集束拉拔法對不銹鋼纖維耐蝕性能的影響

江偉強++王振++占承敏++王艷慧++蔡苗

摘 要：以316L不銹鋼纖維為研究對象，分析不銹鋼纖維集束拉拔法生產過程對其耐蝕性能的影響。

關鍵詞：集束拉拔法 不銹鋼纖維 耐蝕性能

中圖分類號：TB302 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0079-02

1 不銹鋼纖維生產工藝簡析

不銹鋼纖維的制造方法主要有熔融紡絲法，切削法，單絲拉拔法，集束拉拔法。

熔融紡絲法是較早開發的金屬纖維制造方法，目前主要包括坩堝熔融抽絲法、懸滴熔融抽拉法和熔融紡絲法。熔融紡絲法的基本原理是將金屬加熱到熔融狀態，再通過一定的裝置將熔融金屬液體噴射或甩出后冷卻而形成金屬纖維。

切削法是制造金屬纖維的常用方法之一，用該種方法制造的金屬纖維產品種類齊全，適用面較廣。切削法既可制取長纖維也可制取短纖維，生產設備簡單，成本較低，適用于加工不銹鋼、低碳鋼、鑄鐵、銅、鋁及其合金等不同材質的金屬。切削法與熔融紡絲法雖然都具有生產成本低的特點，但用這兩種制造方法制備的不銹鋼纖維不連續且截面不均勻，在一些要求較高的場合不能滿足服役條件。

單絲拉拔法是制造金屬線材的通用方法，其原理就是使金屬線材通過孔徑逐漸遞減的拉絲?？走M行多次拉伸。單絲拉拔法具有生產工藝復雜，纖維容易斷裂，并且不能生產細纖維，生產成本高的特點。

集束拉拔法的主要生產過程是把多根金屬線包在外包材料里，經過多級拉絲模進行連續拉拔，根據需要可以在中間設置熱處理等工藝。在其拉拔和熱處理過程中的任何參數變化都會使纖維的性能發生變化，從而影響纖維質量。目前，集束拉拔法主要用于生產不銹鋼纖維和高溫合金纖維（鐵鉻鋁纖維）。用集束拉拔法生產的不銹鋼纖維，其抗拉強度很高，可達2000 MPa，但延伸率低。并且用此種方法可生產直徑10μm以下的不銹鋼纖維，纖維絲直徑均勻，連續性好，成本低，是目前制備不銹鋼纖維的普遍采用的方法[1]。

2 集束拉拔法生產工藝過程對金屬纖維耐蝕性能影響分析

2.1 表面涂銅的影響

在加工集束型不銹鋼纖維[2]的過程中為了降低拉拔的次數和減小單根細絲被拉斷的概率，通常是將多根用單絲拉拔法制備的不銹鋼線材集成一束，外加與不銹鋼有類似傾向加工硬化的包覆材料（一般采用中碳鋼），再進行拉伸。在加工過程中為了防止相鄰纖維之間粘著現象的發生，會把Cu等物質涂覆在在其表面，拉伸完成后再使用化學方法除去涂層物質。然而，在纖維的表面會有銅殘留，關于Cu對不銹鋼的腐蝕性能的影響已有不少研究，普遍認為Cu能提高不銹鋼抗全面腐蝕能力，是由于沉淀Cu附在鋼的腐蝕表面抑制了陽極溶解，從而達到抗腐蝕的效果[3]。

2.2 減徑過程中造成纖維表面缺陷的影響

金屬纖維在一定拉伸量下，晶粒沿變形方向產生變形；變形量加大，呈現纖維狀；進一步加大變形量，產生形變織構。在高倍電子顯微鏡下可以看到纖維表面有微小突起，這是拉拔退火過程綜合作用引起的成分偏聚[4]，以及拉拔過程中在其表面形成了很多微小的裂紋（圖1，金屬纖維表面SEM圖片，表面有大量微小裂紋）。

由圖2（金屬纖維表面SEM圖片）可以看出，在纖維的表面鑲嵌有大量的顆粒。這些顆粒主要是拉拔及退火過程中，由于不銹鋼纖維溶質原子在生產條件下擴散速率不同及原子間相互作用力大小不同，進而導致內部發生碳化物（碳化物主要是由Cr元素組成的Cr23C6以顆粒形式存在）的析出所產生的，在拉伸過程中隨著纖維的減徑在表面或近表面上呈現出來，從而在不銹鋼纖維的表面形成大量的突起。

這種Cr23C6顆粒會大幅降低細纖維的物理及化學性能，它不僅使纖維芯嚴重不均勻，還會導致纖維沿顆粒處損壞[5]。

減徑過程中帶到表面的Cr23C6顆粒以鑲嵌的形式與鐵基連接。在鐵基表面形成大量的位錯，特別在鐵基表面與Cr23C6顆粒接觸環線，由于角度的起伏大，能量較其他部位高出很多，生產過程中自發形成的鈍化膜[6]容易沿此環線破裂，從而使鐵基與Cr23C6顆粒之間產生縫隙，在酸性環境中局部會形成較封閉的反應環境，自催化反應

（Fe2++2H2O=Fe（OH）2+2H+，Fe+2H+=Fe2++H2）會進一步加劇。使原本動態修復平衡的鈍化膜逐漸落后于鐵基的腐蝕。整個反應一直進行到Cr23C6顆粒從鐵基上掉落（圖4，腐蝕后的金屬纖維表面SEM圖片，顆粒大量減少），形成Cr23C6顆粒掉落留下的凹坑（圖2與圖4對比，表面顆粒大量的減少），從而導致點蝕加劇，直至金屬纖維被破壞。

同理，生產過程中表面形成的大量的微小裂紋也是誘導金屬纖維表面鈍化膜動態修復平衡被破壞以及引發點蝕的又一因素。

2.3 減徑過程中金屬纖維內部成分變化的影響

由于減徑退火過程中碳化物顆粒的析出使得基體內部晶界附近的鉻含量大量減少，當晶界附近的鉻的質量分數低于到小于12%時，造成了相對的“貧鉻區”，“貧鉻區”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區”之間存在著一定的電位差，而在腐蝕介質中晶界的溶解速度和晶粒本身溶解速度是不同的，晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度，“貧鉻區”作為陽極與晶粒構成大陰極和小陽極的微電偶電池，造成“貧鉻區”選擇性的局部發生腐蝕（也就是晶間腐蝕[7]），從而導致金屬纖維耐蝕性能下降。

3 研究結論

（1）金屬纖維在生產過程中表面產生了大量缺陷。

（2）集束拉拔過程中涂層物質中銅對金屬纖維耐蝕性能起到促進作用。

（3）金屬纖維集束拉拔過程中造成的缺陷加速了其表面鈍化膜的破裂及點蝕的形成，導致其在酸性環境中腐蝕加劇。

（4）金屬纖維減徑過程中其內部形成“貧鉻區”造成晶間腐蝕，從而使金屬纖維耐蝕性能下降。

參考文獻

[1] 劉先蘭，劉楚明.不銹鋼纖維的生產工藝現狀分析[J].2007，1（3）：169-172.

[2] 楊強.不銹鋼纖維的抗損傷性能研究[D].青島大學.

[3] 劉繼明，梁建宇.合金元素對鐵素體不銹鋼抗腐蝕性能的影響[J].山西冶金，2005（4）：9-12.

[4] 張文彥.奧氏體不銹鋼纖維微觀結構與物性研究[D].西安建筑科技大學.

[5] 楊趙玲，李建平，等.超細不銹鋼纖維的制備和性能[J].稀有金屬材料與工程，2003，32（9）：748-751.

[6] 林昌健，茅禹，田昭武.電化學改性不銹鋼鈍化膜的耐蝕機理研究[J].中國腐蝕與防護學報，1992，12（3）：205-212.

[7] 吳瑋巍，蔣益明，等.Cl離子對304、316不銹鋼臨界點蝕溫度的影響[J].腐蝕科學與防護技術，2007，19（1）：16-19.endprint