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CN116590623B - 一种汽车齿轮材料及其制备方法 - Google Patents

一种汽车齿轮材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种汽车齿轮材料及其制备方法，涉及汽车零部件制造技术领域，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下各成分制成：Cu、S、Ti、M、W、Co、除Sc之外的其它稀土元素、C、Si、Nb、B、纳米氮化铪、纳米硼化锆和Fe。该材料机械强度高，耐腐蚀性能和耐磨性佳。

Description

一种汽车齿轮材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件制造技术领域，尤其涉及一种汽车齿轮材料及其制备方法。
背景技术
齿轮为机械传动系统中重要的零部件，具有传动效率高、结构紧凑、传动比稳定、工作可靠等优点，是机械工业的重要基础件，在汽车配件中应用广泛。汽车齿轮是最为常见的齿轮之一，其性能直接影响汽车运行安定性和驾驶安全性。综合性能和性能稳定性优异的汽车齿轮材料是保障驾驶员安全和汽车维持正常运行状态的基础。
传统汽车齿轮磨损比较严重，传动反应比较慢，齿轮在传动时的噪音比较大，缩短了齿轮的使用寿命，大大降低了齿轮工作的可靠性。除此之外，市面上的汽车齿轮材料还或多或少存在机械力学性能、耐腐蚀性能和耐磨性不足的缺陷，这极大影响了齿轮作为传动系统的正常工作，甚至带来危险。
为了解决上述问题，中国发明专利文献CN110229988B公开了一种高强度汽车里程表用齿轮及其制备方法，齿轮材质为合金，合金组成按照重量份计为：碳化钨25-35份、碳化钛25-35份、碳化钽25-35份、铝22-26份、铁38-42份、氧化钴16-20份、钼精矿14-16份、铜5-8份、锰8-10份、氧化铬8-10份、碳化铬3-5份、三氧化二锑3-5份、三氧化二硼2-6份、二氧化硫2-4份、氧化锆2-4份、二氧化硅2-4份、碳2-4份。通过上述设置，通过合理配置合金组分，取代部分铁，能够有效提高整体合金强度，特别是碳化钨、碳化钛、碳化铬和碳化钽等组分能够大幅度提升合金强度，同时铝、锰、碳等在提升整体强度的同时也能够尽量出去有害杂质，有利于提升成品品质。然而，该汽车齿轮耐腐蚀性能和耐磨性仍然有待进一步提高。
可见，本领域仍然需要一种机械强度高，耐腐蚀性能和耐磨性佳的汽车齿轮材料及其制备方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种机械强度高，耐腐蚀性能和耐磨性佳的汽车齿轮材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种汽车齿轮材料，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 0.8wt％-1.2wt％、Sc 0.01wt％-0.03wt％、Ti 0.03wt％-0.08wt％、Mn0.8wt％-1.2wt％、W0.1wt％-0.3wt％、Co 0.01wt％-0.05wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.01wt％-0.03wt％、C0.1wt％-0.2wt％、Si 0.1wt％-0.3wt％、Nb 0.03wt％-0.06wt％、B0.001wt％-0.003wt％、纳米氮化铪0.008wt％-0.012wt％、纳米硼化锆0.005wt％-0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述除Sc之外的其它稀土元素为Ce、Y、Gd中的至少一种。
优选的，所述纳米硼化锆的粒径为40-80nm；所述纳米硼化锆的粒径为10-60nm。
优选的，所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯10-20份、偶联剂1-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸3-5份、引发剂0.5-1份、五氧化二磷0.4-0.8份、多聚磷酸0.3-0.5份、碳纤维15-25份。
优选的，所述碳纤维的平均直径为3-9μm，长径比为1:(20-30)。
优选的，所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯。
优选的，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570中的至少一种。
优选的，所述超高分子量聚乙烯为美国泰科纳UHMWPE超高分子量聚乙烯GUR4170。
优选的，所述4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，再加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶，用氮气置换釜内空气，常压下130-145℃下反应3-5小时，接着升温至188-198℃，反应5-8小时，再抽真空至500Pa，加热到230-240℃，继续搅拌反应3-5小时，后冷却至室温，调至常压，在水中沉出，并用乙醇洗涤沉出的聚合物3-6次，最后置于真空干燥箱85-95℃下干燥至恒重，得到4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物。
优选的，所述4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸、N-甲基吡咯烷酮、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1:1:(6-10):(0.8-1.2):0.5。
本发明的另一个目的，在于提供一种所述汽车齿轮材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将原料Fe、Fe-Cu中间合金、Fe-Sc中间合金、Fe-Ti中间合金、Fe-Mn中间合金、Fe-W中间合金、Fe-Co中间合金、Fe-除Sc之外的其它稀土元素中间合金、Fe-C中间合金、Fe-Si中间合金、Fe-Nb中间合金、Fe-B中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到700-850℃的纳米氮化铪和纳米硼化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到钢锭；接着依次进行锻造、热处理，得到齿轮本体；
步骤S2、将经过步骤S1制成的齿轮本体置于模具中，合模；接着将功能复合材料层各原料混合均匀，得到混合物料，加入注塑成型机中，注塑，最后冷却成型。
优选的，步骤S1中所述热处理包括依次进行的正火、回火和退火处理。
优选的，所述正火的温度为850-880℃，时间为30-40min；所述回火是将齿轮本体半成品降温至450-480℃，保温35-45min，再回温至550-600℃，保温45-65min；所述退火的温度为500-550℃，保持1-2h。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明公开的汽车齿轮材料的制备方法，工艺简单，操作控制方便，对设备依赖性小，制备效率和成品合格率高，适于连续规模化生产，具有较高的推广应用价值。
(2)本发明公开的汽车齿轮材料，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 0.8wt％-1.2wt％、Sc0.01wt％-0.03wt％、Ti 0.03wt％-0.08wt％、Mn 0.8wt％-1.2wt％、W 0.1wt％-0.3wt％、Co0.01wt％-0.05wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.01wt％-0.03wt％、C0.1wt％-0.2wt％、Si0.1wt％-0.3wt％、Nb 0.03wt％-0.06wt％、B 0.001wt％-0.003wt％、纳米氮化铪0.008wt％-0.012wt％、纳米硼化锆0.005wt％-0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过上述配方、成分和结构的合理选取，使得各成分之间能够相互配合共同作用，进而赋予齿轮材料机械强度高，耐腐蚀性能和耐磨性佳的优势。
(3)本发明公开的汽车齿轮材料，所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯10-20份、偶联剂1-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸3-5份、引发剂0.5-1份、五氧化二磷0.4-0.8份、多聚磷酸0.3-0.5份、碳纤维15-25份。通过各原料之间相互配合共同作用，使得功能复合材料层具有更佳的耐腐蚀、耐磨和耐老化性能，且机械力学性能更佳，使用寿命更长。通过向功能复合材料层中同时引入苯硫醚、酰胺、四氟苯、超高分子量聚乙烯和砜基结构，这些结构在电子效应、位阻效应和共轭效应的多重作用下，能进一步改善上述性能。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明产品作进一步详细的说明。
实施例1
一种汽车齿轮材料，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 0.8wt％、Sc 0.01wt％、Ti0.03wt％、Mn0.8wt％、W 0.1wt％、Co 0.01wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.01wt％、C0.1wt％、Si 0.1wt、Nb 0.03wt％、B 0.001wt％、纳米氮化铪0.008wt、纳米硼化锆0.005wt，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述除Sc之外的其它稀土元素为Ce；所述纳米硼化锆的粒径为40nm；所述纳米硼化锆的粒径为10nm。
所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯10份、偶联剂1份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸3份、引发剂0.5份、五氧化二磷0.4份、多聚磷酸0.3份、碳纤维1份；所述碳纤维的平均直径为3μm，长径比为1:20；所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯；所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550；所述超高分子量聚乙烯为美国泰科纳UHMWPE超高分子量聚乙烯GUR4170。
所述4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，再加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶，用氮气置换釜内空气，常压下130℃下反应3小时，接着升温至188℃，反应5小时，再抽真空至500Pa，加热到230℃，继续搅拌反应3小时，后冷却至室温，调至常压，在水中沉出，并用乙醇洗涤沉出的聚合物3次，最后置于真空干燥箱85℃下干燥至恒重，得到4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物；所述4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸、N-甲基吡咯烷酮、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1:1:6:0.8:0.5。通过GPC测试，该缩聚物的Mn＝14680g/mol，MW/Mn＝1.322。
一种所述汽车齿轮材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将原料Fe、Fe-Cu中间合金、Fe-Sc中间合金、Fe-Ti中间合金、Fe-Mn中间合金、Fe-W中间合金、Fe-Co中间合金、Fe-除Sc之外的其它稀土元素中间合金、Fe-C中间合金、Fe-Si中间合金、Fe-Nb中间合金、Fe-B中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到700℃的纳米氮化铪和纳米硼化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到钢锭；接着依次进行锻造、热处理，得到齿轮本体；
步骤S2、将经过步骤S1制成的齿轮本体置于模具中，合模；接着将功能复合材料层各原料混合均匀，得到混合物料，加入注塑成型机中，注塑，最后冷却成型。
步骤S1中所述热处理包括依次进行的正火、回火和退火处理；所述正火的温度为850℃，时间为30min；所述回火是将齿轮本体半成品降温至450℃，保温35min，再回温至550℃，保温45min；所述退火的温度为500℃，保持1h。
实施例2
一种汽车齿轮材料，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 0.9wt％、Sc 0.015wt％、Ti0.04wt％、Mn0.9wt％、W 0.15wt％、Co 0.02wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.015wt％、C0.12wt％、Si 0.15wt％、Nb 0.04wt％、B 0.0015wt％、纳米氮化铪0.009wt％、纳米硼化锆0.006wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述除Sc之外的其它稀土元素为Y；所述纳米硼化锆的粒径为50nm；所述纳米硼化锆的粒径为20nm。
所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯13份、偶联剂1.5份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸3.5份、引发剂0.6份、五氧化二磷0.5份、多聚磷酸0.35份、碳纤维17份；所述碳纤维的平均直径为5μm，长径比为1:23；所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯；所述偶联剂为硅烷偶联剂KH560；所述超高分子量聚乙烯为美国泰科纳UHMWPE超高分子量聚乙烯GUR4170。
所述4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，再加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶，用氮气置换釜内空气，常压下135℃下反应3.5小时，接着升温至191℃，反应6小时，再抽真空至500Pa，加热到233℃，继续搅拌反应3.5小时，后冷却至室温，调至常压，在水中沉出，并用乙醇洗涤沉出的聚合物4次，最后置于真空干燥箱87℃下干燥至恒重，得到4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物；所述4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸、N-甲基吡咯烷酮、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1:1:7:0.9:0.5。
一种所述汽车齿轮材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将原料Fe、Fe-Cu中间合金、Fe-Sc中间合金、Fe-Ti中间合金、Fe-Mn中间合金、Fe-W中间合金、Fe-Co中间合金、Fe-除Sc之外的其它稀土元素中间合金、Fe-C中间合金、Fe-Si中间合金、Fe-Nb中间合金、Fe-B中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到750℃的纳米氮化铪和纳米硼化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到钢锭；接着依次进行锻造、热处理，得到齿轮本体；
步骤S2、将经过步骤S1制成的齿轮本体置于模具中，合模；接着将功能复合材料层各原料混合均匀，得到混合物料，加入注塑成型机中，注塑，最后冷却成型。
步骤S1中所述热处理包括依次进行的正火、回火和退火处理；所述正火的温度为860℃，时间为33min；所述回火是将齿轮本体半成品降温至460℃，保温38min，再回温至560℃，保温50min；所述退火的温度为510℃，保持1.2h。
实施例3
一种汽车齿轮材料，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 1wt％、Sc 0.02wt％、Ti0.06wt％、Mn 1wt％、W 0.2wt％、Co 0.035wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.02wt％、C0.15wt％、Si 0.2wt％、Nb0.045wt％、B 0.002wt％、纳米氮化铪0.01wt％、纳米硼化锆0.0065wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述除Sc之外的其它稀土元素为Gd；所述纳米硼化锆的粒径为60nm；所述纳米硼化锆的粒径为40nm。
所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯15份、偶联剂2份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4份、引发剂0.8份、五氧化二磷0.6份、多聚磷酸0.4份、碳纤维20份；所述碳纤维的平均直径为6μm，长径比为1:25；所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯；所述偶联剂为硅烷硅烷偶联剂KH570；所述超高分子量聚乙烯为美国泰科纳UHMWPE超高分子量聚乙烯GUR 4170。
所述4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，再加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶，用氮气置换釜内空气，常压下138℃下反应4小时，接着升温至192℃，反应6.5小时，再抽真空至500Pa，加热到235℃，继续搅拌反应4小时，后冷却至室温，调至常压，在水中沉出，并用乙醇洗涤沉出的聚合物5次，最后置于真空干燥箱90℃下干燥至恒重，得到4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物；所述4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸、N-甲基吡咯烷酮、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1:1:8:1:0.5。
一种所述汽车齿轮材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将原料Fe、Fe-Cu中间合金、Fe-Sc中间合金、Fe-Ti中间合金、Fe-Mn中间合金、Fe-W中间合金、Fe-Co中间合金、Fe-除Sc之外的其它稀土元素中间合金、Fe-C中间合金、Fe-Si中间合金、Fe-Nb中间合金、Fe-B中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到780℃的纳米氮化铪和纳米硼化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到钢锭；接着依次进行锻造、热处理，得到齿轮本体；
步骤S2、将经过步骤S1制成的齿轮本体置于模具中，合模；接着将功能复合材料层各原料混合均匀，得到混合物料，加入注塑成型机中，注塑，最后冷却成型。
步骤S1中所述热处理包括依次进行的正火、回火和退火处理；所述正火的温度为865℃，时间为35min；所述回火是将齿轮本体半成品降温至465℃，保温40min，再回温至580℃，保温55min；所述退火的温度为530℃，保持1.5h。
实施例4
一种汽车齿轮材料，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 1.1wt％、Sc 0.025wt％、Ti0.07wt％、Mn1.1wt％、W 0.25wt％、Co 0.04wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.025wt％、C0.18wt％、Si 0.25wt％、Nb 0.055wt％、B 0.0025wt％、纳米氮化铪0.011wt％、纳米硼化锆0.0075wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述除Sc之外的其它稀土元素为Ce、Y、Gd按质量比1：3：2混合形成的混合物；所述纳米硼化锆的粒径为70nm；所述纳米硼化锆的粒径为50nm。
所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯18份、偶联剂2.5份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4.5份、引发剂0.9份、五氧化二磷0.75份、多聚磷酸0.45份、碳纤维23份；所述碳纤维的平均直径为8μm，长径比为1:28；所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯；所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570按质量比1:3:5混合形成的混合物；所述超高分子量聚乙烯为美国泰科纳UHMWPE超高分子量聚乙烯GUR 4170。
所述4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，再加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶，用氮气置换釜内空气，常压下143℃下反应4.5小时，接着升温至195℃，反应7.5小时，再抽真空至500Pa，加热到238℃，继续搅拌反应4.5小时，后冷却至室温，调至常压，在水中沉出，并用乙醇洗涤沉出的聚合物5次，最后置于真空干燥箱93℃下干燥至恒重，得到4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物；所述4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸、N-甲基吡咯烷酮、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1:1:9.5:1.1:0.5。
一种所述汽车齿轮材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将原料Fe、Fe-Cu中间合金、Fe-Sc中间合金、Fe-Ti中间合金、Fe-Mn中间合金、Fe-W中间合金、Fe-Co中间合金、Fe-除Sc之外的其它稀土元素中间合金、Fe-C中间合金、Fe-Si中间合金、Fe-Nb中间合金、Fe-B中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到840℃的纳米氮化铪和纳米硼化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到钢锭；接着依次进行锻造、热处理，得到齿轮本体；
步骤S2、将经过步骤S1制成的齿轮本体置于模具中，合模；接着将功能复合材料层各原料混合均匀，得到混合物料，加入注塑成型机中，注塑，最后冷却成型。
步骤S1中所述热处理包括依次进行的正火、回火和退火处理；所述正火的温度为875℃，时间为38min；所述回火是将齿轮本体半成品降温至475℃，保温43min，再回温至558℃，保温63min；所述退火的温度为540℃，保持1.8h。
实施例5
一种汽车齿轮材料，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 1.2wt％、Sc 0.03wt％、Ti0.08wt％、Mn1.2wt％、W 0.3wt％、Co 0.05wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.03wt％、C0.2wt％、Si 0.3wt％、Nb 0.06wt％、B 0.003wt％、纳米氮化铪0.012wt％、纳米硼化锆0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述除Sc之外的其它稀土元素为Ce；所述纳米硼化锆的粒径为80nm；所述纳米硼化锆的粒径为60nm。
所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯20份、偶联剂3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸5份、引发1份、五氧化二磷0.8份、多聚磷酸0.5份、碳纤维25份；所述碳纤维的平均直径为9μm，长径比为1:30；所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯；所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550；所述超高分子量聚乙烯为美国泰科纳UHMWPE超高分子量聚乙烯GUR 4170。
所述4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，再加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶，用氮气置换釜内空气，常压下145℃下反应5小时，接着升温至198℃，反应8小时，再抽真空至500Pa，加热到240℃，继续搅拌反应5小时，后冷却至室温，调至常压，在水中沉出，并用乙醇洗涤沉出的聚合物6次，最后置于真空干燥箱95℃下干燥至恒重，得到4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物；所述4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸、N-甲基吡咯烷酮、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1:1:10:1.2:0.5。
一种所述汽车齿轮材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将原料Fe、Fe-Cu中间合金、Fe-Sc中间合金、Fe-Ti中间合金、Fe-Mn中间合金、Fe-W中间合金、Fe-Co中间合金、Fe-除Sc之外的其它稀土元素中间合金、Fe-C中间合金、Fe-Si中间合金、Fe-Nb中间合金、Fe-B中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到850℃的纳米氮化铪和纳米硼化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到钢锭；接着依次进行锻造、热处理，得到齿轮本体；
步骤S2、将经过步骤S1制成的齿轮本体置于模具中，合模；接着将功能复合材料层各原料混合均匀，得到混合物料，加入注塑成型机中，注塑，最后冷却成型。
步骤S1中所述热处理包括依次进行的正火、回火和退火处理；所述正火的温度为880℃，时间为40min；所述回火是将齿轮本体半成品降温至480℃，保温45min，再回温至600℃，保温65min；所述退火的温度为550℃，保持2h。
对比例1
一种汽车齿轮材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加纳米氮化铪和超高分子量聚乙烯。
对比例2
一种汽车齿轮材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和纳米硼化锆。
为了进一步说明本发明各实施例产品取得的预期不到的积极技术效果，对各例制成的汽车齿轮材料进行相关性能检测，测试结果见表1，测试方法如下：
(1)耐腐蚀性：对各例汽车齿轮材料进行盐雾耐腐蚀试验，试验温度为35℃，用5％质量浓度的氯化钠水溶液在试验箱内喷雾，用以模拟环境的加速腐蚀，汽车齿轮材料的耐受时间(即保持未生锈的时间)超过1600小时的为耐腐蚀合格，否则不合格。
(2)耐磨性：利用型号为MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验仪对各例齿轮试样进行摩擦磨损的测试，测试载荷为30N，测试时间为5min，摩擦长度为5×10-3m，摩擦球为φ4mm的Al2O3材料，再利用三维形貌仪对摩擦磨损后的材料进行磨损体积的测量，得到磨损率；磨损率W的计算公式如下：W＝m/N·L，其中，W为磨损率(g/N·m)；m为磨损质量(g)；N为载荷(N)；L为总行程(m)。
(3)抗拉强度：参考标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行测试。
从表1可以看出，本发明实施例公开的汽车齿轮材料较对比例产品，具有更加优异的机械力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，氮化铪、超高分子量聚乙烯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和纳米硼化锆的加入对改善上述性能有益。
表1
项目 抗拉强度 磨损率 耐腐蚀性
单位 MPa ×10-10g/N·m —
实施例1 1120 0.16 合格
实施例2 1132 0.12 合格
实施例3 1145 0.10 合格
实施例4 1160 0.09 合格
实施例5 1172 0.07 合格
对比例1 1058 0.38 不合格
对比例2 1036 0.32 不合格
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种汽车齿轮材料，其特征在于，包括齿轮本体以及设于所述齿轮本体表面的功能复合材料层，所述齿轮本体是由如下按重量百分计的各成分制成：Cu 0.8wt％-1.2wt％、Sc0.01wt％-0.03wt％、Ti 0.03wt％-0.08wt％、Mn 0.8wt％-1.2wt％、W 0.1wt％-0.3wt％、Co0.01wt％-0.05wt％、除Sc之外的其它稀土元素0.01wt％-0.03wt％、C0.1wt％-0.2wt％、Si0.1wt％-0.3wt％、Nb 0.03wt％-0.06wt％、B 0.001wt％-0.003wt％、纳米氮化铪0.008wt％-0.012wt％、纳米硼化锆0.005wt％-0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述功能复合材料层是由如下按重量份计的各原料制成：4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物100份、超高分子量聚乙烯10-20份、偶联剂1-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸3-5份、引发剂0.5-1份、五氧化二磷0.4-0.8份、多聚磷酸0.3-0.5份、碳纤维15-25份；
所述4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸溶于N-甲基吡咯烷酮中，再加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶，用氮气置换釜内空气，常压下130-145℃下反应3-5小时，接着升温至188-198℃，反应5-8小时，再抽真空至500Pa，加热到230-240℃，继续搅拌反应3-5小时，后冷却至室温，调至常压，在水中沉出，并用乙醇洗涤沉出的聚合物3-6次，最后置于真空干燥箱85-95℃下干燥至恒重，得到4,4-二氨基二苯硫醚/2,3,5,6-四氟对苯二甲酸缩聚物；所述4,4-二氨基二苯硫醚、2,3,5,6-四氟对苯二甲酸、N-甲基吡咯烷酮、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1:1:(6-10):(0.8-1.2):0.5。
2.如权利要求1所述的汽车齿轮材料，其特征在于，所述除Sc之外的其它稀土元素为Ce、Y、Gd中的至少一种。
3.如权利要求1所述的汽车齿轮材料，其特征在于，所述碳纤维的平均直径为3-9μm，长径比为1:(20-30)；所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯。
4.如权利要求1所述的汽车齿轮材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570中的至少一种；所述超高分子量聚乙烯为美国泰科纳UHMWPE超高分子量聚乙烯GUR 4170。
5.一种如权利要求1-4任一项所述汽车齿轮材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将原料Fe、Fe-Cu中间合金、Fe-Sc中间合金、Fe-Ti中间合金、Fe-Mn中间合金、Fe-W中间合金、Fe-Co中间合金、Fe-除Sc之外的其它稀土元素中间合金、Fe-C中间合金、Fe-Si中间合金、Fe-Nb中间合金、Fe-B中间合金在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到700-850℃的纳米氮化铪和纳米硼化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到钢锭；接着依次进行锻造、热处理，得到齿轮本体；
步骤S2、将经过步骤S1制成的齿轮本体置于模具中，合模；接着将功能复合材料层各原料混合均匀，得到混合物料，加入注塑成型机中，注塑，最后冷却成型。
6.如权利要求5所述汽车齿轮材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述热处理包括依次进行的正火、回火和退火处理；所述正火的温度为850-880℃，时间为30-40min；所述回火是将齿轮本体半成品降温至450-480℃，保温35-45min，再回温至550-600℃，保温45-65min；所述退火的温度为500-550℃，保持1-2h。
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