Алюмотермитная смесь для сварки металлических элементов Российский патент 2023 года по МПК B23K35/24 B23K23/00 

Изобретение относится к области алюмотермитной сварки стальных элементов, в том числе, и рельсов, и может быть использовано в различных областях техники для жесткого долговременного соединения металлических элементов.

Известен (RU, патент заявка 97121417, опубл. 10.10.1999) состав алюмотермической смеси, содержащий алюминий, оксиды железа и феррохромную лигатуру, в состав которой входят железо, углерод, кремний и хром, при этом оксиды железа содержат переменные по качественному и количественному составу легирующие примеси.

Недостатком известнойалюмотермитной смеси следует признать значительный разброс параметров сварного шва, получаемого с использованием указаннойалюмотермитной смеси из-за качественных и количественных различий в ее составе.

Известен (SU, авторское свидетельство 475234, опубл. 10.04.1972) состав алюминиевого термита, содержащий алюминий 20-22%, окись-закись железа 60-63% и окись алюминия 15-20%

Недостатком такого состава является плохоефазоразделение металла от шлака.

Известен также (RU, патент 2574144, опубл. 10.02.2010) состав алюмотермитной смеси, в состав которой железосодержащие компоненты и алюмосодержащий компонент, а в качестве легирующих добавок входят порошки карбидов, карбонитридов или нитридов переходных металлов, а также нанопорошков карбидов, карбонитридов или нитридов переходных металлов.

Недостатком известного состава алюмотермитной смеси следует признать как сложность самого состава, так и сложность применения алюмотермитной смеси этого состава.

Известна (RU, патент 2578271, опубл. 27.03.2016) алюмотермитная смесь для сварки стальных элементов, содержащая железную окалину, предварительно измельченную и прокаленную для перевода оксидов металлов в высшие степени окисления, порошок алюминия и легирующие присадки, причем легирующие присадки выбраны из группы: ферромарганец, ферромолибден, ферроникель, феррохром и феррованадий, и введены в количестве, обеспечивающем содержание каждой из них в алюмотермитной смеси от 0,1% до 10%, при этом использована железная окалина, разделенная на фракции, смешанные в следующем соотношении: от 0,25 до 0,45 мм 20-35%), от 0,45 до 0,65 20-35%, свыше 0,65 мм 20-40% из условия получения максимального теплового эффекта.

Предпочтительно, легирующие добавки использованы в виде порошка с размером частиц не более 0,65 мм.

Недостатком известной алюмотермитной смеси следует признать сложность состава, низкую хладостойкость сварного шва.

Указанный источник информации принят в качестве ближайшего аналога разработанного технического решения.

Техническая проблема, решаемая использованием алюмотермитной смеси разработанного состава, состоит в повышении качества сварного шва, а также расширение области применения алюмотермитной смеси.

Технический результат, достигаемый при реализации алюмотермитной смеси разработанного состава, состоит в повышении качества сварного шва при одновременном упрощении способа производства смеси.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать алюмотермитную смесь разработанного состава. Алюмотермитная смесь разработанного состава содержит железную окалину, предварительно измельченную и прокаленную для перевода оксидов металлов в высшие степени окисления, порошок алюминия и легирующие присадки, причем легирующие присадки выбраны из группы, содержащей: ферромарганец, ферромолибден, ферроникель, феррохром и феррованадий, соединения кремния, вольфрама, селена, титана, ниобия, кобальта, циркония при этом легирующие присадки введены в количествах, обеспечивающих их суммарное содержание не свыше 10% от массы алюмотермитной смеси при этом использована железная окалина, содержащая не свыше 2,5% неметаллических примесей и с размером частиц не свыше 0,50 мм.

Некоторых вариантах реализации легирующие присадки использованы в виде порошка с размером частиц не более 0,65 мм.

В других вариантах реализации использованы соединения кремния, вольфрама, селена, титана, ниобия, кобальта, циркония (в том числе в виде ферросплавов)

Предпочтительно использован порошок алюминия размером не свыше 0,5 мм.

Достижение указанного технического результата обусловлено, кроме использования сложного оксида железа (железная окалина представляет собой FeO и Fe₂O₃) указанных легирующих добавок в виде частиц указанного размера в использованных количествах, использованием алюминиевого порошка экспериментально выбранного размера

В процессе производства железную окалину измельчают, затем проводят доокисление ее в проходной печи при температуре не ниже 850°С. Для создания алюмотермитной смеси обычно используют алюминиевые порошки марок: ПА-1, ПА-2, ПА-3, ПА-4, (Гост 6058-73), АПЖ и АКП по ТУ 1791-99-023-99, Ту-48-5-38-78, выбирая партии порошка допустимого размера.. Использование легирующих присадок может происходит как совместно, так и по отдельности или в любом сочетании. Выбор иколичество легирующих присадок зависит от назначения свариваемого соединения, но невыходя за пределы, указанные в формуле изобретения

Разработанное техническое решение реализуют следующим образом.

Из собранной на металлургическом производстве железной окалины любым известным способом (в частности, магнитный сепаратор) максимально возможно отделяют инородные примеси. Затем отобранную железную окалину измельчают и пропускают через проходную печь, иногда с принудительной подачей воздуха, для перевода всех присутствующих в окалине окислов металлов в высшие формы окисления.

Для каждого конкретного случая применения алюмотермической сварки стальных элементов (учитывая массу свариваемых элементов, величину зазора между ними, внешние условия и т.д.) составляют наиболее предпочтительную смесь для получения максимального теплового эффекта. В полученную смесь добавляют рецептурное количество порошка алюминияи рецептурные количества легирующих присадок и тщательно перемешивают. Термитная смесь готова к использованию.

Разработанный способ алюмотермитной сварки будет проиллюстрирован на примере сварки железнодорожных рельсов. Два рельса размещают на одной линии с зазором относительно друг друга. Размещают на свариваемых концах стальных рельсов литейную форму, нагревают внешним источником тепла концы свариваемых рельсов в течение заданного интервала времени до разогрева концов рельсов до температуры не менее 900°С, помещают на литейную форму реакционный тигель с ранее полученной алюмотермитной смесью, инициируют поджиг алюмотермитной смеси с заполнением полученным в тигле путем алюмотермической реакцией расплавом металла из литейной формы промежутка между концами свариваемых стальных рельсов с получением сварного шва.

Для получения алюмотермитной смеси было использовано железной окалины, прокаленной в проходной печи при 850°С в течение 25 мин 8 кг, алюминиевого порошка 2,3 кг, ферромарганца, измельченного до частиц размером 0,65 мм 0,3 кг, феррохрома, измельченного до частиц 0,65 мм 0,1 кг, ферроникеля, измельченного до частицразмером 0,65 мм 0.1 кг, ферромолибдена, измельченного до частиц размером 0,65 мм 0,1 кг, ферросилиция 0,1 кг, ферровольфрама и ферротитана по 0,15 кг. Полученную смесь тщательно перемешали. Свариваемые концы рельсов разместили на расстоянии 25 мм друг от друга, поместили на них литейную форму, с использованием газовой горелки нагрели свариваемые концы рельсов до температуры 900°С. Поместили в литейную форму тигель с 13,0 кг алюмотермитной смеси и инициировали горение алюмотермитной смеси. Расплавленный металл заполнил зазор между рельсами с образованием сварного шва.

Полученное сварное соединение не содержит раковин и трещин, прочность на разрыв не менее (1400 кН).

С использованием алюмотермитной смеси разработанного состава можно соединять металлические детали с различным химическим составом металла. Т.е. легированные стали с нелегированными, детали изготовленные из различных металлов (медные и стальные например), в том числе рельсы отечественные с японскими имеющими в своем составе хром.

При сварке железнодорожных рельсов с использованием алюмотермитой смеси разработанного состава достигаются следующие показатели качества сварного соединения:

1. Повышение износостойкости сварного стыка на 20%.

2. Повышение твердости сварнного стыка на 20%

3. Увеличение предела текучести на 6%.

4. Увеличение предела прочности на 5%

5. Повышение холодостойкости с 45 до 70 С.

6. Повышение устойчивости к динамическим нагрузкам (в том числе на ударный изгиб) на 5%.

7. Повышение пораметров ударной вязкости на 7%

8. Повышение параметров при испытании на растяжение на 6%

9. Повышение модуля упругости (модуль Юнга) на 4%.

Изобретение может быть использовано для соединения алюмотермитной сваркой стальных элементов, в том числе рельсов. Алюмотермитная смесь содержит железную окалину, предварительно измельченную и прокаленную для перевода оксидов металлов в высшие степени окисления, порошок алюминия и легирующие присадки, выбранные из группы, содержащей: ферромарганец, ферромолибден, ферроникель, феррохром, феррованадий, а также ферросплавы кремния, вольфрама, селена, титана, ниобия, кобальта, циркония. Количество легирующих присадок обеспечивает их суммарное содержание не более 10% от массы алюмотермитной смеси. Использована железная окалина с размером частиц не более 0,50 мм, содержащая не более 2,5 мас.% неметаллических примесей, а порошок алюминия имеет размер частиц не более 0,5 мм. Размер частиц легирующих присадок не более 0,65 мм. Технический результат, достигаемый при реализации алюмотермитной смеси, состоит в повышении качества сварного шва при одновременном упрощении способа производства смеси. 1 з.п. ф-лы.

1. Алюмотермитная смесь для сварки металлических элементов, содержащая железную окалину, предварительно измельченную и прокаленную для перевода оксидов металлов в высшие степени окисления, порошок алюминия и легирующие присадки, выбранные из группы, содержащей: ферромарганец, ферромолибден, ферроникель, феррохром, феррованадий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит легирующие присадки, выбранные из группы, содержащей ферросплавы кремния, вольфрама, селена, титана, ниобия, кобальта, циркония, при этом легирующие присадки введены в количествах, обеспечивающих их суммарное содержание не свыше 10% от массы алюмотермитной смеси, при этом использованы железная окалина, содержащая не свыше 2,5% неметаллических примесей и с размером частиц не свыше 0,50 мм, а порошок алюминия размером не свыше 0,5 мм.

2. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что легирующие присадки использованы в виде порошка с размером частиц не более 0,65 мм.