鋼軌鋁熱焊砂型硬化工藝試驗研究和失效分析

高松福，張 健，任金雷，石孟雷

（中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081）

鋼軌鋁熱焊接方法是一種輕便高效的軌道焊接方法[1]，是目前鋼軌無縫線路聯合結頭、轍岔、鎖定焊、既有線應力放散、斷軌搶修和日常換軌等工作采用的主要焊接方法。

鋁熱焊砂型是鋼軌鋁熱焊接材料的重要組成部分，在焊接過程中，砂型直接與高溫的鋁熱鋼水接觸，因而如果砂型質量低劣，將有可能導致焊縫金屬的表面粘砂、夾砂，在焊縫金屬表皮形成氣孔等缺陷。砂型在搬運的過程中，以及在鋁熱鋼液充型時，均要受到外力的沖擊，為使砂型在搬運過程中不受到損壞，且在鋁熱鋼液充型時不產生掉砂，砂型必須具有一定的強度。本文研究砂型硬化工藝對砂型強度的影響，分析影響砂型強度的原因，為砂型生產工藝的制定提供依據。

1 砂型制備與試驗方法

1.1 砂型制備

制備砂型的主要原材料是鈉水玻璃砂，鈉水玻璃砂由高純度的石英砂再加上6%～10%的鈉水玻璃及其他添加劑，在SHN 型碾輪式混砂機內混碾而成。試驗研究采用砂型尺寸為100mm×40mm×25mm。將配制好的型砂填入模具中手工緊實，脫模后放在密閉容器中。分別采用吹CO2硬化法和烘干硬化法進行砂型的硬化，吹CO2硬化時吹氣壓力為0.30MPa，烘干硬化時保溫時間為20min。

1.2 試驗方法

砂型強度測試在自制的測試機上進行。將砂型水平放置在支距20mm 的支點上，壓頭位于支點中心，在砂型中心向下施壓，直至砂型斷裂，施壓速度≤20N/s。用壓力傳感器采集砂型破斷的最大壓力，該壓力即為砂型的破斷壓力。

2 試驗結果與討論

2.1 吹CO2 時間對砂型強度的影響

當CO2氣體吹入到砂型中時，CO2與水玻璃發生化學反應形成凝膠。CO2使硅酸鈉溶液分解，產生水合二氧化硅[2]。

吹入CO2氣體的時間對砂型破斷壓力的影響如圖1 所示。在吹氣時間為20～100s 時，隨著吹氣時間的延長，砂型的破斷壓力變化不大。但當吹氣時間大于100s 時，砂型的破斷壓力迅速增加。當吹氣時間超過1200s 以后，砂型的破斷壓力又逐漸開始下降。

圖1 砂型破斷壓力隨吹氣時間的變化情況

在吹CO2初期，CO2氣體通過砂粒之間的空隙與包覆在砂粒表面的水玻璃接觸，此時水玻璃容易吸收CO2氣體，很快就在水玻璃外表面形成一層凝膠，砂型立即具有一定的強度。由于凝膠的形成，CO2氣體通過凝膠與未反應水玻璃接觸的機率大大減少，導致砂型中心無法硬化，長時間吹CO2時砂型的破斷壓力仍比較低。隨吹氣時間的延長，CO2與砂型中央的水玻璃完全發生反應，導致砂型破斷壓力迅速上升。而吹氣時間的進一步延長，會導致過多的CO2氣體使保持在凝膠中的水過分脫除，引起凝膠收縮而出現裂紋，降低砂型強度。

2.2 烘干硬化

烘干硬化砂型時，砂型中的水玻璃將在烘干時脫水，經過脫水變化，得到水合玻璃，導致水玻璃砂的玻璃質粘結[3，4]。圖2 所示為烘干溫度對砂型破斷壓力的影響。烘干溫度為120～260℃時，隨著烘干溫度的升高，砂型的破斷壓力不斷上升。但烘干溫度超過260℃以后，砂型的破斷壓力又開始下降。

圖2 砂型破斷壓力隨烘干溫度的變化情況

當烘干溫度低于260℃時，水玻璃砂中的水分未充分脫除，水玻璃呈欠固化狀態，從砂型斷口可以觀察到砂型未完全烘干，砂型強度較低。當烘干溫度過高時，烘干形成的水合玻璃將在高溫下劇烈振蕩，破壞了水玻璃脫水產生水合玻璃的連續性，使砂型強度有一定的下降，而且砂型表面發酥，砂粒易脫落。

3 砂型硬化工藝的工業應用

烘干硬化工藝得到的砂型強度遠遠高于吹CO2硬化工藝得到的砂型強度，因而實際工業生產中，應選用烘干硬化法進行砂型的生產。但是由于砂型烘干前強度很低，搬運過程中很容易發生砂型的變形和坍塌，因而實際生產過程中，首先采用吹CO2法進行砂型的表面硬化，使砂型具有一定的強度，可以方便搬運，然后再進行烘干硬化，使砂型具有高的強度。為防止吹CO2過量影響砂型的強度，吹CO2的時間應在20s 左右，且避免集中向一個部位吹入。圖3 所示為砂型試生產過程中的砂型破斷壓力的檢驗結果，與烘干硬化砂型破斷壓力相當。

圖3 試生產砂型破斷壓力測試結果

4 砂型失效形式及原因分析

4.1 砂型吸濕

成品的砂型長時間暴露在大氣中后，砂型的強度會急劇降低，有些甚至會發生蠕變。砂型長時間放置失去強度的原因是由于鈉水玻璃重新發生水合作用。鈉水玻璃粘接劑基體中的Na+與OH-吸收水分并侵蝕砂型基體，導致砂型強度急劇降低[5]。砂型吸濕不但會降低砂型的強度，使得砂型在使用和搬運砂型中易于破損，而且在進行焊接時，吸濕后的砂型還會在高溫鋁熱鋼水澆入到砂型中時釋放出氣體，嚴重時造成焊縫內近表面氣孔、焊筋表面粘砂等缺陷，影響焊接質量。

焊接使用的砂型應當禁止吸濕。在生產過程中，避免砂型長時間暴露在空氣中，并且將砂型密封進行保存和運輸，使用過程中防潮防濕，是防止砂型吸濕的有效方法。此外在砂型生產過程中，使用改性的鈉水玻璃，通過減弱或消除Na+與OH-吸收水分的能力，也可以提高砂型的抗吸濕性。

4.2 砂型表面“白霜”

部分砂型存放一段時間后，在其表面會出現象白霜一樣的物質，這將會嚴重降低該處砂型的強度。砂型表面白色物質的主要成份是NaHCO3，主要是由于在砂型制作過程中吹入了過量的CO2或砂型在存放時吸收了空氣中的CO2，使得CO2與凝膠反應生成的Na2CO3發生反應，生成NaHCO3。

在砂型失水過程中，生成的NaHCO3隨水分向外遷移，最后以NaHCO3鹽的形式在砂型的表面上析出，形成“白霜”?！鞍姿钡男纬蓵黠@降低該處砂型的強度，使得澆注時，砂型在鋼水的沖刷作用下易于脫落，從而改變焊后接頭焊筋表面形狀。而且脫落的砂粒不能全部排出型腔，會殘留在焊縫金屬內形成夾砂，影響焊接接頭的性能。

過量的CO2和砂型中的水分是形成白霜的必要條件，在砂型的制作過程中，嚴格控制CO2吹入量，防止NaHCO3的生成，從而可以避免砂型烘干過程中NaHCO3鹽在砂型表面的聚集。此外砂型存放時也應當避免長時間暴露在空氣中，防止吸收空氣中的水分和CO2而在砂型表面形成NaHCO3鹽，造成砂型表面“白霜”，影響砂型強度。

4.3 砂型易斷裂

砂型強度低是造成砂型易于斷裂的主要原因。砂型未完全烘干，使得脫水生成的水合玻璃未能完全聯結成為結實的空間網狀結構[6]，會大大降低水玻璃粘接劑的粘接能力，使得砂型強度低，易于斷裂。造成砂型未完全烘干的因素有多種，除烘干溫度外，砂型在高溫下的保持時間，烘干設備的升溫速率，烘干設備的通風狀況均對砂型的烘干程度有影響。

除烘干因素外，砂型結構設置不合理，也易于造成砂型易于斷裂。砂型的設計應當避免太薄部位的產生，砂型不同部位應當采用合理的圓角連接，而且砂型模具的設計應當便于砂型的制造時的緊實和起模等，以使砂型具有均勻的緊實度。

5 結論

（1）吹CO2時間為20～120s 時，由于水玻璃未完全反應，砂型破斷壓力比較低，吹氣時間為140s時，砂型完全硬化，破斷壓力最高，吹氣時間大于140s 時，砂型的破斷壓力又降低。

（2）烘干溫度為120～240℃時，隨著烘干溫度的升高，砂型的破斷壓力不斷上升，當烘干溫度為260℃時，砂型的破斷壓力最高，烘干溫度大于260℃以后，砂型的破斷壓力反而降低。

（3）適合于工業生產的砂型硬化工藝為先吹CO2進行砂型的表面硬化，然后再進行烘干硬化。