Cr2AlC陶瓷的合成及其摩擦磨損性能*

徐　峰，呂振林

(1. 西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048;2. 陜西理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

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Cr2AlC陶瓷的合成及其摩擦磨損性能*

徐峰1,2，呂振林1

(1. 西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048;2. 陜西理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

摘要：以Cr粉、Al粉和石墨為原料，采用熱壓原位反應(yīng)燒結(jié)合成Cr2AlC陶瓷材料。研究不同的燒結(jié)溫度對(duì)合成Cr2AlC陶瓷的物相組成和性能的影響，對(duì)Cr2AlC陶瓷的摩擦磨損性能進(jìn)行了測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按照摩爾比n(Cr)∶n(Al)∶n(C)=2.0∶1.2∶1.0的粉末配比，在1 350 ℃熱壓燒結(jié)1.0 h，可合成出高純度單相Cr2AlC陶瓷。當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)合成產(chǎn)物主要為Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3；當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)1 450 ℃時(shí)Cr2AlC陶瓷會(huì)分解為Cr7C3。Cr2AlC陶瓷的干摩擦因數(shù)和磨損率均隨摩擦載荷的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)載荷為50 N時(shí)，干摩擦因數(shù)和磨損率達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：層狀陶瓷；反應(yīng)燒結(jié)；摩擦因數(shù)；磨損量

0引言

Cr2A1C是三元層狀陶瓷中211相典型代表，它不僅具有類(lèi)似于金屬的高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，而且還具有陶瓷的高強(qiáng)度、耐腐蝕性能和優(yōu)良的高溫抗氧化性能。Cr2A1C中Cr-C之間以強(qiáng)鍵σ結(jié)合，使得其具有高強(qiáng)度和高熔點(diǎn)的性能；Cr-Al原子之間形成類(lèi)似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，使其具有自潤(rùn)滑性[1-3]。Cr2AlC獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，成為材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。Cr2AlC具有層狀結(jié)構(gòu)的自潤(rùn)滑性和耐高溫特性，可作為耐高溫摩擦材料，應(yīng)用于高溫摩擦材料領(lǐng)域[4-6]。但由于Cr2AlC合成反應(yīng)區(qū)間非常狹小，高純度單相Cr2AlC陶瓷合成具有一定的難度，對(duì)其性能也有很大的影響。因此，研究單相高純度Cr2AlC陶瓷的合成工藝，以及干摩擦磨損性能，對(duì)其在固體潤(rùn)滑、耐磨結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用具有重要意義。

本文采用熱壓燒結(jié)工藝合成Cr2AlC陶瓷，研究燒結(jié)溫度對(duì)合成試樣的物相組成和性能的影響，并測(cè)試研究Cr2AlC陶瓷的干摩擦磨損性能，以期為今后Cr2AlC陶瓷在耐磨領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用提供可靠的理論參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試樣制備

以Cr粉(純度大于99%，400目)、Al粉(純度大于99%，200目)和石墨粉(純度大于99%，500目)為反應(yīng)原料，粉末按照n(Cr)∶n(Al)∶n(C)=2.0∶1.2∶1.0的摩爾比進(jìn)行配料混粉。為使原料粉末充分混合均勻，采用球磨濕混法進(jìn)行混粉，球磨介質(zhì)為瑪瑙球，球料比為2∶1，球磨時(shí)間24 h。在熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行合成燒結(jié)試驗(yàn)，燒結(jié)壓力30 MPa，在A(yíng)r氣氛保護(hù)下進(jìn)行，燒結(jié)溫度1 050～1 450 ℃，燒結(jié)時(shí)間1.0 h。

1.2檢測(cè)與分析

采用日本ALFA MIRAGE 電子比重計(jì)SD-200L測(cè)量Cr2AlC的體積密度；采用日本島津XRD-2500 型X射線(xiàn)衍射儀對(duì)Cr2AlC物相進(jìn)行分析；采用日本電子株式會(huì)社(JEOL)的JSM-6390LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織形貌觀(guān)察，利用能譜儀進(jìn)行成分分析。

利用中科凱華GHT-1000E型柱銷(xiāo)-盤(pán)式摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行Cr2AlC陶瓷干摩擦磨損性能測(cè)試。Cr2AlC摩擦磨損試樣尺寸為?30 mm×5 mm盤(pán)式試樣，對(duì)偶摩擦材料GCr15鋼。實(shí)驗(yàn)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，摩擦載荷為30～70 N，滑動(dòng)速度為1.0 m/s。

2結(jié)果與分析

2.1物相組成分析

圖1為試樣在1 350 ℃熱壓燒結(jié)合成1.0 h后的X射線(xiàn)衍射(XRD)圖譜。從圖1可見(jiàn)，所合成的試樣的主晶相為Cr2AlC，沒(méi)有其它雜相峰，且特征峰尖銳，表明所合成試樣的物相組成為單相Cr2AlC相，為高純度單相Cr2AlC陶瓷。

圖11 350 ℃ 熱壓燒結(jié)合成Cr2AlC試樣X(jué)RD圖譜

Fig 1 The XRD pattern of the hot-pressing at 1 350 ℃

2.2微觀(guān)形貌特征分析

圖2為1 350 ℃熱壓燒結(jié)1.0 h后所合成的Cr2AlC陶瓷試樣斷口SEM形貌照片。從圖2可以看出，所合成試樣中Cr2AlC為層片狀結(jié)構(gòu)，層片厚度約為50 nm，層片的生長(zhǎng)方向各異，但是組織結(jié)構(gòu)緊密，孔隙率低。通過(guò)體積密度儀測(cè)量，試樣密度為5.17 g/cm3，約為理論密度的98%。

圖2　1 350 ℃熱壓燒結(jié)合成Cr2AlC斷面SEM照片

Fig 2 SEM photograph of Cr2AlC hot-pressing at 1 350 ℃

2.3燒結(jié)合成溫度對(duì)Cr2AlC的影響

為了研究不同燒結(jié)溫度對(duì)合成Cr2AlC的物相組成的影響。分別采用1 050，1 150，1 250，1 350和1 450 ℃等5個(gè)不同的燒結(jié)溫度進(jìn)行合成燒結(jié)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，燒結(jié)時(shí)間均為1.0 h，并對(duì)5個(gè)試樣進(jìn)行XRD分析研究，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同燒結(jié)溫度合成的試樣X(jué)RD對(duì)比圖譜

Fig 3 Comparing the XRD pattern of different sintering synthesis temperature

由圖3發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度在1 050～1 450 ℃范圍之間，所合成試樣的主晶為Cr2AlC。燒結(jié)溫度為1 050 ℃時(shí)，開(kāi)始有Cr2AlC和Cr2Al生成；當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1 150 ℃時(shí)，燒結(jié)產(chǎn)物為Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3相；燒結(jié)溫度升至1 250 ℃時(shí)，燒結(jié)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃r2AlC和Cr7C3相；隨著燒結(jié)溫度的繼續(xù)提高，Cr2AlC的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 350 ℃時(shí)，此時(shí)試樣產(chǎn)物為單相Cr2AlC相；隨著溫度的進(jìn)一步升高達(dá)到1 450 ℃時(shí)，已經(jīng)合成的單相Cr2AlC部分發(fā)生分解，生成Cr2AlC和Cr7C3相，說(shuō)明合成Cr2AlC不能在超過(guò)1 450 ℃的高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)。

由此可知，Cr2AlC在1 050 ℃開(kāi)始形成，1 350 ℃是合成Cr2AlC的最佳燒結(jié)溫度。

2.4Cr2AlC對(duì)GCr15鋼的摩擦磨損特性

圖4為Cr2AlC陶瓷在不同載荷下的干摩擦磨損圖。由圖4可以看出，在干摩擦條件下，Cr2AlC陶瓷與GCr15鋼對(duì)摩時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律，在壓力為50 N時(shí)，干摩擦因數(shù)和磨損率達(dá)到最大值，此時(shí)摩擦因數(shù)為0.701，隨著載荷的進(jìn)一步增加，摩擦因數(shù)與磨損率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖4　Cr2AlC陶瓷干摩擦磨損性能

Fig 4 Dry friction and wear properties of Cr2AlC ceramic

Cr2AlC陶瓷具有層狀結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)中Cr-Al原子之間以金屬鍵結(jié)合且被C原子層相隔，即Cr原子和Al原子平面之間形成交替層疊的層狀結(jié)構(gòu)，這種弱結(jié)合結(jié)構(gòu)與石墨類(lèi)似，使得Cr2AlC陶瓷材料層片之間具有易于剝離的特性，以及獨(dú)特的自潤(rùn)滑性能。

當(dāng)載荷較小時(shí)，Cr2AlC陶瓷與GCr15鋼摩擦副之間的摩擦力比較小，摩擦產(chǎn)熱較少，Cr2AlC陶瓷摩擦表面具有自潤(rùn)滑性使得摩擦因數(shù)較小。同時(shí)，載荷較小情況下Cr2AlC陶瓷表面受到的摩擦剪切阻力較小，Cr2AlC陶瓷表面層沒(méi)有達(dá)到其剪切斷裂剝離的破壞強(qiáng)度，促使在較低載荷下的磨損率也比較低。

當(dāng)載荷繼續(xù)增加，對(duì)偶摩擦副表面之間受到的摩擦剪切阻力也隨之增加，當(dāng)剪切阻力超過(guò)Cr2AlC顆粒的斷裂破壞強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成Cr2AlC陶瓷摩擦表面粒子的脫落，部分脫落顆粒進(jìn)入對(duì)摩副之間，形成了對(duì)摩面之間磨粒磨損，顆粒摩擦在摩擦表面形成摩擦犁溝(見(jiàn)圖5)，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，磨損率也進(jìn)一步增加。另外，由于在此階段摩擦載荷力不是很大，使得Cr2AlC陶瓷表面摩擦熱量較少，致使氧化程度較低，Cr2AlC陶瓷摩擦表面只能夠形成斷續(xù)的氧化膜，并且在摩擦過(guò)程中不斷的生成氧化膜在摩擦剪切力作用下會(huì)迅速?gòu)哪Σ帘砻嫔蟿兟?，形成輕微黏著磨損，這也使得磨損進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致其磨損率的也隨之增大。

圖5　載荷50 N時(shí)Cr2AlC 摩擦表面形貌

Fig 5 Morphology of the friction surface of Cr2AlC at 50 N

當(dāng)載荷超過(guò)50 N時(shí)，隨著摩擦載荷的增加，摩擦副間的摩擦剪切阻力增大， Cr2AlC陶瓷摩擦表面產(chǎn)生的摩擦熱也進(jìn)一步增加，不斷累積的摩擦熱使得Cr2AlC陶瓷摩擦表面形成了一層連續(xù)氧化膜(見(jiàn)圖6),此時(shí)連續(xù)氧化膜在Cr2AlC陶瓷表面與對(duì)偶摩擦副GCr15鋼之間形成一層隔離膜，連續(xù)氧化膜也保護(hù)了Cr2AlC陶瓷表面的進(jìn)一步氧化和磨損，導(dǎo)致摩擦因數(shù)開(kāi)始降低[7-9]。另外，由于較大的摩擦載荷，使得陶瓷表面微凸體對(duì)對(duì)偶摩擦副GCr15鋼面的剪切阻力作用增大，使得GCr15鋼表面的Fe元素發(fā)生擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，在陶瓷表面形成金屬轉(zhuǎn)移氧化膜，圖7為摩擦表面氧化膜的能譜分析結(jié)果。

圖6　載荷60 N時(shí)Cr2AlC摩擦表面

圖7　載荷60 N時(shí)Cr2AlC摩擦表面能譜圖

Fig 7 EDS pattern of friction surface of Cr2AlC at 60 N

從圖7中可以看出，Cr2AlC陶瓷摩擦表面除了氧化外,還有GCr15鋼的摩擦轉(zhuǎn)移膜(其表面的Fe元素即是對(duì)摩擦副GCr15鋼轉(zhuǎn)移而來(lái))。這些氧化膜由Cr、Al、Fe的氧化物組成，起到了保護(hù)陶瓷表面作用，故其摩擦因素和磨損率都有所降低。

3結(jié)論

(1)以Cr、Al和石墨為原料，利用熱壓燒結(jié)工藝制備出了單相Cr2AlC陶瓷材料，其密度為5.17 g/cm3。

(2)當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)合成產(chǎn)物主要為Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3；而當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)1 450 ℃時(shí)Cr2AlC陶瓷會(huì)分解為Cr7C3。

(3)Cr2AlC陶瓷的摩擦因數(shù)和磨損率都隨載荷的增加呈現(xiàn)出先增加后減小規(guī)律，當(dāng)載荷為50 N時(shí)摩擦因素為0.701。

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文章編號(hào)：1001-9731(2016)07-07229-04

基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2007E104)

作者簡(jiǎn)介：徐峰(1977-)，男，西安人，副教授，在讀博士，從事先進(jìn)陶瓷研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ714

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.045

Synthesis and frictional wear of Cr2AlC ceramic

XU Feng1,2, LV Zhenlin1

(1. School Material Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;2. School Material Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract:Cr2AlC ceramic materials were prepared by hot pressing sintering process with Cr, Al and graphite as raw materials. The effect of process parameters on the phase and physical properties of the ceramic material was investigated, and the friction and wear properties of the sample were analyzed. The experimental results show that can be prepared from high purity single phase Cr2AlC ceramics by hot pressing of 1.0 h at 1 350 ℃, according to the ratio of n(Cr)∶n(Al)∶n(C)=2.0∶1.2∶1.0. When the sintering temperature is low, the main products were Cr2Al, Cr7C3 and Cr2AlC, and the Cr2AlC ceramics decomposed into Cr7C3 when the sintering temperature exceeds 1 450 ℃. The dry friction factor and wear rate of Cr2AlC ceramics increased firstly and then decreased with the increase of the friction load. When the load was 50 N, the dry friction factor and wear rate were the maximum.

Key words:layered ceramic; reaction sintering; friction factor; wear rate

收到初稿日期：2015-07-24 收到修改稿日期：2016-02-02 通訊作者：呂振林，E-mail: xf96050@163.com