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(guò)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(duì)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�的軋輥和�?dǎo)衛(wèi)能夠帶來(lái)更高的生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　對(duì)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(lái)日本、西歐、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)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(rùn)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(guò)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(dòng)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(guò)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(huì)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(duì)陶瓷性能的影響顯得更加重要。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們一直試圖通過(guò)改變晶界的狀態(tài)來(lái)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(duì)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(lái)，通過(guò)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(guò)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(guò)晶界滑移及位錯(cuò)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(duì)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?cè)鲰g、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?cè)鲰g相變?cè)鲰g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?cè)鲰g對(duì)結(jié)構(gòu)與溫度是敏感的，在高溫情況下會(huì)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(lái)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)程中，生長(zhǎng)出具有較大長(zhǎng)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(wèn)題，是一種簡(jiǎn)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(guò)預(yù)加β－Si3N4晶種，利用β－Si3N4晶粒生長(zhǎng)的各向異性，得到長(zhǎng)柱狀的β－Si3N4晶粒，是近10幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(duì)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(duì)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(duì)β－Si3N4晶粒的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)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(guó)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(guò)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(wèn)題，氮化硅輥環(huán)的機(jī)械性能見(jiàn)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(dòng)導(dǎo)輪。經(jīng)過(guò)初步現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。通過(guò)對(duì)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。