TW387869B - Ceramic jig for hot rolling and method for manufacturing the same - Google Patents

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五、發明説明（ 3

-ATSL 8a 7. 13 修正 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 預定之情況下更將其受熱處理以實行氮化矽晶粒間之結 阳 由此所得到之本發明之熱壓延用陶瓷治具，其結晶 係在氮化矽晶粒間製出，故在高溫下，其強度比習知燒結 氮化矽不易變差，且能抑制具有包含在壓延材料中的鐵之 治具成分和水之反應。因此，在壓延時治具之磨耗將比氮 化矽晶粒間具大量玻璃相之習知品小。 本發明之熱壓延用陶瓷治具中，形成在氮化矽晶粒 間之結晶相典型地包含80%或更多J相、10%或更小之Η 相及5%或更少之Κ相，較佳為90%或更多J相、5%或更 多Η相及1%或更少之Κ相。若J相少於80%，燒結粒子 間和鐵及水之作用力較高，且若Η相多於10%或Κ相多 於5%，也會出現相同的結果。這個事實應是由於各別結 晶相和鐵及水之反應力間之差異。 構成本發明熱壓延用陶瓷治具的燒結本體其組成之 較佳典型例子如下所述。 (a) l 至 10wt%之 Υ203，3 至 20wt%之 Yb203，Si3N4 和必然雜質之均衡。 (b) l 至 10wt%之 Y203，1 至 10wt%之 MgO，0_01 至 5wt°/〇之Zr02，Si3N4和必然雜質之均衡。 (c) l 至 10wt%之 Y203，0.01 至 20wt%之 Al2〇3，Si3N4 和必然雜質之均衡。 燒結本體内結晶相之J相、Η相及K相間之比能在製 造時以一種和一批之助燒結劑及以熱處理溫度實質上控制 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------ry— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消费合作杜印裝 五、發明説明（1 ) ⑴發明範圍 本發明係有關於一種諸如導滾子、輥軋輥子或導管之 陶瓷治具，其適用於鋼或合金之熱壓延用治具。 (ii)習知技術之敘述 目前，製造桿、金屬絲、管等等所用之熱壓延線係採 用主要由金屬所製之導滾子及粮軋較子等治具。 然而，這些金屬熱壓延治具通常易磨耗，故其使用壽 命很短。碳化鎢（WC)超硬合金等類製之治具耐磨耗性雖大 爲改善，但耐熱性也很差。因此，當壓延材料和治具時， 將易發生裂開和烘乾問題。此外，這些金屬治具很重，使 得治具之附著或交換操作困難。 近年來，因爲治具能取代替這種熱壓延用金屬治具， 故加強研究熱壓延用陶瓷治具以利用陶瓷的諸如耐磨耗 性、耐熱性和較重量之良好特性。習知燒結氮化妙（silicon nitride)爲高強度陶瓷治具，故此種熱壓延用陶瓷治具主要 使用其爲組成材料，然氮化矽係一種不太能被燒結之物 質。因此，在以氮化矽材料製造治具中，通常加入γ2〇3、 Α1203或MgO等氧化物以助燒結，藉氮化矽分子間形成玻 璃相使燒結加速。 然而，當在鋼或合金之熱壓延線内使用如上所述製出 之習知氮化矽燒結本體之熱壓延用治具時，Si3N4晶粒間 剩餘玻璃相和壓延材料及冷卻水内之鐵反應，使治具腐蝕 且因此明類地磨耗而在使用時相當不便。 有鑑於上述問題，本發明欲提供一種氮化矽所製之熱 請 先 聞 面 之 注

I 旁 r 訂 本紙張尺度適用中國鬮家梂準（CNS ) A4規格（210X297公兼） A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 五、發明説明（2 ) 壓延用陶瓷治具，其中能抑制如上所述之氮化矽分子間之 鏽蝕且耐磨耗性顯著地改善。 爲達上述目的，本發明提供一種熱壓延用陶瓷治具， 其包含主要由Si3N4所組成之燒結本體、助燒結劑和微量 雜質。其中SisN4晶粒間製成結晶；晶粒間之結晶相包括 80%或者更多之J相、10%或者更少之Η相和5%或更少之 Κ相，較佳爲90%或更多之J相、5%或更少之Η相及1% 或更少之Κ相；且即使在1200 °C或更高之高溫下，亦不會 變差治具之強度。 本發明中，J相爲caspidine結構之結晶相，Η相爲鱗 灰石結構之結晶相，而Κ相爲矽酸鹽石灰石之結晶相。使 用CuK a(alpha)射線根據X射線(X-ray)繞射之結果能決定 這些結晶相。 再者，本發明提供一種製造熱壓延用陶瓷治具之方 法，其包括鑄模成希望形狀之步驟，由Si3N4粉末加入助 燒結劑而獲得材料粉末，燒結鑄模材料，其後在1100至 1300 °C之溫度範圍内在氮氣下受熱處理以實行Si3N4晶粒 間結晶 以讀知之燒結方法所得之氮化矽燒結本體在預定之情 況下更將其受熱處理，在燒結本體之Si3N4晶粒間結晶玻 璃相而得到本發明。 亦即，本發明之熱壓延用治具能以鑄模成希望形狀而 獲得，氮化矽粉末加入特殊的助燒結劑而後混合獲得材料 粉末，加熱/燒結鑄模材料，在燒結完成至某個程度後，在 請 先 閲 背 Λ 之 注 項 再一厂— 填（ i- 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 五、發明説明（ 3

-ATSL 8a 7. 13 修正 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 預定之情況下更將其受熱處理以實行氮化矽晶粒間之結 阳 由此所得到之本發明之熱壓延用陶瓷治具，其結晶 係在氮化矽晶粒間製出，故在高溫下，其強度比習知燒結 氮化矽不易變差，且能抑制具有包含在壓延材料中的鐵之 治具成分和水之反應。因此，在壓延時治具之磨耗將比氮 化矽晶粒間具大量玻璃相之習知品小。 本發明之熱壓延用陶瓷治具中，形成在氮化矽晶粒 間之結晶相典型地包含80%或更多J相、10%或更小之Η 相及5%或更少之Κ相，較佳為90%或更多J相、5%或更 多Η相及1%或更少之Κ相。若J相少於80%，燒結粒子 間和鐵及水之作用力較高，且若Η相多於10%或Κ相多 於5%，也會出現相同的結果。這個事實應是由於各別結 晶相和鐵及水之反應力間之差異。 構成本發明熱壓延用陶瓷治具的燒結本體其組成之 較佳典型例子如下所述。 (a) l 至 10wt%之 Υ203，3 至 20wt%之 Yb203，Si3N4 和必然雜質之均衡。 (b) l 至 10wt%之 Y203，1 至 10wt%之 MgO，0_01 至 5wt°/〇之Zr02，Si3N4和必然雜質之均衡。 (c) l 至 10wt%之 Y203，0.01 至 20wt%之 Al2〇3，Si3N4 和必然雜質之均衡。 燒結本體内結晶相之J相、Η相及K相間之比能在製 造時以一種和一批之助燒結劑及以熱處理溫度實質上控制 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------ry— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 A7 B7 五、發明説明（4 ) 氮化矽晶粒間結晶玻璃相。 此時，上述燒結本體之組成很明顯，下將敘述助燒結 劑之較佳樣本。 (a) l 至 10wt%之 丫2〇3 和 3 至 20wt%之 Yb203。 (b) l 至 10wt°/〇之 丫2〇3 ’ 1 至 i〇wt%之 Mg〇 和 〇·〇1 至· 5wt% 之 Zr02。 (c) l 至 10wt%之 Y2〇3 和 0.01 至 2〇wt%之 Al2〇3。 熱處理溫度在l，l〇〇°C至l,300 °c之範圍内，以1，2〇〇 至1，300。(：較佳。熱處理氣體須爲氮氣或隋性氣體。結晶 用熱處理能在習知之燒結步驟後配置爲完全不同的夕驟， 或包含在燒結步驟中。亦即，在燒結完成後，從燒結溫度 至熱處理溫度加熱燒結材料，且在此溫度實行熱處理一段 預定時間，且熱材料冷卻至室溫。 上述之助燒結劑之種類和數量及上述熱處理溫度等等 之熱處理狀態可獲得具上述比率結晶相之氮化矽燒結本 體。 如上所述，根據本發明之以氮化妙所製之熱磨延用陶 瓷治具接受習知燒結夕騄和受此外之預定熱處理以在氮化 矽粒子間施行結晶，故抑制治具成分和鐵及水之反應，及 減少治具壓延時之磨耗。此外，因爲治具不用鋼材料，能 顯著地減少產品上之刮浪。已經證實此到痕防止效應顯著 地提高壓沿材料具有如不鏽鋼之高熔點。 以下將詳述本發明之參考樣本，但本發明之範圍並# 只限於這些樣本。 本紙張尺度逋用中固國家揲準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 請 先 閲 之 注 訂 經濟部中央標準局員工消费合作社印裂 A7 B7 五、發明説明（5) 樣本1，比較樣本 經濟部中央標準局貝工消費合作社印褽 將87wt%之氮化矽材料和助燒結劑混合，助燒結劑含 有6wt%以Y203方式之Y成分、4wt%以MgO方式之Mg 成分和3wt%以Zr02方式之Zr成分，利用氧化锆球製之聯 珠在球磨粉機内充分混合此混合物。其後，混合物粉末填 滿橡膠模具，且以液體靜壓在2.5噸/平方公分之壓力下鑄 模四物。 每一鑄模物拋擲在NC車床上，裁成預定形狀。其後， 在氮氣内大氣壓力下1,650 °C燒結該物2小時。此物之二 者在氮氣内1200 °C更受熱處理1小時。 每一燒結本體之軸部分、邊緣部分和口徑部分皆接地/ 經由使用鑽石磨輪配製四個全部壓延導滾子，即，在燒結 後受熱處理之二個導滾子和未受熱處理之二個導滾子。根 據X射線繞射裝置之滾子的分析，證實在1,650 °C只燒結2 小時之滾子氮化矽晶粒間出現玻璃相，而在1，200 °C更施 以熱處理之滾子氮化矽晶粒間出現包括95%J相和5%K相 之結晶相。 這些導滾子和比較之習知WC超硬合金導滾子如同導 滾子附著精軋輥機(finishing rolling mill)之入口，且以較軋 機壓延10,000噸鉻-鉬鋼條。在導滾子附著位置，鋼材料 之速度和溫度分別爲30m/sec和约900 °C。在壓延完成後， 觀察每個滾子口徑部分外觀，及使用形狀測定儀器測量相 同位置之側面以檢查滾子之磨耗。結果示於表1。 表1之結果很明顯，關於未施行熱處理及Si3N4晶粒間 請 先 閲 面 之 注 I- 旁 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（6) 出現玻璃相之3號和4號滾子，每個口徑部分之表面狀態 良好，且沒看到壓延鋼材料上任何刮痕。然而，口徑部分 之磨耗很大，以致在壓延處理中須切削修正以維持尺度精 確度。另一方面，關於5號和6號之WC超硬合金滾子， 和3號和4號相較下其磨耗較小，但滾子之表面上發生裂 開和熔執且鋼材料上看到刮痕。反之，關於1號和2號之 滾子施行熱處理以完成結晶，每個滾子之表面狀態良好， 且實質上磨耗和WC超硬合金滾子之磨耗相當。 樣本2，比較樣本2 氮化矽粉末和每一助燒結劑混合變成表2中材料的組 成，和樣本1之情況相同，而其後爲混合、鑄模和燒結。 之後，燒結材料在表2熱處理溫度更受熱處理以配製壓延 用導滾子。 配製壓延用導滾子之每個結晶相使用X射線繞射裝置 分析。再者，這些導滾子附著精軋粮機（finishing rolling mill)，及和樣本1相同方式作一壓延測試以測量滾子口徑 部分之磨耗。測量結果繪示於表2。 這裡“J相”意謂具單斜晶系Ca3(Si2〇7)CaF2的caspidine 結構之結晶相，及本發明之氮化矽燒結中晶粒間結晶相， Ca之結晶學的位置係填滿Ca，稀土元素如Y，Mg，Fe 和Ni，Si之結晶學的位置係填滿Si和A1，0之結晶學的 位置係填滿F，0和Ν。以粉末X射線繞射方法鑑定這些 結晶相，且它們具有和JCPDS卡32-1451中Si3N4 · 4Y203. Si02相同方式之繞射線。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意^項士填寫本1)

387869 A7 B7 五、發明説明（7) 再者，由下方方程式計算之値爲了方便祝爲燒結本體 内J相之數量。亦即，J相之數量y(%)能由方程式 y=Ij(131)/[iP(101)+IP(210)+I〇t(102)+I〇t(210)] X 100 獲得，其中ΐβ(1()1)和ΐβ(21〇)分別爲從β-型氮化矽的面（101) 和pio)之X射線繞射強度； 而Ια(1〇2)和Ια(21〇)分別爲從α-型氮化矽的面（102)和（210)之 X射線繞射強度； 且3 1)和Ια(21Ό)爲J相的面（131)之X射線繞射強度。 Κ相係一晶體或其固溶體具有JCPDS卡32-1462分子 式YSi02N結晶結構。再者，Η相係一晶體或其固溶體具 有JCPDS卡30-1462分子式Y5(Si04)3N結晶結構。Κ相或 Η相之數量能經由上述方程式獲得，其中Ij(131)分別在K相 以 Ικ(2θ=19·5 Τ,ΟιιΚα)代替’而在 Η 相以 Ih(ii2)+Ih(3〇o)代 替。 表2中結果很明顯，當熱處理溫度超出本發明之方法 的需要時，壓延用導滾子組成之燒結本體的結晶相包含少 於80%之J相，多於10%之Η相和多於5%之K相，其超過 本發明之陶瓷治具組成之燒結本體結晶相的範圍。因此， 導滾子之口徑部分的磨耗增加。 再者，即使熱處理溫度在本發明之方法的範圍内，燒 結本體之結晶相易超過本發明之範圍，當燒結本體的組成 時（即，助燒結劑的組成不是本發明之較佳樣本。因此，增 加導滾子之口徑部分的磨耗。 10 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Α4规格（2丨0Χ297公釐） Γ .V .' (請先閲讀背面之注意乾項^:填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部t央標準局員工消費合作社印製 387869 A7 B7 、發明説明（8) 表1 No. 滾子材料 抗熱性溫度1) (°C) 樣本1 1 Si3N4 (受熱處理） 1,230 樣本1 2 Si3N4 (受熱處理） 1,200 比較樣本1 3 Si3N4 (未受熱處理） 820 比較樣本1 4 Si3N4 (未受熱處理） 780 比較樣本1 5 WC超硬合金 比較樣本1 6 WC超硬合金 1):抗熱性溫度意謂一臨界溫度其在高溫之強度爲在室溫 之強度的90%或更多 請 先 閲 S 背 之 注

I 旁. 表1(續） NO. 口徑部分之表面狀 態 口徑部分找耗 鄉才料上之刮痕 樣本1 1 鏡面，沒有裂開 0.09 不出現 樣本1 2 鏡面，沒有裂開 0.08 不出現 比較樣本1 3 鏡面，沒有裂開 0.75 不出現 比較樣本1 4 鏡面，没有裂開 0.63 不出現 比較樣本1 5 看到裂開和烘乾 0.09 出現 比較樣本1 6 看到裂開和烘乾 0.06 出現 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 387869_ 五、發明説明（9 ) 表2 材料的組成(％) c, t. fc· t· UN. u^i UN. K. UN. UN. J^· J^· SUL^ >ίrv tac »?»v >.>»v

No. Y2O3 Yb203 Mgo Zr02 A1203 Si3N 等 7 9 15 <1 <1 <1 89 8 1 3 <1 <1 <1 96 9 5 20 <1 <1 <1 74 10 6 - 4 3 <1 86 11 6 (Ce02 2) 4 3 <1 85 12 3 1 4 3 <1 89 13 10 5 1 1 <1 82 14 10 - 10 5 <1 75 15 10 - <1 <1 <1 78 16 8 <1 <1 <1 74 比較樣本2 17 3 15 <1 <1 <1 80 比較樣本2 18 3 15 <1 <1 <1 80 比較樣本2 19 3 - 8 10 <1 78 比較樣本2 20 10 - 8 3 5 78 比較樣本2 21 10 - <1 <1 8 81 表2(續） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) • Ji. 訂 結晶相（％) 測武结果

No.溫度(°C) J相 Η相 Κ相 口徑粉 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 i c, C, ί ί c, c, c, c, i *1^* »->c ¢-- c »->c l»fv tfcc »v 0 1 2 3 4 5 6 τχ 1* 11 11 1* 11 I* 1,250 97 2 1,230 96 3 1,300 95 8 1,200 95 6 1,250 95 4 1,200 96 3 1,210 98 2 1,200 92 5 1,100 87 9 1,150 88 7 <1 0.07 1 0.06 2 0.09 <1 0.08 1 0.08 1 0.06 <1 0.08 3 0.08 4 0.15 5 0.14 tmm^2 17 1,350 83 5 12 0.37 嫌縣2 18 1,050 80 15 5 0.38 嫌财2 19 1,250 88 8 4 0.26 嫌鮮2 20 1,250 78 12 10 0.45 idmM-2 21 1,200 83 10 7 0.28 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 12

Claims (1)

1. 第85101394號中文申請專利範圍修正本 387869 .aV 4- 4r ] 18 ：8 >8 年及 六、申請專利範圍 3a z. 、^日期:_7/13 1·一種熱壓延用陶瓷治具，其包含〆主要由81办4所 組成之燒結本體，一助燒結劑和微量雜質’ Sl3N4晶粒間製 成結晶；晶粒間之結晶相包含80%或更多之J相’ 10°/〇或 更少之Η相和5%或更少之K相，其中，組成熱壓延用陶究 治具之燒結本體的成分包含1至l〇wte/。之Υ2〇3’3至20wt〇/〇 之Yb203及Si3N4和必然雜質之平衡。 2. —種熱壓延用陶瓷治具，其包含〆主要由Si^4所 組成之燒結本體，一助燒結劑和微量雜質’以3队晶粒間數 成結晶；晶粒間之結晶相包含8〇%或更多之J相，1〇。/0或 更少之Η相和5%或更少之K相，其中組成熱壓延用陶究 治具之燒結本體的成分包含1至l〇wt%之Υ2〇3，0.01至 20wt°/〇之Α1203及Si3N4和必然雜質之平衡。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之熱壓延用陶竞治 具，其中Si#4晶粒間之結晶相係包含90°/。或更多之j相， 5%或更少之Η相及1%或更少之K相。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之熱壓延用陶竞户 具，其中Si#4晶粒間製成結晶，且即使在高溫l，2〇(rc或 更高，亦不會變差治具之強度。 5·—種製造熱壓延用陶瓷治具之方法，其包含鑄模之 步驟，成一所欲形狀，由Si3N4粉末加入助燒結劑得到材 料粉末，燒結鑄模材料，其後在氮氣中溫度範園1,100至 1，300°C内受熱處理，以在晶粒間結晶’其中加 助燒結劑之1至l〇wt%之Y2〇3及3至20wt%之 棟 6.—種製造熱壓延用陶竟治具之方法，其包含 13 本紙張纽逋财家揉丰（CNS ) A4躲（210X297公釐 --------i 裝--1----訂 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 yb2^3 第85101394號中文申請專利範圍修正本 387869 .aV 4- 4r ] 18 ：8 >8 年及 六、申請專利範圍 3a z. 、^日期:_7/13 1·一種熱壓延用陶瓷治具，其包含〆主要由81办4所 組成之燒結本體，一助燒結劑和微量雜質’ Sl3N4晶粒間製 成結晶；晶粒間之結晶相包含80%或更多之J相’ 10°/〇或 更少之Η相和5%或更少之K相，其中，組成熱壓延用陶究 治具之燒結本體的成分包含1至l〇wte/。之Υ2〇3’3至20wt〇/〇 之Yb203及Si3N4和必然雜質之平衡。 2. —種熱壓延用陶瓷治具，其包含〆主要由Si^4所 組成之燒結本體，一助燒結劑和微量雜質’以3队晶粒間數 成結晶；晶粒間之結晶相包含8〇%或更多之J相，1〇。/0或 更少之Η相和5%或更少之K相，其中組成熱壓延用陶究 治具之燒結本體的成分包含1至l〇wt%之Υ2〇3，0.01至 20wt°/〇之Α1203及Si3N4和必然雜質之平衡。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之熱壓延用陶竞治 具，其中Si#4晶粒間之結晶相係包含90°/。或更多之j相， 5%或更少之Η相及1%或更少之K相。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之熱壓延用陶竞户 具，其中Si#4晶粒間製成結晶，且即使在高溫l，2〇(rc或 更高，亦不會變差治具之強度。 5·—種製造熱壓延用陶瓷治具之方法，其包含鑄模之 步驟，成一所欲形狀，由Si3N4粉末加入助燒結劑得到材 料粉末，燒結鑄模材料，其後在氮氣中溫度範園1,100至 1，300°C内受熱處理，以在晶粒間結晶’其中加 助燒結劑之1至l〇wt%之Y2〇3及3至20wt%之 棟 6.—種製造熱壓延用陶竟治具之方法，其包含 13 本紙張纽逋财家揉丰（CNS ) A4躲（210X297公釐 --------i 裝--1----訂 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 yb2^3 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 步驟，成一所欲形狀’由SisN4粉末加入助燒結劑得到材 料粉末，燒結鑄模材料，其後在氮氣中溫度範圍11〇〇至 1，300°C内受熱處理，以在Si3N4晶粒間結晶，其中加入如 助燒結劑之1至10wt°/。之Y2〇3和〇.〇1至20wt%之Al2〇3。 387869 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 装. 訂 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐）