現(xiàn)代工業(yè)中消耗的大量鋼材和各種合金材料，大部分為利用軋機(jī)將冶煉后的鑄坯軋制成所需形狀。金屬線材的制造即為鑄坯通過多道次軋制而成。高速線材生產(chǎn)線熱軋時(shí)軋制溫度可達(dá)1000℃以上，精軋機(jī)的速度可達(dá)120m／s，因此對高速線材軋機(jī)精軋機(jī)的軋輥和導(dǎo)衛(wèi)的使用壽命提出了更高的要求。因?yàn)楦邏勖能堓伜蛯?dǎo)衛(wèi)能夠帶來更高的生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。
對于高溫高速線材加工的軋輥和導(dǎo)衛(wèi)，其材料必須具有以下特點(diǎn)：①高溫硬度高；②抗氧化性好；③與被軋制材料（鐵、鐵合金、銅、銅合金等）之間不反應(yīng)；5高耐磨損性（包括抗表面粗糙化能力）；⑤抗熱震性好；⑥強(qiáng)度高；⑦抗形變能力強(qiáng)（高溫彈性模量大）。近年來日本、西歐、美國等發(fā)達(dá)國家為了進(jìn)一步提高線材加工效率和加工線材的質(zhì)量，開始對全陶瓷材料的新型軋輥和導(dǎo)衛(wèi)（導(dǎo)輪）進(jìn)行研究。
由于氮化硅陶瓷具有硬度高、在高溫下強(qiáng)度、硬度下降小、摩擦系數(shù)小、有自潤滑性、耐磨性好及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此目前研制的高性能陶瓷多采用氮化硅制作。在高溫高速線材的軋制過程中，軋輥和導(dǎo)衛(wèi)的工作條件極為惡劣，必須具備優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、韌性、抗熱沖擊性和熱導(dǎo)率，而現(xiàn)有氮化硅陶瓷軋輥的韌性、強(qiáng)度、抗熱沖擊性和熱導(dǎo)率尚不能滿足需要。
一、氮化硅材料研究進(jìn)展
1、氮化硅材料氮化硅是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，離子性僅占0.3。自擴(kuò)散系數(shù)很小，致密化所必須的體積擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散速度很小。燒結(jié)驅(qū)動力⑽γ（⑽γ＝γsv／γgb，γsv為粉末的表面能，γgb為燒結(jié)體的晶界能）很小，而且在高溫下易分解成氮和硅。氮化硅這些固有的本性導(dǎo)致其難以燒結(jié)致密，而必須加入少量的添加物，使其在高溫下與氮化硅表面的SiO2發(fā)生反應(yīng)生成液相，以求達(dá)到致密燒結(jié)。在研究過的添加劑中，稀土氧化物是一類性能優(yōu)良的燒結(jié)助劑，稀土氮化物能夠極大地提高氮化硅的高溫力學(xué)性能。陶瓷材料通常為多組分、多相結(jié)構(gòu)，既有各類結(jié)晶相，又有非晶態(tài)相；既有晶粒相，又有晶界相。晶粒相控制材料性能的基本要素，但是晶界相也會產(chǎn)生關(guān)鍵性影響，特別是隨著陶瓷材料中晶粒尺寸的不斷減小，晶界相對陶瓷性能的影響顯得更加重要。自20世紀(jì)70年代以來，人們一直試圖通過改變晶界的狀態(tài)來改善陶瓷材料的性能，尤其是陶瓷的高溫力學(xué)性能，即所謂的晶界工程。它包括研究晶界的作用、晶界的組成以及對材料性能的影響。然后據(jù)此設(shè)計(jì)所需的晶界，以達(dá)到所需求的材料性能。稀土氧化物在氮化硅陶瓷的晶界行為中有著很大的作用，近年來，通過選擇添加不同的稀土氧化物，氮化硅陶瓷的使用溫
度不斷提高。此外，通過添加稀土元素，以及控制氮化硅的微觀結(jié)構(gòu)和晶界結(jié)構(gòu)等，還可以有效地提高氮化硅的熱導(dǎo)率和抗氧化性能。
2、氮化硅陶瓷材料的增韌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(jī)制，所以，為了提高陶瓷材料的韌性，必須向陶瓷材料中引入某種吸收能量的機(jī)制，以吸收陶瓷裂紋擴(kuò)展的能量。向陶瓷材料中引入增強(qiáng)體形成陶瓷基復(fù)合材料是提高陶瓷材料韌性的主要方法。目前，對于氮化硅陶瓷材料的增韌料有效的措施主要有，顆粒彌散增韌、相變增韌、晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌和自增韌。
顆粒彌散增韌顆粒彌散增韌的典型研究就是Si3N4納米SiC復(fù)相陶瓷的研究。但從研究結(jié)果看，顆粒彌散增韌有一定的局限性，而且增韌效果不顯著。
相變增韌相變增韌是以氧化鋯作為氮化硅陶瓷的一種添加劑，它在應(yīng)力誘導(dǎo)下將發(fā)生由四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變，從而在裂紋尖端周圍產(chǎn)生非彈性變形的區(qū)域，使陶瓷材料的韌性得以提高。然而，由于氧化鋯的相變只能在一定的溫度和應(yīng)用作用下才能發(fā)生，因此相變增韌對結(jié)構(gòu)與溫度是敏感的，在高溫情況下會失去其增韌效果。
晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌是近10幾年來研究較多的有效增韌手段之一。SiC晶須的強(qiáng)度高、彈性模大、熱穩(wěn)定性好，與氮化硅具有良好的物理化學(xué)相容性，所以，在氮化硅陶瓷材料的增韌上成為首選增韌添加劑，它的實(shí)際應(yīng)用使材料的性能得到很大的改善。雖然晶須增韌氮化硅陶瓷已取得不菲的成果，但也存在諸多問題。①分散工藝復(fù)雜。②由于SiC晶須的加入，加大了基體的傳質(zhì)路徑，特別是當(dāng)晶須含量較高時(shí)，容易形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)而使基體顆粒的重排過程受阻，使燒結(jié)致密化速率大大降低。事實(shí)上，這就給原本就難以燒結(jié)的氮化硅陶瓷的致密化增添了新的障礙。③由于存在相容性問題，使其與基體之間存在著界面復(fù)雜情況。
自增韌自增韌氮化硅陶瓷是在合理選擇化學(xué)成分和工藝的情況下，使氮化硅陶瓷在燒結(jié)過程中，生長出具有較大長徑比的柱狀β－Si3N4晶粒而得到的一種陶瓷材料。這種柱狀的β－Si3N4晶粒有晶須的外形，因而可以具備晶須的種種增韌機(jī)制，免去了使用晶須在工藝上造成的困難以及相容性等問題，是一種簡便、易行、經(jīng)濟(jì)合理、效果顯著的增韌方法。因此這種方法已經(jīng)成為提高氮化硅陶瓷斷裂韌性的主要途徑。通過預(yù)加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，是近10幾年來發(fā)展起來的氮化硅陶瓷增韌方法。
二、自增韌氮化硅陶瓷軋輥的研究
自增韌氮化硅陶瓷軋輥課題的研究目的是針對現(xiàn)有氮化硅陶瓷軋輥的缺點(diǎn)，開發(fā)一種新型稀土摻雜預(yù)加晶種自增韌的氮化硅陶瓷軋輥制備技術(shù)，從而大幅度提高陶瓷軋輥的綜合性能。
1、高性能氮化硅陶瓷材料的研究在總結(jié)前人對稀土氮化硅和自增韌氮化硅兩種材料的研究之基礎(chǔ)上，提出融合二者的優(yōu)點(diǎn)，將兩種改善氮化硅材料性能的途徑同時(shí)引入一種技術(shù)。從理論上研究，在預(yù)加β－Si3N4晶種的情況下，稀土氧化物的晶界行為，及其對β－Si3N4晶粒的生長和晶體的顯微結(jié)構(gòu)的影響。進(jìn)一步搞清自增韌陶瓷的韌化機(jī)理，探明β－Si3N4晶粒的生長規(guī)律及其影響因素。并在此基礎(chǔ)上研制一種新型的稀土摻雜預(yù)加晶種自增韌氮化硅陶瓷材料，所研制的材料具有良好的綜合性能。
2、高性能大型氮化硅陶瓷軋輥的制備技術(shù)
高性能大尺寸氮化硅部件的制備技術(shù)一直是陶瓷界的一個研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，在綜合考慮軋輥所需性能、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，確定合適的配方和燒結(jié)工藝。
3、研制高性能氮化硅陶瓷軋輥設(shè)計(jì)制備陶瓷軋輥的模具，用研制的高性能氮化硅陶瓷材料，制備適用于高溫、高速金屬線材軋制的精軋輥，這一課題得到了國家863高技術(shù)計(jì)劃的支持，是由清華大學(xué)和北京科技大學(xué)共同開發(fā)的。通過數(shù)年的研究，現(xiàn)已研制出具有良好綜合性能的自增韌氮化硅材料，解決了大型氮化硅軋輥的成型和燒結(jié)技術(shù)問題，氮化硅輥環(huán)的機(jī)械性能見表1。計(jì)算機(jī)模擬高速線材熱軋工藝試驗(yàn)表明，氮化硅軋輥性能優(yōu)于硬質(zhì)合金軋輥。
氮化硅陶瓷的性能十分符合導(dǎo)衛(wèi)的使用性能要求，特別是高線軋機(jī)的滾動導(dǎo)輪。經(jīng)過初步現(xiàn)場試用，氮化硅陶瓷導(dǎo)輪壽命比碳化鎢高2～3倍。
在高速線材熱軋生產(chǎn)線上采用全陶瓷材料的氮化硅軋輥和導(dǎo)衛(wèi)（導(dǎo)輪）是一項(xiàng)新的技術(shù)，也是高速線材精軋輥的發(fā)展趨勢。通過對氮化硅陶瓷材料的增韌機(jī)理以及大尺寸氮化硅部件的成型、燒結(jié)工藝的研究，氮化硅軋輥和導(dǎo)輪有望在實(shí)際生產(chǎn)上得到應(yīng)用。
