專利名稱：用于熱軋的陶瓷卡具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷卡具，如適于用作熱軋鋼或合金卡具的導(dǎo)輥、軋輥或?qū)Ч堋?br> 迄今為止，用于制造條、線、管或其它型材的熱軋線中所用卡具如導(dǎo)輥和軋輥主要是由金屬制造的。
但是，這些金屬熱軋卡具一般易于磨損，因此，這類卡具的使用壽命短。人們已經(jīng)研制了由WC超硬合金等制成的卡具，盡管這類卡具的耐磨性極好，但耐熱性很差。因此，當(dāng)卡具與待軋制的材料接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題，出現(xiàn)龜裂和燒硬。另外，這些金屬卡具較重，使得這類卡具的固定或改變操作變得困難。
近幾年來，作為可代替用于熱軋的這類金屬卡具的卡具，人們深入地研究了用于熱軋的陶瓷卡具，這類陶瓷卡具利用了陶瓷優(yōu)良的特性例如耐磨性、耐熱性和重量輕。作為用于熱軋的這類陶瓷卡具的結(jié)構(gòu)材料，主要使用被稱為高強(qiáng)陶瓷的燒結(jié)氮化硅，但氮化硅是一種幾乎不燒結(jié)的物質(zhì)。因此，在由氮化硅材料制造卡具時(shí)，為了促進(jìn)通過氮化硅顆粒間形成玻璃相的燒結(jié)，通常添加氧化物如Y2O3、Al2O3或MgO作為燒結(jié)助劑。
然而，當(dāng)在鋼或合金的熱軋線中使用包含如上所述制造的傳統(tǒng)氮化硅燒結(jié)體的用于熱軋的卡具時(shí)，Si3N4晶粒間的剩余玻璃相會(huì)與待軋制材料中的鐵和冷卻水起反應(yīng)，致使卡具被腐蝕，因此，在其使用期間明顯地被磨損，造成麻煩。
鑒于這類問題，本發(fā)明的意圖和目的是提供一種由氮化硅制造用于熱軋的陶瓷卡具，其中如上所述氮化硅顆粒間的這種腐蝕受到抑制，因而其耐磨性顯著地得到了改進(jìn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種用于熱軋的含燒結(jié)體的陶瓷卡具，該燒結(jié)體主要由Si3N4、燒結(jié)助劑和痕量的雜質(zhì)組成，其中在Si3N4晶粒間形成晶體；晶粒間的晶相包含80％或以上的J相，10％或以下的H相和5％或以下的K相，優(yōu)選90％或以上的J相，5％或以下的H相和1％或以下的K相；卡具的強(qiáng)度即使在1200℃或以上的高溫下也不會(huì)受到損壞。
在本發(fā)明中，J相是一種Caspidine結(jié)構(gòu)的晶相，H相是一種磷灰石結(jié)構(gòu)的晶相，而K相是一種硅酸鹽石灰石的晶相。這些晶相可根據(jù)采用CuKα射線的X-射線衍射結(jié)果加以確定。
此外，按照本發(fā)明，提供一種用于熱軋的陶瓷卡具的制造方法，該方法包括將通過向Si3N4粉末中添加燒結(jié)助劑獲得的材料粉末模壓成所需的形狀，燒結(jié)模壓材料，然后在氮?dú)夥罩械?100-1300℃的溫度下進(jìn)行熱處理，以完成Si3N4晶粒間的結(jié)晶。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明是根據(jù)通過將常規(guī)燒結(jié)方法獲得的氮化硅燒結(jié)體在預(yù)定的條件下進(jìn)一步進(jìn)行熱處理，使燒結(jié)體Si3N4晶粒間的玻璃相結(jié)晶。
也就是說，獲取本發(fā)明用于熱軋的陶瓷卡具，可通過將向氮化硅粉末中添加具體的燒結(jié)助劑，然后將它們混合模壓獲得的粉末材料成所需的形狀，加熱/燒結(jié)該模壓材料，在完成燒結(jié)到一定程度后，在預(yù)定條件下進(jìn)一步進(jìn)行熱處理，以求得氮化硅晶粒間的結(jié)晶。
在由此獲得的本發(fā)明用于熱軋的陶瓷卡具中，結(jié)晶是在氮化硅晶粒間形成的，為此，在高溫下其強(qiáng)度的下降比常規(guī)的燒結(jié)氮化硅低，卡具組分與待熱軋材料中所包含的鐵和水的僅應(yīng)受到抑制。結(jié)果，與氮化硅晶粒間存在大量玻璃相的傳統(tǒng)制品相比，軋制時(shí)卡具的磨耗量少許多。
在本發(fā)明用于熱軋的陶瓷卡具中，氮化硅晶粒間形成的晶相一般含有80％或以上的J相，10％或以下的H相和5％或以下的K相，優(yōu)選為90％或以上的J相，5％或以下的H相和1％或以下的K相。如果J相低于80％，那么在燒結(jié)顆粒間與鐵和水的反應(yīng)性較高，即使當(dāng)H相高于10％或K相高于5％時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的結(jié)果。該事實(shí)被認(rèn)為是由于各晶相與鐵和水之間的反應(yīng)性差異造成的。
構(gòu)成本發(fā)明熱軋用的陶瓷卡具的燒結(jié)體組合物優(yōu)選的典型實(shí)例如下
(a)1-10wt％Y2O3、3-20wt％Yb2O3、平衡量的Si3N4和不可避免的雜質(zhì)。
(b)1-10wt％Y2O3，1-10wt％MgO，0.01-5wt％ZrO2，平衡量的Si3N4和不可避免的雜質(zhì)。
(c)1-10wt％Y2O3，0.01-20wt％Al2O3，平衡量的Si3N4和不可避免的雜質(zhì)。
燒結(jié)體晶相中J相、H相和K相的比率基本上可通過制備時(shí)燒結(jié)助劑的種類和用量以及使氮化硅晶粒間的玻璃相結(jié)晶時(shí)的熱處理溫度來控制。
在這種情況下，正如從上述燒結(jié)體組合物實(shí)施例中明顯看到的，燒結(jié)助劑優(yōu)選的實(shí)施例如下(a)1-10wt％Y2O3和3-20wt％Yb2O3。
(b)1-1wt％Y2O3、1-10wt％MgO和0.01-5wt％ZrO2。
(c)1-10wt％Y2O3和0.01-20wt％Al2O3。
熱處理溫度在1100-1300℃范圍之內(nèi)，優(yōu)選在1200-1300℃范圍之內(nèi)。所需熱處理氣氛為氮?dú)夥栈蚨栊詺夥?。在通常的燒結(jié)步驟之后，作為完全不同的步驟可進(jìn)行用于結(jié)晶的熱處理，或者在燒結(jié)步驟中包含熱處理。也就是說，在燒結(jié)完全后，可將燒結(jié)材料從燒結(jié)溫度加熱到熱處理溫度，使該熱處理在該溫度下持續(xù)預(yù)定的時(shí)間，再使加熱過的材料冷卻到室溫。
上述種類和用量的燒結(jié)助劑和熱處理溫度的上述熱處理?xiàng)l件等可獲得具有上述晶相比率的氮化硅燒結(jié)體。
如上所述，本發(fā)明由氮化硅制成的用于熱軋的陶瓷卡具要進(jìn)行通常的燒結(jié)步驟，然后再進(jìn)行預(yù)定的熱處理以進(jìn)行氮化硅顆粒間的結(jié)晶，從而抑制卡具組分與鐵和水的反應(yīng)并可降低軋制時(shí)卡具的磨損。另外，由于卡具與鋼材不相接觸，所以產(chǎn)品上的擦痕可明顯地降低。已經(jīng)確認(rèn)該擦痕預(yù)防效果對(duì)具有高熔點(diǎn)的待軋制的材料如不銹鋼來說明顯地增加。
現(xiàn)在，參照實(shí)施例將更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但本發(fā)明的范圍并不局限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1，對(duì)比例1將87wt％的氮化硅材料與燒結(jié)助劑混合，燒結(jié)助劑包含6wt％的Y組分(換算成Y2O3)，4wt％的Mg組分(換算成MgO)和3wt％的Zr組分(換算成ZrO2)，然后將混合物在采用由氧化鋯球制成珠的球磨機(jī)中進(jìn)行充分地混合。接著將由此混合的材料粉末裝入橡膠模中，隨后在2.5噸/cm2的壓力下通過流體靜壓模壓成四個(gè)制品。
將每個(gè)模壓制品夾緊在NC車床上，然后加工成預(yù)定的形狀。隨后，將該制品在氮?dú)夥罩写髿鈮合掠?650℃燒結(jié)2小時(shí)。將這些制品中的兩個(gè)在氮?dú)夥罩杏?200℃下再進(jìn)行熱處理1小時(shí)。
將各燒結(jié)體的軸向部分，邊緣部分和軸身部分通過使用金剛石砂輪研磨/加工，共計(jì)制成四根用于軋制的導(dǎo)輥，即兩根導(dǎo)輥在燒結(jié)后進(jìn)行過熱處理，兩根導(dǎo)輥未進(jìn)行過熱處理。按照X-射線衍射裝置對(duì)輥的分析，可以確定僅在1650℃下燒結(jié)2小時(shí)的輥的氮化硅晶粒間有玻璃相存在，而在1200℃下進(jìn)一步進(jìn)行熱處理的輥的氮化硅晶粒間有晶相存在，該晶相包含95％的J相和5％的K相。
為進(jìn)行比較，將這些導(dǎo)輥和常規(guī)的WC超硬合金導(dǎo)輥的每一根作為導(dǎo)輥安裝到最后軋機(jī)的入口處，然后通過各軋機(jī)軋制10,000噸的鉻鉬鋼條。在導(dǎo)輥的安裝部位，鋼材的速度和溫度分別為30米/秒和約900℃。在軋制結(jié)束后，觀察各輥輥身部分的外觀，同一部分的外形通過使用形狀測(cè)定儀測(cè)定，以觀察該輥的磨耗量。結(jié)果示于表1中。
表1序號(hào) 輥材料 耐熱溫度(℃)實(shí)施例11Si3N41,230(進(jìn)行熱處理)安施例12Si3N41,200(進(jìn)行熱處理)對(duì)比例13Si3N4820(未進(jìn)行熱處理)對(duì)比例14Si3N4780(未進(jìn)行熱處理)對(duì)比例15 WC超硬合金 -對(duì)比例16 WC超硬合金 -1)耐熱溫度是指在高溫下的強(qiáng)度為室溫下的強(qiáng)度的90％或以上的臨界溫度表1(續(xù))序號(hào)軸身部分的表面狀態(tài) 軸身部分的磨耗量鋼材上的擦痕(mm)實(shí)施例11鏡表面0.09 沒有未龜裂實(shí)施例12鏡表面0.08 沒有未龜裂對(duì)比例13鏡表面0.75 沒有未龜裂對(duì)比例14鏡表面0.63 沒有未龜裂對(duì)比例15 觀察到龜裂和 0.09 有燒硬對(duì)比例16 觀察到龜裂和 0.06 有燒硬正如表1結(jié)果所示，對(duì)于未進(jìn)行任何熱處理的第3和第4號(hào)輥而言，在Si3N4晶粒間有玻璃相存在，各輥身部分的表面狀態(tài)良好，在軋制過的鋼材上未看到任何擦痕。但是輥身部分的磨耗量大，以致于為保持軋制處理時(shí)的尺寸精度需進(jìn)行切削校正。另一方面，對(duì)第5和第6號(hào)的WC超硬合金輥而言，其磨耗量比第3和第4號(hào)的小，但在每根輥的表面上出現(xiàn)龜裂和軋卡，同時(shí)在鋼材上也觀察到了擦痕。相反，對(duì)進(jìn)行熱處理以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶的第1和第2號(hào)輥而言，每根輥的表面狀態(tài)都是良好的，并且其磨耗量基本上與WC超硬合金輥相當(dāng)。
實(shí)施例2，對(duì)比例2將氮化硅粉末與各種燒結(jié)助劑混合，以成為表2所示的材料組合物，接著在與實(shí)施例1相同的條件下混合、模壓和燒結(jié)。然后，將燒結(jié)材料在表2所示的熱處理溫度下進(jìn)一步進(jìn)行熱處理，制備出用于軋制的導(dǎo)輥。
通過采用X-射線衍射裝置分析由此制備的用于軋制的導(dǎo)輥的各晶相。此外，將這些導(dǎo)輥的每一根固定到最后軋機(jī)的入口處，按實(shí)施例1相同的方法進(jìn)行軋制試驗(yàn)，測(cè)定各輥輥身部分的磨耗量。測(cè)定的結(jié)果示于表2。
本文中，“J相”是指具有用Ca3(Si2O7)CaF2表示的單斜晶系的Caspidine結(jié)構(gòu)的晶相，并且在本發(fā)明的氮化硅燒結(jié)物中，其晶粒間的物相是結(jié)晶的，Ca的結(jié)晶位置由Ca、稀土元素如Y、Mg、Fe和Ni占據(jù)，Si的結(jié)晶位置由Si和Al占據(jù)，而O的結(jié)晶位置由F、O和N占據(jù)。這些晶相可通過粉末X-射線衍射法鑒定，它們具有與JCPDS圖32-1451所示的Si3N4·4Y2O3·SiO2相同圖譜的衍射線。
此外，為方便起見，將由下列等式計(jì)算的值看作是燒結(jié)體中J相的量。也就是說，J相的量Y(％)可由下列等式Y(jié)＝IJ(131)/[Iβ(101)＋I(xiàn)β(201)＋Jα(102)＋I(xiàn)α(210)]×100獲得，式中Iβ(101)和Iβ(201)分別是β型氮化硅晶面(101)和(210)的X-射線衍射強(qiáng)度；Iα(102)和Iα(210)分別為α型氮化硅晶面(102)和(210)的X-射線衍射強(qiáng)度；以及IJ(131)為J相晶面(131)的X-射線衍射強(qiáng)度。
K相是示于JCPDS圖32-1462中具有晶體結(jié)構(gòu)的一種晶體或其固溶體，由式Y(jié)SiO2N表示。此外，H相是示于JCPDS圖30-1462中具有晶體結(jié)構(gòu)的一種晶體或其固溶體，并由式Y(jié)5(SiO4)3N表示。K相或H相的量可由上述等式獲得，其中IJ(131)可分別用K相的IK(2θ＝19.5℃，CuKa)或H相的IH(112)＋I(xiàn)H(300)代替。
表2材料的組成(％)序號(hào) Y2O3Yb2O3MgOZrO2Al2O3Si3N4實(shí)施例27 9 15 ＜1＜1 ＜1 89實(shí)施例28 1 3 ＜1＜1 ＜1 96實(shí)施例29 5 20 ＜1＜1 ＜1 74實(shí)施例2106 - 4 3 ＜1 86實(shí)施例2116(CeO22) 4 3 ＜1 85實(shí)施例2123 1 4 3 ＜1 89實(shí)施例21310 5 1 1 ＜1 82實(shí)施例21410 - 10 5 ＜1 75實(shí)施例21510 - ＜1＜1 12 78實(shí)施例2168 - ＜1＜1 17 74對(duì)比例2173 15 ＜1＜1 ＜1 80對(duì)比例2183 15 ＜1＜1 ＜1 80對(duì)比例2193 - 8 10 ＜1 78對(duì)比例22010 - 8 3 578對(duì)比例22110 - ＜1＜1 881
表2(續(xù))熱處理溫度 晶相(％) 試驗(yàn)結(jié)果輥身部分序號(hào)(℃)J相 H相 K相 的磨耗量(mm)實(shí)施例27 1,250972＜1 0.07實(shí)施例28 1,230963 1 0.06實(shí)施例29 1,300958 2 0.09實(shí)施例2101,200956＜1 0.08實(shí)施例2111,250954 1 0.08實(shí)施例2121,200963 1 0.06實(shí)施例2131,210982＜1 0.08實(shí)施例2141,200925 3 0.08實(shí)施例2151,100879 4 0.15實(shí)施例2161,150887 5 0.14對(duì)比例2171,350835 12 0.37對(duì)比例2181,05080155 0.38對(duì)比例2191,250888 4 0.26對(duì)比例2201,250781210 0.45對(duì)比例2211,20083107 0.28
如正表2結(jié)果所示，當(dāng)熱處理溫度落在本發(fā)明方法所需的溫度之外時(shí)，構(gòu)成各個(gè)用于軋制導(dǎo)輥的燒結(jié)體的晶相包含80％以下的J相，10％以上的H相和5％以上的K相，其晶相落在構(gòu)成本發(fā)明陶瓷卡具的燒結(jié)體的晶相之外。結(jié)果，所獲得的導(dǎo)輥輥身部分的磨耗量增加。
另外，即使熱處理溫度在本發(fā)明方法的范圍內(nèi)，當(dāng)燒結(jié)體的組成(即燒結(jié)助劑的組成)不是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例時(shí)，燒結(jié)體的晶相易于落在本發(fā)明的范圍之外。結(jié)果，所獲得的導(dǎo)輥輥身部分的磨耗量增加。
權(quán)利要求
1.用于熱軋的陶瓷卡具包含主要由Si3N4、燒結(jié)助劑和痕量雜質(zhì)組成的燒結(jié)體；在Si3N4晶粒間形成結(jié)晶；晶粒間的晶相含有80％或以上的J相，10％或以下的H相和5％或以下的K相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于熱軋的陶瓷卡具，其中Si3N4晶粒間的晶相包含90％或以上的J相，5％或以下的H相和1％或以下的K相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于熱軋的陶瓷卡具，其中在Si3N4晶粒間形成結(jié)晶，卡具的強(qiáng)度即使在1200℃或以上的高溫下也不降低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于熱軋的陶瓷卡具，其中構(gòu)成用于熱軋?zhí)沾煽ň叩臒Y(jié)體的組合物包含1-10wt％Y2O3，3-20wt％Yb2O3和平衡量的Si3N4以及不可避免的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于熱軋的陶瓷卡具，其中構(gòu)成用于熱軋?zhí)沾煽ň叩臒Y(jié)體的組合物包含1-10wt％Y2O3，1-10wt％MgO，0.01-5wt％ZrO2和平衡量的Si3N4以及不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的用于熱軋的陶瓷卡具，其中構(gòu)成用于熱軋?zhí)沾煽ň叩臒Y(jié)體的組合物包含1-10wt％Y2O3，0.01～20wt％Al2O3和平衡量的Si3N4以及不可避免的雜質(zhì)。
7.制造用于熱軋?zhí)沾煽ň叩姆椒ǎ摲椒òǖ牟襟E有將向Si3N4粉末中添加燒結(jié)助劑所獲得的材料粉末模壓成所需形狀，燒結(jié)模壓的材料，然后將它們?cè)诘獨(dú)夥罩杏?100-1300℃的溫度下進(jìn)行熱處理，以進(jìn)行Si3N4晶粒間的結(jié)晶。
8.根據(jù)權(quán)利要求7用于熱軋的陶瓷卡具的制造方法，其中添加4-25wt％的稀土元素氧化物作為燒結(jié)助劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求7用于熱軋的陶瓷卡具的制造方法，其中添加1-10wt％的Y2O3和3-20wt％Yb2O3作為燒結(jié)助劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求7用于熱軋的陶瓷卡具的制造方法，其中添加4-15wt％的稀土元素的氧化物，1-10wt％MgO和0.01-5wt％ZrO2作為燒結(jié)助劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求7用于熱軋的陶瓷卡具的制造方法，其中添加1-10wt％Y2O3，1-10wt％MgO和0.01-5wt％ZrO2作為燒結(jié)助劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求7用于熱軋的陶瓷卡具的制造方法，其中添加1-10wt％Y2O3和0.01-20wt％Al2O3作為燒結(jié)助劑。
全文摘要
用于熱軋的陶瓷卡具是一種主要由Si
文檔編號(hào)C04B41/80GK1133759SQ9610590
公開日1996年10月23日 申請(qǐng)日期1996年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月9日
發(fā)明者川崎啟治, 三輪真一 申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社