633

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

С.В. ПАСЬКО, Л.Б. ТИХОМИРОВА, О.В. БОЛОТОВА

АЛЮМИНОТЕРМИТНАЯ СВАРКА РЕЛЬСОВ МЕТОДОМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ЛИТЬЯ по технологии фирмы «СНАГА»

Учебное пособие

Новосибирск 2010

ВВЕДЕНИЕ

Современные требования к подвижному составу обуславливают рост нагрузки на ось и скорости движения, что усиливает динамические удары при прохождении стыков рельсов. В связи с этим весьма актуальной является проблема создания бесстыкового пути, что обеспечивается сваркой рельсов на всем его протяжении. Широко применяемую в настоящее время электроконтактную сварку рельсов с помощью передвижных рельсосварочных машин невозможно использовать при сварке стрелочных переводов, в кривых малого радиуса и при сварке последнего стыка бесстыкового пути. Мировая практика показывает, что эти проблемы могут быть успешно решены при применении алюминотермитной сварки.

Алюминотермитная сварка отличается еще тем, что для ее проведения не требуются дорогостоящие материалы, процесс идет без потребления электроэнергии, и получаемое сварное соединение имеет достаточную прочность.

При этом способе сварка осуществляется методом промежуточного литья расплавом, полученным при сгорании термита (порошкообразной смеси алюминия, железной окалины и легирующих присадок).

История рождения технологии алюминотермитной сварки уходит в далекий 1865 г., когда русский ученый Н.Н. Бекетов открыл процесс восстановления чистого железа из его окиси при помощи алюминия с выделением большого количества тепла. В начале XX в. русским инженером М. Карасевым на основе этого открытия был изобретен способ бесстыкового соединения рельсов при прокладке железнодорожных путей.

Во всем мире развитие железных дорог идет по пути создания высокоскоростных магистралей. Для решения этой задачи выдвинуты новые требования к верхнему строению пути. Основное из них — ликвидация стыков рельсов на всем протяжении пути, включая стрелочные переводы.

Алюминотермитная сварка рельсов для этих целей оказалась наиболее эффективным, надежным и универсальным способом соединения рельсов.

Создавая бесстыковой путь для высокоскоростных магистралей, фирмы ведущих стран мира Германии, Франции, США, Японии, такие как «ELEKTRO-THERMIT», «RAILTECH INTERNATIONAL» и другие, на основе российского открытия разработали и внедрили технологии алюминотермитной сварки (АЛТС) рельсов применительно к условиям эксплуатации железных дорог в своих странах.

Программа создания высокоскоростных железных дорог в России потребовала разработки технологического процесса АЛТС рельсов, учитывающего особенности эксплуатации, климатические условия отечественных железных дорог.

Компания «СНАГА», основанная в 1996 г., предложила свою оригинальную технологию алюминотермитной сварки рельсов, пригодную для условий строительства и эксплуатации высокоскоростных железных дорог России.

При разработке технологии и оборудования для алюминотермитной сварки рельсов компания «СНАГА» использовала достижения научно-технического прогресса для повышения качества и эффективности процесса сварки, в первую очередь, высокие технологии ведущих российских на- учно-исследовательских и конструкторских организаций в области материаловедения, машиностроения и сварки.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ И СПОСОБОВ СВАРКИ

Сварка — это технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем их местного оплавления или совместного пластического деформирования, в результате чего возникает прочное сцепление, основанное на межатомном взаимодействии [2].

3

В зависимости от метода, применяемого для устранения препятствий к необходимому для сварки сближению атомов, существующие сварочные процессы, которых насчитывается более 80, можно разделить на два основных способа:

1-й — сварка плавлением;

2-й — сварка давлением.

Процесс сварки плавлением основан на расплавлении соединяемых заготовок местным нагревом без приложения давления. К месту соединения подводится источник тепла соответствующей мощности и, если необходимо, дополнительный (присадочный) материал. Расплавленный материал самопроизвольно, без внешних механических воздействий, образует общую сварочную ванну. В процессе плавления разрушаются пленки, покрывающие поверхности соединяемых заготовок, и происходит сближение их атомов на расстояние, при котором активизируются силы сцепления. Этому способствует повышенная подвижность атомов, обусловленная высокой температурой сварочной ванны. После удаления источника тепла сварочная ванна, охлаждаясь, быстро затвердевает, образуя шов, соединяющий детали в одно целое. Для сварки плавлением сталей температура источника тепла должна быть 2700–3000 °С.

Высокая температура нагрева свариваемых частей вызывает резкое изменение химического состава, структуры и механических свойств металла сварного шва по сравнению с основным. Металл шва при всех видах сварки плавлением имеет литую структуру. Что касается изменения механических свойств, то они проявляются главным образом в снижении пластичности сварного шва.

Процесс сварки давлением основан на приложении давления, создающего пластическую деформацию и активизирующего силы сцепления. Применение нагрева при этом способе играет подчиненную роль; в ряде случаев сварка может быть выполнена и без применения нагрева.

Схема классификации способов сварки показана на рис. 1. Около 90 % сварных конструкций выполняется из сталей.

4

Основные способы сварки материвалов

Рис. 1. Классификация способов сварки

5

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

2.1. Углеродистые стали

Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом, где углерода менее 2 %. В углеродистой стали содержатся постоянные примеси — кремний, марганец, сера и фосфор.

По содержанию углерода стали делятся на:

•низкоуглеродистые (< 0,3 % С);

•среднеуглеродистые (0,3–0,6 % С);

•высокоуглеродистые (> 0,6 % С).

По степени раскисления стали делятся на:

•кипящие «кп»;

•полуспокойные «пс»;

•спокойные «сп».

Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Кипящая сталь — это малораскисленная сталь. В результате присутствия избыточного кислорода образуются пузырьки газообразного оксида углерода, некоторые из них не успевают выйти из металла до его застывания и образуют в слитке пустоты. При последующей обработке давлением они могут завариваться. Для раскисления кипящей стали используют марганец.

Спокойная сталь — это хорошораскисленная сталь. Для раскисления используют марганец, кремний и алюминий. Она содержит меньше кислорода по сравнению с кипящей сталью и затвердевает спокойно без газовыделения.

Полуспокойная сталь — это частичнораскисленная сталь. Она занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной. Раскисление проводят марганцем и кремнием.

В зависимости от содержания вредных примесей серы и фосфора стали делятся на:

•обыкновенного качества (содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р);

•качественные (содержат не более 0,04 % S и 0,035 % Р);

•высококачественные (содержат не более 0,025 % S и 0,025 % Р).

По назначению стали делятся на конструкционные и инструментальные.

Стали углеродистые конструкционные обыкновенного качества

Маркировка и общие технические требования стали обыкновенного качества регламентированы ГОСТ 380–94.

В зависимости от назначения их подразделяют на три группы:

•А — поставляемые по механическим свойствам;

•Б — поставляемые по химическому составу;

•В — поставляемые по механическим свойствам и химическому составу.

Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается.

Сталь изготовляют следующих марок:

•группы А — Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;

•группы Б — БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;

•группы В — ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 по степени раскисления изготовляют кипящей, полуспокойной и спокойной. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют.

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяют на категории:

•группы А — 1, 2, 3;

•группы Б — 1, 2;

•группы В — 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается цифрой после индекса раскисления.

6

Полуспокойная сталь с номерами марок 1–5 производится с обычным и повышенным содержанием марганца. Повышенное содержание марганца указывается буквой «Г» перед индексом раскисления.

Пример маркировки стали обыкновенного качества:

Ст3кп3 — сталь обыкновенного качества группы А (поставляемая с гарантированными механическими свойствами), с номером марки — 3, кипящая, третьей категории;

БСт4сп2 — сталь обыкновенного качества группы Б (поставляемая с гарантированным химическим составом), с номером марки — 4, спокойная, второй категории;

ВСт2пс — сталь обыкновенного качества группы В (поставляемая с гарантированными механическими свойствами и гарантированным химическим составом), с номером марки — 2, полуспокойная, первой категории.

Пачки, концы или торцы прутков стали всех марок независимо от группы и степени раскисления маркируют несмываемой краской следующих цветов:

•Ст0 — красный и зеленый;

•Ст1 — белый и черный;

•Ст2 — желтый;

•Ст3 — красный;

•Ст4 — черный;

•Ст5 — зеленый;

•Ст6 — синий.

Стали углеродистые качественные конструкционные

Углеродистые качественные конструкционные стали регламентированы ГОСТ 1050–88. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05, 08, 10, 15, 20,..., 75, 80, 85, обозначающими

среднее содержание углерода в сотых долях процента.

К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержанием марганца (0,7–1,0 %). Пример маркировки качественной конструкционной стали:

Сталь 20 — сталь качественная конструкционная с содержанием углерода в среднем 0,20 %; Сталь 40Г — сталь качественная конструкционная с содержанием углерода в среднем 0,40 % и

повышенным содержанием марганца.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом соответственно «пс» и «кп».

Стали 05, 08, 10, 15, 20 имеют невысокую прочность, хорошо свариваются и применяются для производства деталей машин и конструкций, испытывающих небольшую нагрузку.

Стали 25, 30, 35, 40, 45, 50 имеют более высокую прочность, лучше обрабатываются резанием. Они применяются для деталей, упрочняемых термообработкой (валы, оси, зубчатые колеса, бандажи, пружинные кольца и т.п.).

Стали, содержащие углерода более 0,5 %, относятся к высокопрочным углеродистым сталям, применяемым для более ответственных деталей машин, с последующей термообработкой.

Инструментальные углеродистые стали

В соответствии с ГОСТ 1435–99 углеродистые инструментальные стали производят качественные и высококачественные (с пониженным содержанием вредных примесей — серы и фосфора). Инструментальные стали маркируются следующим образом: качественные — У7, У8, У9,..., У13, высококачественные — У7А, У8А, У9А,..., У13А. Буква «У» в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная.

Пример маркировки инструментальной стали:

Сталь У8 — сталь качественная инструментальная с содержанием углерода в среднем 0,80 %; Сталь У9А — сталь высококачественная инструментальная с содержанием углерода в среднем

0,90 %.

Углеродистые инструментальные стали служат для изготовления слесарного инструмента, т.е. для работы в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки более чем на 150 °С (зубила, долота, молотки, лезвия ножниц для резки металла, плоскогубцы, рашпили, сверла и т.п.); а также для деталей измерительного инструмента простой формы (гладких калибров, скоб гладких регулирующих и т.д.).

7

2.2. Легированные стали

Сталь называется легированной, если в ее состав входят элементы, которых нет в углеродистой стали (Cr, Ni, Ti, W, V и др.), или содержание кремния и марганца превышает 1 %. Эти элементы называют легирующими. Условное обозначение легирующих элементов в маркировке сталей:

Алюминий (Al) – Ю; Ванадий (V) – Ф; Вольфрам (W) – В; Кобальт (Со) – К; Кремний (Si) – С; Марганец (Mn) – Г; Медь (Cu) – Д; Молибден (Mo) – М; Никель (Ni) – Н; Ниобий (Nb) – Б; Селен (Se) – Е; Титан (Ti) – Т; Фосфор (P) – П; Хром (Cr) – Х; Цирконий – Ц.

По суммарному содержанию легирующих элементов стали делятся на:

•низколегированные (до 5 % легирующих элементов);

•среднелегированные (5–10 % легирующих элементов);

•высоколегированные (более 10 % легирующих элементов).

По применению легированные стали делятся на конструкционные, инструментальные и с особыми физико-химическими свойствами.

В маркировке конструкционных легированных сталей впереди ставятся цифры, обозначающие содержание углерода в сотых долях процента, затем буквы, указывающие на легирующий элемент. Цифра после буквы показывает процентное содержание легирующего элемента. Если цифры нет, то легирующего элемента около 1 %.

Пример:

Сталь 18Х2Н4М содержит: 0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni, 1 % Mo.

Инструментальные легированные стали выпускаются низколегированными и высоколегированными.

К низколегированным инструментальным сталям относятся такие стали, как: Х, ХВГ, ХВСГ, 9ХС, 5ХВ2С.

Цифра с левой стороны означает содержание углерода в десятых долях процента, если цифры нет, то содержание углерода составляет примерно 1 %.

Высоколегированные инструментальные стали — это быстрорежущие стали. Они маркируются буквой Р и цифрой, показывающей среднее содержание вольфрама в процентах — главного легирующего элемента в быстрорежущей стали.

Например:

Р6 (0,8 % С, 6 % W, 4 % Cr, 1,5 % V), Р9, Р12, Р18;

Р6М5, Р6М5К5 (0,8 % С, 6 % W, 4 % Cr, 1,5 % V, 5 % Мо, 5 % Со).

Легированные стали с особыми физико-химическими свойствами выпускаются для специального назначения, и обычно они содержат повышенное количество легирующих элементов. Среди них различают:

•нержавеющие стали — 40Х13, 12Х18Н9Т и др.;

•жаропрочные стали — 12Х2МФ, 20Х12ВНМФ и др.;

•жаростойкие стали — 15Х28, 20Х25Н20С2 и др.;

•магнитные стали — ЕХ13, ЕХ5К5 и др.

3. ПОНЯТИЕ «СВАРИВАЕМОСТЬ»

Свариваемость — это собирательное понятие, под которым понимают комплекс свойств сплава, определяющих получение сварного соединения с высокими прочностными характеристиками при принятом технологическом процессе сварки. Чем лучше свариваемость, тем шире технологический диапазон разных видов сварки этого сплава и проще технологический процесс. При этом критериями оценки свариваемости являются:

8

•возможность получения сварного соединения без каких-либо дефектов, прежде всего, без горячих и холодных трещин;

•возможность получения сварного соединения с микроструктурой и эксплуатационными характеристиками (прочность, пластичность, вязкость), не уступающими характеристикам основного металла;

•необходимость применения специальных технологических мер при сварке (подогрев, проведение термической обработки после сварки и т.д.).

На свариваемость металлов и сплавов оказывает влияние, в первую очередь, их химический состав.

В сталях углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Однако пределы содержания легирующих элементов, с которых начинается активное ухудшение свариваемости, для различных компонентов неодинаковы.

Лучше всего сваривается сталь с содержанием углерода менее 0,15 %. В нелегированной и низколегированной стали с содержанием углерода до 0,25 % ухудшение свариваемости незначительно. Заметное ухудшение свариваемости наступает с содержанием углерода свыше 0,3 %, причем для сварки сталей с содержанием углерода более 0,5 % нужны специальные технологические меры для обеспечения качественного сварного соединения.

Отрицательное влияние углерода на свариваемость связано с повышением склонности стали к образованию трещин в сварном шве, с повышением хрупкости металла в зоне, прилежащей к сварному шву, и с увеличением объемных изменений при охлаждении, которые могут привести к закалочным напряжениям.

Кремний, вводимый в количестве 1,7 %, особого влияния на свариваемость не оказывает. Однако его присутствие может приводить при определенных условиях к образованию устойчивых окисных пленок, которые могут отрицательно повлиять на свариваемость.

Влияние марганца на свариваемость связано главным образом с повышением склонности к образованию закалочных структур. Его воздействие коррелирует с содержанием углерода — чем выше содержание углерода, тем отрицательнее влияние марганца на свариваемость. При этом свариваемость сталей с содержанием углерода 0,1 % можно считать хорошей до содержания марганца 2,5 %. При более высоком содержании углерода (0,25 %) стали сохраняют хорошую свариваемость до 1,7–1,8 % в их составе марганца.

Влияние хрома на свариваемость также связано с содержанием углерода. Причем сталь с содержанием 0,1–0,2 % углерода сохраняет удовлетворительную свариваемость до 5 % в ее составе хрома. При содержании в стали углерода 0,25 % превышение содержания хрома более 2 % нежелательно.

Влияние никеля на свариваемость при содержании его до 1 % в стали с содержанием углерода 0,2 % несущественно. При большем содержании никеля (более 1,5 %) для обеспечения хорошей свариваемости либо должно быть снижено содержание углерода, либо приняты меры технологического характера.

О свариваемости сталей судят по эквивалентному содержанию углерода, подсчитываемому по формуле

где С, Mn, Ni, Cr, Mo, V — содержание соответственно углерода, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия (в процентах).

По свариваемости материалы относят к хорошо-, удовлетворительно-, ограниченно- и плохосвариваемым.

Хорошосвариваемые стали, у которых Сэкв не более 0,25; удовлетворительно — 0,25–0,35; ограниченно — 0,35–0,45; плохосвариваемые — Сэкв более 0,45.

Примеры сталей по свариваемости приведены в табл. 1 [4].

Таблица 1

Классификация сталей по свариваемости

Стали

Группа

свариваемости углеродистые легированные углеродистые литейные

9

4. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

В сварном соединении различают четыре зоны (рис. 2): металл шва (сварной шов) — 1, зона сплавления — 2, зона термического влияния — 3, основной металл — 4.

Металл шва представляет собой сплав, состоящий из переплавленного основного и добавляемого металла. В зоне сплавления, на границе раздела между жидким и твердым металлом, от частично оплавленных зерен основного металла начинается рост кристаллов металла шва. В зоне термического влияния под действием тепла, отводимого от сварочной ванны, в металле происходят структурные превращения, приводящие к изменению прочностных и пластических свойств металла. Чем дальше участки расположены от оси шва, тем меньше влияние тепла. Те участки, где это влияние незаметно (зона 4), называются основным металлом.

10