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 材料科學與工程學院，西安 710048;2. 陜西理工學院 材料科學與工程學院，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 材料科學與工程學院，西安 710048;2. 陜西理工學院 材料科學與工程學院，陜西 漢中 723000)

摘要：以Cr粉、Al粉和石墨為原料，采用熱壓原位反應燒結合成Cr2AlC陶瓷材料。研究不同的燒結溫度對合成Cr2AlC陶瓷的物相組成和性能的影響，對Cr2AlC陶瓷的摩擦磨損性能進行了測試研究。實驗結果表明，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1.0 h，可合成出高純度單相Cr2AlC陶瓷。當燒結溫度較低時合成產物主要為Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3；當燒結溫度超過1 450 ℃時Cr2AlC陶瓷會分解為Cr7C3。Cr2AlC陶瓷的干摩擦因數和磨損率均隨摩擦載荷的增加呈現出先增加后降低的趨勢，當載荷為50 N時，干摩擦因數和磨損率達到最大值。

關鍵詞：層狀陶瓷；反應燒結；摩擦因數；磨損量

0引言

Cr2A1C是三元層狀陶瓷中211相典型代表，它不僅具有類似于金屬的高熱導率和電導率，而且還具有陶瓷的高強度、耐腐蝕性能和優良的高溫抗氧化性能。Cr2A1C中Cr-C之間以強鍵σ結合，使得其具有高強度和高熔點的性能；Cr-Al原子之間形成類似于石墨的層狀結構，使其具有自潤滑性[1-3]。Cr2AlC獨特的層狀結構和優異的性能，成為材料研究領域的熱點。Cr2AlC具有層狀結構的自潤滑性和耐高溫特性，可作為耐高溫摩擦材料，應用于高溫摩擦材料領域[4-6]。但由于Cr2AlC合成反應區間非常狹小，高純度單相Cr2AlC陶瓷合成具有一定的難度，對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，對其在固體潤滑、耐磨結構件領域內的應用具有重要意義。

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

1實驗

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)為反應原料，粉末按照n(Cr)∶n(Al)∶n(C)=2.0∶1.2∶1.0的摩爾比進行配料混粉。為使原料粉末充分混合均勻，采用球磨濕混法進行混粉，球磨介質為瑪瑙球，球料比為2∶1，球磨時間24 h。在熱壓燒結爐中進行合成燒結試驗，燒結壓力30 MPa，在Ar氣氛保護下進行，燒結溫度1 050～1 450 ℃，燒結時間1.0 h。

1.2檢測與分析

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

利用中科凱華GHT-1000E型柱銷-盤式摩擦試驗機進行Cr2AlC陶瓷干摩擦磨損性能測試。Cr2AlC摩擦磨損試樣尺寸為?30 mm×5 mm盤式試樣，對偶摩擦材料GCr15鋼。實驗在室溫環境下進行，摩擦載荷為30～70 N，滑動速度為1.0 m/s。

2結果與分析

2.1物相組成分析

圖1為試樣在1 350 ℃熱壓燒結合成1.0 h后的X射線衍射(XRD)圖譜。從圖1可見，所合成的試樣的主晶相為Cr2AlC，沒有其它雜相峰，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 ℃ 熱壓燒結合成Cr2AlC試樣XRD圖譜

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

2.2微觀形貌特征分析

圖2為1 350 ℃熱壓燒結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為層片狀結構，層片厚度約為50 nm，層片的生長方向各異，但是組織結構緊密，孔隙率低。通過體積密度儀測量，試樣密度為5.17 g/cm3，約為理論密度的98%。

圖2　1 350 ℃熱壓燒結合成Cr2AlC斷面SEM照片

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

2.3燒結合成溫度對Cr2AlC的影響

為了研究不同燒結溫度對合成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個不同的燒結溫度進行合成燒結對比實驗研究，燒結時間均為1.0 h，并對5個試樣進行XRD分析研究，結果如圖3所示。

圖3　不同燒結溫度合成的試樣XRD對比圖譜

Fig 3 Comparing the XRD pattern of different sintering synthesis temperature

由圖3發現，燒結溫度在1 050～1 450 ℃范圍之間，所合成試樣的主晶為Cr2AlC。燒結溫度為1 050 ℃時，開始有Cr2AlC和Cr2Al生成；當燒結溫度提高到1 150 ℃時，燒結產物為Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3相；燒結溫度升至1 250 ℃時，燒結產物轉變為Cr2AlC和Cr7C3相；隨著燒結溫度的繼續提高，Cr2AlC的衍射峰強度逐漸增強，當燒結溫度為1 350 ℃時，此時試樣產物為單相Cr2AlC相；隨著溫度的進一步升高達到1 450 ℃時，已經合成的單相Cr2AlC部分發生分解，生成Cr2AlC和Cr7C3相，說明合成Cr2AlC不能在超過1 450 ℃的高溫條件下長時間燒結。

由此可知，Cr2AlC在1 050 ℃開始形成，1 350 ℃是合成Cr2AlC的最佳燒結溫度。

2.4Cr2AlC對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鋼對摩時，摩擦因數和磨損率均呈現出先增加后減小的變化規律，在壓力為50 N時，干摩擦因數和磨損率達到最大值，此時摩擦因數為0.701，隨著載荷的進一步增加，摩擦因數與磨損率呈現下降的趨勢。

圖4　Cr2AlC陶瓷干摩擦磨損性能

Fig 4 Dry friction and wear properties of Cr2AlC ceramic

Cr2AlC陶瓷具有層狀結構，在其結構中Cr-Al原子之間以金屬鍵結合且被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構，這種弱結合結構與石墨類似，使得Cr2AlC陶瓷材料層片之間具有易于剝離的特性，以及獨特的自潤滑性能。

當載荷較小時，Cr2AlC陶瓷與GCr15鋼摩擦副之間的摩擦力比較小，摩擦產熱較少，Cr2AlC陶瓷摩擦表面具有自潤滑性使得摩擦因數較小。同時，載荷較小情況下Cr2AlC陶瓷表面受到的摩擦剪切阻力較小，Cr2AlC陶瓷表面層沒有達到其剪切斷裂剝離的破壞強度，促使在較低載荷下的磨損率也比較低。

當載荷繼續增加，對偶摩擦副表面之間受到的摩擦剪切阻力也隨之增加，當剪切阻力超過Cr2AlC顆粒的斷裂破壞強度時，就會造成Cr2AlC陶瓷摩擦表面粒子的脫落，部分脫落顆粒進入對摩副之間，形成了對摩面之間磨粒磨損，顆粒摩擦在摩擦表面形成摩擦犁溝(見圖5)，導致摩擦因數增大，磨損率也進一步增加。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的氧化膜，并且在摩擦過程中不斷的生成氧化膜在摩擦剪切力作用下會迅速從摩擦表面上剝落，形成輕微黏著磨損，這也使得磨損進一步加劇，從而導致其磨損率的也隨之增大。

圖5　載荷50 N時Cr2AlC 摩擦表面形貌

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

當載荷超過50 N時，隨著摩擦載荷的增加，摩擦副間的摩擦剪切阻力增大， Cr2AlC陶瓷摩擦表面產生的摩擦熱也進一步增加，不斷累積的摩擦熱使得Cr2AlC陶瓷摩擦表面形成了一層連續氧化膜(見圖6),此時連續氧化膜在Cr2AlC陶瓷表面與對偶摩擦副GCr15鋼之間形成一層隔離膜，連續氧化膜也保護了Cr2AlC陶瓷表面的進一步氧化和磨損，導致摩擦因數開始降低[7-9]。另外，由于較大的摩擦載荷，使得陶瓷表面微凸體對對偶摩擦副GCr15鋼面的剪切阻力作用增大，使得GCr15鋼表面的Fe元素發生擴散和轉移，在陶瓷表面形成金屬轉移氧化膜，圖7為摩擦表面氧化膜的能譜分析結果。

圖6　載荷60 N時Cr2AlC摩擦表面

圖7　載荷60 N時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鋼的摩擦轉移膜(其表面的Fe元素即是對摩擦副GCr15鋼轉移而來)。這些氧化膜由Cr、Al、Fe的氧化物組成，起到了保護陶瓷表面作用，故其摩擦因素和磨損率都有所降低。

3結論

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

(2)當燒結溫度較低時合成產物主要為Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3；而當燒結溫度超過1 450 ℃時Cr2AlC陶瓷會分解為Cr7C3。

(3)Cr2AlC陶瓷的摩擦因數和磨損率都隨載荷的增加呈現出先增加后減小規律，當載荷為50 N時摩擦因素為0.701。

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文章編號：1001-9731(2016)07-07229-04

基金項目：陜西省自然科學基金資助項目(2007E104)

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

中圖分類號：TQ714

文獻標識碼：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