一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法。该铝热焊剂按照重量百分比计的组成为：铝粉17.0％

【技术实现步骤摘要】
一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法


[0001]本专利技术涉及钢轨焊接
，具体涉及一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂及其焊接方法。

技术介绍

[0002]金属腐蚀现象广泛存在于工业领域的各种机械设备中，是造成材料损失和设备失效的主要原因之一。金属材料受到腐蚀后，强度将大幅下降，影响金属结构的安全和可靠性，甚至严重危及人身财产安全。在铁路运输领域，工业大气环境和海洋大气环境下钢轨的腐蚀情况十分严重，对铁路的安全运行构成威胁。因此钢轨研发和生产部门开发了耐蚀钢轨(如U68CuCr钢轨)，铁路部门也开展了耐腐蚀材料和涂层防腐技术以减少钢轨的腐蚀。
[0003]铝热焊接是一种常用的钢轨焊接方式，该方法的优点是设备便携、不依赖电力、焊接时间短且不需要纵向顶锻，通常用于换轨作业。钢轨铝热焊使用的铝热焊剂通常由铝粉、氧化铁以及其它合金添加物混合而成，如中国专利CN102029486A、CN104625480A、CN111590192A等，这些现有技术主要关注焊接强度和硬度，基本不涉及耐蚀性。通常铝热焊剂中的合金成分与母材合金成分不必保持一致，对于性能要求较高的焊头来说，焊剂成分与母材成分差别不太大即可。现场焊接时将铝热焊剂放置在专用的反应坩埚中，用高温火柴点燃引发铝热反应。反应过程中氧化铁被还原成铁同时放出大量的热能，熔化合金添加物与铁混合形成钢液。由于钢液的密度大而沉积于坩埚底部，密度小的熔渣则浮于上方，高温的钢液将坩埚底部的自熔塞熔化后流出，浇铸到下方由待焊钢轨两端和砂型围成的空腔之中。该空腔形状与钢轨廓形保持一致，浇铸的钢液作为填充金属将空腔填满，冷却后即可将两段钢轨焊为一体。
[0004]耐蚀钢轨U68CuCr是武钢近些年研发的新型钢轨，通过添加Cu、Cr及Nb等合金成分，大幅度提高了钢轨的耐腐蚀性能和强度。然而我们发现U68CuCr钢轨在实际服役过程中，采用现有常规铝热焊剂形成的焊接头的耐腐蚀性能较差，在大气腐蚀环境下易出现选择性腐蚀，形成表面凹坑等缺陷使腐蚀性介质聚集，进一步加深了焊头腐蚀，可能会造成断裂等严重后果，严重危及行车安全。为此，专利技术人专门研发了一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂，其组成包括铝粉、氧化铁、铸铁丸、铁丁屑以及合金添加物，所述合金添加物包括Mn、Cu、Cr、Nb。
[0006]进一步的，所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.0％
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17.6％、氧化铁62.4％
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64.0％、铸铁丸9％
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10％、合金添加物1.05％
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1.41％、余量为铁丁屑，合计为100％。
[0007]更进一步的，合金添加物中各组分在铝热焊剂中的重量百分比为：Mn 0.5％
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0.7％、Cu 0.15％
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0.25％、Cr 0.2％
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0.3％、Nb 0.10％
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0.16％。
[0008]进一步的，所述铸铁丸的C含量为3％
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3.5％，铁丁屑的C含量≤0.1％。铸铁丸的作用是增加钢水碳含量，铁丁屑的作用是增加铁水量。
[0009]进一步的，所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.4％、氧化铁63.3％、铸铁丸9.6％、Mn 0.62％、Cu 0.21％、Cr 0.25％、Nb 0.13％、其余为铁丁屑。
[0010]进一步的，原料中铝粉的粒度为40
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60目，氧化铁的粒度为18
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60目，铸铁丸的粒度为10
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30目，Mn的粒度为10
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80目，Cu的粒度为10
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80目，Cr的粒度为10
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80目，Nb的粒度为10
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80目。
[0011]本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述耐腐蚀铝热焊剂焊接U68CuCr钢轨的方法，该方法包括以下步骤：(a)首先对U68CuCr钢轨的待焊接部位进行预处理，然后预热备用；(b)点燃耐腐蚀铝热焊剂进行焊接；(c)在接头的冷却过程中进行后处理。
[0012]进一步的，步骤(a)所述预处理包括打磨平整、清理残渣或杂质、对轨，预热温度为850
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900℃，预热时间为5
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10min。
[0013]进一步的，步骤(c)中当接头温度冷却至950℃
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1000℃时迅速拆除铝热焊接设备并进行推瘤，当接头自然冷却至室温后清除残渣并修整打磨。
[0014]铝粉是铝热反应中的重要组成部分，其主要作用是还原氧化铁，与氧结合生成氧化铝并产生大量热量。铝粉的颗粒大小直接决定了铝热反应的剧烈程度，是铝热焊重要参数之一。铝粉颗粒过大时反应缓慢，热量损失大，难以生成钢水；铝粉颗粒过小时反应剧烈，温度过高不能均匀放热，也会导致钢水不足。经专利技术人反复实验筛选，最佳的铝粉粒度为40
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60目。
[0015]氧化铁是铝热反应中的另一种重要组成部分，其主要作用是提供氧元素参与反应并被铝还原成铁，铁在反应形成的高温下液化，与合金元素混合形成钢水，成为焊接中的填充金属。氧化铁主要由三氧化二铁(Fe2O3)、氧化亚铁(FeO)与四氧化三铁(Fe3O4)三种组成，在制作焊剂前需要对这三种物质的含量进行测量，根据含量微调铝粉与氧化铁的配比。
[0016]本专利技术选用含碳量3％
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3.5％的铸铁丸，通过控制铸铁丸的添加量调节焊头的碳含量，同时还可以增加钢水量并控制反应温度。这是因为碳是钢中最重要的强化元素，碳的存在可提高焊头强度，但会降低其韧性、劣化焊头整体性能，故焊剂中碳含量不宜过高，确保最终组织以珠光体为主，与母材保持一致即可。本专利技术选用的铁丁屑碳含量控制在0.1％以下，主要作用也是增加钢水量并控制反应温度。
[0017]合金添加物的选择是本专利技术的核心，其中Mn是强固溶强化元素，在一定含量范围内可提高焊头的强度与韧性，同时还具有一定的脱氧、脱硫能力；少量Cu的加入可显著提高钢的耐腐蚀性能，同时对强度的提升也有一定作用；Cr在高温下会形成高熔点氧化物Cr2O3，其在冷却过程中作为钢水的形核剂，能够细化晶粒进而提高焊头的强度和韧性，并且固溶的Cr可降低表面腐蚀速度，对提高耐蚀性有一定的贡献；Nb固溶于奥氏体中能够有效细化珠光体晶粒，提高焊头的强度和韧性。
[0018]与现有铝热焊剂相比，本专利技术的有益效果体现在以下几个方面：
[0019](1)通过改进配方和焊接工艺，保证焊头组织为珠光体，通过控制C元素的加入量和控制冷却速度获得目标组织；
[0020](2)引入Cu元素提高钢基体的腐蚀电位，起到较好的保护作用；引入Cr元素降低腐蚀层表面能，形成致密保护层，提升耐蚀性能，最终将U68CuCr钢轨的焊接接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于U68CuCr钢轨的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：该耐腐蚀铝热焊剂的组成包括铝粉、氧化铁、铸铁丸、铁丁屑以及合金添加物，所述合金添加物包括Mn、Cu、Cr、Nb。2.如权利要求1所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.0％
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17.6％、氧化铁62.4％
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64.0％、铸铁丸9％
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10％、合金添加物1.05％
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1.41％、余量为铁丁屑。3.如权利要求2所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：合金添加物中各组分在铝热焊剂中的重量百分比为：Mn 0.5％
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0.7％、Cu 0.15％
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0.25％、Cr 0.2％
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0.3％、Nb 0.10％
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0.16％。4.如权利要求3所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：所述铝热焊剂按照重量百分比计算的组成为：铝粉17.4％、氧化铁63.3％、铸铁丸9.6％、Mn 0.62％、Cu 0.21％、Cr 0.25％、Nb 0.13％、其余为铁丁屑。5.如权利要求1所述的耐腐蚀铝热焊剂，其特征在于：所述铸铁丸的C含量为3％
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【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳珉路，
申请(专利权)人：武汉钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：