Термитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов

Авторы патента:

Козырев Николай Анатольевич (RU)

Юрьев Алексей Борисович (RU)

Шевченко Роман Алексеевич (RU)

Усольцев Александр Александрович (RU)

Михно Алексей Романович (RU)

Ознобихина Наталья Валерьевна (RU)

B23K35/24 - выбор материалов для пайки или сварки (B23K 35/34 имеет преимущество)

B23K23/00 - Термитная (алюминотермитная) сварка

Владельцы патента RU 2783434:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет", ФГБОУ ВО "СибГИУ" (RU)

Изобретение относится к получению алюмотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья для путей железнодорожного, городского и промышленного транспорта. Термитная смесь содержит в качестве оксидов железа окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов, в качестве восстановителя – порошки алюминия и титана, а в качестве легирующих добавок-флюсов – углеродфторсодержащую пыль газоочистки алюминиевого производства, при следующем соотношении компонентов, мас. %: окалина 56,28-65, порошок титана 21,84-30,3, порошок алюминия 4,2-5,88, углеродфторсодержащая пыль газоочистки алюминиевого производства 0,5-16. Технический результат заключается в обеспечении требуемых физико-механических свойств сварного шва за счет снижения уровня оксидных неметаллических включений и исключения микротрещин в сварном шве. 2 табл.

Алюмотермитная сварка рельсов широко используется для сварки рельсов различного назначения. Алюмотермитная сварка основана на реакции восстановления железа из его оксидов путем окисления алюминия с выделением избыточного тепла, при котором происходит восстановление оксидов и расплавление образующегося металла, используемого в дальнейшем для заливки в зазор двух торцов рельсов, в дальнейшем происходит кристаллизация расплава и получение прочного соединения (Науменко, B.C. Термитная сварка рельсов текст./ В.С. Науменко, А.А. Воробьев // -М.: Наука, 1969. - 184 с.; Малкин, Б.В. Термитная сварка текст./ Б.В. Малкин, А.А. Воробьев // -М.: Наука, 1973. - 268 с).

Для защиты от окисления металла, образующегося при экзотермических реакциях, а также для улучшения процесса фазоразделения, используют различные флюсующие добавки.

Так, известен (RU №2506147 В23К 23/00, В23К 35/36, опубл. 10.02.2014) железоалюминиевый термит, содержащий алюминий и оксид железа, который получен формированием термитной смеси в виде гранул, при этом содержит синтетическое связующее нитроцеллюлозу и флюс Nocolok при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Алюминий	21-23
Оксид железа	72-74
Нитроцеллюлоза	2-6
Флюс Nocolok	0,3-1,0

Существенными недостатками данной реакционной смеси являются:

- высокая отбраковка сварных стыков по физико-механическим свойствам из-за пониженного качества сварного соединения, обусловленного расслоением металла, порами, раковинами и микротрещинами;

- пониженной стойкостью сформированного после сварки сварного шва в связи с присутствием большого количества оксидов алюминия, являющихся центрами зарождения трещин и снижающих эксплуатационную стойкость;

- низкое содержание углерода в получаемом сварном шве в связи с отсутствием во флюсе Nocolok углеродсодержащих составляющих.

Известен также состав термитного порошка, состоящий из алюминия 65-75%, оксида железа 15-25% и графита 7-15% (SU №508362 В23К 23/00, В23К 35/36, опубл. 30.03.1976).

Существенными недостатками данной термитной реакционной смеси являются:

- высокая отбраковка сварных швов по физико-механическим свойствам из-за пониженного качества сварного соединения, обусловленного расслоением металла, порами, раковинами и микротрещинами;

- пониженная стойкость сформированного после сварки алюмотермитного сварного шва в связи с присутствием большого количества оксидов алюминия, являющихся центрами зарождения трещин и снижающих эксплуатационную стойкость;

- высокое содержание углерода в образующемся сварном шве и увеличение твердости сварного шва по сравнению со свариваемыми торцами рельсов, приводящее к возможному образованию трещин на границе раздела сварной шов торец рельса.

Известен алюминиевый термит, содержащий алюминий 20-22%, окись-закись железа 60-63% и окись алюминия 15-20% (SU №475234 В23К 23/00, В23К 19/00, опубл. 30.06.1975).

Существенными недостатками данной термитной реакционной смеси являются:

- низкое содержание углерода в получаемом сварном шве в связи с отсутствием углеродсодержащих составляющих;

Для приготовления термитных смесей в промышленных масштабах с экономической точки зрения целесообразно использовать в качестве сырья отходы промышленного производства.

Известна, выбранная в качестве прототипа (RU №2446928 МПК В23К 23/00, С21В 15/02, опубл. 10.04.2012) алюмотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и металлов и стальной наполнитель, при этом компоненты содержатся при следующем соотношении, масс. %:

Оксиды железа с размером частиц 0,1-5 мм	65-70
Металлический алюминий в виде частиц с размером 1-1,5 мм	15-20
Легирующие добавки (ферросплавы) в виде гранул размером 1-5 мм	5-10
Стальной наполнитель в виде частиц с размером 1-5 мм	5-10

Существенными недостатками данной реакционной смеси при использовании для сварки железнодорожных рельсов являются:

- пониженной стойкостью сформированного после сварки сварного шва в связи с присутствием большого количества оксидов алюминия являющихся центрами зарождения трещин и снижающих эксплуатационную стойкость.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в обеспечении требуемых физико-механических свойств сварного шва, за счет исключения окисления образующегося металла воздухом атмосферы в связи с защитой флюсующей добавкой поверхности металла и снижения вероятности загрязнения сварного шва оксидными глиноземсодержащими неметаллическими включениями, а также исключения микротрещин и расслоений металла при алюмотермитной сварке.

Существующая техническая проблема решается тем, что в известной термитной смеси для сварки железнодорожных рельсов, содержащей в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, металлический алюминий в качестве восстановителя и легирующие добавки, согласно изобретению, в качестве оксидов железа она содержит окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов, в качестве восстановителя порошок алюминия и титана, в качестве легирующих добавок-флюсов углеродфторсодержащую пыль газоочистки алюминиевого производства при следующем соотношении, масс. %: окалина 56,28-65, порошок титана 21,84-30,3, порошок алюминия 4,2-5,88, углеродфторсодержащая пыль газоочистки алюминиевого производства 0,5-16.

Технические результаты, получаемые в результате использования изобретения:

- обеспечение требуемых физико-механических свойств сварного шва за счет снижения уровня оксидных глиноземсодержащих неметаллических включений и обеспечения требуемого содержания углерода;

- исключение микротрещин в сварном шве, образующихся в результате высокой загрязненности металла сварного шва глиноземсодержащими неметаллическими включениями.

Предлагаемый способ осуществлялся с помощью установки термитной сварки.

Заявленные соотношения компонентов термитной реакционной смеси подобраны опытным путем.

При использовании окалины менее 56,28%, порошка алюминия менее 4,2% и порошка титана менее 21,84% не удается получить стабильное горение термита, а при применении окалины более 65%, порошка алюминия более 5,88%), и титана более 30,3%, происходит бурное протекание термических реакций со значительными выбросами и получением повышенного уровня загрязненности неметаллическими включениями.

При использовании углеродфторсодержащей пыли фильтров алюминиевого производства в количестве ниже 0,5% и выше 16%, получены низкие и высокие значения углерода в сварном шве и соответственно требуемые физико - механические свойства.

В опытах использовали:

- Окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов с химическим составом: FeO - 95,64; MnO - 1,16; СаО - 0,096; SiO₂ - 1,70; Al₂O₃ - 0,32; MgO - 0,21; Na₂O - 0,034; S - 0,085; Р - 0,004; V₂O₅ - 0,031; Cr₂O₃ - 0,27; NiO - 0,043; CuO - 0,084 фракции 0,1-1,5 мм. предварительно просушенную при температуре 400-600°С в течение 4-5 часов.

- Порошок титана фракции менее 0,1 мм. марки ПТС-1 по ТУ 14-22-57-92.

- Порошок алюминия фракции менее 0,1 мм. марки ПА-1 по ГОСТ 6058-73.

Углеродфторсодержащую пыль фильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс. %:Al₂O₃=19-48; F=17-28; Na₂O=2,8-12; K₂O=0,36 - 6,0; СаО=0,6- 1,8; SiO₂=0,5-2,7; Fe₂O₃=1,7-3,6; С_общ=18-30; MnO=0,05- 1,2; MgO=0,06-0,87; S=0,09-0,34; P=0,09-0,15.

Проведение экспериментов проводилось путем сваривания двух полнопрофильных образцов рельсов Р65, после чего проводилось испытание стыков на трехточечный статический изгиб согласно ГОСТ 34664-2020 «Рельсы железнодорожные, сваренные термитным способом. Технические условия». Испытания на статический изгиб проводили на прессе типа ПМС-320. Нагрузку прикладывали в середине пролета контрольного образца в месте сварного стыка. В дальнейшем, после визуального контроля сварных стыков полнопрофильных рельсов, последние разрезались и производилось исследование уровня загрязненности неметаллическими оксидными включениями, а также изучалась микроструктура сварного шва и зон термического влияния.

Испытание одного контрольного образца производили, с приложением нагрузки на головку (растяжение в подошве), второй контрольный образец нагружали на подошву (растяжение в головке). Результатами испытания являются значения усилия, возникающего при изгибе Р_изг, кН, при которых происходит разрушение контрольного образца, либо максимальные значения данных показателей, если образец не разрушился во время испытаний. Испытания при заявляемых пределах термитных реакционных смесей обеспечили низкое содержание оксидных неметаллических включений (оксидов железа, марганца, кремния и алюминия), а также отсутствие микротрещин в зоне сварки. Изучение загрязненности неметаллическими включениями исследовали с помощью металлографических микроскопов МЕТАМ РВ-34 и OLYMPUS GX-51 в светлом поле при увеличении ×100 методом сравнения с эталонными шкалами ГОСТ 1778-70.

В таблице 1 приведены составы с граничными (2-5) и заграничными (1,6) заявленными пределами термитной реакционной смеси. Характеристики исследуемых параметров сварного шва, полученного при алюминотермическом способе сварки при заявляемом составе термитной реакционной смеси приведены в таблице 2.

В используемом прототипе отбраковка по микротрещинам, образованным в зоне сварки по оксидным неметаллическим включениям, по сравнению с прототипом (0, 04%) снижена до 0,01%.

Использование заявляемой термитной реакционной смеси позволило обеспечить требуемые физико-механические свойства, низкое содержание оксидных неметаллических включений, образованных при сварке и снизить отбраковку по микротрещинам в зоне сварного шва.

Термитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, металлический алюминий в качестве восстановителя и легирующие добавки, отличающаяся тем, что в качестве оксидов железа она содержит окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов, в качестве восстановителя содержит порошки алюминия и титана, а в качестве легирующих добавок – углеродфторсодержащую пыль газоочистки алюминиевого производства, при следующем соотношении, мас. %:

Окалина	56,28-65
Порошок титана	21,84-30,3
Порошок алюминия	4,2-5,88
Углеродфторсодержащая пыль газоочистки алюминиевого производства	0,5-16

Изобретение относится к порошковым проволокам для нанесения покрытий, и может быть использовано для защиты поверхности изделий, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии при циклических нагревах (теплосменах). Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащего, мас.%: алюминий 15,0-20,0, хром 2,0-6,0, титан 0,5-1,5, иттрий 0,5-3,0, железо - основа.

Сварочные проволоки, полученные из улучшенных алюминиево-магниевых сплавов // 2770131

Изобретение относится к сварочным проволокам, изготовленным из алюминиево-магниевых сплавов. Сварочная проволока получена из алюминиево-магниевого сплава, содержащего: алюминий, магний, титан, 0,001 мас.% или меньше бора, 0,12 мас.% или меньше железа и 0,12 мас.% или меньше кремния, при этом массовое отношение титана к бору составляет 25:1 или больше.

Способ приготовления паяльной пасты // 2767945

Изобретение может быть использовано при сборке и поверхностном монтаже SMD компонентов на печатные платы. Паяльная паста содержит порошок оловянно-свинцового припоя, например ПОС 61, ПОСК 50-18 и флюс-связку, содержащую канифоль, полиэтиленгликоль с молекулярной массой 1500-20000, гидроокись натрия, триэтаноламин и этиленгликоль.

Припойная соединительная структура и способ пленкообразования // 2716176

Изобретение может быть использовано при изготовлении соединительной структуры для пайки элементов конструкции, в частности электрических деталей. Припойная соединительная структура (50), которую необходимо соединить с элементом посредством материала припоя, содержит алюминиевую подложку (30) и металлическую пленку (40), полученную на алюминиевой подложке (30).

Дисперсно-упрочненный сварочный материал на основе никеля для сварки плавлением жаропрочных сплавов // 2679503

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сварочному материалу на основе никеля, и может быть использовано при сварке жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Дисперсно-упрочненный сварочный материал на основе никеля для сварки плавлением жаропрочных сплавов на основе никеля или кобальта содержит, мас.%: кобальт от 5 до менее 14, хром 5-25, алюминий 1-6, углерод 0,05-0,2, бор 0,015-0,4, кремний 1-3, вольфрам и/или молибден 1-20, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей титан, цирконий, гафний, тантал и рений в сумме 1-18, никель и примеси - остальное.

Пластичный борсодержащий сварочный материал на основе никеля // 2666822

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащему сварочному материалу на основе никеля, и может быть использовано при ремонте разнообразных изделий, изготовленных из сплавов на основе никеля, кобальта и железа. Пластичный борсодержащий сварочный материал на основе никеля содержит, мас.%: бор от 0,4 до 0,6, углерод до 0,04, хром от 20 до 23, молибден от 8 до 10, ниобий от 3,15 до 4,14, никель и примеси - остальное.

Способ дуговой сварки велдолетов из аустенитных сталей к трубопроводу из низкоуглеродистых и низколегированных сталей // 2643098

Изобретение относится к способу электродуговой сварки велдолетов из аустенитных сталей с трубами из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Выполняют технологическое отверстие в упомянутой трубе, разделывают кромки под сварку и осуществляют предварительный подогрев кромок.

Способ наплавления и сварки плавлением сверхпрочных сплавов // 2610198

Изобретение относится к сварке плавлением сверхпрочных сплавов и может использоваться для изготовления и ремонта элементов газотурбинных двигателей. На основной материал из сверхпрочного сплава наносят композитный присадочный порошок, содержащий 5-50% по массе порошка твердого припоя, который включает депрессанты температуры плавления, и 50-95% по массе высокотемпературного сварочного порошка.

Паяльная паста // 2591920

Изобретение может быть использовано для поверхностного монтажа. Паяльная паста содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: канифоль 4,0-5,0, оксипроизводное соединение ряда алкиламинов 3,7-4,3, полиэтиленгликоль с молекулярной массой 1500-20000 2,9-3,2, этиленгликоль 1,2-1,5, гидроксид натрия 0,5-0,7, порошок припоя - остальное.

Композиционный припой для пайки абразивных инструментов из сверхтвердых материалов // 2588928

Изобретение может быть использовано при изготовлении абразивных инструментов из сверхтвердых материалов, например, алмаза, нитрида бора, с металлической связкой, в частности, инструментов со сложными фасонными рабочими поверхностями. Композиционный припой содержит, мас.

Способ термитной сварки рельсов // 2757644

Изобретение может быть использовано при восстановлении, ремонте или переустройстве рельсовых путей посредством термитной сварки без снятия рельсов с полотна. Проводят установку литейной формы в месте сварочного зазора, размещение тигля с литейным компонентом над литейной формой, инициацию термитной реакции, плавку литейного компонента, выпуск расплавленного металла в литейную форму и выдержку сварного металла в литейной форме.