铝热焊接钢轨所用的材料

1、第七章 铝热焊接钢轨所用的材料第一节 铝热焊剂铝热焊接的质量与铝热焊剂有直接关系，优良的铝热焊剂才能得到合乎质量要求的铝热到钢。铝热焊剂的质量与铝热焊剂组成材料的选择，化学成分，物理状态，加工工艺和铝热焊剂的合理配方有关。所以应严格按照各项技术规程要求进行。从事铝热焊接人员必须对铝热焊剂的组成、性能、应用范围与保管方法等有一定的了解，才能更好地保管和使用铝热焊剂，在合理的焊接工艺配合下，避免缺陷的产生，从而获得优良的焊接效果。一 铝热焊剂的组成铝热焊剂的组成可分为三部分：1.铝热焊剂的主要组成部分：铝粉、氧化铁、铁丁头和铁合金，石墨等。2.铝热焊剂的辅助材料：镁砂等。3.铝热焊剂的引燃剂：高温

2、火柴。二 铝热焊剂的配方计算铝热焊剂的配方直接影响着铝热焊剂的质量，铝热焊剂的质量又是影响焊接接头质量的重要因素之一，因此，铝热焊剂配方是较重要的问题。铝热焊剂配方的计算是以钥热化学反应和冶金理论为基础的，同时又根据各种组成材料的化学分析，机械性能检验进行必要的试验，以求得能够满足各项机械性能与化学成分要求的铝热焊剂配方。铝热焊剂配方主要需确定三个问题：1.铝粉和氧化铁的配合比铝粉和氧化铁是铝热焊剂中的主要组成部分，铝热焊剂的计算也主要以这两顶为基础，因此，铝粉和氧化铁的合理配比是铝热焊剂的关键。从理论上说，铝粉和氧化铁的反应，要使氧化铁中的铁全部被还原出来而无剩余的氧化铁存在。铝除保证还原氧

3、化铁外，还要求有微量铝过渡到焊缝中去，对钢起细化晶粒的作用。铝粉以金属铝含量(即铝粉中实际能与氧化铁起作用的部分)，氧化铁以氧化铁中三氧化二铁(FeO3)和氧化亚铁(FeO)含量为计算基础。(1)根据化学反应式氧化铁中FeO所需的铝量根据化学反应式()，可以求出氧化铁中FeO和铝粉起化学反应肘，每克Fe O所需铝量d： 3Fe O 十 2Al 3Fe 十 Al2O3十199.5千卡 (I)215.55克 53.96克 167.55克 101.96克d53.96/215.55=0.2503克即每1克FeO需02503克铝。(2)根据化学反应式氧化铁中 Fe2O3所需的铝量根据化学反应式()，可以

4、求出氧化铁中Fe2O3和铝粉起化学反应时，每克Fe2O3所需铝量f：Fe2O3 十 2Al 2Fe 十 AL2O3十198.3千卡 () 159.7克 53.96克 111.7克 101.96克f53.96/159.7=0.3379克即每l克 Fe2 O3需0.3379克铝(3)铝热焊剂中铝粉加入量的近似计算从上列(I)、()两式中，可以求出铝热焊剂中FeO和Fe2O3分别所需的铝量(即d和f值)。但由于铝热焊剂组成材料中的铝粉含金属铝量不同，氧化铁中含FeO和Fe2O3的量在不同处理工艺下也不相同，随着铝热焊剂氧化铁的FeO和Fe2O3含量不同，要求铝粉的加入量也不同。铝热焊剂中铝粉加入量可

5、按照下列近似简化计算式计算： （甲）式中： Al焊铝热焊剂中铝粉加入量(克)；b氧化铁中氧化亚铁(FeO)含量(%)；C氧化铁中三氧化二铁(Fe2O3)含量(%)；A金铝热焊剂铝粉中金属铝含量()；H铝热焊剂量(克)(这里仅包括铝粉和氧化铁)；d、f值见上(I)、()两式。(4)铝热焊剂中氧化铁加入量根据铝热焊剂中铝粉加入量的计算式(甲)求得铝粉的加入量后，可以由此求出氧化铁的加入量 F氧=H AI焊 (乙)式中： F氧铝热焊剂氧化铁中(FeO十Fe2O3)总量。从以上可以看出，铝热焊剂中铝粉和氧化铁的计算，基本上是按照化学反应式，但实际上，由于考虑到铝粉中金属铝含量和氧化铁中杂质等因素，因此

6、上列(甲)、(乙)两计算式仅为近似计算式，所以在计算实际用量时，还应据据试验，找出校正系数，这样，才能使所配制的铝热剂获得最好质量的效果。2.铁丁头加入量铁丁头加入的作用是调节铝热焊剂反应时的温度和增加铁水，加入的数量和焊剂数量有关。预热法铝热焊时，铁丁头加入量占铝粉和氧化铁总量的10%至20%；如果采用不预热铝热焊时，铁丁头加入量应考虑少加或不加，以便于提高铝热钢水温度。3.铁合金的加入量铁合金的加入主要是使焊缝金属具有一定的化学成分和机械性能。铁合金在铝热焊剂中的加入量要根据铝热钢对化学成分的要求、铝热钢水重量、合金元素含量和铁合金的过渡系数而定。铁合金的过渡系数与其在坩埚中放置高度有关，

7、放置低则过渡系数高，不过在这样的情况下合金元素不能均匀地分布在焊缝金属中。因此，为了使会金元素能均匀分布于焊缝金属中，应进行多次试验以求得合金放置的理想高度。铁合金加入量可以按照下式计算：Mg×m1/G×m2式中： M铁合金加入量；g铝热钢水重量；m1铝热钢水中该合金元素的含量(%)；G合金元素过渡系数；m2铁合金中该合金元素的含量(%)。总之，铝热焊剂的配方计算是以上述各项为基础，根据铝热焊剂组成材料的化学成分物理要求，从理论上进行计算外，更重要的是通过科学试验，反复实践，采用优选法等，以求得最好的配合比。三 铝热焊剂的生产1铝热焊剂原材料的要求和加工工艺原材料的化学成分

8、的选择和加工工艺以及加工后材料的化学成分、颗粒度、各项材料的配合比等对铝热焊剂具有特别重要的意义。(1)铝粉：铝热焊剂中主要组成之一，它主要起还原氧化铁的作用。铝在地壳中的含量约占7.5%，比铁在地壳中的储藏量多将近两倍，比其他有色金属储藏量的总和还多数倍。我国有极其丰富的铝矿资源。铝是银白色金属，比重小，导电性 能高，导热性能良好。工业用铝(99.5% Al)在658oC熔化，化学纯铝(99.99% Al)熔点为660oC，铝在2000 oC沸腾。对铝锭化学成分的要求：铝热焊剂一般要求铝锭有较高的纯度，金属铝含量高，银中有害杂质如铁，硅，铜，杂质总和少。铝热焊剂所用的铝锭含铝量应大于995%

9、。对加工后铝粉化学成分的要求：一般要求铝粉中金属铝含量高，杂质少。铝热焊剂所用铝粉金属铝含量应大于98%，杂质要少；质量要求稳定。铝与空气接触很容易被氧化，而铝热焊要求铝粉不被氧化，因为氧化铝不但在反应中延缓了燃烧作用，而且降低了还原能力，影响焊接质量。所以制成的铝粉应避免潮湿，有时由于储藏或处理不当，可能形成氢氧化铝，在高温反应下，会产生水，分解成氢和氧，以致引起气孔等缺陷，所以铝热焊剂要求铝粉化学成分合适外，应用塑料袋密封好。对铝粉粒度的要求：粒度大小反应速度影晌很大，颗粒度太大反应时间长而且热量损失大，所以铝热焊剂对铝粉粒度有一定的要求范围；一般采用粒度小于0.6mm的铝粉，并且要求不同

10、粒度的铝粉按一定比例进行配制。铝粉的加工工艺按铝热焊剂规定要求的铝锭，经化学分析合格后，置于熔铝坩埚内，待铝熔化后，要继续加热并保持在一定的温度范围内，用环风喷雾器把铝液吹制成细小的铝粉。在喷制过程中要经常观察铝液流量和吹散情况，并适当调整风压，以保证铝粉粒度在要求范围内。收集好的铝粉按规定要求进行不同粒度的筛分，筛分后必须分别用塑料袋装好置于专用容器中，密封保存。铝粉是铝热焊剂主要材料之一，一定要求保证质量，所以对化铝坩埚与工作场地要求十分干净，并应注意防尘，防火，防氧化。铝粉易受潮，氧化变质，使其金属铝含量降低，直到现在接影响到铝热焊剂质量。铝粉除在加工后应进行化学分析外，还应定期检查和化

11、验金属铝成分。铝粉是易燃品严禁与氧化铁粉末、油类等物放在一起，严禁受潮，水浸和过热遇火等，应按照铝热焊剂安全生产规则进行生产。(2)氧化铁：铝热焊剂主要材料之一，氧化铁一方面可以供给反应时需要的大量氧产生热量，另一方面，还原的铁可以作为焊接的填充金属。氧化铁有三种化合物和不同的理论舍氧量：氧化亚铁(FeO)的理论含氧量(重量百分比)是22.22%，三氧化二铁(Fe2O3)的理论含氧量是30.0%，磁性氧化铁(Fe3O4)的是27.58%。氧化铁是轧钢厂的废品，最好要求热轧普通碳素钢时，从钢材表面脱落的碎氧化铁皮。从氧化铁的来源方面，希望能有固定不变的粒度范围和一定的化学成分，氧化铁原料中氧化亚

12、铁(FeO)含量较高，为了达到铝热焊剂要求的FeO和Fe2O3含量，氧化铁皮可以通过回转炉焰烧氧化法增加氧含量。氧化铁的氧化是从表面氧化逐渐深入到颗粒内部，所以氧化铁颗粒的表层由三氧化二铁组成，而核心部分则由氧化亚铁组成，在表层与核心之间还有一小层磁性氧化铁，大颗粒的氧化铁中氧化亚铁的含量比小颗粒为高，也就是说，氧含量随颗粒大小而变化。 对氧化铁原材料化学成分的要求：焊剂一般要求氧化铁原材料合FeO量在60%左右，硫、磷杂质含量都需在0.05%以下，否则影响铝热钢含硫、磷量，所以必须严格选择氧化铁原材料。 对加工后氧化铁化学成分的要求：一般要求氧化铁中FeO和Fe2O3控制在一定的稳定范围内，

13、同时要求硫、磷含量都必须在0.05%以下。氧化铁中主要成分是Fe2O3，其次是 FeO，磁性氧化铁含量很少，所以要正确控制FeO和Fe2O3含量。假如FeO含量高，那么Fe2O3含量就低，同样数量的氧化铁，供给铝粉的氧就要减少，铝热焊剂就不能充分反应，氧化铁就不能完全被还原，就有多余的氧化铁进入焊缝内，使焊缝质量受到影响，所以一定要严格按照铝热焊剂技术规程要求进行之。 对氧化铁粒度要求：氧化铁颗粒大小对铝热焊剂反应速度是直接有关的，为了控制反应速度，所以对氧化铁的粒度要有规定，一般要求在一定范围内，过细的氧化铁最好不使用，因为这些小颗粒含硅酸盐最多。 氧化铁的加工工艺1)过筛：入厂的氧化铁皮必

14、须用规定孔径的筛子过筛，以清除大块氧化铁皮、铁块和大颗粒杂质。2)清洗：用清洗机清洗，以除去油污、泥土等杂质。3)烘干：清洗后的氧化铁皮送进烘干回转炉进行烘干。4)粗筛：进行粗筛，粒度合格的进行下道工序。5)焙烧：于回转炉内在一定温度范围内进行焙烧，为了严格控制FeO和Fe2O3的含量，每小时进行化学分析一次。6)细筛：熔烧化验合格的氧化铁按规定要求经过细筛，然后要确保干燥，妥为保存。7)磁选：清除杂质，必须适当调整电流，使磁选能保证效率又能把杂质除去。磁选加工时应特别注意防止氧化硅和其他杂质混入。8)化学分析：磁选后的氧化铁经混匀后取若干今样品进行化验，确定其氧化亚铁(FeO)含量，分析数据

15、在要求范围内的，可留作混合用。9)混合：这是很重要的工序，混合均匀后，需再进行化学分析，合格后严封待用。氧化铁是铝热焊剂中含量最多并起主要作用的材料，因此必须严格按照铝热焊剂技术规程进行。加工好的氧化铁应该使其氧化亚铁 FeO含量、粒度在铝热焊剂要求范围内，要干燥、无杂质、无油污。合格的氧化铁要贮藏好备用。如氧化铁存放超过规定的时间，在使用前必须经过化学分析，合格的方可使用。(3)铁丁头：为了控制铝热钢水温度和增加钢水生成量，在铝热焊剂中加入适量的铁丁头。对铁丁头化学成分的要求：对低碳或低合金钢焊缝来说，铝热焊剂所用的铁丁头为普通低碳钢材料，一般合碳量在0.2%以下。加工后的铁丁头：其一般合碳

16、量在0.2%以下，要求干燥、无油、无杂质。对铁丁头粒度要求：一般要求粒度在4mm以下。铁丁头的加工工艺收集制钉工厂在制钉过程中切制铁钉尖时的下脚料，经清除杂质，清洗，在一定的温度下加热处理至呈清灰色或兰灰色后再筛分磁选，合格品装入容器内封盖严密，以防受潮。加工后的铁丁头如为褐色则说明铁丁头合有氢氧化物，这种铁丁头不准投入生产应用，以免造成焊接缺陷。(4)铁合金：为了提高焊缝的强度和硬度，在铝热焊剂中，须加入一定数量的铁合金，例如锰铁、硅铁以及其他的铁合金等。其加入的合金数量主要根据铝热钢的化学成分，以及对焊缝硬度、强度等机械性能的要求而定。对铁合金的化学成分要求：主要根据焊缝的化学成分来定。对

17、铁合金粒度要求：铁合金需粉碎成一定粒度大小，一般要求粒度在4毫米以下。对铁合金的加工工艺按铝热焊剂技术规程要求经化学分析合乎要求的铁合金要经粉碎、筛分和烘干处理。烘干后的铁合金，需在短期内用完，并用塑料袋封装，贮存于干燥、洁净的容器中。(5)石墨：为了增碳，需加入少量的石墨。对石墨化学成分主要要求具有高的合碳量和低的灰分和杂质等，并且原料来源要稳定，不要随意变动。用球磨机对成分合适的石墨进行磨细，然后过筛备用。(6)镁砂：用作坩埚封闭口用料，要求镁砂含氧化镁较高，干燥，洁净无污，粒度不能太粗(太粗不易上浮)，一般粒度要求在0.10.4mm。镁砂经碾碎，筛分，烘干，冷却后要求密封以免受潮，影响铝

18、热钢水质量。(7)铝热焊剂的引燃剂(高温火柴)铝热焊剂的燃烧反应是用特制的引燃剂(高温火柴)点燃的。高温火柴燃烧温度在1000 oC以上，它是由铝粉，镁粉和粘结剂等制成。高温火柴由引燃层和高温层组成，将引燃层擦燃后即引燃高温层，发生剧烈燃烧，产生高温将铝热焊剂引燃。高温火柴要求化学性能比较稳定，在一般情况下不能燃烧，但在猛烈撞击下或与磷面磨擦时，即能发生燃烧。它容易受潮，受潮后水分不易去掉，致使燃烧温度降低，甚至擦不燃，保存时要特别注意。高温火柴属于易燃危险品，必须要为保管，避免受潮和撞击，不得与铝热焊剂混装和保存，末用完的火柴应放回塑料袋的火柴盒内。2.焊接钢轨接头用的铝热焊剂的制造(1)配

19、制铝热焊剂配方经研究试验，在化学成分和各项机械性能达到要求后，生产工厂要严格按照铝热焊剂技术规程要求备料配制。(2)称量，混合和包装各种材料的称量要准确，尤其是铝粉。可采用自动称量装置，分别称量每包铝热焊剂的铝粉、氧化铁、铁丁头。对每包铝热焊剂单独进行混合，混合要求均匀，否则影响正常的铝热反应和钢水温度的均匀性，不能保证焊接接头的质量。混匀后把铝热焊剂放入塑料包装袋中，装好后复查重量，放入总包装袋中。然后把分别包装好的称量准确的合金剂、坩埚封闭口用料和铁帽等放入总包装袋中。整个过程应按照铝热焊剂技术规程进行，严防受潮，严禁烟火。3.铝热焊剂的检验铝热焊剂原材料和加工制造后的材料必须严格按照各项

20、技术规定进行必要的化学分析和物理机械性能的试验。配好的铝热焊剂必须按照制订的铝热焊剂产品检验方法进行检验。铝热焊剂制造厂的检验主要有：正常生产中的检验。产品定期检验。原材料，加工工艺和设备变更时的检验。采用新配方时产品的检验。在进行焊接质量检验时，对于质量上出现的问题，可以参照第三章铝热焊接钢轨的质量一章中有关影响质量的因素进行分析，只有在各项检验项目完全合格后，方准出厂。第二节 砂型一 砂型应具备的条件1.足够的强度，型砂制成砂型后应具有一定的湿强度和干强度，在钢水流人铸型时可以不被冲垮，不变形，并且保持要求的尺寸。2.耐高温性：可以经受高温钢水的作用，保持不熔化、不粘砂，并不与钢水发生不利

21、的化学反应。3.透气性：型砂应具有足够的透气性，这样可以使钢中溶解的气体和铸型内的气体在浇注过程中及时排出，防止形成气孔等缺陷。二 砂型的组成铝热焊接钢轨所用的湿模砂主要由砂、粘结剂和水组成。1.造型用砂铝热焊接钢轨造型用砂使用的是铸造用砂。在用砂选择上，要注意砂子的化学成分和颗粒形状以及含泥量等，一般造型用砂其SiO2%含量愈高，型砂的耐火度愈高。在型砂颗粒形状方面以圆形成近圆形可以获得较好的透气性。砂子的含泥量应该愈少愈好，含泥量过高不仅使型砂的透气性变坏，而且也使型砂的耐火度降低。造型用砂种类很多，在满足使用要求的性能情况下，应以就地取材为宜。河砂虽然一般颗粒多具圆角形，砂粒之间可以有较

22、多的空隙，在透气性方面是较有利的，但由于一般含低熔点杂质较多，因此耐火度较低，在高温钢水作用下容易造成局部熔化或粘砂。人造石英砂是由天然的石英岩经人工粉碎后并经筛分，按颗粒大小分级编号，这种砂的SiO2%含量高，因此耐火度高，并且含泥量极少，因此采用这种砂配砂时需另加粘结剂或耐火粘士，才能使砂具有所要求的强度。人造石英砂颗粒呈尖角状，透气性没有圆形砂粒好，这种石英砂由于经过加工，价格也较贵些。天然硅砂的SiO2%含量也较高，因此也具有较高的耐火度。这种砂一般颗粒虽小但多呈圆角状，透气性较好，并且由于不需另外加工，因此成本较低；天然硅砂根据其粒度分布情况不同，如果细颗粒含量过高影响透气性时，可以

23、筛分一部分后再使用。除此以外，我国有些地区所产红砂的SiO2%含量低，并且粘土含量较高，耐火度和透气性都不能满足要求。.型砂中的水分；湿型砂的水分含量对于铸造质量的影响是很大的。含水量过多使透气性降低，含水量过少则降低型砂的强度，同时湿型砂中含水分过多也容易引起焊缝形成气孔，因此要严格控制含水量。型砂中水分的多少要根据型砂粒度、粘结剂用量而定，一般经混砂后要求水分含量在57%(重量比)即可。三 型砂性能和测定方法铝热焊接钢轨所要求的型砂性能主要有：1透气性气体在钢中的溶解度是随着温度的提高而增加的(图5l)。铝热焊接钢轨所用的钢水温度比一般铸钢温度要高得多(达2000oC以上)，因此当高温钢水

24、注入铸型后，在冷却的过程中将放出气体，此外型腔内的气体以及造型材料遇到钢水后表面产生的气体，都要在钢水凝固前由焊缝中排出，因此要求型砂具有较高的透气性。测定型砂透气性的方法一般是使用专门的型砂透气性测定器，用规定尺寸的型砂试样(一般是50×50毫米)，由测定器的表盘直接读出透气性的数值，可以测出型砂在干态和湿态下的透气性数值。2型砂强度铝热焊接钢轨用的型砂应具有足够的强度，这样可以在工地使用的情况下，经受搬运而不破损。同时应具有一定购干强度以使钢水浇注后到凝固前不致受到钢水的冲击而破坏。图7-l 氢在铁中的溶解度与温度的关系定量的测定型砂强度是使用型砂强度试验仪。这种试验仪的型式虽各

25、有不同，但都是使用规定尺寸的型砂试样在试验仅上加负荷至破坏，由表盘上读出破坏时的负荷值或单位面积的强度值。试验仪上可以测出型砂的干、湿态抗压强度值和抗剪强度值，有些型砂强度试验仪也可测出型砂的抗张强度和抗弯强度值。在工地上由于条件的限制，常常根据经验来估计型砂强度，例如用手取已配好的型砂捏成一团，然后用拇指自砂团中央分成两半，如果分开后的砂团弹得较远说明型砂强度较好，如果弹得较近说明型砂强度低。3耐火度铝热焊接钢轨用的型砂是属于酸性耐火材料，其耐火度主要取决于型砂中的SiO2含量，砂中SiO2含量愈高耐火度愈高，其它低熔点化合物愈少愈好。现举我国天然硅砂中的一种为例，其化学成分如下，SiO296 Fe2O3075K2 O+Na2O+CaO+MgO15这种化学成分的天然硅砂由于SiO2含量较高，耐火度可达 1700 oC，4其它要求(1)型砂粒度和形状：型砂粒度是指型砂中砂子的颗粒大小和分布，这些渣接影响到型砂的透气性。粒度集中对型砂的透气性是有利的，型砂的颗粒形状以圆形成近圆形可以获得较好的透气性。型砂粒度的测定一般均采用筛分法。在型砂测定仪器中备有一整套具有不同大小筛孔的筛盘和振动装置。取一定重量的型砂经过清洗和烘干后倒入振动筛分