CN106829963A - 一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料及其制备方法，所述齿轮用纳米级金属碳化物法复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅15‑20份、石墨粉8‑12份、金属粉末5‑8份、水性聚氨酯3‑7份、二烷基二硫代磷酸锌1‑4份、重质碳酸钙1‑3份、稀土氧化物2‑3份、γ‑巯丙基三甲氧基硅烷2‑4份、偶氮异丁腈1‑2份，本发明通过研磨、混合、超声、陈化、过滤、干燥等步骤制成，制得的纳米级金属碳化物复合材料具有优异的耐磨性和耐候性，机械性能强，抗氧化性和抗腐蚀性也得到了显著的提升，适用于齿轮或磨辊等需要高强度、高硬度的材料。

Description

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米复合材料技术领域，具体涉及一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料及其制备方法。

背景技术

纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度的范围或由它们作为基本单元构成的材料，在纳米量级的范围内，材料的各种限域效应能够引起各种特性发生相当大的改变，这些变化可以提高材料的综合性能，为发展新型高性能材料创造了条件。然而，单一的纳米晶材料在制备技术上存在困难，往往不能满足实际应用的需要，许多研究将纳米粒子和其他材料复合成纳米复合材料，这种复合材料有可能同时兼顾纳米粒子和其他材料的优点，具有特殊的性能。齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，是能互相啮合的有齿的机械零件，需要有良好的耐磨性和强韧性，但齿轮常用的铸钢材料硬度低，耐磨性差，磨损消耗严重，不利于推广使用。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出了一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料及其制备方法，采用本发明技术方案制备的复合材料可显著钢材的耐磨性和抗氧化性，且耐高温、耐腐蚀，适用范围广。

为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅15-20份、石墨粉8-12份、金属粉末5-8份、水性聚氨酯3-7份、二烷基二硫代磷酸锌1-4份、重质碳酸钙1-3份、稀土氧化物2-3份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷2-4份、偶氮异丁腈1-2份。

优选的，齿轮用纳米级金属碳化物法复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅18-20份、石墨粉10-12份、金属粉末6-8份、水性聚氨酯5-7份、二烷基二硫代磷酸锌3-4份、重质碳酸钙2-3份、稀土氧化物2.5-3份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷3-4份、偶氮异丁腈1.5-2份。

优选的，所述石墨粉为天然石墨粉或鳞片石墨粉。

优选的，所述金属粉末由纯度≥99％的金属铌、钽、钨、钛、镍组成。

优选的，所述稀土氧化物包括氧化铈、氧化镧、氧化钪。

优选的，所述介孔二氧化硅孔径为30-50nm。

优选的，齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨120-150h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散15-20min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，然后在60-70℃恒温震荡12h，室温静置陈化3-4h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在55-60℃搅拌4-5h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

优选的，步骤2)中搅拌过程需通入氮气，具体为转速60-70r/min，时间10-15min。

由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：金属碳化物具有极高的熔点和硬度，采用高能球磨机共混研磨可得纳米级的金属碳化物细料，然后以介孔二氧化硅为载体填充金属碳化物，再以稀土、交联剂、引发剂交联改性，耐磨性和抗氧化性得到了显著的提高，耐水性、耐介质性和耐高温性也具有一定的改善，提升了综合性能。

综合来说，本发明通过研磨、混合、超声、陈化、过滤、干燥等步骤制成，制得的纳米级金属碳化物复合材料具有优异的耐磨性和耐候性，机械性能强，抗氧化性和抗腐蚀性也得到了显著的提升，适用于齿轮或磨辊等需要高强度、高硬度的材料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅16份、石墨粉10份、金属粉末5份、水性聚氨酯4份、二烷基二硫代磷酸锌1.2份、重质碳酸钙1.5份、稀土氧化物2.3份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷2.5份、偶氮异丁腈1.5份。

齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨130h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散15min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，搅拌过程需通入氮气，具体为转速67r/min，时间12min，然后在65℃恒温震荡12h，室温静置陈化3.2h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在58℃搅拌4.2h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

实施例2：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅20份、石墨粉12份、金属粉末5.7份、水性聚氨酯6份、二烷基二硫代磷酸锌2.5份、重质碳酸钙2.2份、稀土氧化物2份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷3份、偶氮异丁腈1.2份。

齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨145h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散16min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，搅拌过程需通入氮气，具体为转速65r/min，时间15min，然后70℃恒温震荡12h，室温静置陈化3.8h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在55℃搅拌4.4h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

实施例3：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅18份、石墨粉8份、金属粉末6.3份、水性聚氨酯5.5份、二烷基二硫代磷酸锌4份、重质碳酸钙2.5份、稀土氧化物2.5份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷3.6份、偶氮异丁腈1.8份。

齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨150h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散20min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，搅拌过程需通入氮气，具体为转速66r/min，时间11min，然后在68℃恒温震荡12h，室温静置陈化4h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在56℃搅拌4h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

实施例4：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅15份、石墨粉9份、金属粉末6份、水性聚氨酯3份、二烷基二硫代磷酸锌3.6份、重质碳酸钙3份、稀土氧化物2.6份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷4份、偶氮异丁腈1份。

齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨120h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散18min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，搅拌过程需通入氮气，具体为转速70r/min，时间10min，然后在63℃恒温震荡12h，室温静置陈化3h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在60℃搅拌5h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

实施例5：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅17份、石墨粉10.5份、金属粉末7.5份、水性聚氨酯7份、二烷基二硫代磷酸锌3份、重质碳酸钙2份、稀土氧化物2.8份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷2份、偶氮异丁腈1.6份。

齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨135h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散15min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，搅拌过程需通入氮气，具体为转速60r/min，时间14min，然后在60℃恒温震荡12h，室温静置陈化3.5h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在57℃搅拌4.5h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

实施例6：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅18份、石墨粉11份、金属粉末8份、水性聚氨酯5份、二烷基二硫代磷酸锌2份、重质碳酸钙1.8份、稀土氧化物3份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷2.2份、偶氮异丁腈2份。

齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨125h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散17min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，搅拌过程需通入氮气，具体为转速63r/min，时间13min，然后在61℃恒温震荡12h，室温静置陈化3.4h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在58℃搅拌4.8h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

实施例7：

一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅20份、石墨粉11.6份、金属粉末7份、水性聚氨酯3.5份、二烷基二硫代磷酸锌1份、重质碳酸钙1份、稀土氧化物2.2份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷3.8份、偶氮异丁腈1.5份。

齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨140h，得金属碳化物，为混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散19min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，搅拌过程需通入氮气，具体为转速68r/min，时间12min，然后在66℃恒温震荡12h，室温静置陈化3.7h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在56℃搅拌4.6h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种齿轮用纳米级金属碳化物复合材料，其特征在于，所述齿轮用纳米级金属碳化物法复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅15-20份、石墨粉8-12份、金属粉末5-8份、水性聚氨酯3-7份、二烷基二硫代磷酸锌1-4份、重质碳酸钙1-3份、稀土氧化物2-3份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷2-4份、偶氮异丁腈1-2份。

2.根据权利要求1所述的齿轮用纳米级金属碳化物复合材料，其特征在于，所述齿轮用纳米级金属碳化物法复合材料由以下质量份数制成：介孔二氧化硅18-20份、石墨粉10-12份、金属粉末6-8份、水性聚氨酯5-7份、二烷基二硫代磷酸锌3-4份、重质碳酸钙2-3份、稀土氧化物2.5-3份、γ-巯丙基三甲氧基硅烷3-4份、偶氮异丁腈1.5-2份。

3.根据权利要求1或2所述的齿轮用纳米级金属碳化物复合材料，其特征在于：所述石墨粉为天然石墨粉或鳞片石墨粉。

4.根据权利要求1或2所述的齿轮用纳米级金属碳化物复合材料，其特征在于：所述金属粉末由纯度≥99％的金属铌、钽、钨、钛、镍组成。

5.根据权利要求1或2所述的齿轮用纳米级金属碳化物复合材料，其特征在于：所述稀土氧化物包括氧化铈、氧化镧、氧化钪。

6.根据权利要求1或2所述的齿轮用纳米级金属碳化物复合材料，其特征在于：所述介孔二氧化硅孔径为30-50nm。

7.根据权利要求1或2所述的齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

1)将石墨粉与金属粉末共混，于惰性气体气氛在高能球磨机中研磨120-150h，得混合物一；

2)将混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均匀后，超声分散15-20min，然后加入稀土氧化物、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和偶氮异丁腈，搅拌，然后在60-70℃恒温震荡12h，室温静置陈化3-4h，过滤，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)将混合物二、重质碳酸钙和二烷基二硫代磷酸锌共混，在55-60℃搅拌4-5h，干燥，在置于高能球磨机中研磨10h。

8.根据权利要求7所述的齿轮用纳米级金属碳化物复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中搅拌过程需通入氮气，具体为转速60-70r/min，时间10-15min。