專利名稱：一種自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料及其制備方法，特別涉及一種自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料及其制備方法。
背景技術：
高速線材軋機以其精確的孔型設計，合理的張力及活套控制，無扭高速連續(xù)軋制方式及足夠的軋機剛性和采用小輥徑耐磨的精軋輥，保證了較高的軋制速度和產(chǎn)品的質(zhì)量，而精軋輥是高速線材精軋機中的重要組成部分，對于保持線材的斷面精度和表面質(zhì)量起著關鍵性作用。
在線材軋制過程中，鋼坯以較高的溫度(900～1250℃)及較高的速度(50m/s以上)通過精軋輥被軋制成所需斷面形狀和尺寸。為冷卻軋輥的溫度，在軋制過程種需要不停地向其表面噴射一定壓力的冷卻水。因此在軋制過程中精軋輥要承受較高的沖擊載荷、軋制應力、摩擦力、急冷急熱沖擊，工作條件十分惡劣，這樣就容易造成精軋輥的損耗甚至失效。以上因素均造成巨大的精軋輥材料消耗與頻繁地更換精軋輥，這已成為制約線材生產(chǎn)正常進行的瓶頸之一。
而目前精軋輥材料大多采用碳化鎢基硬質(zhì)合金制成，其主要成分是碳化鎢顆粒和金屬粘結劑(常為鈷)。盡管硬質(zhì)合金材料在室溫下具有很高的強度和硬度，但是其強度和硬度等性能會隨著溫度升高而迅速下降。線材高速軋制過程中，線材的溫度在700-1000℃，而且形變過程中還要產(chǎn)生大量的形變熱，導致硬質(zhì)合金的性能下降，同時其金屬粘結劑還要受到與高速通過的高溫線材在接觸時會發(fā)生氧化作用以及冷卻水的腐蝕作用，易產(chǎn)生氧化物等腐蝕產(chǎn)物顆粒，脫落后加劇了精軋輥的磨損。此外，硬質(zhì)合金的成份在設計上存在著矛盾的地方，欲提高其硬度和強度，需要添加更多的碳化鎢，這又造成材料的韌性、抗熱震性能的下降，使用中容易在軋輥表明產(chǎn)生龜裂甚至碎輥的現(xiàn)象。以上因素都直接影響了硬質(zhì)合金精軋輥的使用。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對于高線熱軋精軋輥，其材料要求非常嚴格，必須具有一下特點1、高溫強度高；2、抗氧化性好；3、與被軋制材料(鋼鐵、有色金屬等)之間不反應；4、高的耐磨損性(包括抗表面粗糙化能力)；5、抗熱震性好；6、韌性高；7、抗形變能力強(高溫彈性模量大)。
與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料在第1、2、3、4、5、7項上都有優(yōu)勢。此外，由于陶瓷軋輥的密度不足硬質(zhì)合金的一半，在更換軋輥是，陶瓷軋輥還具有減輕勞動強度的效果。在陶瓷材料中，能夠在1000多度正常使用的材料，并兼?zhèn)渖鲜鲂阅艿闹挥械柘盗胁牧?。因而為了克服硬質(zhì)合金軋輥性能的不足，在二十世紀九十年代，日本為了進一步提高線材加工效率和加工線材的質(zhì)量，提出了全陶瓷軋輥的設想，并且有了幾個實施的專利技術。1993年的專利(特開平5-337518)提出了以Sialon制造軋輥以提高抗熱震性的技術；針對氮化硅陶瓷耐磨性的不足，1997年的專利(特開平9-278529)提出了在氮化硅陶瓷中分散Cr2N顆粒以增強軋輥耐磨損性的技術；特許公報的2920138號提出了在氮化硅陶瓷中分散碳化硅顆粒以增加耐磨損性的技術；1998年日本的又一個專利針對陶瓷的抗熱震性問題，提出了加入高熱導性AlN的設計(特開平10-101436)，提出了用Si3N4-Y2O3-MgO-AlN陶瓷燒結體制造回轉加工部件的技術；針對陶瓷材料的高溫強度，專利EP0726236A2和特開平10-81566提出了在氮化硅中加入Y和Yb元素，經(jīng)燒結再在1100-1300℃回火熱處理以形成晶界J相的技術，以增加軋輥材料的高溫強度。但是，這些專利都是針對待料某一個性能方面的改進，而陶瓷軋輥的綜合性能是受多個方面因素的制約，應用效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種具有高韌性、高溫強度的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料及其制備方法。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比8-20％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨12-48小時后在80-100℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1550℃～1750℃保溫0.5～3小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將55～80％的α相氮化硅粉體，10～20％的稀土氧化物，5～15％的β-Si3N4晶種和5-10％的碳化鈦混合，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇或丙酮配制成漿體，球磨12-48小時后在80-100℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在50-100MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以15-40MPa的壓力，1700-1800℃的燒結溫度保溫30-120分鐘后，以400-800℃每小時的速度降至室溫即可。
本發(fā)明的稀土氧化物為Lu，Yb，Y，Ce，Nd，Sm，Gd，Dy或Er的氧化物。
按照本發(fā)明的制備方法制得的精軋輥材料，包括重量百分比55～80％的α相氮化硅粉體，10～20％的稀土氧化物，5～15％的β-Si3N4晶種和5-10％的碳化鈦。
由于氮化硅是強共價鍵化合物，離子性僅占0.3，且自擴散系數(shù)很小，致密化所必須的體積擴散及晶界擴散速度很小，其燒結驅(qū)動力Δγ(Δγ＝γsv/γgb，γsv為粉末的表面能，γgb為燒結體的晶界能)很小，而且在高溫下易分解成氮和硅，這些固有的本性就導致了它難以燒結致密，而必須加入少量添加物，使其在高溫下與氮化硅表面的SiO2反應生成液相，以求達到致密燒結，而稀土氧化物能夠極大地提高氮化硅高溫力學性能，所以本發(fā)明在氮化硅中添加稀土氧化物促進材料燒結的致密化并提高其高溫性能，添加碳化鈦提高材料的硬度，從而提高線材精軋輥的使用壽命和使用效果，提高高速線材軋機的生產(chǎn)效率。另外由于陶瓷材料中不存在通過晶界滑移及位錯等吸收能量的機制，所以，為了提高陶瓷材料的韌性，加入了β-Si3N4晶種，利用β-Si3N4晶粒生長的各向異性得到長柱狀的β-Si3N4晶粒。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
實施例1，首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比8％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇配成漿體，球磨26小時后在100℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1550℃保溫3小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將55％的α相氮化硅粉體，20％的Lu的氧化物，15％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇配制成漿體，球磨37小時后在85℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在100MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以18MPa的壓力，1720℃的燒結溫度保溫100分鐘后，以600℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比55％的α相氮化硅粉體，20％的Lu的氧化物，15％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦。
實施例2，首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比15％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入丙酮配成漿體，球磨12小時后在92℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1620℃保溫2.0小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將80％的α相氮化硅粉體，10％的Yb的氧化物，5％的β-Si3N4晶種和5％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入丙酮配制成漿體，球磨12小時后在100℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在80MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以36MPa的壓力，1750℃的燒結溫度保溫70分鐘后，以400℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比80％的α相氮化硅粉體，10％的Yb的氧化物，5％的β-Si3N4晶種和5％的碳化鈦。
實施例3，首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比10％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇配成漿體，球磨37小時后在85℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1730℃保溫0.8小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將70％的α相氮化硅粉體，15％的Y的氧化物，6％的β-Si3N4晶種和9％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇配制成漿體，球磨48小時后在80℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在60MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以25MPa的壓力，1700℃的燒結溫度保溫120分鐘后，以700℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比70％的α相氮化硅粉體，15％的Y的氧化物，6％的β-Si3N4晶種和9％的碳化鈦。
實施例4，首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比17％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入丙酮配成漿體，球磨48小時后在96℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1580℃保溫2.5小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將65％的α相氮化硅粉體，18％的Ce的氧化物，10％的β-Si3N4晶種和7％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入丙酮配制成漿體，球磨26小時后在96℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在90MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以15MPa的壓力，1780℃的燒結溫度保溫45分鐘后，以500℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比65％的α相氮化硅粉體，18％的Ce的氧化物，10％的β-Si3N4晶種和7％的碳化鈦。
實施例5，首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比13％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇配成漿體，球磨20小時后在80℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1750℃保溫0.5小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將68％的α相氮化硅粉體，13％的Nd的氧化物，13％的β-Si3N4晶種和6％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇配制成漿體，球磨41小時后在92℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在50MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以30MPa的壓力，1800℃的燒結溫度保溫30分鐘后，以800℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比68％的α相氮化硅粉體，13％的Nd的氧化物，13％的β-Si3N4晶種和6％的碳化鈦。
實施例6，首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比20％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入丙酮配成漿體，球磨41小時后在90℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1700℃保溫1.0小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將70％的α相氮化硅粉體，12％的Sm的氧化物，8％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入丙酮配制成漿體，球磨20小時后在90℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在70MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以40MPa的壓力，1760℃的燒結溫度保溫60分鐘后，以570℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比70％的α相氮化硅粉體，12％的Sm的氧化物，8％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦。
采用本發(fā)明的方法制得的精軋輥形狀的氮化硅陶瓷材料，具有耐高溫、高強度、高韌性、高硬度和高耐磨損性等特點。所使用的自增韌氮化硅材料制備的線材精軋輥具有高的韌性、高溫強度和硬度等特點。其斷裂韌性為8-11MPam1/2，強度為(室溫抗彎強度900-1100MPa，1200℃時抗彎強度700-900MPa)，硬度為90-94HRA。用于制作成線材精軋輥，在金屬線材的高速熱軋加工中，可以達到使用壽命延長、加工出的線材產(chǎn)品質(zhì)量高的效果。應用于實際生產(chǎn)中，自增韌陶瓷線材精軋輥較硬質(zhì)合金線材精軋輥的使用壽命提高1-2倍。
權利要求
1.一種自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于1)首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比8-20％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨12-48小時后在80-100℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1550℃～1750℃保溫0.5～3小時制得β-Si3N4晶種；2)其次按重量百分比將55～80％的α相氮化硅粉體，10～20％的稀土氧化物，5～15％的β-Si3N4晶種和5-10％的碳化鈦混合，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇或丙酮配制成漿體，球磨12-48小時后在80-100℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在50-100MPa下干壓成型；3)最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以15-40MPa的壓力，1700-1800℃的燒結溫度保溫30-120分鐘后，以400-800℃每小時的速度降至室溫即可。
2.根據(jù)權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于所說的稀土氧化物為Lu，Yb，Y，Ce，Nd，Sm，Gd，Dy或Er的氧化物。
3.根據(jù)權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于首先在的α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比8％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇配成漿體，球磨26小時后在100℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1550℃保溫3小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將55％的α相氮化硅粉體，20％的Lu的氧化物，15％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇配制成漿體，球磨37小時后在85℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在100MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以18MPa的壓力，1720℃的燒結溫度保溫100分鐘后，以600℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比55％的α相氮化硅粉體，20％的Lu的氧化物，15％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦。
4.根據(jù)權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于首先在的α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比15％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入丙酮配成漿體，球磨12小時后在92℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1620℃保溫2.0小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將80％的α相氮化硅粉體，10％的Yb的氧化物，5％的β-Si3N4晶種和5％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入丙酮配制成漿體，球磨12小時后在100℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在80MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以36MPa的壓力，1750℃的燒結溫度保溫70分鐘后，以400℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比80％的α相氮化硅粉體，10％的Yb的氧化物，5％的β-Si3N4晶種和5％的碳化鈦。
5.根據(jù)權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比10％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇配成漿體，球磨37小時后在85℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1730℃保溫0.8小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將70％的α相氮化硅粉體，15％的Y的氧化物，6％的β-Si3N4晶種和9％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇配制成漿體，球磨48小時后在80℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在60MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以25MPa的壓力，1700℃的燒結溫度保溫120分鐘后，以700℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比70％的α相氮化硅粉體，15％的Y的氧化物，6％的β-Si3N4晶種和9％的碳化鈦。
6.根據(jù)權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比17％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入丙酮配成漿體，球磨48小時后在96℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1580℃保溫2.5小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將65％的α相氮化硅粉體，18％的Ce的氧化物，10％的β-Si3N4晶種和7％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入丙酮配制成漿體，球磨26小時后在96℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在90MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以15MPa的壓力，1780℃的燒結溫度保溫45分鐘后，以500℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比65％的α相氮化硅粉體，18％的Ce的氧化物，10％的β-Si3N4晶種和7％的碳化鈦。
7.根據(jù)權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比13％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入無水乙醇配成漿體，球磨20小時后在80℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1750℃保溫0.5小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將68％的α相氮化硅粉體，13％的Nd的氧化物，13％的β-Si3N4晶種和6％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入無水乙醇配制成漿體，球磨41小時后在92℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在50MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以30MPa的壓力，1800℃的燒結溫度保溫30分鐘后，以800℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比68％的α相氮化硅粉體，13％的Nd的氧化物，13％的β-Si3N4晶種和6％的碳化鈦。
8.根據(jù)權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法，其特征在于首先在α相氮化硅粉末中加入α相氮化硅重量百分比20％的氧化鐿粉末制成混合粉末，然后再以1∶2的質(zhì)量比在混合粉末中加入丙酮配成漿體，球磨41小時后在90℃下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛下以1700℃保溫1.0小時制得β-Si3N4晶種；其次按重量百分比將70％的α相氮化硅粉體，12％的Sm的氧化物，8％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦混合均勻，然后再以1∶2的質(zhì)量比在該混合物中加入丙酮配制成漿體，球磨20小時后在90℃下干燥得到粉體，將得到的粉體過80目篩后在70MPa下干壓成型；最后將干壓成型的材料在氮氣氣氛下以40MPa的壓力，1760℃的燒結溫度保溫60分鐘后，以570℃每小時的速度降至室溫即可；所得的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料含重量百分比70％的α相氮化硅粉體，12％的Sm的氧化物，8％的β-Si3N4晶種和10％的碳化鈦。
9.一種按照權利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料的制備方法制得的精軋輥材料，其特征在于包括重量百分比55～80％的α相氮化硅粉體，10～20％的稀土氧化物，5～15％的β-Si3N4晶種和5-10％的碳化鈦。
10.根據(jù)權利要求9所述的精軋輥材料，其特征在于所說的稀土氧化物為Lu，Yb，Y，Ce，Nd，Sm，Gd，Dy或Er的氧化物。
全文摘要
一種自增韌氮化硅陶瓷線材精軋輥材料及其制備方法，首先在α相氮化硅粉末中加入氧化鐿粉末，然后再加入無水乙醇或丙酮配成漿體，經(jīng)球磨干燥后，在氮氣氣氛下高溫燒結制得β－Si
文檔編號B21B27/00GK1793041SQ20051009641
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權日2005年11月24日
發(fā)明者楊曉戰(zhàn), 李建保 申請人:清華大學