CN104805326B - 一种摩擦系数可调的Ti3Al1‑xSnxC2固溶体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种摩擦系数可调的Ti3Al1‑xSnxC2固溶体材料及其制备方法。材料成分：Ti3Al1‑xSnxC2(0<x<1)的体积含量>97％，TiC和其他杂质相的总体积含量<3％。以Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉按摩尔比1：(0.1～1.1)：(0.1～1.1)：(1.8～2)的比例称取并球磨混料2～4小时，在5～8MPa压力下预压成型后，放入氩气保护的热压炉中，以20～40℃/min的升温速率将炉温升至1200～1500℃，在10～30MPa下保温30～120min。冷却后即得到纯度超过97％的Ti3Al1‑xSnxC2固溶体材料。采用该方法制得的材料与低碳钢的摩擦系数随Sn固溶量的变化在0.1～0.4范围内可调。本发明的Ti3Al1‑xSnxC2固溶体材料可广泛应用于交通运输、机械、航空航天、军工等领域的关键器件，如高速列车的受电弓滑板、制动盘/闸片、燃气轮机的叶片轴承、内燃机的气缸壁和活塞环等。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦系数可调的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料及其制备方法。
背景技术
近年来高技术工业的发展对在更大温度范围使用的低磨损率、低摩擦系数或适当而稳定摩擦系数的新型材料有很大需求，如燃气轮机的叶片轴承、密封环、内燃机的气缸壁和活塞环、高速列车的受电弓滑板和制动盘及闸片等。
超过50种热力学稳定物相的纳米层状结构的MAX相陶瓷(M为过渡族金属，A为IIIA或IVA族元素，X为C或N)近年来受到越来越多的关注。在惰性高温环境下，MAX相分解为MXx化合物和富A的液体，分解温度从1000℃到2000℃以上不等。在空气环境下，主要由于A位置元素的氧化，MAX相发生高温氧化。这些特有的纳米层状晶体结构、高温分解或氧化行为，及其块体材料所表现的高损伤容限、热冲击抵抗和脆-塑转变等与摩擦学特性相关的特殊性能，使人们对MAX相材料的潜在摩擦学性能寄予了很大的期待。
在先前的研究中我们发现，Ti3AlC2与低碳钢盘高速摩擦时，表现出优异的摩擦学特性，这主要与其磨损面上形成的具有自润滑作用的摩擦氧化物薄膜的形成有关。而这氧化物薄膜主要是由Al的氧化引起，生成Al和Fe氧化物的混合物(参考文献：Z-Y Huang，etal,Tribology Letters,2007,27[2]:129-135)。这是由于Ti元素与C元素之间的化学结合比Al元素与Ti元素或C元素的结合更为牢固，在摩擦热和微凸体撞击力的作用下，Al元素更容易从其所在位置逃逸而与环境中的氧结合成为Al的氧化物，单独地或与对磨体的氧化物混合地在摩擦副表面形成氧化物摩擦学薄膜。这意味着，如果我们有意识地将Sn固溶到Ti3AlC2中，形成Ti3Al(Sn)C2固溶体材料，通过控制Al或Sn的配比，就可能主动地控制来自Ti3Al(Sn)C2固溶体的氧化物类型，不同混合比例的混合氧化物摩擦学薄膜将改变Ti3Al(Sn)C2固溶体材料的摩擦学特性，从而使Ti3Al(Sn)C2固溶体在针对不同对磨体和不同服役工况时具有摩擦学可调性，进而扩大其摩擦学应用范围。但是，目前为止还没有利用Sn固溶Ti3AlC2来调控其摩擦学特性的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦系数可调的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料及其制备方法。
本发明的技术方案：
1.一种Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料，其特征在于：其材料的成分如下：
(1)Ti3Al1-xSnxC2(0<x<1)的体积含量>97％；
(2)TiC和其他杂质相的总体积含量<3％。
2.一种Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1，配料：将Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉按摩尔比Ti：Al：Sn：TiC＝1:(0.1～1.1)：(0.1～1.1)：(1.8～2)的比例配料；
步骤2，混料：每100克上述配料中加入200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时，将混合原料过100～200目筛；
步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5～8MPa的压强，保压时间为30～60s，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，热压烧结：将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20～40℃/min的升温速率将炉温升高到1200～1500℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加10～30MPa的压强，保持温度和压强30～120min，然后以10～30℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料。
3.根据权利要求2所述制备方法得到的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料，其特征在于：其与低碳钢的摩擦系数随Sn含量的变化在0.1～0.4范围内可调。
本发明所具有的有益效果：
本发明方法可以制备Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料；本发明制备的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料的体积含量>97％，TiC和其他杂质相的总体积含量<3％；本发明制备的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料与低碳钢的摩擦系数根据Sn固溶量的变化在0.1～0.4范围内变化，并且随Sn固溶量的增加而增加；对于本发明的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料的应用，可根据实际使用中对摩擦系数的要求，选取适当的Sn固溶量来调节其使用特性；本发明的制备方法具有工艺简单、操作方便、成本低等显著特点。
本发明的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料可广泛应用于交通运输、机械、航空航天、军工等领域的关键器件，如高速列车的受电弓滑板、制动盘/闸片、燃气轮机的叶片轴承、内燃机的气缸壁和活塞环等。
附图说明
图1和图2是本发明的不同Sn固溶量的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料显微结构的扫描电镜照片(SEM)。
具体实施方式
实施方式一
称取Ti粉23.93克、Al粉14.81克、Sn粉5.93克、TiC粉55.33克，混合后加入200克玛瑙球，球磨混料3小时，将混合粉料过200目筛，装入表面涂有BN的石墨模具中，并施加8MPa的压强，保压40s，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按40℃/min的升温速率将炉温升高到1500℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加10MPa的压强，保持温度和压强120min，然后以10℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al0.9Sn0.1C2固溶体材料。
将获得的固溶体材料与低碳钢摩擦，测得摩擦系数为0.1～0.13。
实施方式二
称取Ti粉22.86克、Al粉12.89克、Sn粉11.34克、TiC粉52.91克，混合后加入200克玛瑙球，球磨混料2小时，将混合粉料过100目筛，装入表面涂有BN的石墨模具中，并施加6MPa的压强，保压30s，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按30℃/min的升温速率将炉温升高到1450℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加20MPa的压强，保持温度和压强60min，然后以30℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al0.8Sn0.2C2固溶体材料。
将获得的固溶体材料与低碳钢摩擦，测得摩擦系数为0.12～0.15。
实施方式三
称取Ti粉21.02克、Al粉9.48克、Sn粉20.85克、TiC粉48.65克，混合后加入300克玛瑙球，球磨混料4小时，将混合粉料过200目筛，装入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5MPa的压强，保压30s，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率将炉温升高到1400℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加25MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以20℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al0.6Sn0.4C2固溶体材料。
将获得的固溶体材料与低碳钢摩擦，测得摩擦系数为0.2～0.23。
实施方式四
称取Ti粉19.46克、Al粉6.57克、Sn粉28.96克、TiC粉45.01克，混合后加入400克玛瑙球，球磨混料4小时，将混合粉料过100目筛，装入表面涂有BN的石墨模具中，并 施加5MPa的压强，保压60s，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率将炉温升高到1350℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加30MPa的压强，保持温度和压强30min，然后以20℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al0.4Sn0.6C2固溶体材料。
将获得的固溶体材料与低碳钢摩擦，测得摩擦系数为0.28～0.33。
实施方式五
称取Ti粉16.40克、Al粉0.92克、Sn粉44.74克、TiC粉37.94克，混合后加入200克玛瑙球，球磨混料3小时，将混合粉料过200目筛，装入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5MPa的压强，保压40s，将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20℃/min的升温速率将炉温升高到1200℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加25MPa的压强，保持温度和压强60min，然后以10℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al0.1Sn0.9C2固溶体材料。
将获得的固溶体材料与低碳钢摩擦，测得摩擦系数为0.34～0.4。
Claims (2)
1.一种Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料，其特征在于：
(1)其材料的成分如下：Ti3Al1-xSnxC2(0<x<1)的体积含量>97％；TiC和其他杂质相的总体积含量<3％；
(2)其与低碳钢的摩擦系数随Sn含量的变化在0.1～0.4范围内可调；
其中，所述Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，配料：将Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉按摩尔比Ti：Al：Sn：TiC＝1:(0.1～1.1)：(0.1～1.1)：(1.8～2)的比例配料；
步骤2，混料：每100克上述配料中加入200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时，将混合原料过100～200目筛；
步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5～8MPa的压强，保压时间为30～60s，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，热压烧结：将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20～40℃/min的升温速率将炉温升高到1200～1500℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加10～30MPa的压强，保持温度和压强30～120min，然后以10～30℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料。
2.一种如权利要求1所述的Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1，配料：将Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉按摩尔比Ti：Al：Sn：TiC＝1:(0.1～1.1)：(0.1～1.1)：(1.8～2)的比例配料；
步骤2，混料：每100克上述配料中加入200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时，将混合原料过100～200目筛；
步骤3，预压成型：将一定质量的混合粉料装入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5～8MPa的压强，保压时间为30～60s，使模具中的粉料压实成型；
步骤4，热压烧结：将预压后的模具放入热压烧结炉中，在氩气保护下，按20～40℃/min的升温速率将炉温升高到1200～1500℃，在炉温达到预定温度的同时，对模具中的粉料施加10～30MPa的压强，保持温度和压强30～120min，然后以10～30℃/min的速率降温，冷却后，即得到Ti3Al1-xSnxC2固溶体材料。
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