本發明涉及涂料，尤其涉及一種用于高錳軌道鋼的表面涂料及其制備方法和使用方法。
背景技術：
1、軌道鋼是一種以錳、釩等元素合金化的奧氏體鋼，具有優異的耐磨性、高沖擊韌性和加工硬化能力，如現有的50、60、75、u71mn、u71vh等牌號。隨著我國軌道交通的發展，如高鐵、地鐵等基礎設施建設不斷完善，對軌道鋼的質量要求也不斷提升。其中錳系列軌道鋼為了穩定形成單一奧氏體組織，避免產生鐵素體或碳化物，熱處理溫度通常在1050~1250℃，以保證mn的充分固溶。同時，高錳軌道鋼中mn、c等元素的擴散速率較低，為保證元素在奧氏體基體中的充分擴散和均勻分布，并促進碳化物（mn3c、fe3c）或夾雜物等亞穩相的固溶與再固溶，需要較長的熱處理時間。此外，對于大尺寸鑄件而言，還需保證鑄件整體溫度區域基本一致，避免熱處理組織不均。因此，高錳軌道鋼的熱處理時間通常為4~6小時。
2、然而，在軌道鋼的高溫熱處理過程中，由于其含有大量的合金元素，在高溫下具有較高的化學活性和對氧的親和力，因此極易引發一系列氧化、脫碳造成的性能下降問題。以高錳軌道鋼為例，mn元素極易與氧發生反應，生成mno或mn3o4等氧化物，導致mn元素從材料表層氧化與逸散。這種錳的流失破壞了奧氏體的化學穩定性，從而誘發組織向珠光體或鐵素體轉變，嚴重影響其疲勞性能。其次，在氧分壓較高的熱處理環境中，鋼中碳元素也易向表層擴散并與氧反應形成co或co2，最終產生明顯的脫碳現象。高錳鋼作為鐵路軌道鋼等鋼種（如道岔、轍叉等關鍵部件）的核心材料，其表面脫碳會引發疲勞強度顯著下降（降幅達30%~40%），并在交變載荷作用下加速應力裂紋萌生，嚴重威脅軌道安全服役壽命。這類問題在軌道鋼的熱加工、熱處理以及高溫服役過程中尤為突出，成為制約其生產、使用的重要瓶頸。
3、現有研究與工業應用中，針對軌道鋼高溫氧化與脫碳問題，主要采用以下幾種應對策略：
4、（1）保護性氣氛熱處理：例如采用真空、氫氣或惰性氣體等氣氛在爐內進行加熱，以抑制氧化和脫碳反應。但該類方法設備成本高、操作復雜，且無法適用于大型構件或連續加熱生產線，限制了其大規模工業推廣。
5、（2）滲碳、滲硅或氮化改性：通過在高溫下對軌道鋼表面進行元素擴散處理，提高其抗氧化性與硬度，但該類方法普遍存在處理周期長、成本高、處理厚度不均等問題，不適用于復雜形狀或大尺寸零件。
6、（3）表面涂層技術：近年來，表面涂覆具有抗高溫氧化與抗滲透性能的無機材料成為研究熱點。例如，采用含硅涂層、氧化鋁涂層、陶瓷涂層等手段在軌道鋼表面形成一層致密屏障層，可有效阻隔氧氣和碳原子的擴散路徑，從而延緩氧化和脫碳的進程。這一技術在冶金熱處理、玻璃窯爐、模具保護等領域具有良好的應用前景。
7、現有專利如cn115260806b采用多層厚涂方式，涂層中sio2含量高、施工復雜，且二氧化硅容易與氧化錳反映生成低熔點的硅酸錳化合物；而cn118359948a涂層成分雖具有良好防護性能，但其結合劑制備過程繁瑣、堿腐蝕性強，且成本偏高，不利于大規模工業應用；cn104845416b涂層雖能有效提高抗氧化性能，但其防護時間較短，只能保持3小時以內的脫碳防護，不適合軌道鋼鋼在實際加工熱處理（4~6小時）中應用。因此，亟需開發一種在高溫條件下仍能長久持續具有優異的防脫碳與抗氧化能力的表面防護涂層，以提升軌道鋼在高溫工況下的結構穩定性與使用壽命。
技術實現思路
1、本發明的目的在于，針對現有技術的上述不足，提出一種用于高錳軌道鋼的表面涂料及其制備方法和使用方法。
2、本發明的第一目的是提供一種用于高錳軌道鋼的表面涂料，表面涂料由復合粉體、結合劑和水組成，復合粉體與結合劑和水的質量之和的質量比為1：0.8～1.2，結合劑和水的質量比為2～8：92～98；所述復合粉體包括如下質量分數的原料：15～25份?sio2/al復合粉體、10～20份礬土、10～18份滑石細粉、3～8份氧化鉻粉、15～20份莫來石粉、20～30份鋯英砂、6~10份氧化硼粉；
3、所述sio2/al復合粉體采用高能球磨法制備：將球形金屬鋁粉與sio2微粉混合球磨形成嵌覆型sio2/al復合粉體。
4、進一步地，球形金屬鋁粉的初始粒徑＜50?μm，sio2微粉的初始粒徑＜2?μm。
5、進一步地，sio2/al復合粉體中，sio2：al的質量比為（4~5）：1，其中復合粉體d50粒徑為＜50?μm。
6、進一步地，球磨中，球料比為10:1～20:1，轉速為300～600?rpm，持續球磨4~6?h。
7、進一步地，所述結合劑為偏硅酸鉀。
8、進一步地，所述礬土為高鋁礬土，其中al2o3含量≥85%，sio2含量為10-15%，fe2o3、tio2含量≤1.5%，cao、mgo、k2o、na2o≤0.5%；所述礬土的粒徑＜5?μm。
9、進一步地，所述滑石細粉中sio2含量≥60%，mgo含量≥30%；所述滑石細粉的粒徑＜5?μm。
10、進一步地，所述氧化鉻粉中cr2o3含量≥99%；所述氧化鉻粉的粒徑＜5?μm。
11、進一步地，所述莫來石粉中al2o3含量≥70%，sio2含量≥25%；所述莫來石粉的粒徑＜10?μm。
12、進一步地，所述鋯英砂中zro2含量≥65%，sio2含量≥34%；所述鋯英砂的粒徑＜45μm；
13、所述氧化硼粉中b2o3含量≥99%，所述氧化硼粉的粒徑＜10?μm。
14、本發明的第二目的是提供一種如上述的用于高錳軌道鋼的表面涂料的制備方法，將結合劑與水進行混合制得結合劑溶液，再將復合粉體與結合劑溶液水浴攪拌混合后形成用于高錳軌道鋼的表面涂料。
15、本發明的第三目的是提供上述的用于高錳軌道鋼的表面涂料的使用方法，將所得表面涂料采用刷涂或噴涂方式均勻涂覆于軌道鋼表面，涂覆厚度為200～500?μm；并在常溫條件下進行干燥預固化，即得所述表面防護涂層。
16、在本發明中，所述sio2/al復合粉體是一種以金屬鋁為基體、表面嵌覆二氧化硅片狀結構的復合結構粉體。該復合粉體通過高能球磨法制備而成，兼具優異的抗氧化、防脫碳與涂層自愈特性。粉體的平均粒徑d50控制在50?μm范圍內，粒度分布窄，分散性良好。該復合粉體采用高能球磨法制備，由于sio2的莫氏硬度約為6.5，al的莫氏硬度約為2.7，其兩者存在較大硬度差，通過高速碰撞與剪切作用下，硬度較高的sio2顆粒逐漸嵌入相對柔軟的鋁粉表面，形成穩定的機械互鎖界面，從而構建出分布均勻、結構致密的嵌覆型復合粉體。
17、與普通混合粉相比，這種結構可避免熱處理過程中因顆粒熱膨脹不匹配造成的組分分離、sio2團聚或界面開裂情況，能夠有效提升粉體在涂層中的分布均勻性與界面穩定性。由于軌道鋼熱處理過程往往涉及持續長時間（4~6小時）并處于1100~1250?℃的高溫環境，對涂層材料的熱穩定性、抗氧化持久性及結構完整性提出更為嚴苛的要求。本發明所述sio2/al復合粉體在升溫初期，al與環境中的氧氣優先反應，迅速生成致密連續的氧化鋁（al2o3）薄膜，反應式如下：
18、
19、該氧化鋁薄膜具有極低的氧氣擴散系數和高熔點（約2050°c），能夠有效地在涂層表面構筑起一層高致密性的物理隔離屏障，從而顯著降低氧氣在涂層中的滲透速率，同時降低局部氧氣分壓。通過先形成這一致密的al2o3保護層，不僅有效抑制了氧氣向軌道鋼基體的擴散，而且該保護膜會包覆在sio2顆粒周圍，產生莫來石化現象，形成間接屏蔽層，能夠阻斷鋼基體中fe、mn元素與裸露sio2之間的接觸，防止在高溫環境下發生如下有害反應：
20、
21、上述硅酸鐵（fesio4）和硅酸錳（mnsio4）為低熔點脆性氧化物，這些脆性相通常為多孔結構，會給氧氣滲透和碳的逸散提供了擴散通道。通過使用sio2/al復合粉體，有效阻斷了硅酸鹽脆性相的生成，維持了涂層與基體界面的完整性。進一步的，由于氧氣擴散受到有效抑制，涂層表面局部環境氧分壓降低，基體內部碳元素與氧氣的結合反應速率大幅下降，從而有效抑制碳逸散，減緩脫碳層的形成，顯著提升高錳鋼在高溫環境下的組織穩定性與服役壽命。
22、隨著溫度的升高，嵌覆在al表面的sio2微粒與b2o3在600～800℃溫度范圍內發生共熔反應，形成低粘度的硅硼玻璃相。該玻璃相在高溫下具有良好的流動性與潤濕性，能夠迅速滲透并填充涂層內部的微裂紋、孔隙及界面微缺陷，起到自愈合修復與致密封閉的作用，從而有效阻斷氧氣、水汽等腐蝕介質的擴散通道。因此，這種復合結構使得整個涂層體系的保護機制實現了從“鋁的快速氧化屏障形成”過渡到“sio2緩慢釋放形成玻璃封閉層”的時間梯度響應，構建出一套“先封氧，再封裂”的雙層防護體系。這種順序響應機制不僅能保證軌道鋼在升溫初期即獲得快速保護，也能在長時間熱處理過程中持續提供結構穩定支持與裂紋修復功能，顯著提升整體服役壽命與抗氧化穩定性。
23、本發明的涂料中，莫來石（3al2o3·2sio2）、鋯英砂（zrsio4）和礬土（al2o3）作為高熔點骨架相，在高溫環境下形成穩定的三維互鎖陶瓷框架結構，能夠顯著提升涂層的整體熱機械性能，抵御熱膨脹應力和外部沖擊，提高涂層的抗熱震性能與結構完整性。
24、涂層中引入的滑石細粉（主要成分mg3si4o10(oh)2）在高溫下部分分解，釋放出mgo與sio2，其中mgo參與高溫燒結過程，促進陶瓷顆粒之間的頸部連接，形成燒結支撐相，進一步提高涂層的致密度、強度和耐熱穩定性。mgo的加入還能夠使材料熔化溫度提升，使涂層對鋼基體呈現出惰性，有助于鑄坯出爐后涂層自行剝落。在高溫段還有可能生成mgal0.6fe1.4o4等尖晶石結構，增強氧化層致密性，抑制鋼的氧化過程。
25、另外，氧化鉻（cr2o3）在涂層高溫反應過程中優先富集于表面，并與氧氣反應生成致密的氧化鉻膜，具有極低的氧離子擴散系數，可顯著增強涂層表面對氧氣滲透的阻隔能力，延緩高錳鋼基體的氧化和碳逸散。
26、與現有技術相比，本發明所達到的有益效果是：
27、（1）通過結構設計實現了防護功能的時間延遲釋放與多階段協同響應，使得涂層系統具備即時屏障、后期愈合、結構穩定三重功能，突破了傳統混合型粉體熱處理過程中反應雜亂、功能干擾、保護不持續的技術瓶頸。
28、（2）涂層在1250°c高溫環境下具有優異的抗氧化和防脫碳性能，且除鱗容易，適用于高錳軌道鋼熱處理、高溫鍛造和高溫加工等場合。
29、（3）涂層在1250℃及以上高溫下仍具有優良的附著力、抗剝落性和熱穩定性；
30、（4）sio2/al復合粉體的引入有效優化了涂層的氧擴散阻斷機制，高錳鋼經涂層防護后在1250℃下6?h保溫時長的條件下，顯著降低脫碳層厚度（＜150?μm）和氧化增重（小于5%）；
31、（5）涂層可常溫制備，無需高溫燒結或特殊預處理，工藝簡便，適于工業推廣；
32、（6）涂層體系無毒環保，避免使用cr6+類組分，符合綠色制造發展方向。
33、綜上，本發明通過鋁氧化降氧機制、玻璃相熔融致密機制、陶瓷骨架支撐機制與裂紋自愈合機制的多機制協同，實現了在極端高溫環境下對高錳鋼基材的高效防護，顯著提升了涂層的抗氧化性、熱穩定性和服役壽命，具有廣泛的工程應用前景。