固溶體材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種摩擦系數(shù)可調(diào)的Ti3AlhSnxC2固溶體材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來高技術(shù)工業(yè)的發(fā)展對在更大溫度范圍使用的低磨損率、低摩擦系數(shù)或適當(dāng)而穩(wěn)定摩擦系數(shù)的新型材料有很大需求，如燃?xì)廨啓C(jī)的葉片軸承、密封環(huán)、內(nèi)燃機(jī)的氣缸壁和活塞環(huán)、高速列車的受電弓滑板和制動盤及閘片等。
[0003]超過50種熱力學(xué)穩(wěn)定物相的納米層狀結(jié)構(gòu)的MAX相陶瓷(M為過渡族金屬，A為IIIA或IVA族元素，X為C或N)近年來受到越來越多的關(guān)注。在惰性高溫環(huán)境下，MAX相分解為MXx化合物和富A的液體，分解溫度從1000°C到2000°C以上不等。在空氣環(huán)境下，主要由于A位置元素的氧化，MAX相發(fā)生高溫氧化。這些特有的納米層狀晶體結(jié)構(gòu)、高溫分解或氧化行為，及其塊體材料所表現(xiàn)的高損傷容限、熱沖擊抵抗和脆-塑轉(zhuǎn)變等與摩擦學(xué)特性相關(guān)的特殊性能，使人們對MAX相材料的潛在摩擦學(xué)性能寄予了很大的期待。
[0004]在先前的研宄中我們發(fā)現(xiàn)，Ti3AlCg低碳鋼盤高速摩擦?xí)r，表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)特性，這主要與其磨損面上形成的具有自潤滑作用的摩擦氧化物薄膜的形成有關(guān)。而這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(參考文獻(xiàn):Z-Y Huang,et al, Tribology Letters, 2007，27 [2]: 129-135)。這是由于 Ti 元素與 C 元素之間的化學(xué)結(jié)合比Al元素與Ti元素或C元素的結(jié)合更為牢固，在摩擦熱和微凸體撞擊力的作用下，Al元素更容易從其所在位置逃逸而與環(huán)境中的氧結(jié)合成為Al的氧化物，單獨(dú)地或與對磨體的氧化物混合地在摩擦副表面形成氧化物摩擦學(xué)薄膜。這意味著，如果我們有意識地將Sn固溶到Ti3AlC21^1，形成Ti 3A1 (Sn)C2固溶體材料，通過控制Al或Sn的配比，就可能主動地控制來自Ti3Al (Sn)C2固溶體的氧化物類型，不同混合比例的混合氧化物摩擦學(xué)薄膜將改變Ti3Al (Sn) C2固溶體材料的摩擦學(xué)特性，從而使Ti 3A1 (Sn) C2固溶體在針對不同對磨體和不同服役工況時具有摩擦學(xué)可調(diào)性，進(jìn)而擴(kuò)大其摩擦學(xué)應(yīng)用范圍。但是，目前為止還沒有利用Sn固溶11^1(:2來調(diào)控其摩擦學(xué)特性的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種摩擦系數(shù)可調(diào)的Ti3AlhSnxC2固溶體材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
1.一種Ti3AlhSnxC2固溶體材料，其特征在于:其材料的成分如下:
(1)Ti3AlhSnxC2 (0〈χ〈1)的體積含量 >97% ；
(2)TiC和其他雜質(zhì)相的總體積含量〈3%。
2.—種Ti3AlhSnxC2固溶體材料的制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:
步驟1，配料:將Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉按摩爾比Ti:A1:Sn:TiC = 1: (0.1?1.1): (0.1?1.1): (1.8?2)的比例配料；
步驟2，混料??每100克上述配料中加入200?400克的瑪瑙球，球磨2?4小時，將混合原料過100?200目篩；
步驟3，預(yù)壓成型:將一定質(zhì)量的混合粉料裝入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5?SMPa的壓強(qiáng)，保壓時間為30?60s，使模具中的粉料壓實(shí)成型；
步驟4，熱壓燒結(jié):將預(yù)壓后的模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，按20?40°C /min的升溫速率將爐溫升高到1200?1500°C，在爐溫達(dá)到預(yù)定溫度的同時，對模具中的粉料施加10?30MPa的壓強(qiáng)，保持溫度和壓強(qiáng)30?120min，然后以10?30 °C /min的速率降溫，冷卻后，即得到Ti3AlhSnxC2固溶體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備方法得到的Ti3AlhSnxC2固溶體材料，其特征在于:其與低碳鋼的摩擦系數(shù)隨Sn含量的變化在0.1?0.4范圍內(nèi)可調(diào)。
[0007]本發(fā)明所具有的有益效果:
[0008]本發(fā)明方法可以制備Ti3AlhSnxC2固溶體材料；本發(fā)明制備的Ti AlhSnxC2固溶體材料的體積含量>97%，TiC和其他雜質(zhì)相的總體積含量〈3% ;本發(fā)明制備的Ti3AlhSnxC2固溶體材料與低碳鋼的摩擦系數(shù)根據(jù)Sn固溶量的變化在0.1?0.4范圍內(nèi)變化，并且隨Sn固溶量的增加而增加；對于本發(fā)明的Ti3AlhSnxC2固溶體材料的應(yīng)用，可根據(jù)實(shí)際使用中對摩擦系數(shù)的要求，選取適當(dāng)?shù)腟n固溶量來調(diào)節(jié)其使用特性；本發(fā)明的制備方法具有工藝簡單、操作方便、成本低等顯著特點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明的Ti3AlhSnxC2固溶體材料可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、機(jī)械、航空航天、軍工等領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，如高速列車的受電弓滑板、制動盤/閘片、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片軸承、內(nèi)燃機(jī)的氣缸壁和活塞環(huán)等。
【附圖說明】
[0010]圖1和圖2是本發(fā)明的不同Sn固溶量的Ti3AlhSnxC2固溶體材料顯微結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片(SEM)。
【具體實(shí)施方式】
[0011]實(shí)施方式一
稱取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克瑪瑙球，球磨混料3小時，將混合粉料過200目篩，裝入表面涂有BN的石墨模具中，并施加SMPa的壓強(qiáng)，保壓40s，將預(yù)壓后的模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，按40°C /min的升溫速率將爐溫升高到1500°C，在爐溫達(dá)到預(yù)定溫度的同時，對模具中的粉料施加1MPa的壓強(qiáng)，保持溫度和壓強(qiáng)120min，然后以10°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到Ti3Ala9SnaiC2固溶體材料。
將獲得的固溶體材料與低碳鋼摩擦，測得摩擦系數(shù)為0.1?0.13。
[0012]實(shí)施方式二
稱取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克瑪瑙球，球磨混料2小時，將混合粉料過100目篩，裝入表面涂有BN的石墨模具中，并施加6MPa的壓強(qiáng)，保壓30s，將預(yù)壓后的模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，按30°C /min的升溫速率將爐溫升高到1450°C，在爐溫達(dá)到預(yù)定溫度的同時，對模具中的粉料施加20MPa的壓強(qiáng)，保持溫度和壓強(qiáng)60min，然后以30°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到Ti3Ala8Sna2C2固溶體材料。
將獲得的固溶體材料與低碳鋼摩擦，測得摩擦系數(shù)為0.12?0.15。
[0013]實(shí)施方式三
稱取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克瑪瑙球，球磨混料4小時，將混合粉料過200目篩，裝入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5MPa的壓強(qiáng)，保壓30s，將預(yù)壓后的模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，按20°C /min的升溫速率將爐溫升高到1400°C，在爐溫達(dá)到預(yù)定溫度的同時，對模具中的粉料施加25MPa的壓強(qiáng)，保持溫度和壓強(qiáng)30min，然后以20°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到Ti3Ala6Sna4C2固溶體材料。
將獲得的固溶體材料與低碳鋼摩擦，測得摩擦系數(shù)為0.2?0.23。
[0014]實(shí)施方式四
稱取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克瑪瑙球，球磨混料4小時，將混合粉料過100目篩，裝入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5MPa的壓強(qiáng)，保壓60s，將預(yù)壓后的模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，按20°C /min的升溫速率將爐溫升高到1350°C，在爐溫達(dá)到預(yù)定溫度的同時，對模具中的粉料施加30MPa的壓強(qiáng)，保持溫度和壓強(qiáng)30min，然后以20°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到Ti3Ala4Sna6C2固溶體材料。
將獲得的固溶體材料與低碳鋼摩擦，測得摩擦系數(shù)為0.28?0.33。
[0015]實(shí)施方式五
稱取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克瑪瑙球，球磨混料3小時，將混合粉料過200目篩，裝入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5MPa的壓強(qiáng)，保壓40s，將預(yù)壓后的模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，按20°C /min的升溫速率將爐溫升高到1200°C，在爐溫達(dá)到預(yù)定溫度的同時，對模具中的粉料施加25MPa的壓強(qiáng)，保持溫度和壓強(qiáng)60min，然后以10°C /min的速率降溫，冷卻后，即得到Ti3Ala ^na9C2固溶體材料。
將獲得的固溶體材料與低碳鋼摩擦，測得摩擦系數(shù)為0.34?0.4。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Ti AlhSnxC2固溶體材料，其特征在于:其材料的成分如下:(1)Ti3AlhSnxC2 (0〈χ〈1)的體積含量 >97% ； (2)TiC和其他雜質(zhì)相的總體積含量〈3%。
2.—種Ti 3AlhSnxC2固溶體材料的制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟1，配料:將Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉按摩爾比Ti:A1:Sn:TiC = 1: (0.1?1.1): (0.1?1.1): (1.8?2)的比例配料； 步驟2，混料??每100克上述配料中加入200?400克的瑪瑙球，球磨2?4小時，將混合原料過100?200目篩； 步驟3，預(yù)壓成型:將一定質(zhì)量的混合粉料裝入表面涂有BN的石墨模具中，并施加5?SMPa的壓強(qiáng)，保壓時間為30?60s，使模具中的粉料壓實(shí)成型； 步驟4，熱壓燒結(jié):將預(yù)壓后的模具放入熱壓燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下，按20?40°C /min的升溫速率將爐溫升高到1200?1500°C，在爐溫達(dá)到預(yù)定溫度的同時，對模具中的粉料施加10?30MPa的壓強(qiáng)，保持溫度和壓強(qiáng)30?120min，然后以10?30 °C /min的速率降溫，冷卻后，即得到Ti3AlhSnxC2固溶體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備方法得到的TiAlhSnxC2固溶體材料，其特征在于:其與低碳鋼的摩擦系數(shù)隨Sn含量的變化在0.1?0.4范圍內(nèi)可調(diào)。
【專利摘要】一種摩擦系數(shù)可調(diào)的Ti3Al1-xSnxC2固溶體材料及其制備方法。材料成分：Ti3Al1-xSnxC2(0＜x＜1)的體積含量＞97％，TiC和其他雜質(zhì)相的總體積含量＜3％。以Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉按摩爾比1∶(0.1～1.1)∶(0.1～1.1)∶(1.8～2)的比例稱取并球磨混料2～4小時，在5～8MPa壓力下預(yù)壓成型后，放入氬氣保護(hù)的熱壓爐中，以20～40℃/min的升溫速率將爐溫升至1200～1500℃，在10～30MPa下保溫30～120min。冷卻后即得到純度超過97％的Ti3Al1-xSnxC2固溶體材料。采用該方法制得的材料與低碳鋼的摩擦系數(shù)隨Sn固溶量的變化在0.1～0.4范圍內(nèi)可調(diào)。本發(fā)明的Ti3Al1-xSnxC2固溶體材料可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、機(jī)械、航空航天、軍工等領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，如高速列車的受電弓滑板、制動盤/閘片、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片軸承、內(nèi)燃機(jī)的氣缸壁和活塞環(huán)等。
【IPC分類】C22C1-10, C22C1-05, C22C30-04
【公開號】CN104805326
【申請?zhí)枴緾N201510153408
【發(fā)明人】黃振鶯, 翟洪祥, 許浩, 蔡樂平, 王雅正, 周洋
【申請人】北京交通大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月2日