護(hù)軌及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有耐磨涂層的護(hù)軌及其制備方法，尤其涉及一種具有耐磨碳化物涂層護(hù)軌及其制備方法，具體涉及一種應(yīng)用于碳鋼表面的耐磨碳化物涂層復(fù)合護(hù)軌及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵路護(hù)軌是鐵路道岔處必不可少的重要零件之一，用于保證列車(chē)經(jīng)過(guò)道岔時(shí)安全平穩(wěn)通過(guò)。目前，鐵路道岔中使用的護(hù)軌一般采用鋼軌鋼制造，采用鋼軌鋼制造的護(hù)軌硬度不高，耐磨程度差，在高速行駛車(chē)輪的沖擊和摩擦下，使得護(hù)軌工作面(與鋼軌相近的一面)磨損較快，使用壽命較低，這無(wú)疑增加了現(xiàn)場(chǎng)的養(yǎng)護(hù)維修工作量和使用成本，并且嚴(yán)重影響列車(chē)行車(chē)安全。近年來(lái)，為了提高護(hù)軌的使用壽命，各國(guó)從不同的方面對(duì)護(hù)軌的加強(qiáng)進(jìn)行研宄。現(xiàn)階段使用較多的是在表面制備增強(qiáng)涂層，這樣可保證在基體原有特性的基礎(chǔ)上，大幅增加表面的耐磨性和其他機(jī)械性能，提高護(hù)軌等零件的使用壽命，降低成本。
[0003]碳化物材料具有硬度高、耐磨損性能優(yōu)越的特點(diǎn)，以涂層方式覆蓋在金屬合金基體表面可以提高由基體材料制備的零部件的耐磨性與壽命。其中TiC是一種常見(jiàn)的涂層材料，其有如下特性:
[0004](I)具備密度低、強(qiáng)度高、彈性模量高、抗氧化、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)異的物理化學(xué)性會(huì)K ;
[0005](2)燒結(jié)過(guò)程中長(zhǎng)大傾向小，顆粒一般呈圓形，是一種較為理想的增強(qiáng)材料；
[0006](3)鈦資源豐富，容易獲得，價(jià)格比較低廉，碳化鈦在金屬基復(fù)合材料中獲得普遍應(yīng)用；
[0007](4)具有很高的熱穩(wěn)定性和高硬度的面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)和晶格類(lèi)型與奧氏體非常接近，這便于更好地與鋼鐵基體結(jié)合；
[0008](5) TiC的標(biāo)準(zhǔn)生成焓Λ Gtl值低，其合成反應(yīng)易于進(jìn)行；
[0009](6) TiC涂覆的鋼鐵基復(fù)合材料除了硬度高、耐磨性好外，可切削加工、鍛造、焊接、熱處理強(qiáng)化且變形小，而且具有普通熔煉鋼的冷熱加工性能。因此，TiC涂層材料被廣泛地用作無(wú)肩冷熱金屬加工工具、切削刀具、各種模具、耐磨耐熱耐蝕零件的耐磨表面。
[0010]目前制備碳化物涂層的方法有化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、熱噴涂方法、熱滲鍍方法等，但是這些方法，存在生產(chǎn)設(shè)備要求苛刻、生產(chǎn)效率低、涂層結(jié)合強(qiáng)度低等不足。
[0011]因此如何獲得TiC碳化物相的涂層，并且選擇一種生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝流程短的制備方法，獲得與基體結(jié)合力好、不易脫落且力學(xué)性能、耐磨性能優(yōu)異的涂層是亟待解決的冋題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種護(hù)軌，其護(hù)軌的表面具有一種耐磨涂層，而護(hù)軌芯部仍為碳鋼基體，該耐磨碳化物涂層為T(mén)iC致密陶瓷層，其化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性好，具有低摩擦系數(shù)、高硬度、低表面能以及低傳熱性；并且進(jìn)一步地，提供一種用于獲得上述護(hù)軌的制備方法。
[0013]進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供一種護(hù)軌，其護(hù)軌表面具有一種梯度復(fù)合涂層，所述梯度復(fù)合涂層為碳化物涂層，其優(yōu)選被涂覆于金屬基體表面，以提高其表面的耐磨性和斷裂韌性，特別是碳鋼表面，并且提供一種用于獲得上述涂層的制備方法。
[0014]所述護(hù)軌，在其軌頭工作部位具有耐磨涂層。該涂層有利保證護(hù)軌工作表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而護(hù)軌支撐件內(nèi)部具有很好的韌性。
[0015]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0016]一種護(hù)軌，表面具有耐磨涂層，該耐磨涂層為T(mén)iC致密陶瓷層；優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0017]更優(yōu)選地，沿TiC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選為120-200 μπι ;優(yōu)選地，其中TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90%;優(yōu)選地，TiC粒徑為8-50 μ m，優(yōu)選為10-50 μ m。
[0018]此外，本發(fā)明還提供一種護(hù)軌，表面具有梯度復(fù)合涂層，所述梯度復(fù)合涂層為碳化物涂層，包括依次呈梯度分布的TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層、TiC與基體的融合層。
[0019]優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0020]更優(yōu)選地，沿TiC致密陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m，更優(yōu)選為120-200 μ m ;優(yōu)選地，TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80%，優(yōu)選大于90%;優(yōu)選地，TiC粒徑為 8-50 μ m，優(yōu)選為 10-50 μ m。
[0021]進(jìn)一步優(yōu)選地，沿微米TiC陶瓷層縱向剖面，沿涂層縱向剖面，其厚度為50-150 μ m，優(yōu)選為70-150 μ m，更優(yōu)選為80-150 μ m ;其中TiC的體積分?jǐn)?shù)大于80 %，優(yōu)選大于90%，其粒徑為5-15 μπι，優(yōu)選為6-12 μπι，優(yōu)選為8-10 μπι。
[0022]更進(jìn)一步優(yōu)選地，沿TiC與基體的融合層縱向剖面，其厚度為50-200 μ m，優(yōu)選為100-200 μ m ;其中TiC的體積分?jǐn)?shù)為20-80 %，優(yōu)選為50-85 %，其粒徑為1_10 μπι，優(yōu)選為2-8 μ m0
[0023]優(yōu)選地，梯度復(fù)合涂層總厚度為170-550 μ m ;優(yōu)選在300-550 μ m。
[0024]更優(yōu)選地，基體組織根據(jù)熱處理方式不同為珠光體、馬氏體、鐵素體、貝氏體、奧氏體和索氏體中的一種或幾種；優(yōu)選地，該梯度復(fù)合涂層被施加于碳鋼表面。
[0025]本發(fā)明提供一種護(hù)軌的制備方法，護(hù)軌表面具有耐磨涂層，包括如下步驟:
[0026]I)先準(zhǔn)備一鈦板，優(yōu)選地，其中鈦的純度應(yīng)控制在99.7-99.99% ;優(yōu)選地，所述鈦板厚度為0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理；
[0027]2)按照護(hù)軌尺寸制作護(hù)軌消失模；根據(jù)護(hù)軌的工作受力狀況，其主要磨損的部位是護(hù)軌的軌頭和軌腰表面，據(jù)此在護(hù)軌消失模的軌頭和軌腰表面固定鈦板，然后在鈦板表面固定外部碳源，使其與鈦板緊密結(jié)合；優(yōu)選地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作護(hù)軌消失模；優(yōu)選地，所述外部碳源為石墨紙，石墨紙為三級(jí)以上，純度99%，厚度為0.1-0.35mm。
[0028]3)按照護(hù)軌尺寸制作砂型，每箱一個(gè)護(hù)軌，二箱分型，將護(hù)軌消失模連同鈦板和外部碳源一并置于砂型型腔中；優(yōu)選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹(shù)脂砂或潮模砂制作砂型。
[0029]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液；優(yōu)選地，溫度控制在1610_1630°C以上；
[0030]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入放置有護(hù)軌模具、鈦板和碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得護(hù)軌基體為碳鋼基體，護(hù)軌工作表面為碳鋼與鈦板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610-1630°C以上；更優(yōu)選地，澆注時(shí)間為40-50秒為宜；進(jìn)一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)饒；優(yōu)選地，室溫冷卻。
[0031]6)將澆鑄完得到的護(hù)軌復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻，從而在護(hù)軌表面形成耐磨涂層，而護(hù)軌基體仍為碳鋼基體。
[0032]其中，耐磨涂層為T(mén)iC致密陶瓷層。
[0033]優(yōu)選地，通過(guò)控制步驟6)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該TiC致密陶瓷層；優(yōu)選地，TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0034]本發(fā)明還提供一種護(hù)軌的制備方法，其具有基體梯度復(fù)合涂層，包括如下步驟:
[0035]I)先準(zhǔn)備一鈦板，優(yōu)選地，其中鈦的純度應(yīng)控制在99.7-99.99%。優(yōu)選地，所述鈦板厚度為0.2-3mm ;優(yōu)選地，所述鈦板先被加以表面處理；
[0036]2)按照護(hù)軌尺寸，制作護(hù)軌消失模，根據(jù)護(hù)軌的工作受力狀況，其主要磨損的部位是護(hù)軌的軌頭和軌腰表面，據(jù)此在護(hù)軌消失模的軌頭和軌腰表面固定鈦板，然后在鈦板表面固定外部碳源，使其與鈦板緊密結(jié)合；優(yōu)選地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作護(hù)軌消失模；
[0037]3)按照護(hù)軌尺寸制作砂型，每箱一個(gè)護(hù)軌，二箱分型，將護(hù)軌消失模連同鈦板和外部碳源一并置于砂型型腔中；優(yōu)選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹(shù)脂砂或潮模砂制作砂型；
[0038]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液；優(yōu)選地，溫度控制在1610_1630°C以上；
[0039]5)采用消失模真空吸鑄工藝，將上述鋼液澆入上述放置有護(hù)軌模具、鈦板和碳源的砂型內(nèi)，待鋼液冷卻凝固后，取出鑄件，清砂處理，獲得護(hù)軌基體為碳鋼基體，護(hù)軌工作表面為碳鋼與鈦板的復(fù)合體；優(yōu)選地，澆注溫度控制在1610-1630°C以上；更優(yōu)選地，澆注時(shí)間為40-50秒為宜；進(jìn)一步優(yōu)選地，一分鐘后，在冒口補(bǔ)饒，室溫冷卻。
[0040]6)將澆鑄完得到的護(hù)軌復(fù)合體放入具有保護(hù)氣氛的保溫爐內(nèi)保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在護(hù)軌軌頭和軌腰表面形成梯度復(fù)合涂層，而護(hù)軌基體體仍為碳鋼基體。
[0041]7)所得的具有梯度復(fù)合涂層的護(hù)軌被進(jìn)一步熱處理以獲得更合適的基體組織。
[0042]優(yōu)選地，鈦板厚度為0.2-3mm ;若小于0.2mm，則鈦板在饒注復(fù)合過(guò)程中就已經(jīng)完全反應(yīng)，不能獲得TiC致密陶瓷層，直接生成彌散分布TiC顆粒；超過(guò)3mm則導(dǎo)致擴(kuò)散距離增大，反應(yīng)動(dòng)力不足。
[0043]優(yōu)選地，步驟6)中通過(guò)嚴(yán)格控制保溫溫度與時(shí)間的關(guān)系，獲得所述準(zhǔn)單晶相TiC致密陶瓷層。該陶瓷層呈現(xiàn)出較為明顯的準(zhǔn)單晶組織，光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為晶界減少，影響斷裂韌性的位錯(cuò)也相應(yīng)減少，代之亞晶界增多，有效提高該陶瓷層的抗裂能力。
[0044]優(yōu)選地，通過(guò)控制步驟6)中保溫時(shí)間、保溫溫度獲得該梯度復(fù)合涂層即碳化物涂層，所述碳化物涂層包括依次呈梯度分布的準(zhǔn)單晶相TiC致密陶瓷層、微米TiC陶瓷層，C與基體的融合層。
[0045]更優(yōu)選地，保溫溫度、保溫時(shí)間以及最終能夠獲得的梯度復(fù)合涂層的總厚度符合如下公式:
[0046]L = kTlogtl/2+b0
[0047]其中:
[0048]L 梯度復(fù)合涂層的總厚度(U m)，
[0049]k——是常數(shù)，取值為0-1，k乒0，
[0050]T--反應(yīng)溫度，
[0051]t——反應(yīng)時(shí)間，
[0052]b0——反應(yīng)初始厚度，即鋼液澆注后與鈦板之間形成的復(fù)合層的厚度。
[0053]綜上，所述梯度復(fù)合涂層，包括TiC致密陶瓷層，硬度高。所述TiC致密陶瓷層為準(zhǔn)單晶相，所述準(zhǔn)單晶相是指，原子的排列不像一般單晶那樣具有相同的晶格，但仍具有嚴(yán)格的順序，呈現(xiàn)出幾何排列；晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序。準(zhǔn)單晶相介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，準(zhǔn)單晶相的晶界明顯減少，位錯(cuò)密度低，有較多亞晶界，因此硬度有明顯提升；而較之單晶