一种Cr-Ti-Mo基MAX陶瓷材料及制备方法和使用方法

一种cr-ti-mo基max陶瓷材料及制备方法和使用方法
技术领域
1.本发明属于高温抗磨减摩材料技术领域，涉及一种cr-ti-mo基max陶瓷材料及制备方法和使用方法。

背景技术：

2.现代工业在较宽的温度范围内对具有低磨损率和低摩擦的运动系统的需求很大，如翼型轴承、气轮机密封件、气缸壁/活塞环润滑、用于低热量排放的柴油发动机以及各种熔炉组件等。根据润滑材料的形态差异，润滑材料可以分为：气体润滑、液体润滑、半固体润滑和固体润滑材料。其中，固体润滑材料最早应用于航天领域，因为该类材料既能够适应外太空的高真空、强辐射条件，又能规避液体润滑所需的密封及加料的问题。此外，固体润滑材料还能作为高负载、强腐蚀、宽温域条件下的润滑解决方案，这使得其应用逐渐由航空航天领域扩展到民用领域。由于max陶瓷材料既具有金属的高刚度、可加工性、导电导热性，又具有陶瓷的热稳定和抗氧化性，结合其层间较强的m-x键和较弱的m-a键，它作为固体润滑材料具有很大的潜力。
3.然而，ti基max陶瓷在不同温度下较高的磨损率制约了其在高温摩擦润滑领域的进一步发展和实际的应用。
4.文献“wang s,ma j,zhu s,et al.high temperature tribological properties of ti3alc2ceramic against sic under different atmospheres[j].materials&design,2015,67:188-196.”公开了一种ti基max陶瓷的制备方法。该方法采用热压烧结法合成了ti基max陶瓷材料并用于高温摩擦润滑领域，但该材料的自身局限性使其不能够进行规模化生产，因此制约了其实际应用。

技术实现要素：

[0005]
要解决的技术问题
[0006]
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种cr-ti-mo基max陶瓷材料及制备方法和使用方法，解决现有高温固体润滑材料摩擦系数高、高温氧化磨损率大的问题。
[0007]
技术方案
[0008]
一种cr-ti-mo基max陶瓷材料，其特征在于元素cr、ti、mo、al、c粉末的化学计量摩尔比为1～2:0～1:0～1:1～1.5:1.8～2。
[0009]
一种所述cr-ti-mo基max陶瓷的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0010]
步骤1：以元素cr、ti、mo、al、c粉末为原料按照化学计量摩尔比1～2:0～1:0～1:1～1.5:1.8～2混合；所述元素mo粉末原料化学计量摩尔比范围在0～1之间取代一定cr+ti的化学计量摩尔比；
[0011]
步骤2：将配好的原料粉末装入球磨罐放入高能球磨机中球磨预处理；
[0012]
步骤3：将球磨好的粉体放入高温炉中，在氩气气氛保护下热压烧结得到cr-ti-mo基max陶瓷；所述烧结温度不低于1100℃，保温时间不少于30分钟，压力不低于1mpa。
[0013]
所述元素cr、ti、mo、al、c粉末采用市售原料粉末。
[0014]
所述球磨预处理时间为0.5～10小时。
[0015]
所述cr-ti-mo基max陶瓷作为高温抗磨减摩材料的使用。
[0016]
有益效果
[0017]
本发明提出的一种cr-ti-mo基max陶瓷材料及制备方法和使用方法，现代工业在较宽的温度范围内对具有低磨损率和低摩擦的运动系统的需求很大。为解决现有高温固体润滑材料摩擦系数高、高温氧化磨损率大的问题。本技术方案采用高温烧结方法制备了具有三元金属组成的cr-ti-mo基max陶瓷材料。所合成的cr-ti-mo基max陶瓷材料，展现出优异的高温(800℃)抗磨减摩性能。该方法简单易操作、所得材料成分可控、性能可调，且易实现规模化生产，具有重大的现实意义和潜在的应用前景。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
1.现有max陶瓷基高温润滑材料化学成分设计多仅限于al、si、sn等a位元素的取代，在m位金属的固溶取代方面研究不多，且缺乏三种以上金属的固溶取代研究；本发明选取具有双金属cr、ti的312相max材料作为基体，创造性地引入了mo作为掺杂金属，实现了其固溶取代，构筑了保持原有cr、ti金属面外有序分层结构，同时具有金属固溶掺杂组分的新颖max陶瓷，从化学组成及其晶体结构而言均为首次获得。
[0020]
2.由于al、si、sn等a位元素在max整体结构中所占比例较低，现有max材料难以达到高温抗磨减摩效果的阶跃式提升；本发明通过可控添加一定摩尔比例的mo元素对原有金属进行固溶取代，调控了max材料层间作用力(此处为cr-al相互作用)，进而在高温摩擦过程中影响生成氧化物的组分及产量，最终影响高温摩擦学性能。这一mo元素掺杂显著提升了max的层间结合强度并提升了抗氧化性，所得优化摩擦系数(cof)在0.33左右，相较典型ti3alc2、ti3sic2等材料降低约一半，800℃下最低磨损率可达6.1
×
10-8
mm
3 n-1
m-1
，较未掺杂的对照样(约为10-7
mm
3 n-1
m-1
)降低1个数量级，且相较ti3alc2、ti3sic2等材料降低2～3个数量级。
附图说明
[0021]
图1为本发明实施例1、例2和例3制备的cr-ti-mo基max陶瓷材料的x射线衍射图谱。所得材料均呈现出良好的结晶度，其中xrd峰与模拟的cr2tialc2结构的峰一致。通过mo掺杂，实施例2(cr
1.9
ti
0.9
mo
0.2
alc2)和实施例3(cr
1.8
ti
0.8
mo
0.4
alc2)与cr2tialc2的xrd图谱相类似，到对应于(002)、(008)和(014)平面的衍射峰负移(所处2θ角度分别约为10
°
、40
°
、及41
°
)。表明随着mo元素的掺杂，晶格结构发生膨胀，对应于生成了固溶体相结构。
[0022]
图2为本发明实施例1、例2和例3制备的cr-ti-mo基max陶瓷材料在800℃摩擦测试后的磨坑表面的扫描电镜图片(分别为a、b、c)。相较实施例1，实施例2和例3在800℃下产生的磨坑尺寸显著减小和变浅，同时，未磨损区域的表面氧化受到抑制，表现为更平整光洁的表面，表明掺杂后材料的抗氧化性得到提升。特别是，从高放大倍数的扫描电镜图像中可以观察到磨损区域为致密的摩擦膜，这一摩擦膜结构可能是由高温下氧化物熔融状态冷却凝固而来，与材料的高温下的抗磨减摩性质提升密切相关。
[0023]
图3为本发明实施例1、例2和例3制备的cr-ti-mo基max陶瓷材料在宽温域下(25-800℃)的磨损率柱状图。在800℃时，实施例1磨损率约为2.3
×
10-7
mm
3 n-1
m-1
，而实施例2磨
损率最低，达到了约为6.1
×
10-8
mm
3 n-1
m-1
的超低磨损率，而实施例3则表现出了磨损率的重新提升(约为6.0
×
10-8
mm
3 n-1
m-1
)，表明在具有最优化mo掺杂量的条件下，可以实现材料高温氧化及抗磨性能的匹配，进而获得最优摩擦学性能。
具体实施方式
[0024]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0025]
实施例1：
[0026]
1)以市售元素cr、ti、mo、al、c粉末为原料按照2:1:0:1.4:1.9的化学计量摩尔比混合；
[0027]
2)待步骤1)结束后，将配好的原料粉末(约15克)装入球磨罐放入高能球磨机中球磨3小时；
[0028]
3)待步骤2)结束后，将球磨好的样品放入高温炉中，在氩气保护下并于1300℃保温3小时，烧结得到对应max陶瓷，图1为本实施例所得max陶瓷的x-射线衍射图谱，其衍射峰与标准卡片相对应，且没有杂相。
[0029]
为了进一步验证上述材料的高温摩擦性能，还进行了步骤4)，如下：
[0030]
4)将步骤3)得到的cr-ti-mo基max陶瓷材料加工成标准尺寸，用砂纸抛光至约2000目。摩擦试验是在ht-1000球盘式高温摩擦磨损试验机上进行的，该摩擦磨损试验机能够升温到800℃，使用直径为9.52毫米的氮化硅陶瓷球为对摩副。所有试验在宽温度范围(25℃～800℃)空气中摩擦30分钟，载荷为5n，频率为5赫兹，行程为1毫米，通过计算机程序自动记录摩擦系数，每个试验数据点至少重复三次。使用三维轮廓仪测量试样的最终磨损体积、三维磨坑图像和磨损横截面曲线。磨损率由磨损体积除以滑动距离和施加载荷计算得出。图2(a)为所得的cr-ti-mo基max陶瓷材料在800℃摩擦测试后的磨坑表面的扫描电镜图片，图3为实施例所得cr-ti-mo基max陶瓷高温摩擦后的磨损率柱状图。
[0031]
实施例2：
[0032]
1)以市售元素cr、ti、mo、al、c粉末为原料按照1.9:0.9:0.2:1.5:1.9的化学计量摩尔比混合；
[0033]
2)待步骤1)结束后，将配好的原料粉末(约15克)装入球磨罐放入高能球磨机中球磨4小时；
[0034]
3)待步骤2)结束后，将球磨好的样品放入高温炉中，在氩气保护下并于1350℃保温4小时，烧结得到对应max陶瓷，图1为本实施例所得max陶瓷的x-射线衍射图谱，其衍射峰与标准卡片相对应，且没有杂相。
[0035]
为了进一步验证上述材料的高温摩擦性能，还进行了步骤4)，如下：
[0036]
4)将步骤3)得到的cr-ti-mo基max陶瓷材料加工成标准尺寸，用砂纸抛光至约2000目。摩擦试验是在ht-1000球盘式高温摩擦磨损试验机上进行的，该摩擦磨损试验机能够升温到800℃，使用直径为9.52毫米的氮化硅陶瓷球为对摩副。所有试验在宽温度范围(25℃～800℃)空气中摩擦30分钟，载荷为5n，频率为5赫兹，行程为1毫米，通过计算机程序自动记录摩擦系数，每个试验数据点至少重复三次。使用三维轮廓仪测量试样的最终磨损体积、三维磨坑图像和磨损横截面曲线。磨损率由磨损体积除以滑动距离和施加载荷计算得出。图2(b)为所得的cr-ti-mo基max陶瓷材料在800℃摩擦测试后的磨坑表面的扫描电镜
图片，图3为实施例所得cr-ti-mo基max陶瓷高温摩擦后的磨损率柱状图，显示出优异的高温抗磨性能。
[0037]
实施例3
[0038]
cr-ti-mo基max陶瓷的制备步骤如下：
[0039]
1)以市售元素cr、ti、mo、al、c粉末为原料按照1.8:0.8:0.4:1.6:1.9的化学计量摩尔比混合；
[0040]
2)待步骤1)结束后，将配好的原料粉末(约15克)装入球磨罐放入高能球磨机中球磨5小时；
[0041]
3)待步骤2)结束后，将球磨好的样品放入高温炉中，在氩气保护下并于1400℃保温4小时，得到cr-ti-mo基max陶瓷，图1为本实施例所得cr-ti-mo基max陶瓷的x-射线衍射图，其衍射峰与标准卡片相对应，且没有杂相。
[0042]
为了进一步验证上述材料的高温摩擦性能，还进行了步骤4)，如下：
[0043]
4)将步骤3)得到的cr-ti-mo基max陶瓷材料加工成标准尺寸，用砂纸抛光至约2000目。摩擦试验是在ht-1000球盘式高温摩擦磨损试验机上进行的，该摩擦磨损试验机能够升温到800℃，使用直径为9.52毫米的氮化硅陶瓷球为对摩副。所有试验在宽温度范围(25℃～800℃)空气中摩擦30分钟，载荷为5n，频率为5赫兹，行程为1毫米，通过计算机程序自动记录摩擦系数，每个试验数据点至少重复三次。使用三维轮廓仪测量试样的最终磨损体积、三维磨坑图像和磨损横截面曲线。磨损率由磨损体积除以滑动距离和施加载荷计算得出。图2(c)为所得的cr-ti-mo基max陶瓷材料在800℃摩擦测试后的磨坑表面的扫描电镜图片，图3为实施例所得cr-ti-mo基max陶瓷高温摩擦后的磨损率柱状图。
[0044]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种cr-ti-mo基max陶瓷材料，其特征在于元素cr、ti、mo、al、c粉末的化学计量摩尔比为1～2:0～1:0～1:1～1.5:1.8～2。2.一种权利要求1所述cr-ti-mo基max陶瓷的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：以元素cr、ti、mo、al、c粉末为原料按照化学计量摩尔比1～2:0～1:0～1:1～1.5:1.8～2混合；所述元素mo粉末原料化学计量摩尔比范围在0～1之间取代一定cr+ti的化学计量摩尔比；步骤2：将配好的原料粉末装入球磨罐放入高能球磨机中球磨预处理；步骤3：将球磨好的粉体放入高温炉中，在氩气气氛保护下热压烧结得到cr-ti-mo基max陶瓷；所述烧结温度不低于1100℃，保温时间不少于30分钟，压力不低于1mpa。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述元素cr、ti、mo、al、c粉末采用市售原料粉末。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述球磨预处理时间为0.5～10小时。5.一种权利要求1所述cr-ti-mo基max陶瓷的使用方法，其特征在于：所述cr-ti-mo基max陶瓷作为高温抗磨减摩材料的使用。

技术总结

本发明涉及一种Cr-Ti-Mo基MAX陶瓷材料及制备方法和使用方法，现代工业在较宽的温度范围内对具有低磨损率和低摩擦的运动系统的需求很大。为解决现有高温固体润滑材料摩擦系数高、高温氧化磨损率大的问题。本技术方案采用高温烧结方法制备了具有三元金属组成的Cr-Ti-Mo基MAX陶瓷材料。所合成的Cr-Ti-Mo基MAX陶瓷材料，展现出优异的高温(800℃)抗磨减摩性能。该方法简单易操作、所得材料成分可控、性能可调，且易实现规模化生产，具有重大的现实意义和潜在的应用前景。意义和潜在的应用前景。意义和潜在的应用前景。