陶瓷炉底辊辊套材料及其用该材料制作陶瓷炉底辊辊套的方法 【技术领域】
本发明涉及一种陶瓷炉底辊辊套材料及其用该材料制作陶瓷炉底辊辊套的方法，更具体地说是一种用于对诸如硅钢片、不锈钢、镀锌板等进行连续热处理炉中所使用的陶瓷炉底辊辊套的材料选择及其用所选择的材料制作陶瓷炉底辊辊套的方法。
背景技术
冶金行业硅钢、不锈钢、镀锌板连续热处理炉炉底辊，是在800～1100℃高温下，在还原气氛或弱氧化气氛中长期使用，因此不仅要求炉底辊具有较高的高温强度，而且还要求其在还原气氛或弱氧化气氛中具备良好的化学性质的稳定性、耐磨性、表面不发生结瘤，否则无法保障硅钢片、不锈钢、镀锌板的产品质量。为此，目前一般采用石墨炉底辊，也有的使用石英陶瓷炉底辊以及陶瓷涂层炉底辊。
就石墨炉底辊而言，它是由耐热合金钢辊基和套在辊基上的石墨套组成，这种炉底辊具有良好的抗冲击性和润滑性，但是由于受制作石墨炉底辊的材料的限制，使石墨炉底辊在空气中500℃左右时便产生氧化，并能溶于许多金属之中，如能生成铁碳固溶体，结集于辊套的表面，对板材表面造成划痕。因此在实际生产使用中，石墨炉底辊集中地暴露出如下问题：一是耐高温程度相对较差，用它作炉底辊的套辊，对热处理高于900℃的高牌号硅钢片的生产受到制约；二是当炉内通湿气，在弱氧化气氛下，石墨炉底辊则加速损坏，寿命仅能维持一个月左右，频繁更换会影响生产，增大成本；三是高温耐磨性差，使用寿命短；四是高温易结瘤，影响产品质量。
就石英陶瓷炉底辊而言，石英陶瓷热膨胀系数低，抗热震性好，但其机械强度不高，室温抗压强度约为44MPa，而且石英陶瓷随着温度的升高会发生软化，因此其使用温度受到限制。
就陶瓷涂层炉底辊而言，它是由炉底辊辊基及其表面上的底层、底层上的过渡层和过渡层上的表面层组成，由于层与层之间地材质不同，层间结合力较小，只有30-40MPa，使用过程中易出现剥落现象，因此使用寿命甚短。
申请人还切实地注意到了中国专利公开号为CN1172172A所介绍的“硅钢连续退火炉陶瓷复合涂层炉底辊”，它是在炉底辊辊基上喷涂陶瓷复合涂层，该复合涂层分成依次喷涂在炉底辊辊基(一般为耐热合金钢)表面上的底层、进而喷涂在底层上的过渡层、最后喷涂在过渡层上的表面层。三层的厚度分别为0.1～0.2mm、0.1～0.2mm、0.1～0.5mm；底层材料采用粉末粒度为180～240μm的镍合金(NiCr)粉末，过渡层采用粉末粒度为160～20μm的部分稳定氧化锆(ZrO2)陶瓷粉末同镍合金(NiCr)粉末的混合粉未，表面层采用粉末粒度为120～10μm的全稳定或部分稳定氧化锆(ZrO2)陶瓷粉末。尽管其对氧化锆(ZrO2)稳定剂作了优选的选择，如选用CaO、MgO、Y2O3、CeO2或Y2O3-CeO2复合穗定剂，且对稳定剂的组分进行了安排。由于上述材料选择存在问题，其耐磨性、抗热震性、抗结瘤性都表现的十分脆弱，因此这种炉底辊的耐温范围仅在950℃～1050℃，存在着对某些热处理要求高于该温度值的高牌号产品的制约。还有，其制备方法采用的是多次喷涂法，同样因层与层之间的材料不同，层间结合力差，使用过程中易剥落的问题。申请人了解到由该方法所制作的陶瓷复合涂层炉底辊，仅仅在武汉钢铁厂试用过但因存在前述问题而未能实际应用。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种耐1200℃～1400℃高温、抗氧化、硬度高、耐磨性好、抗热震性好和抗结瘤性优异的陶瓷炉底辊辊套材料。
本发明的目的还在于提供一种保障整体结合力理想的、在使用过程中不会出现剥落现象、使用寿命长的陶瓷炉底辊辊套的制作方法。
本发明提供的陶瓷炉底辊辊套材料的特征在于，其是以Si粉、β相Si3N4粉、SiC粉作为主原料，以AL2O3、SiO2、MgO、CaO、Fe2O3、PVA作为添加到主原料中的辅料，主原料组分为：Si粉70％～80％、β相Si3N4粉10％～15％、SiC粉5％～10％；辅料组分为：AL2O3和SiO2以及MgO各1％～2％、CaO和Fe2O3各0.5％～1％、外加PVA1％～3％。
本发明所述的陶瓷炉底辊辊套材料，所述Si粉的颗粒级配为过200～800目筛，β相Si3N4粉平均粒度为0.5～1μm，SiC粉平均粒度为3～8μm。
本发明所述的陶瓷炉底辊辊套材料，所述的AL2O3、SiO2、MgO、CaO、Fe2O3均为化学纯。
本发明提供的用上述陶瓷炉底辊辊套材料制作陶瓷炉底辊辊套的方法是：把按组分称量后的主原料和辅料加水球磨成料浆，然后过筛；接着喷雾造粒；接着，将造粒后的粉料装入模具，经250～280MPa压力进行冷等静压成型；接着，出模、修坯；尔后，将修坯后的坯件置于炉中反应烧结，在反应烧结过程中：室温～500℃升温速率为30℃～50℃/h，500℃时抽真空充N2，此时的升温速率为40℃～60℃/h，1100℃～1450℃升温速率为40℃～50℃/h，炉压为0.01～0.04MPa；最后，出炉，经磨加工得到陶瓷炉底辊辊套。
本发明所述的制作陶瓷炉底辊辊套的方法，加水球磨时，料与水的比例为1∶9～11。
本发明所述的制作陶瓷炉底辊辊套的方法，在所述的喷雾造粒中颗粒中的含水率为1～3％。
本发明所述的制作陶瓷炉底辊辊套的方法，所述的模具为软模。
本发明所述的制作陶瓷炉底辊辊套的方法，所述的软模的材质为聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶中的任意一种。
本发明所述的制作陶瓷炉底辊辊套的方法，在反应燃烧过程中，通入N2的流量为0.3m3～0.6m3/h，H2的流量为0.2L～0.5L/min，N2与H2之比为95∶5。
本发明所提供的陶瓷炉底辊辊套材料及其由该材料制作陶瓷炉底辊辊套的方法与已有技术的区别点在于：1、能耐受1200℃～1400℃高温抗氧化，表面不会结瘤；2、Si3N4硬度高、耐磨性好、抗热震性优异；3、经过最终1450℃的高温反应烧结，整体结合力理想，使用中不会出现剥落；4、在还原气氛和弱氧化气氛下可以长期使用。
附图及图面说明
附图为本发明的方法所获得的陶瓷炉底辊辊套示意图。
图中：1.陶瓷炉底辊辊套；2.键槽。
【具体实施方式】
实施例1：
按配比：准确称取过400目筛的Si粉80％、平均粒度为0.6μm的β相Si3N4粉为10％、平均粒度为5μm的SiC粉为5％、化学纯级的AL2O3为2％、SiO2为1％、MgO为1％、CaO为0.5％、化学纯级的Fe2O3为0.5％、外加PVA(聚乙烯醇)为1％，放入振动球磨机中并加入10倍的水混合球磨成料浆，时间为4小时左右，直至料浆感观具有较好的流动性和手感上的良好分散性时停止球磨，然后过100目筛。
将上述过100目筛的料浆在喷雾造粒机上进行喷雾造粒，要求造粒后的颗粒近球形，而且水分保持均匀，含水率控制在1～3％之间。关于造粒后的粒料近球形及含水率拉制在1～3％之间的拉制要求，主要是通过喷雾造粒机设备本身的工艺参数选择来保证。
将喷雾造粒后的粉料装进具有弹性的如以材质为聚氨脂或硅橡胶或天然橡胶或用等效于该类材质的其它材料所制作的软模内，然后放到冷等静压机的乳化液液体介质中，在施加250MPa压力下进行冷等静压成型，在该施加的压力下，压力便以相等的力向各个方向传递，使粉料的各个方向均受到挤压，被压实成辊套坯体，辊套坯体与模型的形状相似，只是尺寸按比例缩小，其缩小程度随配料的组分及坯体尺寸大小和所用压强大小而别。例如静压力在250MPa～280MPa时，径向收缩在1.1～1.5之间。因此采用这种方法制得的坯体具有相当高的致密度和优异的强度。
冷等静压成型后出模，对出模后的坯体或称素坯用金加工用的车床进行修坯，使其形成陶瓷辊套坯件。
将坯件送卧式炉中反应烧结。在烧结过程中：室温～500℃温度段的升温速率为40℃/h，至500℃时抽真空充N2，升温速率为50℃/h，在1100℃～1450℃温度段的升温速率为45℃/h，炉压拉制在0.03MPa、N2流量为0.4m3/h，H2流量为0.35L/min、N2与h2之比为95∶5。前述烧结过程中，在400～500℃时进行排塑，1400℃～1450℃为最终氮化烧结温度。不同温度段的升温速率对反应烧结效果起着重要的作用。因为硅的氮化反应是放热反应(ΔHo＝-723KJ/mol)，如果反应速度控制欠缺，坯件内部瞬时反应温度很可能超过硅的熔点1410℃。所以，如果坯内温度超过硅的熔点，硅就会熔化，不仅会致使反应生成的Si3N4晶粒粗大，而且熔化的硅阻塞通孔，阻止N2进一步渗入，致使反应不完善，从而残留较多的游离硅，造成制品性能差。所以申请人在反应烧结烧结Si3N4工序中所采用的升温速率能避免前述不利因素。
将出炉后的坯件经磨床加工形成所需的形状尺寸的且带有供其与Ni20Cr25耐热合金钢辊基进行键结合的键槽2的陶瓷炉底辊辊套1。这种陶瓷炉底辊辊套1在硅钢连续退火炉上曾经试用6个月以上，结果发现其抗结瘤性、抗高温氧化性、耐磨性、抗热震性均表现出了优异的效果，未发现有剥落现象，证明了它可以在还原气氛和弱氧化气氛下长期使用。而且经对其测试，体现出了用本发明所提供的陶瓷炉底辊辊套材料制作陶瓷炉底辊辊套所获得的陶瓷炉底辊辊套产品所具备的理想的并由下表所示的诸性能指标。 性能指标 测试值体积密度(g/cm3) 2.4-2.5g/cm3断裂韧性(MPa.m1/2) 2-3硬度(HRC) ＞80抗压强度(MPa) 1000-1200热膨胀系数(×10-6/℃) 2.3-2.5(0-1400℃)
实施例2：
仅主原料配比改为：称取800目Si粉75％、平均粒度为0.6μm的β相Si3N4粉为12％、平均粒度为5μm的SiC粉为8％，其余同实施例1。