常壓型氮化硅陶瓷導輥的應用前景

王　歡（中冶東方工程技術有限公司上海分公司,上海 201203）

常壓型氮化硅陶瓷導輥的應用前景

王歡
（中冶東方工程技術有限公司上海分公司,上海 201203）

導輥是鋼鐵業高速線材生產的主要易耗件。目前，用碳化鈦鋼結硬質合金制造導衛輥（導衛輪），是當今世界鋼鐵工業界的共識，但其生產困難，成本非常高。氮化硅陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐氧化、耐腐蝕和抗沖擊等優良性能，研究氮化硅陶瓷導輥的性能是否能夠滿足工業生產要求，具有重要的現實意義。

氮化硅陶瓷；導輥；常壓

0　引言

20世紀80年代以來，高速線材軋機迅速發展，我國已成為線材生產第一大國。隨著線材軋機軋制速度提高，滑動導衛(導輥)逐漸被滾動導衛取代，導輥已成為高速線材軋機上的主要消耗部件。導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，所以要求導輥硬度高、韌性高、耐磨性高、熱疲勞抗力高和抗粘鋼性強[1]。

目前，用碳化鈦鋼結硬質合金制造導衛輥（導衛輪），是當今世界鋼鐵工業界的共識。但是由于生產出這種完全致密、耐高溫耐腐蝕的碳化鈦鋼結硬質合金極為困難，而且成本非常高。

氮化硅陶瓷比硬質合金鋼有更高的硬度和楊氏模量。高硬度可以使導輥更耐磨，延長使用壽命。另外，氮化硅陶瓷的化學穩定性、對金屬不粘著以及細的顯微結構可以提高軋材的表面質量，使鏡面軋制成為可能。但是，氮化硅陶瓷的抗彎強度和沖擊韌性遠低于硬質合金鋼。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度和高韌性，可制備出性能優良的氮化硅陶瓷，滿足導輥工作特性需要，因此氮化硅陶瓷導輥將有廣闊的應用前景。

1　導輥

1.1導輥的應用

導衛裝置是型鋼生產線的重要組成部分，其主要作用是引導軋件沿正確路線順利咬入和導出，對已經彎曲的軋件起矯直作用，對軋件有夾持扶正的作用。導輥是導衛裝置中最關鍵的零件，對導衛裝置實現其功能起著決定性作用[2]。

導衛裝置的關鍵是抗磨材料的選擇，巨大的導衛材料消耗與頻繁地更換導衛裝置已成為制約生產正常進行的瓶頸。因此，對導衛裝置材料進行進一步的研究十分必要。

1.2導輥的工作條件

在高速軋制過程中，導輥夾持著900～1100℃的軋件準確地進入軋輥的軋槽。軋件進入導衛裝置一瞬間，對導衛裝置產生較大沖擊，該沖擊主要由導衛板承擔，軋件通過導輥則相對平穩，沖擊較小，其對導輥的作用力主要為向兩邊的擠壓力。此外，在軋件通過導輥的同時，冷卻水對導輥進行冷卻[2]。

2　氮化硅陶瓷

2.1氮化硅簡介

Si3N4的相對分子量為140.28，密度為3.44g/cm3，硬度為9～9.5，努氏硬度為2200，同時具有自潤滑性，摩擦系數小（只有0.1），與加油的金屬表面相似，熔點1900℃（加壓下），線膨脹系數為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，耐壓強度為490MPa（反應燒結），抗彎強度為147MPa。Si3N4有兩種晶型即α-Si3N4和β-Si3N4，均屬六方晶系，α-Si3N4在高溫下可轉變為β-Si3N4，但一般認為兩相在結構上只有對稱性的差別（β-Si3N4對稱性較高），而無高低溫相之分。

2.2氮化硅陶瓷應用

長期以來，在結構材料中，金屬材料的應用占據統治地位，但隨著現代科學技術的飛速發展，人們對材料性能的要求越來越苛刻，在許多高技術領域僅僅依靠應用金屬材料來獲得突破性進展是很困難的。氮化硅陶瓷是典型的高溫高強結構陶瓷，具有良好的室溫及高溫機械性能，強度高，耐磨性強，抗熱震性能好，是結構陶瓷研究中最為廣泛深入的材料，同時也是陶瓷發動機、陶瓷刀具、耐磨件及其它高溫結構件的首選材料[5]。被材料科學界認為是結構陶瓷領域中綜合性能優良、最有希望替代鎳基合金在高科技、高溫領域中獲得廣泛應用的一種新材料[6]。但長期以來，制造氮化硅陶瓷的原材料和生產工藝的費用一直非常高，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用。基于此原因，氮化硅陶瓷一直以來僅在一些尖端高科技領域得以應用[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進入到一定的應用階段。但總的來說，市場還未打開，人們對它還有一個認識過程，對它研究需要考慮以下幾個問題：

（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、顯微結構和性能之間的關系，是日后生產上穩定性的保證。

（2）材料的可利用性氮化硅陶瓷的研究是已發動機應用為契機的，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，應積極尋準它的應用對象和擴大它的應用范圍。（3）材料制作的成本現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燒結氮化硅（RBSN）、熱壓燒結氮化硅（HPSN）、常壓燒結氮化硅（PSSN）、反應燒結重燒結氮化硅（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氮化硅（SPPSSN）和氣壓燒結氮化硅[8]。

3　試驗過程及分析

常壓燒結是制備具有復雜形狀氮化硅部件的一種較為經濟有效的方法，因為該燒結方法及其所需設備比熱壓氮化硅的要求簡單的多，而且制品在燒結后不需要較多的加工。通常情況下，是將一定數量的燒結添加劑添加到原始粉料中，粉料成型后在1700～1800℃的溫度范圍內燒成。

3.1試驗方法

在常壓導輥材料的制備中，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，放在尼龍罐中，用同質的Si3N4小球在球磨機上球磨24h以達到均勻混合的目的。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，接著在壓力機上干壓成形為一個Φ50mm的餅，然后進行冷等靜壓，條件為200MPa，達到造粒，便于松裝的目的。冷等靜壓后，測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行常壓燒結。常壓燒結的工藝條件為在1800oC下保溫1.5h，燒結過程中氮氣保護。燒結后再次測量得到樣品的直徑和高度，并記錄。利用阿基米德排水法測量燒結后材料的相對密度密度。

將燒結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，經超聲清洗后用于觀察其微觀結構。觀察試樣的斷口形貌和微觀結構均是在掃描電子顯微鏡上進行的。

3.2材料物理性能

對于常壓燒結的氮化硅材料的物理性能的研究主要是對收縮率和相對密度的兩方面進行實驗。我們針對每種Si3N4粉做了三次相同的實驗。將得到的三個實驗樣品分別測量了它們在燒結前(冷等靜壓后)和燒結后樣品的直徑和高度，通過計算得到收縮率，取平均值。利用阿基米德排水法測定燒結后試樣的真實密度，并通過計算得到相對密度。

對比兩種Si3N4粉燒結后的性能，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比

3.3常壓材料的微觀結構、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構，從圖中可以看到，兩種Si3N4粉經常壓燒結后，原來的α-Si3N4相轉變為呈長柱形狀的β-Si3N4相。所形成的β-Si3N4的柱狀晶的長徑比偏小。一般來說，具有相對細長形貌(即長徑比大)的β-Si3N4晶粒有利于促進氮化硅陶瓷中晶粒的異向生長，達到增韌的效果，同時對氮化硅陶瓷的致密化不會起到阻礙作用。同時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　結論

（1）經料燒結前后的收縮率和相對密度及微觀結構、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。從相對密度來看，常壓燒結的氮化硅材料致密度不夠高，這也導致其韌性和強度只能勉強達到導輥需要的性能要求。

（2）常壓燒結氮化硅陶瓷工藝簡單，成型率高、生產成本低，是制備高速線材導輥的理想方法。通過改善燒結工藝，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，將能夠滿足工業生產要求。

[1]陳其偉.棒線材軋機導衛輥的失效分析[J].軋鋼,2002,19(02):21-24.

[2]唐永輝，任立軍.導輥磨損原因分析及改善方法[J].中國錳業,2004,22(02):38-40.

[3]錢明，符寒光.高碳高速鋼導輥的研究和應用[J].安徽冶金,2002(04):8-12.

[4]王定武．我國高速線材軋機的建設和發展[J].軋鋼,1999(04):3-7.

[5]趙振波，于曉東，梁勝德等.自韌化氮化硅陶瓷的研究與進展[J].無機材料學報,1997,12(01):1-10.

[6]祝昌華，蔣俊，高玲等.氮化硅陶瓷的制備及進展[J].山東陶瓷,2001,24(03):12.

[7]王裕芳，張志成編譯．低成本氮化硅陶瓷[J].佛山陶瓷,2002,60(03):25-26.

[8]賈成廠．陶瓷基復合材料導論[J].北京：冶金工業出版社,2002.