DE29721823U1

DE29721823U1 - Aluminothermisches Gemisch

Info

Publication number: DE29721823U1
Application number: DE29721823U
Authority: DE
Original assignee: Elektro Thermit GmbH
Current assignee: Elektro Thermit GmbH and Co KG
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2007-12-11

Description

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Elektro-Thermit GmbH, Essen

Aluminothermisches Gemisch

Die Erfindung betrifft ein aluminothermisches Gemisch aus einem feinteiligen Gemenge von Eisenoxiden und Aluminium sowie Zusatzstoffen, wie Legierungsbildner und Dämpfungsmittel.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein aluminothermisches Gemisch für die Verbindungsschweißung von Schienen.

Bei der bekannten aluminothermischen Schienenverbindungsschweißung, bei der die mit einer Lücke verlegten und mit einer Gießform umgebenen Schienenenden durch aluminothermisch erzeugten Stahl aufgeschmolzen und miteinander verbunden werden, soll der als Schweißgut dienende aluminothermisch erzeugte Stahl in seinen Festigkeitseigenschaften dem Schienenstahl möglichst entsprechen .

Dieser Forderung tragen die bekannten - auch Schweißportionen genannten - aluminothermischen Gemische dadurch Rechnung, daß dem aus Aluminium und Eisenoxiden bestehenden Basisgemisch Legierungselemente, wie insbesondere Kohlenstoff, Mangan, Vanadium und Titan, beigegeben werden. Zur Dämpfung und Kühlung sind dem aluminothermischen Gemisch ferner Eisen- bzw. Stahlpartikel untermischt, wodurch gleichzeitig die Stahlausbeute erhöht wird.

Die vorzugsweise verwendeten Schienenstähle mit Zugfestigkeiten von 690 bis 880 N/mm² weisen Kohlenstoffgehalte von 0,4 bis 0,82 % und Mangangehalte von 0,8 bis 1,7 % und ein dementsprechend vorwiegend perlitisch ausgebildetes Gefüge auf.

0 Gemäß DE-C-36 44 106 wird ein aluminothermisches Gemisch bereitgestellt, welches die Erzeugung eines Schweißgutes mit erhöhter Reproduzierbarkeit der Zusammensetzung gewährleistet.

Hierdurch soll insbesondere erreicht werden, daß das Gefüge des Schweißgutes dem Gefüge des Schienenwerkstoffes entspricht.

In diesem alumino thermischen Gemisch sind Zusatzstoffe in Form eines homogenen Granulates enthalten, insbesondere Legierungsmetalle wie z. B. Mn, Cr, Ni, V, Ti, die in reiner Form oder als Legierungen, z. B. mit Fe, eingesetzt werden können, Dämpfungsmittel, wie z. B. Fe oder Fe-Legierungen, sowie Aufkohlungsmittel, wie Kohlenstoff oder Kohlenstoff enthaltende Metalle, Legierungen oder Carbide.

Zur Verschweißung von Schienen wird dem Gemisch ein Granulat, bestehend aus Kohlenstoff, Mangan und Eisen, in einer Menge zugesetzt, welche die Ausbildung eines perlitischen Gefüges in dem aluminothermisch erzeugten Stahl gewährleistet. Vorzugsweise besteht das Granulat aus 1,5 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff, 8 bis 12 Gew.-% Mangan und 85 bis 90,5 Gew.-% Eisen. Teilweise werden Mangangehalte bis zu 80 % eingesetzt.

In der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 7-299572 ist der Zusatz einer Vorlegierung beschrieben, die aus den Elementen Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Molybdän, Vanadium, Niob, Kupfer, Chrom und/oder Nickel besteht, die einem aluminothermischen Gemisch zugesetzt wird, das zum Verschweißen zweier Schienenstücke eingesetzt wird. Durch den Zusatz dieser Vorlegierung ist es möglich, den notwendigen Kohlenstoff in das Schweißgut auf einfache und vorteilhafte Weise einzubringen und gegebenenfalls auch andere Legierungselemente, wie Silicium, Mangan, Molybdän, Vanadium, Niob, Kupfer, Chrom und/oder Nikkel. Diese Legierungszusätze werden ausschließlich in metallischer Form dem aluminothermischen Gemisch zugemischt.

Der Vorteil dieser Vorlegierungsmethode soll in einer gleichmäßigeren Einbringung insbesondere des Kohlenstoffs, aber auch anderer metallischer Legierungselemente, wie Silicium, als bei den herkömmlichen Vorlegierungen liegen.

Die Sicherheitsanforderungen an eine Verbindungstechnik, deren Anwendung gerade im Bereich des Personentransportes erfolgt, aber auch im Güterverkehr, steigen ständig. Daneben nehmen zusätzlich die Belastungen der Schienen kontinuierlich zu, was zu einem verstärkten Verschleiß und Versagen führt.

Bei den aluminothermischen Gemischen des Standes der Technik ist die Thermit-Reaktion entweder ausgesprochen heftig, oder durch erhöhten Kaltmetallzusatz gedämpft. Während der Reaktion einer weniger gedämpften Schweißportion entstehen im Schmelzbad große Turbulenzen. Ein Auswurf von Schlacke bzw. Stahl wird nicht selten beobachtet in Verbindung mit einer deutlichen Rauchentwicklung.

Bei einer Schweißportion mit einem höheren Kaltmetallzusatz ist zwar die Reaktion weniger heftig, aber dafür ist die Gießtemperatur deutlich reduziert, was für ein Verschweißen zweier Werkstücke nicht von Vorteil ist.

Daher war bisher aus der Sicht eines Schweißprozesses eine heißere und damit heftigere Schweißreaktion zu bevorzugen.

Es bestand somit die Aufgabe, eine aluminothermische Schweißportion bereitzustellen, die eine genügend hohe Gießtemperatur aufweist, aber dennoch ein ruhigeres Reaktionsverhalten mit geringen Turbulenzen während der Reaktionsphase gewährleistet.

Aufgrund der chemischen Zusammensetzung der zu verschweißenden Schienen ist man gezwungen, Rohstoffe einzusetzen, die eine ähnliche Zusammensetzung im Schienengut erzeugen.

Das erfindungsgemäße aluminothermische Gemisch setzt sich somit aus einer feinteiligen Basisportion aus Eisenoxiden und Aluminium sowie metallischen Zusätzen zusammen und zeichnet sich dadurch aus, daß der Zunder eine Sauerstoffkonzentration, ausgedrückt als FeO-Konzentration, von 30 bis 48 % aufweist, die

Kaltmetallmengen zwischen 18 und 30 % liegen und ein Ferromangan mit einer Mangankonzentration zwischen 8 und 20 % mit einer Korngröße von 2 bis 10 mm eingesetzt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des aluminothermischen Gemisches ergeben sich aus den unterschiedlich angegebenen Gewichtsanteilen der Vorlegierung und der zuzusetzenden Mengen.

Bei der Bemessung der Zuschlagstoffe ist zu beachten, daß sowohl dem durch die aluminothermische Reaktion bedingten Abbrand der Legierungselemente als auch der zusätzlichen Legierung des aus Eisen bestehenden Dämpfungsanteiles Rechnung getragen wird. Dabei muß die für die Schweißung erforderliche Gießtemperatur des aluminothermisch erzeugten Stahles gewährleistet sein. Das Verhältnis der Zuschlagstoffe zueinander, die Menge an dämpfendem Eisen im aluminothermischen Gemisch sowie die benötigte Gesamtmenge an Zuschlägen lassen sich durch einfache Vorversuche ermitteln. Dies ist dem Fachmann ohne weiteres erfinderisches Zutun möglich.
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Die Menge an Zuschlagstoffen richtet sich einerseits nach der Zusammensetzung der Vorlegierung und andererseits nach den Konzentrationen an Legierungsstoffen in der Schweißung.

Die Vorlegierung kann dabei zusätzlich kornfeinende Elemente, wie Bor, Vanadium, Titan, Niob oder Seltenerdmetalle enthalten oder auch mit Metallen, wie Nickel, Molybdän, Kupfer oder Wolfram und anderen gewünschten Zusätzen legiert sein.

Kornfeinende Bestandteile und die Seltenerden werden üblicherweise in einer Menge zugesetzt, die einen Gehalt von < 1 % in der Schweißung bewirken.

Vorzugsweise werden aluminothermische Gemische eingesetzt, bei denen die metallischen Zuschläge aus Reineisen und einer entsprechenden Vorlegierung bestehen. Hier hat sich insbesondere

der Zusatz einer Menge von 22 bis 27 Gewichtsanteilen, bezogen auf 100 Gewichtsanteile Basisportion, bewährt, wobei 10 bis 15 % Reineisen und 10 bis 17 % Vorlegierung der Zusammensetzung (in Gew.-%)
Mn 10-15

C 3-4,5

Fe Rest

mit einer Korngröße von 3 bis 10 mm verwendet werden. Besonders bevorzugt wird ein a lumino thermisches Gemisch, bei dem der Zunder eine FeO-Konzentration von 40 bis 46 % aufweist, bei dem metallische Zuschläge in einer Menge von 23 bis 26 % zugesetzt werden, wobei 10 bis 15 % Reineisen und 10 bis 15 % Vorlegierung der Zusammensetzung (in Gew.-%)

Mn 10-15
C 3- 4,5

Fe Rest
mit einer Korngröße von 3 bis 10 mm verwendet werden.

Tabelle 1 zeigt eine Grundrezeptur für eine aluminothermische Schweißportion mit einem Gesamtgewicht von 12 500 g.

Tabelle 1:

Basisportion Reinthermit (RT):

Aluminium 2 400 g

Fe-oxid (Zunder) 7 500 g

Summe RT 10 000 g Zuschläge:

Reineisen 1 300 g

FeMn 1 200 g

Summe Schweißmasse 12 500 g

Das erfindungsgemäße aluminothermische Gemisch weist ein ruhiges Reaktionsverhalten auf.

Claims

• · Schutzansprüche:

1. Aluminothermisches Gemisch aus einer feinteiligen Basisportion aus Eisenoxiden und Aluminium sowie metallischen Zuschlagen, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenoxid eine Sauerstoffkonzentration als FeO von 30 bis 48 % aufweist und das Gemisch metallische Zuschläge in einer Menge von 18 bis 30 % und Ferromangan in einer Zusammensetzung (in Gew.-%)
Mn 10-15 Gew.-%

C 3-4,5 Gew.-%
Fe Rest
als Vorlegierung in einer Korngröße von 2 bis 10 mm enthält.

2. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenoxid eine FeO-Konzentration von 35 bis 46 % aufweist und das Gemisch metallische Zuschläge in einer Menge von 22 bis 27 % und Ferromangan in einer Zusammensetzung (in Gew.-%)
Mn 10-20

C 3,3- 4,5
Fe Rest
als Vorlegierung in einer Korngröße von 2 bis 10 mm enthält.

3. Aluminothermisches Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenoxid eine FeO-Konzentration von 40 bis 45 % aufweist und das Gemisch metallische Zuschläge in einer Menge von 23 bis 26 % und Ferromangan in einer Zusammensetzung (in Gew.-%)

Mn 10-18

C 3,5- 4,3
Fe Rest

als Vorlegierung in einer Korngröße von 3 bis 10 mm enthält.