一种高硬度和高耐磨损的MAX相材料及其制备方法与流程

一种高硬度和高耐磨损的max相材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于材料技术领域，具体涉及一种高硬度和高耐磨损的max相材料及其制备方法。


背景技术：

2.m
n 1
ax
n
相陶瓷材料是一类具有层状结构的过渡金属碳化物或氮化物，其中m代表过渡金属，a代表13至16族元素，x代表c或者n。这类材料兼具陶瓷和金属的性能，受到研究人员的广泛关注。
3.其中，cr2alc是一种具有六方（p
63
/mmc）结构的三元层状碳化物陶瓷材料，具有一般的max相陶瓷材料的优点，如高熔点、优异的化学稳定性以及出色的可加工性能等性能。研究表明，在高温下或者高滑动速率磨损下，cr2alc表面能形成氧化物润滑薄膜，使材料的摩擦系数和磨损量降低。然而，与传统陶瓷相比，cr2alc也具有一般max陶瓷材料缺点，比如硬度低、常温下摩擦系数高、磨损量大等缺点，限制了其在宽温度范围内的摩擦磨损应用。
4.常用的提高max材料耐磨性的主要方法有颗粒强化和固溶强化。两种方法均通过提高材料的硬度等力学性能，一定程度上改善了材料在常温条件下的摩擦学性能。但是，材料的硬度依然偏低，磨损量依旧偏高，耐摩擦磨损性能依然不是很理想。所以，还需要继续探索新的改善max材料摩擦学性能的方法。


技术实现要素：

5.对于现有技术存在的问题，本发明提供一种高硬度和高耐磨损的max相材料及其制备方法，通过该制备方法合成了具有高硬度和高耐磨损的max相材料。用一定比例的稀土元素取代cr2alc中的cr原子，获得一种新型的高硬度和高耐磨损的max相材料，化学式为：(cr
2/3
re
1/3
)2alc。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
7.一种高硬度和高耐磨损的max相材料，包括以下组分：铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉。
8.进一步地，所述铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉的摩尔分数比为1.33：0.67：（1
‑
1.5）：（0.7
‑
1）。
9.进一步地，所述镧系稀土元素粉末为镧系元素中的一种。
10.一种高硬度和高耐磨损的max相材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、称量铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉，将原料粉末在手套箱里，氩气环境封装在球磨罐里，随后球磨混合均匀，冷压成片。随后升温、加热，真空下高温烧结，并保温一段时间，然后随炉冷却至室温，得到疏松的块状max相材料。
11.步骤2、将上述得到的疏松的块状max相材料表面先后用砂轮机和砂纸打磨抛光处理，然后用研钵初步破碎成小颗粒，进一步在手套箱里，氩气环境下封装在球磨罐里，球磨为粒径为10
‑
50的细粉末，装入石墨模具中，以一定升温速率，升至高温，在一定压力下
保温一段时间，得到致密的块体max相材料。
12.优选地，所述步骤1中的铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉摩尔分数比为1.33:0.67:（1
‑
1.5）：（0.6
‑
1）。
13.优选地，所述步骤1中的镧系稀土元素粉末为镧系元素中的一种。
14.优选地，所述步骤1中的球磨转速为100
‑
400rpm/min；球磨时间为5
‑
15h；升温速率为5
‑
20℃/min；真空下高温烧结温度为1100
‑
1700℃；保温时间为0.5
‑
5h。
15.优选地，所述步骤2中的球磨转速为100
‑
500rpm/min，球磨时间为10
‑
20h。升温速率为5
‑
40℃/min，压力条件为10
‑
50mpa；高温热压温度为1000
‑
1600℃；保温时间为2
‑
10h。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为。
17.1.通过用合适比例的稀土元素取代cr2alc max相中的cr原子，获得了高硬度和高耐磨损性能的max相材料。提供了一种用稀土元素取代max相中的m元素，进而改变材料的原有的晶体结构类型来提高max材料的硬度和耐磨损性能的方法。
18.2.合成了(cr
2/3
re
1/3
)2alc相，其中re为镧系稀土元素中的一种，具有正交(cmcm)和单斜(c2/c)两种晶体结构；沿某一晶轴由金属碳化物层与铝原子层交替排列，其中金属碳化物层是由2个cr原子和1个稀土金属原子交替周期排列，金属碳化物层内的原子之间是由较强的共价键键合，而金属碳化物层与铝原子层间是由相对较弱的金属键键合，从而形成层状结构。该新型max材料的成功制备，拓宽了已知max相的范畴。
附图说明
19.图1为实施例1 (cr
2/3
gd
1/3
)2alc相的xrd图。
20.图2为实施例1 (cr
2/3
gd
1/3
)2alc相的tem图。（a）为(cr
2/3
gd
1/3
)2alc相的选区电子衍射图像；（b）为(cr
2/3
gd
1/3
)2alc相的相对应的高角度环形暗场像。
21.图3为实施例2 (cr
2/3
dy
1/3
)2alc相的xrd图。
22.图4为实施例2 (cr
2/3
dy
1/3
)2alc相的tem图。（a）为(cr
2/3
dy
1/3
)2alc相的选区电子衍射图像；（b）为(cr
2/3
dy
1/3
)2alc相的相对应的高角度环形暗场像。
23.图5 为实施例3 (cr
2/3
er
1/3
)2alc相的xrd图。
24.图6 为实施例3 (cr
2/3
er
1/3
)2alc相的tem图。（a）为(cr
2/3
er
1/3
)2alc相的选区电子衍射图像；（b）为(cr
2/3
er
1/3
)2alc相的相对应的高角度环形暗场像。
25.图7为实施例3(cr
2/3
er
1/3
)2alc相以及cr2alc碳化物的磨损量对比图。
26.图8为(cr
2/3
re
1/3
)2alc相(re=gd，tb，dy，ho，er，tm，lu)以及cr2alc碳化物的维氏硬度值对比图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.一种高硬度和高耐磨损的max相材料，包括以下组分：铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉。
29.进一步地，所述铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉的摩尔分数比为1.33：0.67：
（1
‑
1.5）：（0.7
‑
1）。
30.进一步地，所述镧系稀土元素粉末为镧系元素中的一种。
31.一种高硬度和高耐磨损的max相材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、称量铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉，将原料粉末在手套箱里，氩气环境封装在球磨罐里，随后球磨混合均匀，冷压成片。随后升温、加热，真空下高温烧结，并保温一段时间，然后随炉冷却至室温，得到疏松的块状max相材料。
32.步骤2、将上述得到的疏松的块状max相材料表面先后用砂轮机和砂纸打磨抛光处理，然后用研钵初步破碎成小颗粒，进一步在手套箱里，氩气环境下封装在球磨罐里，球磨为粒径为10
‑
50的细粉末，装入石墨模具中，以一定升温速率，升至高温，在一定压力下保温一段时间，得到致密的块体max相材料。
33.优选地，所述步骤1中的铬粉、镧系稀土元素粉末、铝粉、碳粉摩尔分数比为1.33:0.67:（1
‑
1.5）：（0.6
‑
1）。
34.优选地，所述步骤1中的镧系稀土元素粉末为镧系元素中的一种。
35.优选地，所述步骤1中的球磨转速为100
‑
400rpm/min；球磨时间为5
‑
15h；升温速率为5
‑
20℃/min；真空下高温烧结温度为1100
‑
1700℃；保温时间为0.5
‑
5h。
36.优选地，所述步骤2中的球磨转速为100
‑
500rpm/min，球磨时间为10
‑
20h。升温速率为5
‑
40℃/min，压力条件为10
‑
50mpa；高温热压温度为1000
‑
1600℃；保温时间为2
‑
10h。
37.实施例1。
38.称取相应质量的四种元素，分别为铬粉（cr，6.43g），钆粉（gd，9.80g），铝粉（al，2.76g），碳粉（c，1.01g）。在手套箱里，氩气环境下，封装进球磨罐，100rpm/min转速球磨10h小时，待粉末均匀混合后冷压成片。置于真空烧结炉中，以5℃/min的升温速率加热至1400℃，保温2小时，即可得较疏松的块体(cr
2/3
gd
1/3
)2alc相材料。
39.将真空烧结后的(cr
2/3
gd
1/3
)2alc相材料，表面用砂轮机和砂纸打磨处理后，用研钵破碎成细小颗粒，在手套箱里，氩气环境下封装入球磨罐中，300rpm/min的转速球磨10h，球磨成粒径为30左右的细粉末。取粉末状的(cr
2/3
gd
1/3
)2alc相置入石墨模具中，在真空热压炉中，以20℃/min的升温速率加热到1300℃，在30mpa的压力下保温5h，随炉冷却至室温，得到致密的块体(cr
2/3
gd
1/3
)2alc相材料。经测量，块状(cr
2/3
gd
1/3
)2alc的维氏硬度值为8.39gpa。
40.实施例2。
41.称取相应质量的四种元素，分别为铬粉（cr，6.25g），稀土镝粉（dy，9.84g），铝粉（al，2.93g），碳粉（c，0.98g）。在手套箱里，氩气环境下，封装进球磨罐中，200rpm/min转速球磨5h小时，冷压成片。置于真空烧结炉中，以15℃/min的升温速率加热至1500℃，保温1小时，也可得较疏松的块体(cr
2/3
dy
1/3
)2alc相材料。将块体(cr
2/3
dy
1/3
)2alc相材料，用研钵破碎，在手套箱里，氩气环境下封装球磨罐中，球磨成细粉末后，装入石墨磨具中，在真空烧结炉中以30℃/min的升温速率加热至1400℃，在40mpa压力下保温3小时，同样可得到致密的块状(cr
2/3
dy
1/3
)2alc相材料。块状(cr
2/3
dy
1/3
)2alc的维氏硬度值为8.34gpa。
42.实施例3。
43.称取相应质量的四种元素，分别为铬粉（cr，6.27g），稀土铒粉（er，10.16g），铝粉（al，2.70g），碳粉（c，0.87g）。氩气环境下封装入球磨罐中，200rpm/min转速球磨5h小时，冷
压成片。置于真空烧结炉中，以10℃/min的升温速率加热至1500℃，保温1小时，也可得较疏松的块体(cr
2/3
er
1/3
)2alc相材料。将块体(cr
2/3
er
1/3
)2alc相材料，氩气保护气氛下球磨成细粉末后，在真空烧结炉中以30℃/min的升温速率加热至1500℃，在40mpa压力下保温2小时，同样可得到致密的块状(cr
2/3
er
1/3
)2alc相材料。经测量，块状(cr
2/3
er
1/3
)2alc具有高的维氏硬度值为9.34gpa，优异的耐磨性能（低的磨损量为0.6
×
10
‑5mm
‑3·
n
‑1·
m
‑1）。
44.对比例1。
45.cr2alc的制备过程同实施例1，与实施例1不同之处在于不添加稀土元素。所得的cr2alc具有低的硬度（4.5gpa）和差的耐磨损性（磨损量为9.6
×
10
‑5mm
‑3·
n
‑1·
m
‑1）。
46.经x射线和透射电镜检验(如图1
‑
图6所示)，(cr
2/3
re
1/3
)2alc材料主相为正交对称性结构，含有少量的单斜结构，具有原子级别的层状结构：选区电子衍射图像呈现两种晶体结构共存的衍射图案(如图2(a)、图4(a)和图6(a))；高分辨原子像显示，(cr
2/3
re
1/3
)2alc材料由含re的cr
‑
c层与al原子层沿c轴交替堆垛而成；在cr
‑
c层内，由于不同的re为异质原子，导致成键差异而稍凸出于re
‑
c层面(如图2(b)、图4(b)和图6(b))，并且相邻的两层cr
‑
c层内，两层re原子相对排列位置不同，存在正交(cmcm)和单斜(c2/c)两种结构。
47.该系列化合物具有优异的耐磨损性能(如图7)，与不加稀土的六方结构的cr2alc化合物相比，(cr
2/3
er
1/3
)2alc材料的磨损量由原来的9.6
×
10
‑5mm
‑3·
n
‑1·
m
‑1降低至0.6
×
10
‑5mm
‑3·
n
‑1·
m
‑1(如图7)。
48.该系列化合物具有高的硬度，根据不同稀土元素合成的(cr
2/3
re
1/3
)2alc相热压烧结成的致密的块材，其平均显微硬度为8.5gpa（如图8），显著高于不加稀土元素的六方结构的cr2alc化合物（4.5gpa）（如图8）。
49.上述实施例是本发明较为合适的实施方式，但上述实施方式不限于以上示例性实施例。本技术领域的其他专业人员，在不违背本发明的精神实质与原理下进行的各种修改、变换、简化及修饰均可以作为等效的置换方式，仍旧包含再本发明的保护范围之内。