Cr2AlC陶瓷的合成及其摩擦磨损性能*

徐　峰，吕振林

(1. 西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048;2. 陕西理工学院 材料科学与工程学院，陕西 汉中 723000)



Cr2AlC陶瓷的合成及其摩擦磨损性能*

徐峰1,2，吕振林1

(1. 西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048;2. 陕西理工学院 材料科学与工程学院，陕西 汉中 723000)

摘要：以Cr粉、Al粉和石墨为原料，采用热压原位反应烧结合成Cr2AlC陶瓷材料。研究不同的烧结温度对合成Cr2AlC陶瓷的物相组成和性能的影响，对Cr2AlC陶瓷的摩擦磨损性能进行了测试研究。实验结果表明，按照摩尔比n(Cr)∶n(Al)∶n(C)=2.0∶1.2∶1.0的粉末配比，在1 350 ℃热压烧结1.0 h，可合成出高纯度单相Cr2AlC陶瓷。当烧结温度较低时合成产物主要为Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3；当烧结温度超过1 450 ℃时Cr2AlC陶瓷会分解为Cr7C3。Cr2AlC陶瓷的干摩擦因数和磨损率均随摩擦载荷的增加呈现出先增加后降低的趋势，当载荷为50 N时，干摩擦因数和磨损率达到最大值。

关键词：层状陶瓷；反应烧结；摩擦因数；磨损量

0引言

Cr2A1C是三元层状陶瓷中211相典型代表，它不仅具有类似于金属的高热导率和电导率，而且还具有陶瓷的高强度、耐腐蚀性能和优良的高温抗氧化性能。Cr2A1C中Cr-C之间以强键σ结合，使得其具有高强度和高熔点的性能；Cr-Al原子之间形成类似于石墨的层状结构，使其具有自润滑性[1-3]。Cr2AlC独特的层状结构和优异的性能，成为材料研究领域的热点。Cr2AlC具有层状结构的自润滑性和耐高温特性，可作为耐高温摩擦材料，应用于高温摩擦材料领域[4-6]。但由于Cr2AlC合成反应区间非常狭小，高纯度单相Cr2AlC陶瓷合成具有一定的难度，对其性能也有很大的影响。因此，研究单相高纯度Cr2AlC陶瓷的合成工艺，以及干摩擦磨损性能，对其在固体润滑、耐磨结构件领域内的应用具有重要意义。

本文采用热压烧结工艺合成Cr2AlC陶瓷，研究烧结温度对合成试样的物相组成和性能的影响，并测试研究Cr2AlC陶瓷的干摩擦磨损性能，以期为今后Cr2AlC陶瓷在耐磨领域的工业化应用提供可靠的理论参考。

1实验

1.1试样制备

以Cr粉(纯度大于99%，400目)、Al粉(纯度大于99%，200目)和石墨粉(纯度大于99%，500目)为反应原料，粉末按照n(Cr)∶n(Al)∶n(C)=2.0∶1.2∶1.0的摩尔比进行配料混粉。为使原料粉末充分混合均匀，采用球磨湿混法进行混粉，球磨介质为玛瑙球，球料比为2∶1，球磨时间24 h。在热压烧结炉中进行合成烧结试验，烧结压力30 MPa，在Ar气氛保护下进行，烧结温度1 050～1 450 ℃，烧结时间1.0 h。

1.2检测与分析

采用日本ALFA MIRAGE 电子比重计SD-200L测量Cr2AlC的体积密度；采用日本岛津XRD-2500 型X射线衍射仪对Cr2AlC物相进行分析；采用日本电子株式会社(JEOL)的JSM-6390LV型扫描电子显微镜进行组织形貌观察，利用能谱仪进行成分分析。

利用中科凯华GHT-1000E型柱销-盘式摩擦试验机进行Cr2AlC陶瓷干摩擦磨损性能测试。Cr2AlC摩擦磨损试样尺寸为Ø30 mm×5 mm盘式试样，对偶摩擦材料GCr15钢。实验在室温环境下进行，摩擦载荷为30～70 N，滑动速度为1.0 m/s。

2结果与分析

2.1物相组成分析

图1为试样在1 350 ℃热压烧结合成1.0 h后的X射线衍射(XRD)图谱。从图1可见，所合成的试样的主晶相为Cr2AlC，没有其它杂相峰，且特征峰尖锐，表明所合成试样的物相组成为单相Cr2AlC相，为高纯度单相Cr2AlC陶瓷。

图11 350 ℃ 热压烧结合成Cr2AlC试样XRD图谱

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

2.2微观形貌特征分析

图2为1 350 ℃热压烧结1.0 h后所合成的Cr2AlC陶瓷试样断口SEM形貌照片。从图2可以看出，所合成试样中Cr2AlC为层片状结构，层片厚度约为50 nm，层片的生长方向各异，但是组织结构紧密，孔隙率低。通过体积密度仪测量，试样密度为5.17 g/cm3，约为理论密度的98%。

图2　1 350 ℃热压烧结合成Cr2AlC断面SEM照片

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

2.3烧结合成温度对Cr2AlC的影响

为了研究不同烧结温度对合成Cr2AlC的物相组成的影响。分别采用1 050，1 150，1 250，1 350和1 450 ℃等5个不同的烧结温度进行合成烧结对比实验研究，烧结时间均为1.0 h，并对5个试样进行XRD分析研究，结果如图3所示。

图3　不同烧结温度合成的试样XRD对比图谱

Fig 3 Comparing the XRD pattern of different sintering synthesis temperature

由图3发现，烧结温度在1 050～1 450 ℃范围之间，所合成试样的主晶为Cr2AlC。烧结温度为1 050 ℃时，开始有Cr2AlC和Cr2Al生成；当烧结温度提高到1 150 ℃时，烧结产物为Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3相；烧结温度升至1 250 ℃时，烧结产物转变为Cr2AlC和Cr7C3相；随着烧结温度的继续提高，Cr2AlC的衍射峰强度逐渐增强，当烧结温度为1 350 ℃时，此时试样产物为单相Cr2AlC相；随着温度的进一步升高达到1 450 ℃时，已经合成的单相Cr2AlC部分发生分解，生成Cr2AlC和Cr7C3相，说明合成Cr2AlC不能在超过1 450 ℃的高温条件下长时间烧结。

由此可知，Cr2AlC在1 050 ℃开始形成，1 350 ℃是合成Cr2AlC的最佳烧结温度。

2.4Cr2AlC对GCr15钢的摩擦磨损特性

图4为Cr2AlC陶瓷在不同载荷下的干摩擦磨损图。由图4可以看出，在干摩擦条件下，Cr2AlC陶瓷与GCr15钢对摩时，摩擦因数和磨损率均呈现出先增加后减小的变化规律，在压力为50 N时，干摩擦因数和磨损率达到最大值，此时摩擦因数为0.701，随着载荷的进一步增加，摩擦因数与磨损率呈现下降的趋势。

图4　Cr2AlC陶瓷干摩擦磨损性能

Fig 4 Dry friction and wear properties of Cr2AlC ceramic

Cr2AlC陶瓷具有层状结构，在其结构中Cr-Al原子之间以金属键结合且被C原子层相隔，即Cr原子和Al原子平面之间形成交替层叠的层状结构，这种弱结合结构与石墨类似，使得Cr2AlC陶瓷材料层片之间具有易于剥离的特性，以及独特的自润滑性能。

当载荷较小时，Cr2AlC陶瓷与GCr15钢摩擦副之间的摩擦力比较小，摩擦产热较少，Cr2AlC陶瓷摩擦表面具有自润滑性使得摩擦因数较小。同时，载荷较小情况下Cr2AlC陶瓷表面受到的摩擦剪切阻力较小，Cr2AlC陶瓷表面层没有达到其剪切断裂剥离的破坏强度，促使在较低载荷下的磨损率也比较低。

当载荷继续增加，对偶摩擦副表面之间受到的摩擦剪切阻力也随之增加，当剪切阻力超过Cr2AlC颗粒的断裂破坏强度时，就会造成Cr2AlC陶瓷摩擦表面粒子的脱落，部分脱落颗粒进入对摩副之间，形成了对摩面之间磨粒磨损，颗粒摩擦在摩擦表面形成摩擦犁沟(见图5)，导致摩擦因数增大，磨损率也进一步增加。另外，由于在此阶段摩擦载荷力不是很大，使得Cr2AlC陶瓷表面摩擦热量较少，致使氧化程度较低，Cr2AlC陶瓷摩擦表面只能够形成断续的氧化膜，并且在摩擦过程中不断的生成氧化膜在摩擦剪切力作用下会迅速从摩擦表面上剥落，形成轻微黏着磨损，这也使得磨损进一步加剧，从而导致其磨损率的也随之增大。

图5　载荷50 N时Cr2AlC 摩擦表面形貌

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

当载荷超过50 N时，随着摩擦载荷的增加，摩擦副间的摩擦剪切阻力增大， Cr2AlC陶瓷摩擦表面产生的摩擦热也进一步增加，不断累积的摩擦热使得Cr2AlC陶瓷摩擦表面形成了一层连续氧化膜(见图6),此时连续氧化膜在Cr2AlC陶瓷表面与对偶摩擦副GCr15钢之间形成一层隔离膜，连续氧化膜也保护了Cr2AlC陶瓷表面的进一步氧化和磨损，导致摩擦因数开始降低[7-9]。另外，由于较大的摩擦载荷，使得陶瓷表面微凸体对对偶摩擦副GCr15钢面的剪切阻力作用增大，使得GCr15钢表面的Fe元素发生扩散和转移，在陶瓷表面形成金属转移氧化膜，图7为摩擦表面氧化膜的能谱分析结果。

图6　载荷60 N时Cr2AlC摩擦表面

图7　载荷60 N时Cr2AlC摩擦表面能谱图

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

从图7中可以看出，Cr2AlC陶瓷摩擦表面除了氧化外,还有GCr15钢的摩擦转移膜(其表面的Fe元素即是对摩擦副GCr15钢转移而来)。这些氧化膜由Cr、Al、Fe的氧化物组成，起到了保护陶瓷表面作用，故其摩擦因素和磨损率都有所降低。

3结论

(1)以Cr、Al和石墨为原料，利用热压烧结工艺制备出了单相Cr2AlC陶瓷材料，其密度为5.17 g/cm3。

(2)当烧结温度较低时合成产物主要为Cr2AlC、Cr2Al和Cr7C3；而当烧结温度超过1 450 ℃时Cr2AlC陶瓷会分解为Cr7C3。

(3)Cr2AlC陶瓷的摩擦因数和磨损率都随载荷的增加呈现出先增加后减小规律，当载荷为50 N时摩擦因素为0.701。

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文章编号：1001-9731(2016)07-07229-04

基金项目：陕西省自然科学基金资助项目(2007E104)

作者简介：徐峰(1977-)，男，西安人，副教授，在读博士，从事先进陶瓷研究。

中图分类号：TQ714

文献标识码：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 通讯作者：吕振林，E-mail: xf96050@163.com