一种基于凝胶反应的多晶纳米金刚石磨具制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于凝胶法磨具制备领域，具体设计一种基于凝胶反应的多晶纳米金刚石 磨具制备方法。
【背景技术】
[0002] 圆柱滚子轴承因其圆柱滚子与滚道为线接触，径向负荷能力大，适于高速重载工 况条件。随着机械设备复杂程度的不断提高，对圆柱滚子轴承的安全服役、动态性能、承载 能力等方面提出了更高的要求。常用轴承钢圆柱滚子轴承已很难满足使用需要，而陶瓷圆 柱滚子自重轻、电绝缘、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优良特点，在特殊领域已得到应用。大量 试验表明大约609^70%的高速轴承失效都是由于滚动体产生不同程度的疲劳破坏所致， 陶瓷圆柱滚子作为精密陶瓷轴承的重要部件，其表面质量直接影响着轴承的运动精度及寿 命，尤其是表面凹凸及裂纹等表面缺陷会降低轴承的高精度运转。目前，陶瓷圆柱滚子加工 采用与轴承钢圆柱滚子类似的超精加工方法，油石往复摆动作用于滚子，提高表面质量，由 于陶瓷具有硬、脆特性等材料特性，其加工过程易在球体表面产生微裂纹、划痕和残余应力 等表面缺陷，限制了陶瓷圆柱滚子轴承的应用，因此，亟需开发新的超精研工艺。
[0003] 多晶金刚石由多个镶嵌结构的亚晶组成，具有不规则形状和粗糙凹面，晶体均匀 脆性好，磨削过程中，颗粒沿亚晶间的界面破裂，小的被磨损的亚晶从晶体颗粒脱落后，会 适时自动剥落而显现出新的微观切削刃口，这种"自锐性"保证了加工的高精度、高效率，不 会产生划痕和烧伤，零件表面光洁度高。传统树脂结合剂磨具采用模压成型法，而纳米级金 刚石的分散性太差，在与微米级结合剂粉体的混合过程中，由于颗粒尺寸差异过大，很难在 结合剂中分布均匀，特别是热压过程中纳米金刚石表面积大，活性高，抗氧化温度低，对添 加剂敏感度高，制约了纳米多晶金刚石磨具的应用。本发明将试验新型凝胶法磨具制作工 艺制作多晶纳米金刚石磨具，以提高陶瓷圆柱滚子等硬脆材料加工的表面质量和效率。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种于凝胶反应的多晶纳米金刚石 磨具制备方法。
[0005] 本发明的技术方案如下： 一种基于凝胶反应的多晶纳米金刚石磨具制备方法包括如下步骤： (1) 将去离子水和DMSO (二甲基亚砜)混合，再将PAN共聚物（聚丙烯腈)均匀地分散在 DMSCVH2O混合液中，震荡器上震荡30min，放于50 °C鼓风干燥烘箱溶胀2h后，转移至90 °C 鼓风干燥箱高温溶解，然后用搅拌机在70°C下搅拌溶解6 h，直至完全转变为透明无杂质的 溶液； (2) 在溶液中加入纳米多晶金刚石磨料，同时加入硅烷偶联剂KH570,使用均质搅拌机 或超声波振动仪充分分散均匀，将溶液在70°C的真空烘箱中脱泡，倒入模具中，冰柜中零下 20°C凝胶成型，制备预成型磨具； (3) 预成型磨具在室温条件下或40°C加热条件下解冻2~5小时，解冻后脱水； (4) 在预氧化炉中先预氧化，再在碳化炉中烧结碳化成型。
[0006] 所述的去离子水与二甲基亚砜的质量比为1:39,所述的PAN共聚物与去离子水的 质量比为8-16:1。
[0007] 所述的纳米多晶金刚石磨料与PAN共聚物的质量比为100:8-16,纳米多晶金刚石 磨料与硅烷偶联剂KH570的质量比为100:1。
[0008] 所述的纳米多晶金刚石磨料的纳米单晶粒度范围为20~200nm，聚晶粒度为 L 5~2Wn〇
[0009] 所述的脱水方法为预成型磨具浸润在乙醇液体中，零下20°C冰柜中放置8~10小 时后，预成型磨具拿出，室温条件下晾5~10小时。
[0010] 所述的预氧化方法为在预氧化炉中进行的，在含氧气氛中（空气）缓慢加热，升温 速度在1~2°C /min，升温至230°C。
[0011] 所述的烧结碳化方法为在纯化氮气惰性气体保护下通过碳化炉，先在碳化炉中 600~800°C进行低温碳化，然后升温至1300~1600°C左右进行高温碳化反应。
[0012] 本凝胶磨具中多晶金刚石由多个镶嵌结构的亚晶组成，具有不规则形状和粗糙凹 面，晶体均匀脆性好，磨削过程中，颗粒沿亚晶间的界面破裂，小的被磨损的亚晶从晶体颗 粒脱落后，会适时自动剥落而显现出新的微观切削刃口，这种"自锐性"保证了加工的高精 度、高效率，不会产生划痕和烧伤，零件表面光洁度高。
[0013] 选用聚丙烯晴作为纳米多晶金刚石磨具的结合剂的优点如下： (1) 聚丙烯晴可以凝胶固化，碳化后，强度高，耐磨性好，作为磨具的结合剂，保证了凝 胶磨具不会在研磨过程中整体变形软化以及良好的耐磨性； (2) 磨具长时间磨损，当磨具不平整时，局部凸区域受压载荷大，摩擦力大，温升效应 高，较高的软化温度可以充分使局部凸区域软化磨平，达到磨盘自修整的效果。
【附图说明】
[0014] 图1凝胶磨具表面SEM图； 图2两种磨具材料去除率比较图； 图3陶瓷圆柱滚子表面显微图，其中（a)研磨前；（b)凝胶磨具研磨后；（c)热压磨具 研磨后； 图4凝胶磨具磨损后表面SEM图。
【具体实施方式】
[0015] 实施例1 取各成分质量如表1所示： 表1凝胶磨具成分组成
实施步骤如下： (1) 将去离子水和DMSO混合，再将PAN共聚物均匀地分散在DMSCVH2O混合液中，震荡 器上震荡30min，放于50°C鼓风干燥烘箱溶胀2h后，转移至90°C鼓风干燥箱高温溶解，然后 用搅拌机在70°C下搅拌溶解6 h，直至完全转变为透明无杂质的溶液； (2) 在溶液中加入纳米多晶金刚石磨料，同时加入硅烷偶联剂KH570,使用均质搅拌机 或超声波振动仪充分分散均匀，将溶液在70°C的真空烘箱中脱泡，倒入磨具中，冰柜中零下 20°C凝胶成型，制备预成型磨具； (3) 步骤（2)得到的预成型磨具在室温条件下或40°C加热条件下解冻2~5小时，解冻 后预成型磨具浸润在乙醇液体中，零下20°C冰柜中放置8~10小时后，预成型磨具拿出，室 温条件下晾5~10小时； (4) 步骤（3)得到的预成型磨具放置在预氧化