护轨及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层的护轨及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层护轨及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的耐磨碳化物涂层复合护轨及其制备方法。
【背景技术】
[0002]铁路护轨是铁路道岔处必不可少的重要零件之一，用于保证列车经过道岔时安全平稳通过。目前，铁路道岔中使用的护轨一般采用钢轨钢制造，采用钢轨钢制造的护轨硬度不高，耐磨程度差，在高速行驶车轮的冲击和摩擦下，使得护轨工作面(与钢轨相近的一面)磨损较快，使用寿命较低，这无疑增加了现场的养护维修工作量和使用成本，并且严重影响列车行车安全。近年来，为了提高护轨的使用寿命，各国从不同的方面对护轨的加强进行研究。现阶段使用较多的是在表面制备增强涂层，这样可保证在基体原有特性的基础上，大幅增加表面的耐磨性和其他机械性能，提高护轨等零件的使用寿命，降低成本。
[0003]碳化物材料的涂层是现阶段使用较多一种材料，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。碳化物材料具有硬度高、耐磨损性能优越的特点。其中WC是一种常见涂层材料，其有如下特点特性:
[0004](I)碳化钨具有高强度、高硬度及高模量；
[0005](2)WC韧性好、抗冲击载荷及抗磨性好，与基体结合具有较好的抗界面腐蚀能力，而且它与钢铁润湿性好，二者之间的润湿角为零；
[0006](3)其次，我国是钨的富产国，所以选择WC作为增强相在技术、经济和社会效益上都十分合适。
[0007]因此，WC涂层被广泛地用作无屑冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。
[0008]目前金属材料表面涂层技术有:激光熔覆法、高温自蔓延烧结技术、粉末冶金技术、材料气相沉积技术(包括:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))等，目前制备碳化物涂层的方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、热渗镀方法等，但这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
[0009]因此如何在护轨工作表面获得WC相的涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种护轨，其护轨的表面具有一种耐磨涂层，而护轨芯部仍为碳钢基体，该耐磨碳化物涂层为WC致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述护轨的制备方法。
[0011 ] 进一步地，本发明还提供复合护轨，其护轨表面具有一种梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，其优选被涂覆于金属基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是碳钢或铸铁表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0012]所述护轨，在其工作部位具有耐磨涂层。该涂层有利保证护轨工作表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而护轨基体内部具有很好的韧性。
[0013]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0014]一种护轨，表面具有耐磨涂层，该耐磨涂层为WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0015]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μ m，优选为100-180 μ m ;优选的，其中WC的体积分数大于80%，优选大于85%，优选的，其粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μ mD
[0016]此外，本发明还提供一种护轨，表面具有梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。
[0017]优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0018]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μ m，优选为100-180 μ m ;优选的，其中WC的体积分数大于80%，优选大于85%，优选的，其粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μ mD
[0019]进一步优选地，沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-180 μ m，优选为130-180 μ m;其中WC的体积分数大于75%，优选大于80%，其粒径为5_30μπι，优选为
6-25 μm0
[0020]更进一步优选地，沿WC与基体的融合层纵向剖面，其厚度为60-300 μ m，优选为100-300 μ m ;其中WC的体积分数为40-80 %，优选为60-80 %，其粒径为1-20μπι，优选为
5-10 μ m0
[0021]优选地，梯度复合涂层，其总厚度为180-660 μπι ;优选在330-660 μπι。
[0022]更优选地，基体组织根据热处理方式不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。
[0023]本发明提供一种护轨的制备方法，护轨表面具有耐磨涂层，包括如下步骤:
[0024]1、先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度应控制在99.7-99.99%，优选的，钨板先被加以表面处理；优选地，所述钨板厚度为0.2-3mm ；
[0025]2、按照护轨尺寸制作护轨消失模，根据护轨的工作受力状况，其主要磨损的部位是护轨的轨头和轨腰表面，据此在护轨消失模的轨头和轨腰表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源，使其与钨板紧密结合；优选地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作护轨消失模；优选地，所述外部碳源为石墨纸，石墨纸为三级以上，纯度99%，厚度为0.1-0.35mm ；
[0026]3、按照护轨尺寸制作砂型，每箱一个护轨，二箱分型，将护轨消失模连同钨板和外部碳源一并置于砂型型腔中；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；
[0027]4、将碳钢基材冶炼为钢液；优选地，温度控制在1610-1630°C ；
[0028]5、采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入上述放置有护轨模具、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得护轨基体为碳钢基体，护轨工作表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610-1630°C ;更优选地，浇注时间为40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇；优选地，室温冷却。
[0029]6、将浇铸完得到的护轨复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却，从而在护轨表面形成耐磨涂层，而护轨基体仍为碳钢基体。
[0030]其中，耐磨涂层为WC致密陶瓷层。
[0031]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0032]本发明还提供一种护轨的制备方法，其具有本体梯度复合涂层，包括如下步骤:
[0033]1、先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度控制在99.7-99.99%优选地，所述钨板厚度为0.2-3mm ；，优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0034]2、按照护轨尺寸制作护轨消失模，根据护轨的工作受力状况，其主要磨损的部位是护轨的轨头和轨腰表面，据此在护轨消失模的轨头和轨腰表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源，使其与钨板紧密结合；优选地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作护轨消失模；
[0035]3、按照护轨尺寸制作砂型，每箱一个护轨，二箱分型，将护轨连同钨板和外部碳源一并置于砂型型腔中；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型；
[0036]4、将碳钢基材冶炼为钢液；优选地，温度控制在1610-1630°C ；
[0037]5、采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入上述放置有护轨模具、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得护轨基体为碳钢基体，护轨工作表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610-1630°C ;优选地，浇注时间为40-50秒为宜；更优选地，一分钟后，在冒口补浇；优选地，室温冷却后，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得护轨基体为碳钢基体，护轨工作表面为碳钢与钨板的复合体；
[0038]6、将浇铸完得到的护轨复合体包覆外碳源放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却，从而在护轨轨头和轨腰表面形成梯度复合涂层，而护轨基体体仍为碳钢基体。
[0039]7、所得的具有梯度复合涂层的护轨，被进一步热处理以获得更合适的基体组织。
[0040]优选地,钛板厚度为0.2-3mm ;若小于0.2mm,则鹤板在烧注复合过程中就已经完全反应，不能获得WC致密陶瓷层，直接生成弥散分布WC颗粒；超过3mm则导致扩散距离增大,反应动力不足。
[0041]优选地，步骤6中通过严格控制保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相WC致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。
[0042]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层，WC与基体的融合层。
[0043]更优选地，保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式
[0044]L = kTlogt1/2+b0
[0045]其中:
[0046]L——梯度复合涂层的总厚度(μ m)，
[0047]k——是常数,取值为0-1，k关0，
[0048]T——反应温度，
[0049]t-反应时间，
[0050]b0—反应初始厚度，即钢液浇注后与钨板之间形成的复合层的厚度。
[0051]综上，所述梯度复合涂层，包括WC致密陶瓷层，硬度高。所述WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，原子的排列不像一般单晶那样具有相同的晶格，但仍具有严格的顺序，呈现出几何排列；晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序。准单晶相介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，准单晶相的晶界明显减少，位错密度低，有较多亚晶界，因此硬度有明显提升；而较之单晶相，其对制备方式要求更低，且组织更为稳定。
[0052]优选地,在步骤I)中，表面处理