本發明涉及納米復合材料技術領域，具體涉及一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料及其制備方法。

背景技術：

納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度的范圍或由它們作為基本單元構成的材料，在納米量級的范圍內，材料的各種限域效應能夠引起各種特性發生相當大的改變，這些變化可以提高材料的綜合性能，為發展新型高性能材料創造了條件。然而，單一的納米晶材料在制備技術上存在困難，往往不能滿足實際應用的需要，許多研究將納米粒子和其他材料復合成納米復合材料，這種復合材料有可能同時兼顧納米粒子和其他材料的優點，具有特殊的性能。齒輪是輪緣上有齒能連續嚙合傳遞運動和動力的機械元件，是能互相嚙合的有齒的機械零件，需要有良好的耐磨性和強韌性，但齒輪常用的鑄鋼材料硬度低，耐磨性差，磨損消耗嚴重，不利于推廣使用。

技術實現要素：

針對上述存在的問題，本發明提出了一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料及其制備方法，采用本發明技術方案制備的復合材料可顯著鋼材的耐磨性和抗氧化性，且耐高溫、耐腐蝕，適用范圍廣。

為了實現上述的目的，本發明采用以下的技術方案：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅15-20份、石墨粉8-12份、金屬粉末5-8份、水性聚氨酯3-7份、二烷基二硫代磷酸鋅1-4份、重質碳酸鈣1-3份、稀土氧化物2-3份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷2-4份、偶氮異丁腈1-2份。

優選的，齒輪用納米級金屬碳化物法復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅18-20份、石墨粉10-12份、金屬粉末6-8份、水性聚氨酯5-7份、二烷基二硫代磷酸鋅3-4份、重質碳酸鈣2-3份、稀土氧化物2.5-3份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷3-4份、偶氮異丁腈1.5-2份。

優選的，所述石墨粉為天然石墨粉或鱗片石墨粉。

優選的，所述金屬粉末由純度≥99％的金屬鈮、鉭、鎢、鈦、鎳組成。

優選的，所述稀土氧化物包括氧化鈰、氧化鑭、氧化鈧。

優選的，所述介孔二氧化硅孔徑為30-50nm。

優選的，齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨120-150h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散15-20min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，然后在60-70℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化3-4h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在55-60℃攪拌4-5h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

優選的，步驟2)中攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速60-70r/min，時間10-15min。

由于采用上述的技術方案，本發明的有益效果是：金屬碳化物具有極高的熔點和硬度，采用高能球磨機共混研磨可得納米級的金屬碳化物細料，然后以介孔二氧化硅為載體填充金屬碳化物，再以稀土、交聯劑、引發劑交聯改性，耐磨性和抗氧化性得到了顯著的提高，耐水性、耐介質性和耐高溫性也具有一定的改善，提升了綜合性能。

綜合來說，本發明通過研磨、混合、超聲、陳化、過濾、干燥等步驟制成，制得的納米級金屬碳化物復合材料具有優異的耐磨性和耐候性，機械性能強，抗氧化性和抗腐蝕性也得到了顯著的提升，適用于齒輪或磨輥等需要高強度、高硬度的材料。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例1：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅16份、石墨粉10份、金屬粉末5份、水性聚氨酯4份、二烷基二硫代磷酸鋅1.2份、重質碳酸鈣1.5份、稀土氧化物2.3份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷2.5份、偶氮異丁腈1.5份。

齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨130h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散15min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速67r/min，時間12min，然后在65℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化3.2h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在58℃攪拌4.2h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

實施例2：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅20份、石墨粉12份、金屬粉末5.7份、水性聚氨酯6份、二烷基二硫代磷酸鋅2.5份、重質碳酸鈣2.2份、稀土氧化物2份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷3份、偶氮異丁腈1.2份。

齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨145h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散16min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速65r/min，時間15min，然后70℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化3.8h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在55℃攪拌4.4h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

實施例3：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅18份、石墨粉8份、金屬粉末6.3份、水性聚氨酯5.5份、二烷基二硫代磷酸鋅4份、重質碳酸鈣2.5份、稀土氧化物2.5份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷3.6份、偶氮異丁腈1.8份。

齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨150h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散20min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速66r/min，時間11min，然后在68℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化4h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在56℃攪拌4h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

實施例4：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅15份、石墨粉9份、金屬粉末6份、水性聚氨酯3份、二烷基二硫代磷酸鋅3.6份、重質碳酸鈣3份、稀土氧化物2.6份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷4份、偶氮異丁腈1份。

齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨120h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散18min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速70r/min，時間10min，然后在63℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化3h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在60℃攪拌5h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

實施例5：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅17份、石墨粉10.5份、金屬粉末7.5份、水性聚氨酯7份、二烷基二硫代磷酸鋅3份、重質碳酸鈣2份、稀土氧化物2.8份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷2份、偶氮異丁腈1.6份。

齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨135h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散15min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速60r/min，時間14min，然后在60℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化3.5h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在57℃攪拌4.5h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

實施例6：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅18份、石墨粉11份、金屬粉末8份、水性聚氨酯5份、二烷基二硫代磷酸鋅2份、重質碳酸鈣1.8份、稀土氧化物3份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷2.2份、偶氮異丁腈2份。

齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨125h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散17min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速63r/min，時間13min，然后在61℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化3.4h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在58℃攪拌4.8h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

實施例7：

一種齒輪用納米級金屬碳化物復合材料由以下質量份數制成：介孔二氧化硅20份、石墨粉11.6份、金屬粉末7份、水性聚氨酯3.5份、二烷基二硫代磷酸鋅1份、重質碳酸鈣1份、稀土氧化物2.2份、γ-巰丙基三甲氧基硅烷3.8份、偶氮異丁腈1.5份。

齒輪用納米級金屬碳化物復合材料的制備方法，制備步驟如下：

1)將石墨粉與金屬粉末共混，于惰性氣體氣氛在高能球磨機中研磨140h，得金屬碳化物，為混合物一；

2)將混合物一、介孔二氧化硅加入水性聚氨酯中，混合均勻后，超聲分散19min，然后加入稀土氧化物、γ-巰丙基三甲氧基硅烷和偶氮異丁腈，攪拌，攪拌過程需通入氮氣，具體為轉速68r/min，時間12min，然后在66℃恒溫震蕩12h，室溫靜置陳化3.7h，過濾，水洗至中性，置于真空干燥箱干燥得混合物二；

3)將混合物二、重質碳酸鈣和二烷基二硫代磷酸鋅共混，在56℃攪拌4.6h，干燥，在置于高能球磨機中研磨10h。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。