 7-299572 ist der Zusatz einer Vorlegierung beschrieben, die aus den Ele­ menten Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Molybdän, Vanadium, Niob, Kupfer, Chrom und/oder Nickel besteht, die einem aluminothermi­ schen Gemisch zugesetzt wird, das zum Verschweißen zweier Schienenstücke eingesetzt wird. Durch den Zusatz dieser Vorle­ gierung ist es möglich, den notwendigen Kohlenstoff in das Schweißgut auf einfache und vorteilhafte Weise einzubringen und gegebenenfalls auch andere Legierungselemente, wie Silicium, Mangan, Molybdän, Vanadium, Niob, Kupfer, Chrom und/oder Nickel. Diese Legierungszusätze werden ausschließlich in metal­ lischer Form dem aluminothermischen Gemisch zugemischt.

Der Vorteil dieser Vorlegierungsmethode soll in einer gleichmä­ ßigeren Einbringung insbesondere des Kohlenstoffs, aber auch anderer metallischer Legierungselemente, wie Silicium, als bei den herkömmlichen Vorlegierungen liegen.

Die Sicherheitsanforderungen an eine Verbindungstechnik, deren Anwendung gerade im Bereich des Personentransportes zu finden ist, aber auch im Güterverkehr, steigen ständig. Daneben nehmen zusätzlich die Belastungen der Schienen kontinuierlich zu, was zu einem verstärkten Verschleiß und Versagen führt. Häufig be­ einträchtigen dabei durchaus rein visuelle Eindrücke das zuneh­ mende Sicherheitsempfinden vieler Anwender eines solchen Ver­ fahrens.

Die Qualität einer Schweißung wird nicht nur durch fest defi­ nierte Kenngrößen, wie chemische Zusammensetzung oder mechani­ sche Eigenschaften der Thermit-Schweißverbindung beschrieben, sondern auch durch eine visuelle Beurteilung. Hier gewinnt ne­ ben der Beurteilung der Fehlerfreiheit der Bruchfläche nach ei­ nem Gewaltbruch die Oberfläche der Schweißung zunehmend an Be­ deutung und wird mehr und mehr ein wichtiges Qualitätskrite­ rium. Dabei werden die Art der Oberflächen-defekte - Riß, Pore, Sand- oder Schlackeneinschluß - deren Größe und der allgemeine visuelle Eindruck der Oberflächenrauhigkeit festgehalten.

Es besteht somit ein Bedarf nach Maßnahmen, die einerseits das Auftreten von Defekten innerhalb der Schweißung und die Entfer­ nung des Formensandes erleichtern und andererseits das Auftre­ ten von Oberflächendefekten minimieren. Mit einer entsprechend verbesserten Schweißverbindung wird den steigenden Sicherheits­ ansprüchen und den wirtschaftlichen Zwängen Rechnung getragen.

Eine Ursache für die Bildung von Oberflächenfehlern ist die Grenzfläche zwischen Form und Thermit-Stahl.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein aluminothermisches Gemisch bereit zustellen, welches eine wei­ tere Verbesserung der Morphologie der Verbindungsschweißung er­ möglicht. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu­ grunde, die Zusammensetzung des aluminothermischen Gemisches so zu verändern, daß eine Grenzflächenmodifizierung derart er­ folgt, daß einerseits durch Beeinflussung der Grenzflächenspan­ nung und/oder andererseits durch Erzeugung einer zusätzlichen Trennschicht auf dem Stahl die Oberflächenbeschaffenheit einer Verbindungsschweißung verbessert wird.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß der Zusatz von Siliciumdioxid oder metallischen Silicaten der Formel Me-Si-O und/oder Me-Si-C-O in das aluminothermische Gemisch zur Ausbil­ dung einer glasartigen Trennschicht auf dem Thermit-Stahl führt und damit zu einer Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit der Verbindungsschweißung.

Anhand des folgenden Reaktionsverlaufs soll die Wirkung der si­ licatischen Verbindung gezeigt werden:

Fe₂O₃ + 2 Al → 2 Fe + Al₂O₃ (1)

3 SiO₂ + 4 Al → 3 Si + 2 Al₂O₃ (2)

2 Fe₂O₃ + 3 Si → 4 Fe + 3 SiO₂ (3)

Die Reaktion (1) beschreibt die bekannte Thermit-Reaktion. Durch diese Reaktion wird im wesentlichen der Thermit-Stahl bzw. die Wärme für den Schweißprozeß erzeugt.

Aufgrund der höheren thermodynamischen Stabilität des Al₂O₃ wird das der Schweißportion zugesetzte SiO₂ durch Al reduziert. Das Si reagiert mit dem Fe₂O₃ unter Bildung von Fe und SiO₂, das wiederum mit dem Al reagiert. Auf diese Weise wird während der Reaktion eine durchgängige, glasartige Trennschicht auf dem Thermit-Stahl als Abgrenzung zur Form durch Reaktion (3) gebil­ det und aufrechterhalten und zudem das Formfüllverhalten ver­ bessert durch Beeinflussung der Viskosität des Stahls - Reaktion (2) -.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Gewichtsanteile der erfin­ dungsgemäßen Zusatzstoffe ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen aluminothermischen Ge­ misches können Anzahl und Größe der Oberflächendefekte und die Oberflächenrauhigkeit erheblich reduziert werden. Dies geht einher mit einer wesentlich erleichterten und nahezu vollstän­ digen Entfernbarkeit der Formenreste nach dem Schweißprozeß. Die Oberflächenrauhigkeit wurde dabei metallographisch be­ stimmt, Oberflächendefekte durch Ausmessen und Auszählen.

Nur durch den Einsatz von SiO₂ oder anderer silicatischer Ver­ bindungen in einem aluminothermischen Gemisch werden insbeson­ dere die Oberflächendefekte deutlich vermindert. Eine Reduzie­ rung bis zu 40% ist bei Einsatz von SiO₂ möglich.

Zur beispielhaften Herstellung einer üblichen 13 kg schweren Schweißbasisportion werden 2500 g Aluminium, 7500 g Eisenoxid und 300 g metallische Zuschläge vermischt. Diesem Gemisch wer­ den 650 g Siliciumdioxid oder 1050 g metallische Zuschläge der Formel Fe-Si-O oder 1350 g metallische Zuschläge der Formel Fe-Si-C-O zugesetzt.

Die Reduzierung der Oberflächendefekte, wie Poren, Sandein­ schlüsse, Risse, etc. beträgt ungefähr 40%. Die Oberflächen­ rauhigkeit konnte ebenfalls um 40% vermindert werden.

Claims (7)

1. Aluminothermisches Gemisch aus einem feinteiligen Gemenge von Eisenoxiden und Aluminium sowie Zusatzstoffen, wie Le­ gierungsbildner und Dämpfungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß es als Zusatzstoffe 0,1 bis 16 Gew.-% Siliciumdioxid oder 0,1 bis 20 Gew.-% metallische Silicate der Formel Me-Si-O oder Me-Si-C-O, in der Me, Fe, Mn, Cr, Al, Mg, Ca sein kann, bezogen auf Gesamtgewicht, enthält.

2. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es 0,5 bis 8 Gew.-% Siliciumdioxid enthält.

3. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es 1,5 bis 5 Gew.-% Siliciumdioxid enthält.

4. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es 1 bis 8 Gew.-% metallische Silicate der Formel Me-Si-O enthält.

5. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es 2,5 bis 4,5 Gew.-% metallische Silicate der Formel Me-Si-O enthält.

6. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es 2 bis 10 Gew.-% metallische Silicate der Formel Me-Si-C-O enthält.

7. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es 2,5 bis 6 Gew.-% metallische Silicate der Formel Me-Si-C-O enthält.