常壓型氮化硅陶瓷導(dǎo)輥的應(yīng)用前景

王　歡（中冶東方工程技術(shù)有限公司上海分公司,上海 201203）

常壓型氮化硅陶瓷導(dǎo)輥的應(yīng)用前景

王歡
（中冶東方工程技術(shù)有限公司上海分公司,上海 201203）

導(dǎo)輥是鋼鐵業(yè)高速線材生產(chǎn)的主要易耗件。目前，用碳化鈦鋼結(jié)硬質(zhì)合金制造導(dǎo)衛(wèi)輥（導(dǎo)衛(wèi)輪），是當(dāng)今世界鋼鐵工業(yè)界的共識(shí)，但其生產(chǎn)困難，成本非常高。氮化硅陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐氧化、耐腐蝕和抗沖擊等優(yōu)良性能，研究氮化硅陶瓷導(dǎo)輥的性能是否能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

氮化硅陶瓷；導(dǎo)輥；常壓

0　引言

20世紀(jì)80年代以來，高速線材軋機(jī)迅速發(fā)展，我國已成為線材生產(chǎn)第一大國。隨著線材軋機(jī)軋制速度提高，滑動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)(導(dǎo)輥)逐漸被滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)取代，導(dǎo)輥已成為高速線材軋機(jī)上的主要消耗部件。導(dǎo)輥工作中除了受線材的摩擦作用外，還受線材的沖擊和高溫線材的加熱及冷卻水的激冷，所以要求導(dǎo)輥硬度高、韌性高、耐磨性高、熱疲勞抗力高和抗粘鋼性強(qiáng)[1]。

目前，用碳化鈦鋼結(jié)硬質(zhì)合金制造導(dǎo)衛(wèi)輥（導(dǎo)衛(wèi)輪），是當(dāng)今世界鋼鐵工業(yè)界的共識(shí)。但是由于生產(chǎn)出這種完全致密、耐高溫耐腐蝕的碳化鈦鋼結(jié)硬質(zhì)合金極為困難，而且成本非常高。

氮化硅陶瓷比硬質(zhì)合金鋼有更高的硬度和楊氏模量。高硬度可以使導(dǎo)輥更耐磨，延長使用壽命。另外，氮化硅陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性、對(duì)金屬不粘著以及細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)可以提高軋材的表面質(zhì)量，使鏡面軋制成為可能。但是，氮化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金鋼。通過添加助劑來改善氮化硅陶瓷的硬度和彈性模量，使其具有符合要求的高強(qiáng)度和高韌性，可制備出性能優(yōu)良的氮化硅陶瓷，滿足導(dǎo)輥工作特性需要，因此氮化硅陶瓷導(dǎo)輥將有廣闊的應(yīng)用前景。

1　導(dǎo)輥

1.1導(dǎo)輥的應(yīng)用

導(dǎo)衛(wèi)裝置是型鋼生產(chǎn)線的重要組成部分，其主要作用是引導(dǎo)軋件沿正確路線順利咬入和導(dǎo)出，對(duì)已經(jīng)彎曲的軋件起矯直作用，對(duì)軋件有夾持扶正的作用。導(dǎo)輥是導(dǎo)衛(wèi)裝置中最關(guān)鍵的零件，對(duì)導(dǎo)衛(wèi)裝置實(shí)現(xiàn)其功能起著決定性作用[2]。

導(dǎo)衛(wèi)裝置的關(guān)鍵是抗磨材料的選擇，巨大的導(dǎo)衛(wèi)材料消耗與頻繁地更換導(dǎo)衛(wèi)裝置已成為制約生產(chǎn)正常進(jìn)行的瓶頸。因此，對(duì)導(dǎo)衛(wèi)裝置材料進(jìn)行進(jìn)一步的研究十分必要。

1.2導(dǎo)輥的工作條件

在高速軋制過程中，導(dǎo)輥夾持著900～1100℃的軋件準(zhǔn)確地進(jìn)入軋輥的軋槽。軋件進(jìn)入導(dǎo)衛(wèi)裝置一瞬間，對(duì)導(dǎo)衛(wèi)裝置產(chǎn)生較大沖擊，該沖擊主要由導(dǎo)衛(wèi)板承擔(dān)，軋件通過導(dǎo)輥則相對(duì)平穩(wěn)，沖擊較小，其對(duì)導(dǎo)輥的作用力主要為向兩邊的擠壓力。此外，在軋件通過導(dǎo)輥的同時(shí)，冷卻水對(duì)導(dǎo)輥進(jìn)行冷卻[2]。

2　氮化硅陶瓷

2.1氮化硅簡介

Si3N4的相對(duì)分子量為140.28，密度為3.44g/cm3，硬度為9～9.5，努氏硬度為2200，同時(shí)具有自潤滑性，摩擦系數(shù)?。ㄖ挥?.1），與加油的金屬表面相似，熔點(diǎn)1900℃（加壓下），線膨脹系數(shù)為2.75×10-6/℃（20-100℃），在空氣中開始氧化的溫度為1300～1400℃，彈性模量為28420-46060MPa，耐壓強(qiáng)度為490MPa（反應(yīng)燒結(jié)），抗彎強(qiáng)度為147MPa。Si3N4有兩種晶型即α-Si3N4和β-Si3N4，均屬六方晶系，α-Si3N4在高溫下可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si3N4，但一般認(rèn)為兩相在結(jié)構(gòu)上只有對(duì)稱性的差別（β-Si3N4對(duì)稱性較高），而無高低溫相之分。

2.2氮化硅陶瓷應(yīng)用

長期以來，在結(jié)構(gòu)材料中，金屬材料的應(yīng)用占據(jù)統(tǒng)治地位，但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料性能的要求越來越苛刻，在許多高技術(shù)領(lǐng)域僅僅依靠應(yīng)用金屬材料來獲得突破性進(jìn)展是很困難的。氮化硅陶瓷是典型的高溫高強(qiáng)結(jié)構(gòu)陶瓷，具有良好的室溫及高溫機(jī)械性能，強(qiáng)度高，耐磨性強(qiáng)，抗熱震性能好，是結(jié)構(gòu)陶瓷研究中最為廣泛深入的材料，同時(shí)也是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)、陶瓷刀具、耐磨件及其它高溫結(jié)構(gòu)件的首選材料[5]。被材料科學(xué)界認(rèn)為是結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域中綜合性能優(yōu)良、最有希望替代鎳基合金在高科技、高溫領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用的一種新材料[6]。但長期以來，制造氮化硅陶瓷的原材料和生產(chǎn)工藝的費(fèi)用一直非常高，而且氮化硅陶瓷在高溫下性能降低及其固有的脆性也極大的限制了它的應(yīng)用?；诖嗽?，氮化硅陶瓷一直以來僅在一些尖端高科技領(lǐng)域得以應(yīng)用[7]。

2.3氮化硅陶瓷研究需要解決的問題

氮化硅陶瓷的研究已經(jīng)進(jìn)入到一定的應(yīng)用階段。但總的來說，市場(chǎng)還未打開，人們對(duì)它還有一個(gè)認(rèn)識(shí)過程，對(duì)它研究需要考慮以下幾個(gè)問題：

（1）材料的可靠性陶瓷材料的工藝決定了材料的性能有一定的分散性，充分掌握材料組成、顯微結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，是日后生產(chǎn)上穩(wěn)定性的保證。

（2）材料的可利用性氮化硅陶瓷的研究是已發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用為契機(jī)的，但研制的新材料除了為了它的特定的需要之外，需要研究其它的可能用途，因此，應(yīng)積極尋準(zhǔn)它的應(yīng)用對(duì)象和擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。（3）材料制作的成本現(xiàn)階段研制的氮化硅陶瓷，雖說具有較好的性能，除了其他因素以外，成本較高是它難以大量推廣的重要原因。

2.4氮化硅材料制備方法

目前制備氮化硅陶瓷材料的方法主要有反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（RBSN）、熱壓燒結(jié)氮化硅（HPSN）、常壓燒結(jié)氮化硅（PSSN）、反應(yīng)燒結(jié)重?zé)Y(jié)氮化硅（SRBSN）、熱等靜壓氮化硅（HIPSN）和近幾年剛剛興起的高溫等離子放電燒結(jié)氮化硅（SPPSSN）和氣壓燒結(jié)氮化硅[8]。

3　試驗(yàn)過程及分析

常壓燒結(jié)是制備具有復(fù)雜形狀氮化硅部件的一種較為經(jīng)濟(jì)有效的方法，因?yàn)樵摕Y(jié)方法及其所需設(shè)備比熱壓氮化硅的要求簡單的多，而且制品在燒結(jié)后不需要較多的加工。通常情況下，是將一定數(shù)量的燒結(jié)添加劑添加到原始粉料中，粉料成型后在1700～1800℃的溫度范圍內(nèi)燒成。

3.1試驗(yàn)方法

在常壓導(dǎo)輥材料的制備中，我們分別采用了A類氮化硅粉和B類氮化硅粉為原始粉料，制備了氮化硅材料。燒結(jié)添加劑為Yb2O3。按15wt.%Yb2O3＋85wt.%Si3N4的配比混合粉料，并以無水乙醇為分散介質(zhì)，放在尼龍罐中，用同質(zhì)的Si3N4小球在球磨機(jī)上球磨24h以達(dá)到均勻混合的目的。球磨后將分散好的漿料放入干燥箱中，在60oC左

右的溫度條件下干燥10h以上。將干燥好的混合粉料取出，過80目篩，接著在壓力機(jī)上干壓成形為一個(gè)Φ50mm的餅，然后進(jìn)行冷等靜壓，條件為200MPa，達(dá)到造粒，便于松裝的目的。冷等靜壓后，測(cè)量得到試樣的直徑和高度，并作記錄。把冷等靜壓后的樣品破碎再成粉，將粉料再過60目篩，松裝入石墨模具中用坩堝進(jìn)行常壓燒結(jié)。常壓燒結(jié)的工藝條件為在1800oC下保溫1.5h，燒結(jié)過程中氮?dú)獗Ｗo(hù)。燒結(jié)后再次測(cè)量得到樣品的直徑和高度，并記錄。利用阿基米德排水法測(cè)量燒結(jié)后材料的相對(duì)密度密度。

將燒結(jié)好的試樣在多功能磨床上切成寬度為4mm左右的條形，然后經(jīng)磨樣和拋光得到符合要求的試樣條。在保證拋光面完好的前提下將試樣條折斷，取其中兩段。其一用于觀察斷口形貌，其二放在熔融NaOH中腐蝕1.5min，經(jīng)超聲清洗后用于觀察其微觀結(jié)構(gòu)。觀察試樣的斷口形貌和微觀結(jié)構(gòu)均是在掃描電子顯微鏡上進(jìn)行的。

3.2材料物理性能

對(duì)于常壓燒結(jié)的氮化硅材料的物理性能的研究主要是對(duì)收縮率和相對(duì)密度的兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們針對(duì)每種Si3N4粉做了三次相同的實(shí)驗(yàn)。將得到的三個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品分別測(cè)量了它們?cè)跓Y(jié)前(冷等靜壓后)和燒結(jié)后樣品的直徑和高度，通過計(jì)算得到收縮率，取平均值。利用阿基米德排水法測(cè)定燒結(jié)后試樣的真實(shí)密度，并通過計(jì)算得到相對(duì)密度。

對(duì)比兩種Si3N4粉燒結(jié)后的性能，見下表。

表1　采用A類粉和B類粉制備的氮化硅陶瓷材料的物理性能對(duì)比

3.3常壓材料的微觀結(jié)構(gòu)、斷口形貌和相分析

圖1中分別為用A類粉和B類粉制備的常壓氮化硅材料的微觀結(jié)構(gòu)，從圖中可以看到，兩種Si3N4粉經(jīng)常壓燒結(jié)后，原來的α-Si3N4相轉(zhuǎn)變?yōu)槌书L柱形狀的β-Si3N4相。所形成的β-Si3N4的柱狀晶的長徑比偏小。一般來說，具有相對(duì)細(xì)長形貌(即長徑比大)的β-Si3N4晶粒有利于促進(jìn)氮化硅陶瓷中晶粒的異向生長，達(dá)到增韌的效果，同時(shí)對(duì)氮化硅陶瓷的致密化不會(huì)起到阻礙作用。同時(shí)也可以看到其中很多大的空洞，這是由于材料不致密形成的氣孔。

圖2中分別為用A類粉和B類粉制備的常壓氮化硅導(dǎo)輥材料的斷口形貌，從斷口形貌可以明顯看出有許多空洞。一部分空洞的尺寸較小，這同樣是由于β-Si3N4從基體中拔出后殘存的痕跡，這在一定程度上有利于提高材料的韌性。

4　結(jié)論

（1）經(jīng)料燒結(jié)前后的收縮率和相對(duì)密度及微觀結(jié)構(gòu)、斷口形貌來看，用A類粉制備的材料性能與用B類粉制備的材料性能差異不大。從相對(duì)密度來看，常壓燒結(jié)的氮化硅材料致密度不夠高，這也導(dǎo)致其韌性和強(qiáng)度只能勉強(qiáng)達(dá)到導(dǎo)輥需要的性能要求。

（2）常壓燒結(jié)氮化硅陶瓷工藝簡單，成型率高、生產(chǎn)成本低，是制備高速線材導(dǎo)輥的理想方法。通過改善燒結(jié)工藝，改變添加助劑的種類和添加量等多種途徑來提高材料的整體性能后，將能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

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