專利名稱：一種自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速線材軋制用自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥及其制備方法，屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
導(dǎo)衛(wèi)裝置是型鋼主軋機中的重要組成部分，其主要作用是引導(dǎo)軋件沿正確路線順利咬入和導(dǎo)出，對已經(jīng)彎曲的軋件起矯直作用，對軋件有夾持扶正的作用。而導(dǎo)衛(wèi)輥是導(dǎo)衛(wèi)裝置中最關(guān)鍵的零件，對導(dǎo)衛(wèi)裝置實現(xiàn)其功能起著決定性作用。
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)通過導(dǎo)衛(wèi)裝置，同時為冷卻軋輥及導(dǎo)衛(wèi)裝置，需要不停地向其表面噴射一定壓力的冷卻水。因此，導(dǎo)衛(wèi)裝置在較高溫度下，既要承受急冷急熱沖擊，又要承受滑動摩擦磨損以及鋼坯入口時施加的沖擊載荷，工作條件十分惡劣，容易造成導(dǎo)衛(wèi)輥的損耗甚至失效。此外由于現(xiàn)代高速軋機對導(dǎo)衛(wèi)輥的尺寸精度要求很高，需要及時更換尺寸不合要求的導(dǎo)衛(wèi)輥。以上因素均造成巨大的導(dǎo)衛(wèi)輥材料消耗與頻繁地更換導(dǎo)衛(wèi)裝置，這已成為制約線材生產(chǎn)正常進行的瓶頸之一。
目前導(dǎo)衛(wèi)輥大多采用耐熱鋼等金屬材質(zhì)，由于金屬在高溫下的硬度耐磨性低，而且高溫下化學(xué)穩(wěn)定性差，因此在導(dǎo)衛(wèi)輥在使用過程中會出現(xiàn)高溫磨損失效、粘鋼失效、拉傷失效、熱疲勞與熱裂失效等失效形式。此外由于金屬的密度高，在高速旋轉(zhuǎn)運動中，重質(zhì)導(dǎo)衛(wèi)輥會對安裝在其內(nèi)部的軸承產(chǎn)生很大的應(yīng)力，容易造成軸承的失效。因此從導(dǎo)衛(wèi)輥材質(zhì)本身考慮防止以上失效的措施是提高材料的硬度、耐磨性、韌性以及抗高溫氧化能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高硬度、韌性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和低密度的導(dǎo)衛(wèi)輥及其制造方法，以氮化硅陶瓷材料為主要原料，通過預(yù)加β相氮化硅晶種的自增韌作用進行強韌化處理，添加氧化鐿促進材料燒結(jié)的致密化并提高其高溫性能，從而提高導(dǎo)衛(wèi)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。此外采用無壓燒結(jié)方法提高氮化硅導(dǎo)衛(wèi)輥的生產(chǎn)效率并降低其生產(chǎn)成本。
本發(fā)明提出的一種自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥，其特征在于所述導(dǎo)衛(wèi)輥材料的配方為α相氮化硅粉體的重量百分比為55～85％，氧化鐿的重量百分比為10～30％，預(yù)制β相氮化硅晶種的重量百分比為5～15％。
在上述自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥中，所述預(yù)制β相氮化硅晶種通過如下工藝制備在α相氮化硅細粉中加入重量百分比為8-20％的氧化鐿粉末，加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨后在高溫下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛1550℃～1750℃下保溫0.5～3小時制得β-Si3N4晶種。
本發(fā)明提出的一種自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥的制備方法，其特征在于所述制備方法包括以下各步驟(1)混料在原料α相氮化硅細粉中加入氧化鐿和預(yù)制β-Si3N4晶種，配成混合粉體，加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨；(2)將球磨后的漿體在高溫下干燥得到粉體，過篩，干壓、冷等靜壓成型；(3)用無壓燒結(jié)使步驟2的材料致密化，燒結(jié)溫度為1650-1850℃，保溫時間0.5-2小時，保護氣氛為氮氣，在降溫速度為每小時400-800之間降溫，冷卻后制得導(dǎo)衛(wèi)輥坯體。
(4)對導(dǎo)衛(wèi)輥坯體進行粗磨和精磨加工至所需尺寸即獲得自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥。
由于氮化硅陶瓷材料具有高的硬度、高溫強度、化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異綜合性能，通過自增韌技術(shù)能極大提高其斷裂韌性，因此用自增韌氮化硅材料制備的導(dǎo)衛(wèi)輥具有低密度、高的硬度/耐磨性、韌性且工作過程中不發(fā)生化學(xué)變化等特點，從而從材質(zhì)上降低導(dǎo)衛(wèi)輥在使用過程中出現(xiàn)的由于高溫磨損、硬度下降、脆性大而導(dǎo)致的失效的幾率，提高導(dǎo)衛(wèi)輥的使用壽命和使用效果；同時采用低密度的導(dǎo)衛(wèi)輥還能有效降低高速轉(zhuǎn)動中導(dǎo)衛(wèi)輥對裝配在其內(nèi)部的軸承作用力，從而提高軸承的使用時間。因此采用自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥能有效提高高速線材精軋機的生產(chǎn)效率，降低事故率。自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥與耐熱鋼導(dǎo)衛(wèi)輥的7-8倍。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)做進一步說明本發(fā)明導(dǎo)衛(wèi)輥的制造方法包括如下步驟1)混料在原料α相氮化硅粉末中加入氧化鐿和預(yù)制β-Si3N4晶種，配方為α相氮化硅粉體的重量百分比為55～85％，氧化鐿的重量百分比為10～30％，預(yù)制β相氮化硅晶種的重量百分比為5～15％。配成混合粉體，加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨4～40小時；2)球磨后的漿體在高溫下干燥4～40小時得到粉體，過篩，干壓、冷等靜壓成型；3)用無壓燒結(jié)使材料致密化，燒結(jié)溫度為1650-1850℃，保溫時間0.5-2小時，保護氣氛為氮氣，在降溫速度為每小時400-800℃之間降溫，冷卻后制得導(dǎo)衛(wèi)輥坯體。
4)對導(dǎo)衛(wèi)輥坯體進行粗磨和精磨加工至所需尺寸即獲得自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥其中預(yù)制β-Si3N4晶種按如下方法制備在α相氮化硅細粉中加入重量百分比為8～20％氧化鐿粉末，加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨4～40小時后在高溫下干燥4～40小時得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛1550℃～1750℃下保溫0.5～3小時制得β-Si3N4晶種。
實施例1
1)制備β-Si3N4晶種在900克α相氮化硅粉末細粉中加入100克氧化鐿，將粉料放入攪拌磨中，以氮化硅磨球為球磨介質(zhì)，無水乙醇為混合介質(zhì)，粉料、磨球和乙醇的質(zhì)量比為1∶1.5∶2。球磨24小時后，在雙錐式回轉(zhuǎn)真空干燥儀中干燥。將粉料放入石墨坩鍋中，在氮氣氣氛中1550℃加熱3小時，將粉料碾磨，過200目篩即得β-Si3N4晶種。
2)混料在600克原料α相氮化硅細粉中加入300克氧化鐿和100克預(yù)制β-Si3N4晶種。將粉料放入攪拌磨中，以氮化硅磨球為球磨介質(zhì)，丙酮為混合介質(zhì)，粉料、磨球和丙酮的質(zhì)量比為1∶1.5∶2。球磨12小時后，在雙錐式回轉(zhuǎn)真空干燥儀中干燥8小時。將干燥后的粉料進行80目篩子過篩、造粒。
3)成型按實際所需稱取相應(yīng)重量的粉料，將粉料填充到鋼制模具中，在40MPa的壓力下加壓成厚圓筒，將厚圓筒放入橡膠模具中，在冷等靜壓機中在200MPa的壓力下等靜壓成坯體。
4)燒結(jié)將制得的坯體放入石墨坩鍋中，預(yù)埋在氮化硼粉末中，將坩鍋放入燒結(jié)爐內(nèi)，于1700℃氮氣氣氛中燒結(jié)2小時，之后以每小時600℃降溫，冷卻后制得導(dǎo)衛(wèi)輥坯體。
5)加工將導(dǎo)衛(wèi)輥坯體進行表明拋光、校正圓度和精度校正，制得自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥。
經(jīng)檢測該產(chǎn)品的韌性為5.5MPam1/2、室溫抗彎強度650MPa，硬度90HRA，1200℃時高溫抗彎強度500MPa。
實施例21)制備β-Si3N4晶種在850克α相氮化硅粉末細粉中加入150克氧化鐿，將粉料放入攪拌磨中，以氮化硅磨球為球磨介質(zhì)，丙酮為混合介質(zhì)，粉料、磨球和乙醇的質(zhì)量比為1∶1.5∶2。球磨24小時后，在雙錐式回轉(zhuǎn)真空干燥儀中干燥。將粉料放入石墨坩鍋中，在氮氣氣氛中1650℃加熱1小時，將粉料碾磨，過200目篩即得β-Si3N4晶種。
2)混料在720克原料α相氮化硅細粉中加入200克氧化鐿和80克預(yù)制β-Si3N4晶種。將粉料放入攪拌磨中，以氮化硅磨球為球磨介質(zhì)，丙酮為混合介質(zhì)，粉料、磨球和乙醇的質(zhì)量比為1∶1.5∶2。球磨24小時后，在雙錐式回轉(zhuǎn)真空干燥儀中干燥8小時。將干燥后的粉料進行200目篩子過篩。
3)成型按實際所需稱取相應(yīng)重量的粉料，將粉料填充到鋼制模具中，在40MPa的壓力下加壓成厚圓筒，將厚圓筒放入橡膠模具中，在冷等靜壓機中在200MPa的壓力下等靜壓。
4)燒結(jié)將制得的坯體放入石墨坩鍋中，預(yù)埋在氮化硼粉末中，將坩鍋放入燒結(jié)爐內(nèi)，于1780℃氮氣氣氛中燒結(jié)1小時，之后以每小時400℃降溫，冷卻后制得導(dǎo)衛(wèi)輥坯體。
5)加工將導(dǎo)衛(wèi)輥坯體進行表明拋光、校正圓度和精度校正，制得自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥。
經(jīng)檢測該產(chǎn)品的韌性為6MPam1/2、室溫抗彎強度780MPa，硬度92HRA，1200℃時高溫抗彎強度580MPa。
實施例31)制備β-Si3N4晶種在850克α相氮化硅粉末細粉中加入150克氧化鐿，將粉料放入攪拌磨中，以氮化硅磨球為球磨介質(zhì)，無水乙醇為混合介質(zhì)，粉料、磨球和乙醇的質(zhì)量比為1∶1.5∶2。球磨24小時后，在雙錐式回轉(zhuǎn)真空干燥儀中干燥。將粉料放入石墨坩鍋中，在氮氣氣氛中1750℃加熱0.5小時，將粉料碾磨，過200目篩即得β-Si3N4晶種。
2)混料在850克原料α相氮化硅細粉中加入100克氧化鐿和50克預(yù)制β-Si3N4晶種。將粉料放入攪拌磨中，以氮化硅磨球為球磨介質(zhì)，無水乙醇為混合介質(zhì)，粉料、磨球和乙醇的質(zhì)量比為1∶1.5∶2。球磨40小時后，在雙錐式回轉(zhuǎn)真空干燥儀中干燥12小時。將干燥后的粉料進行200目篩子過篩。
3)成型按實際所需稱取相應(yīng)重量的粉料，將粉料填充到鋼制模具中，在40MPa的壓力下加壓成厚圓筒，將厚圓筒放入橡膠模具中，在冷等靜壓機中在200MPa的壓力下等靜壓。
4)燒結(jié)將制得的坯體放入石墨坩鍋中，預(yù)埋在氮化硼粉末中，將坩鍋放入燒結(jié)爐內(nèi)，于1850℃氮氣氣氛中燒結(jié)0.5小時，之后以每小時800℃降溫，冷卻后制得導(dǎo)衛(wèi)輥坯體。
5)加工將導(dǎo)衛(wèi)輥坯體進行表明拋光、校正圓度和精度校正，制得自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥。
經(jīng)檢測該產(chǎn)品的韌性為5.0MPam1/2、室溫抗彎強度700MPa，硬度92HRA，1200℃時高溫抗彎強度450MPa。
權(quán)利要求
1.一種自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥，其特征在于所述導(dǎo)衛(wèi)輥材料的配方為α相氮化硅粉體的重量百分比為55～85％，氧化鐿的重量百分比為10～30％，預(yù)制β相氮化硅晶種的重量百分比為5～15％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥，其特征在于所述預(yù)制β相氮化硅晶種通過如下工藝制備在α相氮化硅細粉中加入重量百分比為8-20％的氧化鐿粉末，加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨后在高溫下干燥得到粉體，將此粉體在氮氣氣氛1550℃～1750℃下保溫0.5～3小時制得β-Si3N4晶種。
3.制備如權(quán)利要求1所述的一種自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥的方法，其特征在于所述制備方法包括以下各步驟(1)混料在原料α相氮化硅細粉中加入氧化鐿和預(yù)制β-Si3N4晶種，配成混合粉體，加入無水乙醇或丙酮配成漿體，球磨；(2)將球磨后的漿體在高溫下干燥得到粉體，過篩，干壓、冷等靜壓成型；(3)用無壓燒結(jié)使步驟2的材料致密化，燒結(jié)溫度為1650-1850℃，保溫時間0.5-2小時，保護氣氛為氮氣，在降溫速度為每小時400-800之間降溫，冷卻后制得導(dǎo)衛(wèi)輥坯體。(4)對導(dǎo)衛(wèi)輥坯體進行粗磨和精磨加工至所需尺寸即獲得自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自增韌氮化硅陶瓷導(dǎo)衛(wèi)輥及其制備方法，屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于所述導(dǎo)衛(wèi)輥材料的配方為α相氮化硅粉體的重量百分比為55～85％，氧化鐿的重量百分比為10～30％，預(yù)制β相氮化硅晶種的重量百分比為5～15％。所述方法是將α－氮化硅粉、β－氮化硅晶種、氧化鐿粉成分按一定比例混合，經(jīng)球磨、干燥、造粒、成型、燒結(jié)制成導(dǎo)衛(wèi)輥坯體，并經(jīng)精磨加工而成。本發(fā)明產(chǎn)品具有高的韌性(5－6MPam
文檔編號C04B35/622GK1781877SQ200510086688
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者楊曉戰(zhàn), 李建保 申請人:清華大學(xué)