现代工业中消耗的大量钢材和各种合金材料，大部分为利用轧机将冶炼后的铸坯轧制成所需形状。金属线材的制造即为铸坯通过多道次轧制而成。高速线材生产线热轧时轧制温度可达1000℃以上，精轧机的速度可达120m／s，因此对高速线材轧机精轧机的轧辊和导卫的使用寿命提出了更高的要求。因为高寿命的轧辊和导卫能够带来更高的生产效益和产品质量。

　　对于高温高速线材加工的轧辊和导卫，其材料必须具有以下特点：①高温硬度高；②抗氧化性好；③与被轧制材料（铁、铁合金、铜、铜合金等）之间不反应；5高耐磨损性（包括抗表面粗糙化能力）；⑤抗热震性好；⑥强度高；⑦抗形变能力强（高温弹性模量大）。近年来日本、西欧、美国等发达国家为了进一步提高线材加工效率和加工线材的质量，开始对全陶瓷材料的新型轧辊和导卫（导轮）进行研究。

　　由于氮化硅陶瓷具有硬度高、在高温下强度、硬度下降小、摩擦系数小、有自润滑性、耐磨性好及耐腐蚀等优点，因此目前研制的高性能陶瓷多采用氮化硅制作。在高温高速线材的轧制过程中，轧辊和导卫的工作条件极为恶劣，必须具备优异的强度、硬度、耐磨性、韧性、抗热冲击性和热导率，而现有氮化硅陶瓷轧辊的韧性、强度、抗热冲击性和热导率尚不能满足需要。

　　一、氮化硅材料研究进展

　　1、氮化硅材料氮化硅是强共价键化合物，离子性仅占0.3。自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度很小。烧结驱动力⑽γ（⑽γ＝γsv／γgb，γsv为粉末的表面能，γgb为烧结体的晶界能）很小，而且在高温下易分解成氮和硅。氮化硅这些固有的本性导致其难以烧结致密，而必须加入少量的添加物，使其在高温下与氮化硅表面的SiO2发生反应生成液相，以求达到致密烧结。在研究过的添加剂中，稀土氧化物是一类性能优良的烧结助剂，稀土氮化物能够极大地提高氮化硅的高温力学性能。陶瓷材料通常为多组分、多相结构，既有各类结晶相，又有非晶态相；既有晶粒相，又有晶界相。晶粒相控制材料性能的基本要素，但是晶界相也会产生关键性影响，特别是随着陶瓷材料中晶粒尺寸的不断减小，晶界相对陶瓷性能的影响显得更加重要。自20世纪70年代以来，人们一直试图通过改变晶界的状态来改善陶瓷材料的性能，尤其是陶瓷的高温力学性能，即所谓的晶界工程。它包括研究晶界的作用、晶界的组成以及对材料性能的影响。然后据此设计所需的晶界，以达到所需求的材料性能。稀土氧化物在氮化硅陶瓷的晶界行为中有着很大的作用，近年来，通过选择添加不同的稀土氧化物，氮化硅陶瓷的使用温

　　度不断提高。此外，通过添加稀土元素，以及控制氮化硅的微观结构和晶界结构等，还可以有效地提高氮化硅的热导率和抗氧化性能。

　　2、氮化硅陶瓷材料的增韧由于陶瓷材料中不存在通过晶界滑移及位错等吸收能量的机制，所以，为了提高陶瓷材料的韧性，必须向陶瓷材料中引入某种吸收能量的机制，以吸收陶瓷裂纹扩展的能量。向陶瓷材料中引入增强体形成陶瓷基复合材料是提高陶瓷材料韧性的主要方法。目前，对于氮化硅陶瓷材料的增韧料有效的措施主要有，颗粒弥散增韧、相变增韧、晶须补强增韧和自增韧。

　　颗粒弥散增韧颗粒弥散增韧的典型研究就是Si3N4纳米SiC复相陶瓷的研究。但从研究结果看，颗粒弥散增韧有一定的局限性，而且增韧效果不显著。

　　相变增韧相变增韧是以氧化锆作为氮化硅陶瓷的一种添加剂，它在应力诱导下将发生由四方相向单斜相的转变，从而在裂纹尖端周围产生非弹性变形的区域，使陶瓷材料的韧性得以提高。然而，由于氧化锆的相变只能在一定的温度和应用作用下才能发生，因此相变增韧对结构与温度是敏感的，在高温情况下会失去其增韧效果。
晶须补强增韧晶须补强增韧是近10几年来研究较多的有效增韧手段之一。SiC晶须的强度高、弹性模大、热稳定性好，与氮化硅具有良好的物理化学相容性，所以，在氮化硅陶瓷材料的增韧上成为首选增韧添加剂，它的实际应用使材料的性能得到很大的改善。虽然晶须增韧氮化硅陶瓷已取得不菲的成果，但也存在诸多问题。①分散工艺复杂。②由于SiC晶须的加入，加大了基体的传质路径，特别是当晶须含量较高时，容易形成网架结构而使基体颗粒的重排过程受阻，使烧结致密化速率大大降低。事实上，这就给原本就难以烧结的氮化硅陶瓷的致密化增添了新的障碍。③由于存在相容性问题，使其与基体之间存在着界面复杂情况。

　　自增韧自增韧氮化硅陶瓷是在合理选择化学成分和工艺的情况下，使氮化硅陶瓷在烧结过程中，生长出具有较大长径比的柱状β－Si3N4晶粒而得到的一种陶瓷材料。这种柱状的β－Si3N4晶粒有晶须的外形，因而可以具备晶须的种种增韧机制，免去了使用晶须在工艺上造成的困难以及相容性等问题，是一种简便、易行、经济合理、效果显著的增韧方法。因此这种方法已经成为提高氮化硅陶瓷断裂韧性的主要途径。通过预加β－Si3N4晶种，利用β－Si3N4晶粒生长的各向异性，得到长柱状的β－Si3N4晶粒，是近10几年来发展起来的氮化硅陶瓷增韧方法。

　　二、自增韧氮化硅陶瓷轧辊的研究

　　自增韧氮化硅陶瓷轧辊课题的研究目的是针对现有氮化硅陶瓷轧辊的缺点，开发一种新型稀土掺杂预加晶种自增韧的氮化硅陶瓷轧辊制备技术，从而大幅度提高陶瓷轧辊的综合性能。

　　1、高性能氮化硅陶瓷材料的研究在总结前人对稀土氮化硅和自增韧氮化硅两种材料的研究之基础上，提出融合二者的优点，将两种改善氮化硅材料性能的途径同时引入一种技术。从理论上研究，在预加β－Si3N4晶种的情况下，稀土氧化物的晶界行为，及其对β－Si3N4晶粒的生长和晶体的显微结构的影响。进一步搞清自增韧陶瓷的韧化机理，探明β－Si3N4晶粒的生长规律及其影响因素。并在此基础上研制一种新型的稀土掺杂预加晶种自增韧氮化硅陶瓷材料，所研制的材料具有良好的综合性能。

　　2、高性能大型氮化硅陶瓷轧辊的制备技术

　　高性能大尺寸氮化硅部件的制备技术一直是陶瓷界的一个研究重点和难点，在综合考虑轧辊所需性能、生产效率和生产成本的基础上，确定合适的配方和烧结工艺。

　　3、研制高性能氮化硅陶瓷轧辊设计制备陶瓷轧辊的模具，用研制的高性能氮化硅陶瓷材料，制备适用于高温、高速金属线材轧制的精轧辊，这一课题得到了国家863高技术计划的支持，是由清华大学和北京科技大学共同开发的。通过数年的研究，现已研制出具有良好综合性能的自增韧氮化硅材料，解决了大型氮化硅轧辊的成型和烧结技术问题，氮化硅辊环的机械性能见表1。计算机模拟高速线材热轧工艺试验表明，氮化硅轧辊性能优于硬质合金轧辊。

　　氮化硅陶瓷的性能十分符合导卫的使用性能要求，特别是高线轧机的滚动导轮。经过初步现场试用，氮化硅陶瓷导轮寿命比碳化钨高2～3倍。

　　在高速线材热轧生产线上采用全陶瓷材料的氮化硅轧辊和导卫（导轮）是一项新的技术，也是高速线材精轧辊的发展趋势。通过对氮化硅陶瓷材料的增韧机理以及大尺寸氮化硅部件的成型、烧结工艺的研究，氮化硅轧辊和导轮有望在实际生产上得到应用。