常压型氮化硅陶瓷导辊的应用前景

2015-07-26中冶东方工程技术有限公司上海分公司上海201203

山东工业技术 2015年5期

王　欢（中冶东方工程技术有限公司上海分公司,上海 201203）

常压型氮化硅陶瓷导辊的应用前景

王欢
（中冶东方工程技术有限公司上海分公司,上海 201203）

导辊是钢铁业高速线材生产的主要易耗件。目前，用碳化钛钢结硬质合金制造导卫辊（导卫轮），是当今世界钢铁工业界的共识，但其生产困难，成本非常高。氮化硅陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐氧化、耐腐蚀和抗冲击等优良性能，研究氮化硅陶瓷导辊的性能是否能够满足工业生产要求，具有重要的现实意义。

氮化硅陶瓷；导辊；常压

0　引言

20世纪80年代以来，高速线材轧机迅速发展，我国已成为线材生产第一大国。随着线材轧机轧制速度提高，滑动导卫(导辊)逐渐被滚动导卫取代，导辊已成为高速线材轧机上的主要消耗部件。导辊工作中除了受线材的摩擦作用外，还受线材的冲击和高温线材的加热及冷却水的激冷，所以要求导辊硬度高、韧性高、耐磨性高、热疲劳抗力高和抗粘钢性强[1]。

目前，用碳化钛钢结硬质合金制造导卫辊（导卫轮），是当今世界钢铁工业界的共识。但是由于生产出这种完全致密、耐高温耐腐蚀的碳化钛钢结硬质合金极为困难，而且成本非常高。

氮化硅陶瓷比硬质合金钢有更高的硬度和杨氏模量。高硬度可以使导辊更耐磨，延长使用寿命。另外，氮化硅陶瓷的化学稳定性、对金属不粘着以及细的显微结构可以提高轧材的表面质量，使镜面轧制成为可能。但是，氮化硅陶瓷的抗弯强度和冲击韧性远低于硬质合金钢。通过添加助剂来改善氮化硅陶瓷的硬度和弹性模量，使其具有符合要求的高强度和高韧性，可制备出性能优良的氮化硅陶瓷，满足导辊工作特性需要，因此氮化硅陶瓷导辊将有广阔的应用前景。

1　导辊

1.1导辊的应用

导卫装置是型钢生产线的重要组成部分，其主要作用是引导轧件沿正确路线顺利咬入和导出，对已经弯曲的轧件起矫直作用，对轧件有夹持扶正的作用。导辊是导卫装置中最关键的零件，对导卫装置实现其功能起着决定性作用[2]。

导卫装置的关键是抗磨材料的选择，巨大的导卫材料消耗与频繁地更换导卫装置已成为制约生产正常进行的瓶颈。因此，对导卫装置材料进行进一步的研究十分必要。

1.2导辊的工作条件

在高速轧制过程中，导辊夹持着900～1100℃的轧件准确地进入轧辊的轧槽。轧件进入导卫装置一瞬间，对导卫装置产生较大冲击，该冲击主要由导卫板承担，轧件通过导辊则相对平稳，冲击较小，其对导辊的作用力主要为向两边的挤压力。此外，在轧件通过导辊的同时，冷却水对导辊进行冷却[2]。

2　氮化硅陶瓷

2.1氮化硅简介

Si3N4的相对分子量为140.28，密度为3.44g/cm3，硬度为9～9.5，努氏硬度为2200，同时具有自润滑性，摩擦系数小（只有0.1），与加油的金属表面相似，熔点1900℃（加压下），线膨胀系数为2.75×10-6/℃（20-100℃），在空气中开始氧化的温度为1300～1400℃，弹性模量为28420-46060MPa，耐压强度为490MPa（反应烧结），抗弯强度为147MPa。Si3N4有两种晶型即α-Si3N4和β-Si3N4，均属六方晶系，α-Si3N4在高温下可转变为β-Si3N4，但一般认为两相在结构上只有对称性的差别（β-Si3N4对称性较高），而无高低温相之分。

2.2氮化硅陶瓷应用

长期以来，在结构材料中，金属材料的应用占据统治地位，但随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料性能的要求越来越苛刻，在许多高技术领域仅仅依靠应用金属材料来获得突破性进展是很困难的。氮化硅陶瓷是典型的高温高强结构陶瓷，具有良好的室温及高温机械性能，强度高，耐磨性强，抗热震性能好，是结构陶瓷研究中最为广泛深入的材料，同时也是陶瓷发动机、陶瓷刀具、耐磨件及其它高温结构件的首选材料[5]。被材料科学界认为是结构陶瓷领域中综合性能优良、最有希望替代镍基合金在高科技、高温领域中获得广泛应用的一种新材料[6]。但长期以来，制造氮化硅陶瓷的原材料和生产工艺的费用一直非常高，而且氮化硅陶瓷在高温下性能降低及其固有的脆性也极大的限制了它的应用。基于此原因，氮化硅陶瓷一直以来仅在一些尖端高科技领域得以应用[7]。

2.3氮化硅陶瓷研究需要解决的问题

氮化硅陶瓷的研究已经进入到一定的应用阶段。但总的来说，市场还未打开，人们对它还有一个认识过程，对它研究需要考虑以下几个问题：

（1）材料的可靠性陶瓷材料的工艺决定了材料的性能有一定的分散性，充分掌握材料组成、显微结构和性能之间的关系，是日后生产上稳定性的保证。

（2）材料的可利用性氮化硅陶瓷的研究是已发动机应用为契机的，但研制的新材料除了为了它的特定的需要之外，需要研究其它的可能用途，因此，应积极寻准它的应用对象和扩大它的应用范围。（3）材料制作的成本现阶段研制的氮化硅陶瓷，虽说具有较好的性能，除了其他因素以外，成本较高是它难以大量推广的重要原因。

2.4氮化硅材料制备方法

目前制备氮化硅陶瓷材料的方法主要有反应烧结氮化硅（RBSN）、热压烧结氮化硅（HPSN）、常压烧结氮化硅（PSSN）、反应烧结重烧结氮化硅（SRBSN）、热等静压氮化硅（HIPSN）和近几年刚刚兴起的高温等离子放电烧结氮化硅（SPPSSN）和气压烧结氮化硅[8]。

3　试验过程及分析

常压烧结是制备具有复杂形状氮化硅部件的一种较为经济有效的方法，因为该烧结方法及其所需设备比热压氮化硅的要求简单的多，而且制品在烧结后不需要较多的加工。通常情况下，是将一定数量的烧结添加剂添加到原始粉料中，粉料成型后在1700～1800℃的温度范围内烧成。

3.1试验方法

在常压导辊材料的制备中，我们分别采用了A类氮化硅粉和B类氮化硅粉为原始粉料，制备了氮化硅材料。烧结添加剂为Yb2O3。按15wt.%Yb2O3＋85wt.%Si3N4的配比混合粉料，并以无水乙醇为分散介质，放在尼龙罐中，用同质的Si3N4小球在球磨机上球磨24h以达到均匀混合的目的。球磨后将分散好的浆料放入干燥箱中，在60ºC左

右的温度条件下干燥10h以上。将干燥好的混合粉料取出，过80目筛，接着在压力机上干压成形为一个Φ50mm的饼，然后进行冷等静压，条件为200MPa，达到造粒，便于松装的目的。冷等静压后，测量得到试样的直径和高度，并作记录。把冷等静压后的样品破碎再成粉，将粉料再过60目筛，松装入石墨模具中用坩埚进行常压烧结。常压烧结的工艺条件为在1800ºC下保温1.5h，烧结过程中氮气保护。烧结后再次测量得到样品的直径和高度，并记录。利用阿基米德排水法测量烧结后材料的相对密度密度。

将烧结好的试样在多功能磨床上切成宽度为4mm左右的条形，然后经磨样和抛光得到符合要求的试样条。在保证抛光面完好的前提下将试样条折断，取其中两段。其一用于观察断口形貌，其二放在熔融NaOH中腐蚀1.5min，经超声清洗后用于观察其微观结构。观察试样的断口形貌和微观结构均是在扫描电子显微镜上进行的。

3.2材料物理性能

对于常压烧结的氮化硅材料的物理性能的研究主要是对收缩率和相对密度的两方面进行实验。我们针对每种Si3N4粉做了三次相同的实验。将得到的三个实验样品分别测量了它们在烧结前(冷等静压后)和烧结后样品的直径和高度，通过计算得到收缩率，取平均值。利用阿基米德排水法测定烧结后试样的真实密度，并通过计算得到相对密度。

对比两种Si3N4粉烧结后的性能，见下表。

表1　采用A类粉和B类粉制备的氮化硅陶瓷材料的物理性能对比

3.3常压材料的微观结构、断口形貌和相分析

图1中分别为用A类粉和B类粉制备的常压氮化硅材料的微观结构，从图中可以看到，两种Si3N4粉经常压烧结后，原来的α-Si3N4相转变为呈长柱形状的β-Si3N4相。所形成的β-Si3N4的柱状晶的长径比偏小。一般来说，具有相对细长形貌(即长径比大)的β-Si3N4晶粒有利于促进氮化硅陶瓷中晶粒的异向生长，达到增韧的效果，同时对氮化硅陶瓷的致密化不会起到阻碍作用。同时也可以看到其中很多大的空洞，这是由于材料不致密形成的气孔。

图2中分别为用A类粉和B类粉制备的常压氮化硅导辊材料的断口形貌，从断口形貌可以明显看出有许多空洞。一部分空洞的尺寸较小，这同样是由于β-Si3N4从基体中拔出后残存的痕迹，这在一定程度上有利于提高材料的韧性。