一種鋼軌鋁熱焊劑及其焊接方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鋁熱焊劑領域，具體涉及一種用于鐵道鋼軌的具有貝氏體組織、高強 度的鋁熱焊劑及其焊接方法。
【背景技術】
[0002] 重載運輸技術已被國際上公認是鐵路貨運發展的方向，為了適應重載運輸的需 要，我國鐵路正在不斷提高車輛載重。2006年我國載重60噸及以上的車輛約45萬輛，占 車輛總數的85. 7%，其中軸重23噸、載重70噸的車輛已達到2萬多輛，軸重25噸、載重80 噸的車輛已有8400多輛，這對于提高鐵路運輸能力、緩解運輸緊張的矛盾，實現鐵路內涵 擴大式再生產，推動中國鐵路進入重載運輸時代均具有重要意義。
[0003] 隨著鐵路線路重載運輸的發展，為提高鋼軌的使用壽命，減小鋼軌磨耗，采取了多 種方法，主要為在輪軌之間添加摩擦改進劑、防脫減磨護輪軌裝置、增加線路的平順性和增 加鋼軌的硬度。其中，增加鋼軌硬度是提高鋼軌使用壽命的有效手段。隨著鋼軌硬度的增 加，耐磨性增加，熱處理鋼軌踏面的硬度一般都在340HB以上，離線熱處理U75V鋼軌踏面的 硬度高達370HB。
[0004] 但是，目前鋼軌鋁熱焊接頭的金屬組織基本上是珠光體組織，其強度和硬度有限， 無法與高強度鋼軌相匹配。雖然可通過合金化或熱處理技術工藝提高接頭金屬的強度，但 已接近極限，無法從根本上解決在提高其強度的同時保持較好韌性的問題，更無法滿足鐵 路高速、重載對鋼軌及道岔軌越來越高的技術要求。
[0005] 鋼軌鋁熱焊接，就是將鋁粉、氧化鐵和其它合金添加物配制成鋁熱焊劑，將其放在 特制的反應坩堝中，用高溫火柴點燃后引發鋁熱反應；反應過程中，放出大量的熱熔化合 金添加物，與反應生成的鐵形成為鋼液，由于其密度大而沉于坩堝底部，反應生成的熔渣較 輕而浮在上部，在很短時間內，高溫的鋁熱鋼液熔化坩堝底部的自熔塞，澆鑄到與鋼軌外形 尺寸一致的砂型和局部預熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中，同時鋁熱鋼液本身又作為填充金 屬，與熔化的鋼軌共同結晶，冷卻，將兩段鋼軌焊成整體。目前鋁熱反應生成的鋼液金屬組 織均為珠光體組織，使得接頭金屬的硬度小于310HB，強度小于800Mpa，焊縫金屬的硬度無 法與目前高強度鋼軌相匹配。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供一種用于鐵道鋼軌的鋁熱焊劑及其焊接方法。本發明所述鋁 熱焊劑使得焊接后得到的焊縫金屬組織為貝氏體，其硬度可以與鋼軌母材相匹配，同時也 能完全滿足現場施工使用要求。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0008] 一種鋼軌鋁熱焊劑，由鋁粉、氧化鐵、鑄鐵粒及少量合金添加物均勻混合而成，其 特征在于，所述合金添加物包括：Cr、Ni、Mo。
[0009] 所述鋼軌鋁熱焊劑，按重量百分比計，其包含：鋁粉18. 4%~18. 8%、氧化鐵 67.0%~67.6%、0 1.4%~1.6%、附0.31%~0.33%、]?〇0.14%~0.16%、余量為鑄 鐵粒；
[0010] 優選地，所述焊劑，按重量百分比計，其包含鋁粉18.6%、氧化鐵67.3%、Cr L 5%、Ni 0.32%、Mo 0.15%、余量為鑄鐵粒；
[0011] 優選地，所述鋁粉的粒度10~80目，所述氧化鐵的粒度為30~60目，所述鑄鐵 粒的粒度10~80目，所述Cr的粒度為10~60目，所述Ni的粒度為10~60目，所述Mo 的粒度為10~60目。
[0012] 制備本發明鋼軌鋁熱焊劑的方法，所述方法包括以下步驟：所述方法包括以下步 驟：將所述鋁熱焊劑的組分均勻混合。
[0013] 采用本發明所述鋼軌鋁熱焊劑焊接鋼軌的方法，所述方法包括以下步驟：
[0014] (1)將所述鋁熱焊劑裝入坩堝，點燃，生成鋁熱鋼水；
[0015] (2)步驟（1)得到的鋁熱鋼水通過融化所述坩堝底部的自熔塞，澆鑄到與鋼軌外 形一致的砂型和預熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中；
[0016] (3)將鋁熱鋼水冷卻到850°C~950°C，切除多余焊接金屬；后冷卻至室溫，清除殘 渣。
[0017] 現有的鋼軌鋁熱焊接技術焊接得到的焊縫金屬組織為珠光體，而對于珠光體組織 的焊縫金屬，其強度和硬度有限，無法與高強度鋼軌匹配。本發明在傳統鋁熱焊劑配比（傳 統鋁熱焊劑組分為鋁粉、氧化鐵及鐵合金）的基礎上，增加一定比例的Cr、Ni、Mo合金，經焊 接鋼軌，得到表1所示化學成分的焊縫金屬，焊縫金屬組織在該化學成分下為貝氏體，其硬 度達到327HB，抗拉強度達到853Mpa，遠遠高于珠光體組織下的接頭金屬的性能，與高強度 鋼軌相匹配。因此，本發明所述鋁熱焊劑使得焊縫金屬組織為貝氏體，其硬度可以與鋼軌母 材相匹配，同時也能完全滿足現場施工使用要求。
[0018] 所述鋼軌鋁熱焊劑的焊接方法，所述方法包括以下步驟：
[0019] (1)將所述鋁熱焊劑裝入坩堝，用高溫火柴點燃，生成鋁熱鋼水；
[0020] (2)步驟（1)得到的鋁熱鋼水通過融化所述坩堝底部的自熔塞，澆鑄到與鋼軌外 形一致的砂型和預熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中；
[0021] (3)將鋁熱鋼水冷卻到850°C~950°C，用推瘤機切除軌頭部位多余焊接金屬。等 焊頭徹底冷卻至室溫后，清除砂型殘渣。
[0022] 表1焊縫金屬化學成分
[0023]
【主權項】
1. 一種鋼軌鋁熱焊劑，由鋁粉、氧化鐵、鑄鐵粒及少量合金添加物均勻混合而成，其特 征在于，所述合金添加物包括：Cr、Ni、Mo。
2. 根據權利要求所述的焊劑，其特征在于，按重量百分比計，其包含：鋁粉18. 4%~ 18. 8 %、氧化鐵 67. 0 % ~67. 6 %、Crl. 4% ~1. 6 %、NiO. 31 % ~0? 33 %、M〇0. 14% ~ 0. 16%、余量為鑄鐵粒； 優選地，所述焊劑，按重量百分比計，其包含鋁粉18. 6%、氧化鐵67. 3%、Crl. 5%、 NiO. 32%、M〇0. 15%、余量為鑄鐵粒； 優選地，所述鋁粉的粒度10~80目，所述氧化鐵的粒度為30~60目，所述鑄鐵粒的 粒度10~80目，所述Cr的粒度為10~60目，所述Ni的粒度為10~60目，所述Mo的粒 度為10~60目。
3. -種制備如權利要求1或2所述的鋁熱焊劑的方法，所述方法包括以下步驟：將所 述鋁熱焊劑的組分均勻混合。
4. 一種采用如權利要求1或2所述的鋁熱焊劑焊接鋼軌的方法，所述方法包括以下步 驟： (1) 將所述鋁熱焊劑裝入坩堝，點燃，生成鋁熱鋼水； (2) 步驟（1)得到的鋁熱鋼水通過融化所述坩堝底部的自熔塞，澆鑄到與鋼軌外形一 致的砂型和預熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中； (3) 將鋁熱鋼水冷卻到850°C~950°C，切除多余焊接金屬；后冷卻至室溫，清除殘渣。
【專利摘要】本發明的目的是提供一種用于鐵道鋼軌的具有貝氏體組織、高強度的鋁熱焊劑及其焊接方法。所述鋁熱焊劑，按重量百分比計，其包含鋁粉18.4％～18.8％、氧化鐵67.0％～67.6％、Cr 1.4％～1.6％、Ni 0.31％～0.33％、Mo 0.14％～0.16％、余量為鑄鐵粒；本發明所述鋁熱焊劑使得焊縫金屬組織為貝氏體，其硬度可以與貝氏體鋼軌母材相匹配，同時也能完全滿足現場施工使用要求。
【IPC分類】B23K23-00, B23K35-362
【公開號】CN104625480
【申請號】CN201410805549
【發明人】高松福, 崔成林, 楊艷玲, 遲俊杰, 丁韋
【申請人】中國鐵路總公司, 中國鐵道科學研究院, 中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月22日