DE2848578C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft aluminothermisches Schweißen von Teilen, die aus austenitischem Manganstahl bestehen, mit 10-20 Gewichtsprozenten Mangan, 0,5-1,5 Gewichtsprozenten Kohlenstoff und 0-5 Gewichtsprozenten Nickel.

Austenitische Manganstähle werden für Schienen von Eisenbahnen verwendet, insbesondere an Spitzen und Kreuzungsstellen, da diese eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Stoßverformung haben. Der während vieler Jahre weitgehend verwendete austenitische Manganstahl enthält 1,1 bis 1,4 Gewichtsprozente Kohlenstoff und 11 bis 14 Gewichtsprozente Mangan. Dieser Stahl hat jedoch den Nachteil, daß er einen wärmeempfindlichen Bereich von zwischen 900°C hinab bis 600°C aufweist, in welchem Karbidausscheidungen auftreten, die Brüchigkeit zur Folge haben. Schienen, die aus diesem Stahl hergestellt werden, müssen nach dem Walzen von 1000°C abgeschreckt werden, um ein langsames Durchlaufen der wärmebeeinflußten Zone zu vermeiden. Beim Schweißen unterliegt dieser Stahl ebenfalls einem Verspröden in der wärmebeeinflußten Zone, insbesondere bei solchen Behandlungen, bei welchen größere Wärmemengen erzeugt werden. Deshalb ist eine Wärmebehandlung einschließlich einer Abschreckung nach dem Schweißen erforderlich, um einwandfreie Ergebnisse zu erzielen. Dies macht das Schweißen an Ort und Stelle schwierig. Man hat herausgefunden, daß ein austenitischer Manganstahl, der 14 bis 17 Gewichtsprozente Mangan und 0,5 bis 0,95 Gewichtsprozente Kohlenstoff enthält, wesentlich weniger anfällig für Karbidbildung ist und der auch dann noch befriedigende Eigenschaften entwickelt, wenn er nach dem Schweißen langsam abgekühlt wird. Dieser austenitische Manganstahl wird im folgenden als "austenitischer Manganstahl mit niedrigem Kohlenstoff" angesprochen.

Aluminothermisches Schweißen von Schienen für Eisenbahnen umfaßt üblicherweise das Vorerhitzen der miteinander zu verschweißenden Schienenenden. Dabei wird beispielsweise um die Schienenenden aus vorgefertigten, feuerfesten Gießblöcken eine Form gebildet, sodann geschmolzener aluminothermischer Stahl aus einem oberhalb der Form angeordneten Tiegel in die Höhlung der Form fließen gelassen und der geschmolzene Stahl erstarren gelassen, so daß er für die beiden Schienenenden eine Schweißverbindung darstellt. Sodann wird überschüssiges Metall weggeschnitten oder durch sonstige mechanische Mittel entfernt. Hierzu kann beispielsweise ein pneumatisch betriebener Meißel oder eine hydraulisch betriebene Trimmvorrichtung verwendet werden.

Aluminothermischer Stahl wird im wesentlichen dadurch hergestellt, daß man eine bestimmte Mischung aus annähernd stöchiometrischen Verhältnissen von Aluminium und Eisenoxid(en) miteinander reagieren läßt. Weitere, ähnlich wirkende Reduktionsmittel wie Magnesium können verwendet werden. Die Begriffe "aluminothermischer Stahl" und "aluminothermisches Schweißen" sollen dazu dienen, die Verwendung dieser anderen Reduktionsmittel zu bezeichnen. Andere Einzelbestandteile werden hinzugegeben, um dem aluminothermischen Stahl ähnliche Eigenschaften wie verschweißter Schienenstahl zu verleihen und um unerwünschte Mikrostrukturen an den Schmelzgrenzlinien zu vermeiden.

Im Falle austenitischen Manganstahles erstarrt aluminothermischer Stahl in Gestalt langer, säulenförmiger Körner. Aufgrund der Konzentration von eutektischen Stählen von geringem Schmelzpunkt bei den Korngrenzschichten aufgrund der starken Schrumpfung können Schwachstellen im Bereich der Kornbegrenzungen auftreten. Es hat sich herausgestellt, daß austenitische Manganstähle besonders anfällig für derartige Korngrenzenschwächen sind. Derartige Korngrenzenweichheit kann sich in Gestalt von intergranularen Erstarrungsrissen oder von Warmrissen zeigen, was dann auftritt, wenn überschüssiges Material durch mechanische Mittel entfernt wird. Sowohl Erstarrungsrisse als auch Warmrisse können zu einem Unbrauchbarwerden der Schweißung infolge Ermüdung führen.

Die DD-Fachzeitschrift Bergbautechnik, Heft 3, März 1959, offenbart auf den Seiten 115-120 ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff, wobei jedoch lediglich auf gewöhnlichen Kohlenstoffmanganstahl mit einem Mangangehalt von nur rund 1 Prozent Bezug genommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aluminothermisches Schweißverfahren für austenitische Manganstähle zu schaffen, bei welchem das Vorliegen von Korngrenzenweichheiten in der entstehenden Schweißnaht vermindert oder in einem noch annehmbaren Bereich gehalten wird.

Gemäß der Erfindung beinhaltet das aluminothermische Schweißverfahren zum Schweißen austenitischer Manganstähle die Anwendung eines aus Einzelteilen bestehenden Gemisches zum Bilden des aluminothermischen Stahles; dieses Gemisch ist im wesentlichen frei von Phosphor und Silicium; das Verfahren sieht ferner die Anwendung einer Form vor, deren Körper aus einem vorwiegend nicht siliciumhaltigen Material besteht.

Die Erfindung ist insbesondere für das Schweißen von austenitischem Manganstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt anwendbar. Sie kann aber auch angewandt werden auf andere, oben angeführte austenitische Manganstähle, vorausgesetzt, daß eine nachfolgende Wärmebehandlung sowie ein Abkühlen durchführbar sind.

Bei der Durchführung des Verfahrens werden die Bestandteile des Gemisches zum Bilden aluminothermischen Stahles innerhalb praktisch anwendbarer Grenzen ausgewählt, und zwar derart, daß der geringstmögliche Phosphor- und Siliciumgehalt erzielt wird. Es können also Spuren von Phosphor und Silicium im Gemisch als nicht vermeidbare Verunreinigungen enthalten sein.

Die Verwendung eines derartigen, von Phosphor und Silicium möglichst freien Gemisches bringt für sich alleine noch nicht die gewünschte, erfindungsgemäße Lösung herbei. Es wurde nämlich festgestellt, daß bei Verwendung herkömmlicher feuerfester Formen in der Form enthaltenes Silicium von der Form abgegeben wird und so in die aluminothermische Stahlschmelze gelangt. Diese Erscheinung tritt dann nicht im selben Maße auf, wenn gewöhnlicher, d. h. nicht austenitischer Schienenstahl mittels eines aluminothermischen Verfahrens verschweißt wird. Gemäß der Erfindung wird daher weiterhin die Anwendung einer Form vorgesehen, die überwiegend aus nicht-siliciumhaltigem Material besteht. Das bevorzugte Material für den Formkörper ist Magnesit. Es können jedoch auch andere Werkstoffe wie Graphit verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie keine unerwünschten Mengen anderer Materialien wie Kohlenstoff abgeben, die in die aluminothermische Stahlschmelze wandern.

Eine geeignete Magnesitform kann dadurch hergestellt werden, daß ein Gemisch aus Magnesitsand und Silitkatbinder in eine Form gepreßt wird. Die derart gewonnene Form wird dann durch die Reaktion des Silikats mit Kohlendioxyd ausgehärtet, um Karbonatbindungen zu bilden. Die Form ist deshalb nicht ganz siliciumfrei. Ihr Siliciumgehalt sollte vorzugsweise nicht mehr als 5 Gewichtsprozente betragen, jedoch können auch noch 10 Gewichtsprozente Silicium toleriert werden. Die entscheidende Voraussetzung besteht darin, daß der aluminothermische Stahl dann keinen höheren Siliciumgehalt als 0,6 Gewichtsprozente, vorzugsweise nicht über 0,4 Gewichtsprozente, aufweist, wenn er sich als Schmelze in der Form befindet.

Aluminothermischer Stahl, der sich als Schmelze in der Form befindet und der zum Schweißen von austenitischem Manganstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bestimmt ist und 14 bis 17 Gewichtsprozent Mangan sowie einen Kohlenstoffgehalt von 0,7 bis 0,8 Gewichtsprozent aufweist, hat vorzugsweise die folgende Zusammensetzung:

Gewichtsprozent Kohlenstoff0,75 bis 0,95 Mangan12 bis 17 Aluminium0,2 bis 0,6 Siliciummaximal 0,6 Schwefelso gering wie möglich Phosphorso gering wie möglich Nickel (wahlweise)maximal 4% EisenRest

Innerhalb dieses Zusammensetzungsbereiches ist folgende Zusammensetzung anzustreben:

Gewichtsprozent Kohlenstoff0,8 Mangan15 Aluminium0,3 Siliciumso gering wie möglich Schwefelso gering wie möglich Phosphorso gering wie möglich Nickel4 EisenRest

Das aus einzelnen Bestandteilen bestehende Gemisch zum Herstellen der bevorzugten Zusammensetzung aluminothermischen Stahls enthält demnach zweckmäßigerweise die folgenden Bestandteile:

• 1. Eisenoxid(e) (z. B. FeO und Fe₂O₃),
• 2. Aluminiumpulver,
• 3. Wahlweise Flußstahlanteile,
• 4. Eisenmangan und/oder Elektrolytmangan,
• 5. Nickel in reiner Form und/oder Nickellegierungen und/oder Nickeloxyde (oder andere reduzierbare Nickelverbindungen),
• 6. Kohlenstoff (im allgemeinen als Verunreinigungen in einer oder mehreren der Bestandteile gemäß 1 bis 5 enthalten).

Beim Schweißen anderer austenitischer Manganstähle können die Kohlenstoff-, Mangan- und Eisengehalte des aluminothermischen Stahls gegenüber dem oben angegebenen, bevorzugten Zusammensetzungsbereich abgewandelt werden, so daß sie im wesentlichen den Bestandteilen des zu verschweißenden austenitischen Manganstahls entsprechen.

Es ist anzustreben, daß zum Herstellen einer Schweißung eine kurze Vorerwärmung vorgesehen wird und daß der Schweißspalt recht gering ist, so daß die Schweißmetallschrumpfung und damit die Gefahr des Reißens verringert wird. Geringe Vorwärmzeiten können ohne Schmelzmängel hingenommen werden, da die thermische Leitfähigkeit von austenitischem Manganstahl gegenüber herkömmlichen, nicht austenitischen Schienenstählen gering ist.

Es kann entweder das herkömmliche aluminothermische Schweißverfahren oder das neuere in der DE-PS 3 49 810 beschriebene Verfahren angewendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum aluminothermischen Schweißen von Werkstücken aus austenitischem Manganstahl mit einem Gehalt von 10-20 Gewichtsprozenten Mangan, 0,5-1,5 Gewichtsprozenten Kohlenstoff und 0-5 Gewichtsprozenten Nickel durch Vergießen von aluminothermischem Stahl in einer Form, dadurch gekennzeichnet, daß der aluminothermische Stahl die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten in der Schmelze hat: Kohlenstoff0,75-0,95 Mangan12-17 Aluminium0,2-0,6 Siliciumso niedrig wie möglich, max. 0,6 Schwefelso niedrig wie möglich Phosphorso niedrig wie möglich Nickelmax. 4 EisenRestund daß für das Schweißen eine Form aus vorwiegend siliciumfreiem Material verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Form Magnesit verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnesit des Formwerkstoffes durch Karbonatbindungen zusammengehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein aluminothermischer Stahl verwendet wird, in dem der Siliciumgehalt 0,4 Gewichtsprozent nicht überschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aluminothermischer Stahl verwendet wird, der die folgende Zusammensetzung in der Schmelze aufweist: Kohlenstoff0,8 Mangan15 Aluminium0,3 Nickel4 EisenRest