钢轨铝热焊砂型硬化工艺试验研究和失效分析.docx

钢轨铝热焊砂型硬化工艺试验研究和失效分析高松福张健任金雷石孟雷(中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京100081)摘要：采用吹硬化工艺和烘干硬化工艺制备钢轨铝热焊砂型，并测试砂型的破断压力。吹C(初期，由于水玻璃未完全反应，砂型破断压力比较低，吹气时间为140S时，砂型完全硬化，破断压力最高，当吹气时间进一步延长，过多的CO2气体引起凝胶收缩出现裂纹，降低砂型的破断压力。烘干温度低于240时，水玻璃呈欠固化状态，砂型破断压力较低，当烘干温度超过260时，砂型破断压力下降。工业生产采用先吹(X1进行砂型的表面硬化，然后再进行烘干硬化的眇型硬化工艺，生产和储运砂型的过程中，应当加强防湿防潮，避免砂型吸湿和表面“白霜”的产生。关鲤词，钢轨铝热焊砂型硬化硬化工艺Studyonhardeningprocessandfai1uremodeofthermitwe1dingsandmou1dGAOSong-fu,ZhangJian,RenJin-1ei.SHIMeng-Iei(ChinaAcademicOfRai1wayScienceMeta1&Chemica1Institute.Beijing,100081,China)Abstract:TheCO?hardeningprocessandheatinghardeningprocessofsandmou1dwereusedtoproducethenitwe1dingsandmou1d,andsandmou1dbreak1oadweretested.Theresu1tsshowthatthebreak1oadofsandmou1dis1owduetoincomp1etereactionofsodiumsi1icatea1first.Andthebreak1oadisthehighestwhentheSandmou1discomp1ete1yhardened,whi1etheCO2b1owingtimeis140S.Thebreak1oaddecreaseswiththee1apseofb1owingtimebecausetheoverfu11CO21eadstocrackofge1duetoconstriction.Thebreak1oadofsandmou1dcomparab1y1owwhentheheatingtemperaturebe1ow240,Cduetoincomp1etehardening,andthebreak1oaddecreasesiftheheatingtemperatureover260becausetheacutevibrationarousedbyhighheatingtemperaturedestroysthehardenhydrationg1ass.TheproductionprocessisCO2casehardeningandheatingcomp1etehardening.Moistureproofmethodshou1dbeadoptedtopreventmoistureabsorptionandproduceof*thoarfrost,'duringtheproductionandtransportofsandmou1d.Keywords:Thermitwe1ding:Sandmou1dshardening;Hardeningprocess钢轨铝热焊接方法是一种轻便高效的轨道焊接方法W,是目前钢轨无缝线路线路联合结头、辙岔、锁定焊、既有线应力放散、断轨抢修和日常换轨等工作采用的主要焊接方法。铝热焊砂型是钢轨铝热焊接材料的重要组成部分，在焊接过程中，砂型直接与高温的铝热钢水接触，因而如果砂型质量低劣，将有可能导致焊缝金属的表面粘砂、夹砂，在焊缝金属表皮形成气孔等缺陷。砂型在搬运的过程中，以及在铝热钢液充型时，均要受到外力的冲击，为使砂型在搬运过程中不受到损坏，且在铝热钢液充型时不产生掉砂，砂型必须具有一定的强度。本文进行砂型硬化工艺对砂型强度影响的研究，分析影响砂型强度的原因，为砂型生产工艺制定提供依据。1砂型制备与试验方法1.1 砂型制备制备砂型的主要原材料是钠水玻璃砂，钠水玻璃砂由高纯度的石英砂再加上6%10%的钠水玻璃及其它添加剂，在SHN型碾轮式混砂机内混碾而成。试验研究采用砂型尺寸为100*40*25mm.将配制好的型砂填入模具中手工紧实，脱模后放在密闭容器中。分别采用吹COz硬化法和烘干硬化法进行砂型的硬化，吹CO?硬化时吹气压力为。30MPa,烘干硬化时保温时间为20min°收稿日期：2023-07-02修订日期:基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司金化所基金项目(2052XCO203)。作者简介：高松福(1980-),男，山西大同人，副研究员，博士研究生，主要从事钢就铝热焊接材料和工艺研究工作。1.2 试验方法砂型强度测试在自制的测试机上进行。将砂型水平放置在支距20mm的支点上，压头位于支点中心，在砂型中心向下施压，直至砂型断裂，施压速度W20N/S。用压力传感器采集砂型破断的最大压力，该压力即为砂型的破断压力。2实验结果与讨论2.1 吹CO2时间对砂型强度的影响当CO2气体吹入到砂型中时，CO2与水玻璃发生化学反应形成凝胶。Co2使硅酸钠溶液分解，产生水合二氧化硅吹入CO2气体的时间对砂型破断压力的影响如图1所示。在吹气时间为20IOoS时，随着吹气时间的延长，砂型的破断压力变化不大。但当吹气时间大于IoOS时，砂型的破断压力的迅速增加。当吹气时间超过120OS以后，砂型的破断压力又逐渐开始下降。在吹CO2初期，CO2气体通过砂粒之间的空隙与包覆在砂粒表面的水玻璃接触，此时水玻璃容易吸收CO2气体，很快就在水玻璃外表面形成一层凝胶，砂型立即具有一定的强度。由于凝胶的形成,CO2气体通过凝胶与未反应水玻璃接触的机率大大减少，导致砂型中心无法硬化，长时间吹CO2时砂型的破断压力仍比较低。随吹气时间的延长，Co2与砂型中央的水玻璃完全发生反应，导致砂型破断压力的迅速上升。而吹气时间的进一步延长，会导致过多的C02气体便保持在凝胶中的水过分脱除，引起凝胶收缩而出现裂纹，降低砂型的强度。图1砂型破断压力随吹气时间的变化情况2.2 烘干硬化烘干硬化砂型时，砂型中的水玻璃将在烘干时脱水，经过脱水变化，得到水合玻璃，导致水玻璃砂的玻璃质粘结。篦图2所示为烘干温度对砂型破断压力的影响。烘干温度为120260时，随着烘干温度的升高，砂型的破断压力不断上升。但烘干温度超过260以后，砂型的破断压力又开始下降。当烘干温度低于260C时，水玻璃砂中的水分未充分脱除，水玻璃呈欠固化状态，从砂型断口可以观察到砂型未完全烘干，砂型强度较低。当烘干温度过高时，烘干形成的水合玻璃将在高温下剧烈振荡，破坏了水玻璃脱水产生水合玻璃的连续性，使砂型强度有一定的下降，而且砂型表面发酥,砂粒易脱落。图2砂型破断压力随烘干温度的变化情况3砂型硬化工艺的工业应用烘干硬化工艺得到的砂型强度远远高于吹CO2硬化工艺得到的砂型强度，因而实际工业生产中，应选用烘干硬化法进行砂型的生产。但是由于砂型烘干前强度很低，搬运过程中很容易发生砂型的变形和坍塌，因而实际生产过程中，首先采用吹C02法进行砂型的表面硬化，使砂型具有一定的强度，可以方便搬运，然后再进行烘干硬化，使砂型具有高的强度。为防止吹C02过量影响砂型的强度，吹CO2的时间应在20S左右，且避免集中向一个部位吹入。图3所示为砂型试生产过程中的砂型破断压力的检验结果，与烘干硬化砂型破断压力相当。员33g.250«2000150。-108-Sg-I11110S101520激耕号图3试生产砂型破断压力测试结果4砂型失效形式及原因分析4.1砂型吸湿成品的砂型长时间暴露在大气中后，砂型的强度会急剧降低，有些甚至会发生蠕变。砂型长时间放置失去强度的原因是由于钠水玻璃重新发生水合作用。钠水玻璃粘接剂基体中的Na+与OH-吸收水分并侵蚀砂型基体，导致砂型强度急剧降低。砂型吸湿不但会降低砂型的强度，使得砂型在使用和搬运砂型中易于破损，而且在进行焊接时，吸湿后的砂型还会在高温铝热钢水浇入到砂型中时释放出气体，严重时造成焊缝内近表面气孔、焊筋表面粘砂等缺陷，影响焊接质量。焊接使用的砂型应当禁止吸湿。在生产过程中，避免砂型长时间暴露在空气中，并且将砂型密封进行保存和运输，使用过程中防潮防湿，是防止砂型吸湿的有效方法。此外在砂型生产过程中，使用改性的钠水玻璃，通过减弱或消除Na+与OH-吸收水分的能力，也可以提高砂型的抗吸湿性。4.2砂型表面“白霜”部分砂型存放一段时间后，在其表面会出现象白霜一样的物质，这将会严重降低该处砂型的强度。砂型表面白色物质的主要成份是NaHCo3,主要是由于在砂型制作过程中吹入了过量的CO2或砂型在存放时吸收了空气中的CO2,使得CO2与凝胶反应生成的Na2CO3发生反应，生成NaHCo3。在砂型失水过程中，生成的NaHCO3随水分向外迁移，最后以NaHCO3盐的形式在砂型的表面上析出，形成“白霜”。“白霜”的形成会明显降低该处砂型的强度，使得浇注时，砂型在钢水的冲刷作用下易于脱落，从而改变焊筋表面形状。而且脱落的砂粒不能全部排出型腔，会残留在焊缝金属内形成夹砂，影响焊接接头的性能。过量的CCh和砂型中的水分是形成白霜的必要条件，在砂型的制作过程中，严格控制COz吹入量,防止NaHCo3的生成，从而可以避免砂型烘干过程中NaHCO3盐在砂型表面的聚集。此外砂型存放时也应当避免长时间暴露在空气中，防止吸收空气中的水分和CO?而在砂型表面形成NaHCO3盐，造成砂型表面“白霜”，影响砂型强度。4.3砂型易断裂砂型强度低是造成砂型易于断裂的主要原因。砂型未完全烘干，使得脱水生成的水合玻璃未能完全联结成为结实的空间网状结构，会大大减低水玻璃粘接剂的粘接能力，使的砂型强度低，易于断裂。造成砂型未完全烘干的因素有多种，除烘干温度外，砂型在高温下的保持时间，烘干设备的升温速率，烘干设备的通风状况均对砂型的烘干程度有影响。除烘干因素外，砂型结构设置不合理，也易于造成砂型易于断裂。砂型的设计应当避免太薄部位的产生，砂型不同部位应当采用合理的圆角连接，而且砂型模具的设计应当便于砂型的制造时的紧实和起模等，以使砂型具有均匀的紧实度。5结论(1)吹Co2时间为20120S时，由于水玻璃未完全反应，砂型破断压力比较低，吹气时间为140S时，砂型完全硬化，破断压力最高，吹气时间大于140S时，砂型的破断压力又降低。(2)烘干温度为120240°C时，随着烘干温度的升高，砂型的破断压力不断上升，当烘干温度为260时，砂型的破断压力最高，烘干温度大于260°C以后，砂型的破断压力反而降低。(3)适合于工业生产的砂型硬化工艺为先吹CO2进行砂型的表面硬化，然后再进行烘干硬化。参考文献1Kristan,Joseph.Advancesinrai1WeIdingJ.Rai1wayTrackandStructures,2004.(02).2中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册第四卷，造型材料M.北京：机械工业出版社，1992.|3李华基，谢卫东.水玻璃砂微波加热工艺及工程应用方案研究J.重庆大学学报，1999.11,22(06).4卢晨，朱纯熙.脱水水玻璃的结构及强度J.铸造，1998(02).5韩文静，赵治平，关键等.水玻璃砂残留强度的形成及改善途径J.铸造，2001(12).6梁志霖，沈献勤.水玻璃砂粘结桥形貌的扫描电镜研究J.工业工程，1994(04).