CN109689595A - 在表面上具有至少一个涂层的用于辊式炉的辊 - Google Patents

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Abstract

用于辊式炉的辊，其具有辊基体和在表面上的涂层，其中所述涂层具有至少一个包含如下的层：10.0–30.0重量%的Si，10.0–30.0重量%的Al(OH)3，1.0–3.0重量%的B4C，0.5–1.5重量%的Y2O3，0.1–1.0重量%的Fe2O3，和余量的Al2O3。

Description

在表面上具有至少一个涂层的用于辊式炉的辊
本发明涉及经涂覆的陶瓷辊基体，其特别是用于将经AlSi涂覆的板热成型的辊式炉中，以及涉及制造经涂覆的辊基体的方法。本发明还涉及用于制造这种具有非氧化物涂层的辊的方法。
通过在汽车制造中将车身部件热成型，可以在由于省略制造步骤的较少制造成本的情况下和在较少材料使用的情况下同时制造更好固化的材料。为此，将预成型的部件在炉中加热至900℃至1000℃，通过工业机器人置于压机中，并在大约700℃下压制成所需的形状。
作为防止生成氧化皮的保护和作为合金成分，将金属板用AlSi保护层涂覆。主要用于加热该板的是辊式炉，其中钢板通常直接放置在辊上，或者替代地放置在物品载体中运输通过辊式炉。在将经AlSi涂覆的钢板加热至900℃至约1000℃时，发生AlSi保护层的软化，随后在与辊材料接触时发生接触腐蚀。
可能的腐蚀机理是AlSi扩散到辊的多孔结构中，AlSi粘附到辊表面或者与辊材料发生化学转化形式的反应。如果AlSi扩散到辊结构中，则由于辊基质、渗透的AlSi和由腐蚀所致的反应产物之间的膨胀系数的差异而引起热应力，随后引起辊表面上的剥落或辊破裂。AlSi在辊材料上的粘附可能累积高达几毫米，由此导致在运输通过炉的过程中钢板位移，随后导致经纤维衬里的炉壁的损坏或者在通过工业机器人接收板时出现问题。
对于在> 600℃的温度下操作的辊式炉，由于耐热性、抗蠕变性和耐温变性，陶瓷辊是必需的。
从DE 102011051270 A1中已知一种用于辊式炉的辊，其具有陶瓷辊基体，其中辊基体配备有氧化物承载面涂层。该承载面涂层含有至少一种选自Al2O3、ZrO2、Cr2O3、Y2O3、SiO2、CaO、MgO、K2O、TiO2和/或FeO的氧化物，其含量为至少50重量%。
从EP 2703759 A1中已知一种用于炉的承载装置，在其中将金属工件热成型。该承载装置具有由热稳定的金属氧化物或金属氮化物，例如氧化铝、氧化硼或氮化硼制成的表面。
在DE 102011051270 A1和EP 2703759 A1中描述了作为涂料的SiO2。这里描述的措施不能防止腐蚀，因为SiO2被非铁金属的熔体润湿和因此可将SiO2还原成金属硅。SiO2经常对于涂层用作陶瓷粘合剂或者经常作为玻璃相以痕量存在。
EP 0750169 A1描述了一种用于辊式炉的辊的模具，其可用于烧制瓷砖。已知基于氧化铝、富铝红柱石、石英物料的陶瓷辊，但它们对AlSi合金不耐腐蚀。在基于SiC的辊中，特别是在非氧化结合的SiC中，例如氮化物结合的SiC或N-SiC中，虽然没有观察到渗透或与辊结构的反应，但是发生结垢（Aufwachsungen）。
所述承载面涂层应降低辊相对于AlSi金属熔体的可润湿性。辊的承载面应由于该承载面涂层而非常光滑并且少孔。众所周知，该涂层的承重表面含有至少50重量%的至少一种氧化物，例如氧化铝、氧化锆、氧化铬、氧化钇、氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钛和/或氧化铁。
已知的措施不能防止腐蚀，因为没有考虑到在SiO2（其经常也对于涂层用作陶瓷粘合剂或者经常作为玻璃相以痕量存在）存在的情况下丧失腐蚀保护，因为SiO2被熔体润湿并可还原成金属硅。在DE 102011051270 A1和EP 2703759 A1中，SiO2被列为可能的涂料。
在经AlSi涂覆的金属板的热成型时，出现的问题是辊式炉中的辊材料与工件涂层的AlSi发生化学反应，因此辊的耐久性低。
本发明的目的在于提供用于将经AlSi涂覆的金属部件热成型的用于辊式炉的辊，其具有比已知辊更长的耐久性和更高的使用寿命。
本发明的另一个目的在于提供用于加热经涂覆的钢板的改进的辊式炉。
本发明的目的通过根据权利要求1的具有改进的涂层的用于辊式炉的辊来实现。本发明的有利实施方案由从属权利要求获知。
因此，本发明的目的通过用于辊式炉的辊来实现，该辊具有辊基体和在表面上的涂层，其中所述涂层具有包含如下的层：
10.0 – 30.0重量%的Si
10.0 – 30.0重量%的Al(OH)3
1.0 – 3.0重量%的B4C
0.5 – 1.5重量%的Y2O3
0.1 – 1.0重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3和不可避免的杂质。
Al2O3的含量可以为40.0重量％至70.0重量％。Al2O3的含量可以为最高78.4重量％。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中所述涂层具有包含如下的层：
15.0 – 25.0重量%的Si
15.0 – 25.0重量%的Al(OH)3
1.5 – 2.5重量%的B4C
0.8 – 1.2重量%的Y2O3
0.3 – 0.7重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3和不可避免的杂质。
Al2O3的含量可以优选为50.0重量％至60.0重量％。Al2O3的含量可以为最高67.4重量％。
使用这种涂层，在经AlSi涂覆的金属部件的热成型中实现了好的结果。
本发明的目的还通过用于辊式炉的辊来实现，该辊具有辊基体和在表面上的涂层，其中所述涂层具有至少一个层，
a）第一层，其包含：
10.0 – 30.0重量%的Si
40.0 – 70.0重量%的Al2O3
10.0 – 30.0重量%的Al(OH)3
1.0 – 3.0重量%的B4C
0.5 – 1.5重量%的Y2O3
0.1 – 1.0重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3和不可避免的杂质。
Al2O3的含量可以为40.0重量％至70.0重量％。Al2O3的含量可以为最高78.4重量％，
和
b）第二层，其包含：
10.0 – 30.0重量%的Si
40.0 – 70.0重量%的Al2O3
10.0 – 30.0重量%的Al(OH)3
1.0 – 3.0重量%的B4C
2.0 – 4.0重量%的Y2O3
和余量的Al2O3和不可避免的杂质。
Al2O3的含量可以优选为40.0重量％至70.0重量％。Al2O3的含量可以为最高77.0重量％。
根据本发明，第一层（a）是基底层。根据本发明，第二层（b）是覆盖层。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中所述涂层具有至少一个层，包括：
a）第一层，其包含：
15.0 – 25.0重量%的Si
15.0 – 25.0重量%的Al(OH)3
1.5 – 2.5重量%的B4C
0.8 – 1.2重量%的Y2O3
0.3 – 0.7重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3和不可避免的杂质，
Al2O3的含量可以优选为50.0重量％至60.0重量％。Al2O3的含量可以为最高67.4重量％，
和
b）第二层，其包含：
15.0 – 25.0重量%的Si
15.0 – 25.0重量%的Al(OH)3
1.5 – 2.5重量%的B4C
2.8 – 3.2重量%的Y2O3
和余量的Al2O3和不可避免的杂质，
Al2O3的含量可以优选为50.0重量％至60.0重量％。Al2O3的含量可以为最高65.7重量％。
使用这种涂层，在经AlSi涂覆的金属部件的热成型中实现了好的结果。
根据本发明的辊包括层，即第一层或基底层。与所述第二层或覆盖层相比，基底层是硬层。对于长期使用而言已证明有利的是施加较软的覆盖层。覆盖层虽然由于磨损而消耗，但由于存在硬的基底层，所述辊可以比用于辊式炉的传统辊运行明显更久。因此，具有根据本发明的两个层的辊是非常有利的。
用于将经AlSi-涂覆的金属部件热成型的辊优选包括：
- 耐火基体，
- 基底层，其在耐火基体的外表面上包含Al2O3和Si3N4，例如67重量％的Al2O3和31重量％的Si3N4。余量是烧结助剂，约0.5重量％的Fe2O3和约1重量％的Y2O3，
- 覆盖层，其在基底层的顶面上且在经烧制的状态下包含Si3N4或氮氧化硅或硅-M-氮氧化物，其中M是元素Al、Ca、Mg、Y中的至少一种，其中层表面中游离SiO2的含量为表面层的<5重量％，优选<1重量％。
所述耐火基体优选基于耐火材料制造，例如富铝红柱石、Al2O3、SiO2和/或SiC制成。根据本发明，在多孔材料的情况下，孔被保护层底漆密封，以防止氧化和金属渗透。
所述基底层基于具有平均d50为200 nm粒度的Al2O3/Si3N4卤水（Sole）。Al2O3含量优选为50重量％至80重量％。Si3N4含量优选为20重量％至50重量％，并且特别优选为约31重量％。所述基底层在约1470℃的温度下在N2气氛中烧制。所述基底层和覆盖层也可以一起烧制。
所述覆盖层可以包含Si3N4、氮氧化硅、SiAlON或其混合物。粒度为0.1μm至150μm。Si3N4优选为20重量％至70重量％。铝含量优选为20重量％至70重量％。B4C含量优选为1重量％至10重量％。
用于辊式炉的辊可以具有不同的形式。常见的是光滑的辊和具有肋的辊，如EP0750169 A1中用于烧制陶瓷瓷砖所述的。具有肋的辊可以使得冷却空气在瓷砖底部上循环，以减少烧结产品中的热应力。因此，具有肋的辊用于具有骤冷的辊式炉中，以避免烧结产品中的冷却裂缝。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中基底层的厚度为0.2 mm至1.0 mm。通过这些厚度实现了经AlSi涂覆的金属部件的加工的好结果。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中覆盖层的厚度为0.1 mm至0.5 mm。通过这些厚度实现了经AlSi涂覆的金属部件的加工的好结果。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中辊的直径为60 mm至80 mm。通过这些直径实现了经AlSi涂覆的金属部件的加工的好结果。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中辊的壁具有6 mm至12 mm的厚度。通过这些厚度实现了经AlSi涂覆的金属部件的加工的好结果。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中辊的长度为2500 mm至4000 mm。所述辊长度对于辊式炉非常有利。
本发明的一个优选实施方案是辊，其中辊在两端具有80 mm至100 mm长度的变细段。
通过具有肋的辊的低传热原理也适用于辊式炉中的热成型。这里，应避免由于辊的高质量所致的金属部件，例如板或金属板的过度冷却。因此，具有肋的辊优选地用在向工业机器人的转移站之前的炉出口处。
根据本发明的辊优选地包括光滑的辊或具有肋的辊，以减小金属板和陶瓷辊之间的接触面。根据本发明的辊包括具有基于氮化硅的不含SiO2的防腐蚀涂层的辊。
所述辊的肋被设计为其逐渐变细，其中选择尖端处的半径，以防止脆性陶瓷的剥落和避免金属板材上的划痕。
所述基体根据本身已知的方法制造，例如由光滑辊挤出或铸造，优选由具有肋的辊铸造。
根据本发明，所述辊可以由选自富铝红柱石、氧化铝或SiC或其混合物的陶瓷材料组成，优选由SiC材料例如Si-SiC、或多孔SiC材料例如N-SiC和R-SiC组成，优选由氮化硅、氧氮化硅、硅-M-氮氧化物或其混合物组成。
由于既可以使用致密SiC材料例如Si-SiC，或可以使用多孔SiC材料例如N-SiC和R-SiC，因此根据本发明在多孔材料的情况下施加第一保护层底漆，以密封孔作为防止氧化的保护并防止金属渗透。
在施加第一保护层之后，将涂层在110℃下干燥直至恒重，然后在1200℃至1500℃，优选在1350℃至1480℃下以最多8小时的停留时间在非氧化性气氛中，优选在N2气氛中烧制。
不含SiO的涂层优选基于平均粒度为0.1μm至150μm的氮化硅、氧氮化硅或硅-M-氧氮化物颗粒。烧制后的层的N含量将为20重量％至80重量％，优选25重量％至50重量％。施加之后，将涂层在110℃下干燥直至恒重。Si3N4涂层的烧制在1200℃至1500℃，优选在1350℃至1480℃下以最多8小时的停留时间在非氧化性气氛中，优选在N2气氛中进行。由于该覆盖层，根据本发明的辊的承载面变得非常光滑。由于这种非氧化物承载面涂层，避免了与特别是来自经涂覆的钢板的涂层材料的非铁熔体，如铝硅合金的反应。
基底层的层厚度为0.2 mm至1.0 mm。覆盖层的层厚度为0.1 mm至0.5 mm。
为了增加耐腐蚀性和使氮化物涂层热化学稳定，有利的是所述悬浮液包含硼材料例如B4C，和/或Y2O3粉末。B4C和/或Y2O3的含量为烧制后的层的1.5重量％至5重量％。
令人惊奇地已经发现，如此制成的Si3N4涂层在用于热成型的应用条件下在氧化性气氛的临界条件下对氧化是足够稳定的。即使长期使用时，相对于AlSi合金的润湿行为也不由于SiO2的形成而改变。
本发明的目的还通过用于制造具有至少一个层的用于辊式炉的辊的方法来实现，其中
a）使用用于基底层的第一含水悬浮液涂覆辊，
b）将经涂覆的辊在90℃至120℃下干燥0.5至2小时，
并
c）将干燥的辊在1400℃至1500℃下在N2气氛中烧结6至8小时。
本发明的目的还通过用于制造具有至少一个层的用于辊式炉的辊的方法来实现，其中
a）用第一含水悬浮液涂覆辊，
b）将经涂覆的辊在90℃至120℃下干燥0.5至2小时，
c）将干燥的辊用第二含水悬浮液涂覆，
d）将经涂覆的辊在90℃至120℃下干燥0.5至2小时，并
e）将干燥的辊在1400℃至1500℃下在N2气氛中烧结6至8小时。
本发明的一个优选实施方案是用于制造具有至少一个层的用于辊式炉的辊的方法，其中将所述辊首先在N2气氛中烧结，然后涂覆，并将经涂覆的辊重新烧结，或者将所述辊作为基体在未烧结的情况下涂覆，并且将单次或多次涂覆的辊烧结。
所述层根据本身已知的用于涂覆烧制助剂的方法来获得，例如通过用含水浆料或悬浮液喷涂或浸涂。
在施加基底层之后，优选在约100℃下干燥直至恒重。
在将覆盖层施加到基底层上之后，将所述辊优选在约100℃下干燥直至恒重。进一步的烧制优选在N2气氛中在约1470℃下以最多8小时的停留时间进行。
根据本发明，也可以将两个层一起在约1470℃的温度下烧制。
所述辊可以由所有传统和已知的陶瓷材料制成。优选用作辊材料的是氮化物结合的SiC、硅渗透的SiC和重结晶的SiC、富铝红柱石或其混合物。
本发明的目的通过在表面上具有涂层的用于辊式炉的辊用于将金属部件，特别是经AlSi涂覆的板热成型的用途来实现。
参考实施例和附图详细阐述本发明。
进行了四个根据本发明的实施例和两个对比例。
用作辊材料的是氮化物结合的SiC、硅渗透的SiC和重结晶的SiC、富铝红柱石或其混合物。将涂层施加在直径为40 mm和长度为300 mm的辊上，以评估涂层在弯曲表面上的粘附性和在尺寸为100 mm×100 mm×8 mm的板材上的腐蚀测试。
对于腐蚀试验，将辊和板材装载有经AlSi涂覆的板以及致密AlSi的立方体。该试验在900℃下在氧化性气氛中在电加热的实验室炉中进行96小时。
下面参考实施例和对比例以及附图详细阐述本发明。本发明决不受此限制。
实施例1
基体仅用基底层涂覆
NSiC基体N-Durance®用含水悬浮液AnnaPlast 171-5（表4）涂覆，
然后在110℃下干燥1小时，并
然后在N2气氛中在1470℃下烧结7小时。更详细的数据见表1。
实施例2
基体用基底层和覆盖层涂覆
NSiC基体N-Durance®用含水悬浮液AnnaPlast 171-5（表4）涂覆，
然后在110℃下干燥1小时，
然后用含水悬浮液AnnaPlast 171-3（表4）涂覆，并
然后在110℃下干燥1小时，并
然后在N2气氛中在1470℃下烧结7小时。更详细的数据见表1。
表1：实施例1和实施例2
。
实施例3
生坯基体用基底层涂覆，其中该层不含氧化硅。
NSiC基体N-Durance®用含水悬浮液AnnaPlast 171-5（表4）涂覆，
然后在110℃下干燥1小时，并
然后在N2气氛中在1470℃下烧结7小时。更详细的数据见表2。
实施例4
生坯基体用基底层和覆盖层涂覆，其中两个层都不含氧化硅。
NSiC基体N-Durance®用含水悬浮液AnnaPlast 171-5（表4）涂覆，
然后在110℃下干燥1小时，
然后用含水悬浮液AnnaPlast 171-3（表4）涂覆，并
然后在110℃下干燥1小时，并
然后在N2气氛中在1470℃下烧结7小时。更详细的数据见表2。
表2：实施例3和实施例4
。
对比例1和2（现有技术）
为此，将两个基体NSiC基体N-Durance®用含Al2O3和SiO2的涂层单次涂覆，
然后在110℃下干燥1小时，
然后在O2气氛中在1250℃下烧结7小时。更详细的数据见表3。
表3：对比例1和对比例2
。
如表1至3所示，根据本发明的辊具有比已知辊更大的耐久性。来自对比例的已知辊具有这些辊的缺点，即渗透和结块，这导致涂层材料剥落以及辊破裂。该结果出人意料并且令人惊讶。
下表4显示了用于制备层的含水悬浮液的成分。
表4
。
所述附图包括图1。
图1显示了用于辊式炉的辊的侧视图，该辊在表面上具有涂层。经涂覆的辊1由基体2和在辊1的基体外表面上的涂层组成。辊1是具有空腔3的中空管。辊1在两端具有变细段4，其用于传动套筒的固定。辊1包含N-Durance®作为材料。举例来说，辊1具有60 mm的直径和3070 mm的长度。辊1在两端在80 mm的长度上逐渐变细至59 mm的直径。根据本发明，所述辊在外表面上具有包括至少一个层或至少两个层的涂层。
附图标记
1 辊
2 辊基体
3 辊的空腔
4 辊的末端的变细段。

Claims (15)

1.用于辊式炉的辊，其具有辊基体和在表面上的涂层，其中所述涂层具有至少一个包含如下的层：
10.0– 30.0重量%的Si
10.0– 30.0重量%的Al(OH)3
1.0– 3.0重量%的B4C
0.5– 1.5重量%的Y2O3
0.1– 1.0重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3。
2.根据权利要求1所述的用于辊式炉的辊，其中所述涂层具有至少一个包含如下的层：
15.0 – 25.0重量%的Si
15.0 – 25.0重量%的Al(OH)3
1.5 – 2.5重量%的B4C
0.8 – 1.2重量%的Y2O3
0.3 – 0.7重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3。
3.根据权利要求1所述的用于辊式炉的辊，其中所述涂层具有至少一个层：
a）第一层，其包含：
10.0 – 30.0重量%的Si
10.0 – 30.0重量%的Al(OH)3
1.0 – 3.0重量%的B4C
0.5 – 1.5重量%的Y2O3
0.1 – 1.0重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3，
和
b）第二层，其包含：
10.0 – 30.0重量%的Si
10.0 – 30.0重量%的Al(OH)3
1.0 – 3.0重量%的B4C
2.0 – 4.0重量%的Y2O3
和余量的Al2O3。
4.根据权利要求3所述的用于辊式炉的辊，其中所述涂层具有至少一个层，
a）第一层，其包含：
15.0 – 25.0重量%的Si
15.0 – 25.0重量%的Al(OH)3
1.5 – 2.5重量%的B4C
0.8 – 1.2重量%的Y2O3
0.3 – 0.7重量%的Fe2O3
和余量的Al2O3，
和
b）第二层，其包含：
15.0 – 25.0重量%的Si
15.0 – 25.0重量%的Al(OH)3
1.5 – 2.5重量%的B4C
2.8 – 3.2重量%的Y2O3
和余量的Al2O3。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于辊式炉的辊，其中所述第一层中Al2O3的含量为40.0-70.0重量％，优选50.0-60.0重量％，并且所述第二层中Al2O3的含量为40.0-70.0重量％，优选50.0-60.0重量％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于辊式炉的辊，其中所述第一层的厚度为0.2mm至1.0 mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于辊式炉的辊，其中所述第二层的厚度为0.1mm至0.5 mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于辊式炉的辊，其中所述辊的直径为60 mm至80 mm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于辊式炉的辊，其中所述辊的壁具有6 mm至12mm的厚度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于辊式炉的辊，其中所述辊的长度为2500 mm至4000 mm。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于辊式炉的辊，其中所述辊在两端上具有80mm至100 mm长度的变细段。
12.用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的具有至少一个层的用于辊式炉的辊的方法，其中
a）用第一含水悬浮液涂覆辊，
b）将经涂覆的辊在90℃至120℃下干燥0.5至2小时，
并
c）将干燥的辊在1400℃至1500℃下在N2气氛中烧结6至8小时。
13.用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的具有至少一个层的用于辊式炉的辊的方法，其中
a）用第一含水悬浮液涂覆辊，
b）将经涂覆的辊在90℃至120℃下干燥0.5至2小时，
c）将干燥的辊用第二含水悬浮液涂覆，
d）将经涂覆的辊在90℃至120℃下干燥0.5至2小时，并
e）将干燥的辊在1400℃至1500℃下在N2气氛中烧结6至8小时。
14.根据权利要求12或13所述的用于制造用于辊式炉的辊的方法，其中将所述辊在N2气氛中烧结、涂覆并将经涂覆的辊烧结，或者将所述辊涂覆并将经涂覆的辊烧结。
15.根据权利要求1至11中任一项所述的在表面上具有涂层的用于辊式炉的辊用于将金属部件，特别是经AlSi涂覆的板热成型的用途。
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