不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面缺陷分析

任海濤,高曉軍,郭 亮,呼 偉,翟 俊

(西安菲爾特金屬過(guò)濾材料股份有限公司,陜西 西安 710016)

不銹鋼纖維燒結(jié)氈是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的一種新型多孔功能材料,其具有滲透性能好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、易加工、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是適合于高溫、高壓及腐蝕環(huán)境中使用的新一代的高效金屬過(guò)濾材料，廣泛應(yīng)用于高分子聚合物過(guò)濾、汽車尾氣凈化、微生物燃料電池、水過(guò)濾、高溫?zé)煔獬龎m等方面[1-4]。

不銹鋼纖維燒結(jié)氈是由微米級(jí)的不銹鋼纖維經(jīng)無(wú)紡鋪制、多層疊配及高溫?zé)Y(jié)而成。 在不銹鋼纖維燒結(jié)氈的生產(chǎn)過(guò)程中，往往存在成品率較低這樣的一個(gè)技術(shù)難題，而纖維氈的表面缺陷是影響成品率的最主要因素。纖維氈的表面缺陷通常包括黑點(diǎn)、銹點(diǎn)、局部不均勻、金屬夾雜、非金屬夾雜、溶洞、粘連外來(lái)纖維、表面發(fā)黃金屬光澤度低等。本研究采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對(duì)不銹鋼纖維燒結(jié)氈在制備過(guò)程中通常產(chǎn)生的表面缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)分析。根據(jù)不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面缺陷產(chǎn)生的原因，針對(duì)性地提出了改善不銹鋼纖維氈表面缺陷的策略。本文對(duì)制備高質(zhì)量的不銹鋼纖維燒結(jié)氈具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

以集束拉拔法制備的不銹鋼纖維為原材料,其化學(xué)成分和微觀形貌分別如表1和圖1所示,可以看出纖維呈均勻的長(zhǎng)條圓棒狀,表面有條紋溝痕和析出物小顆粒。 將微米級(jí)的不銹鋼纖維經(jīng)氣流無(wú)紡鋪制、多層疊配后高溫真空燒結(jié)成具有一定強(qiáng)度的不銹鋼纖維氈。將不銹鋼纖維燒結(jié)氈平整到一定的厚度，然后經(jīng)過(guò)燈檢表面觀察，宏觀上確定不銹鋼纖維氈的表面缺陷。針對(duì)有缺陷的部位進(jìn)行取樣，通過(guò)日立高新冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM) SU8200,在加速電壓20 kV下測(cè)試了缺陷部位不銹鋼纖維燒結(jié)氈的形貌和成分。

表1 316L不銹鋼纖維的化學(xué)成分[5]Table 1 Chemical composition of 316L stainless steel fiber (wt.%)[5]

圖1 (a)和(b)分別是集束拉拔法制備得到的316L 6 μm不銹鋼纖維不同放大倍數(shù)的SEM照片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不銹鋼纖維氈表面缺陷分析

不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面缺陷通常主要有以下幾種表現(xiàn)形式：小銹點(diǎn)、小黑點(diǎn)、局部不均勻、金屬夾雜、非金屬夾雜、溶洞、粘連外來(lái)纖維等缺陷。采用SEM和EDS對(duì)不銹鋼纖維燒結(jié)氈的制備過(guò)程中通常產(chǎn)生的表面缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)分析。 圖2和表2分別展現(xiàn)了不銹鋼纖維氈表面缺陷小黑點(diǎn)的SEM照片和EDS成分，圖2(a)可以看出纖維氈表面有一個(gè)小黑點(diǎn)。圖2(b)是對(duì)圖2(a)小黑點(diǎn)區(qū)域放大的SEM照片，可以看出纖維氈里面存在寬度約為300 μm的一個(gè)夾雜物，夾雜物并沒(méi)有與不銹鋼纖維發(fā)生反應(yīng)，只是夾雜在不銹鋼纖維氈中。圖2(c)和表2是夾雜物的成分分析，可以看出夾雜物主要由Fe、C、O組成，是一種含F(xiàn)e的非金屬氧化物夾雜。該夾雜的存在使纖維氈在高溫?zé)煔獬龎m、化纖過(guò)濾等領(lǐng)域使用時(shí)，在該區(qū)域容易發(fā)生腐蝕產(chǎn)生漏洞，造成纖維氈過(guò)濾性能和使用壽命降低。

(a)不銹鋼纖維氈表面黑點(diǎn)的宏觀照片；(b)黑點(diǎn)位置的SEM照片；(c)黑點(diǎn)位置的能譜圖

表2 不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面黑點(diǎn)化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of black spots on the surface of stainless steel fiber sintered felt

不銹鋼纖維氈在潮濕環(huán)境中遇到無(wú)機(jī)鹽離子，特別是Cl-會(huì)對(duì)不銹鋼纖維氈產(chǎn)生緩慢腐蝕。圖3和表3分別展現(xiàn)了不銹鋼纖維氈表面缺陷小銹點(diǎn)的SEM照片和EDS成分，圖3(a)可以看出纖維氈表面有一個(gè)黃色的小銹點(diǎn)。圖3(b)是對(duì)圖3(a)小銹點(diǎn)區(qū)域放大的SEM照片，可以看出纖維表面粘附了一層白色的結(jié)晶物質(zhì)，纖維是完整的并沒(méi)有發(fā)生斷裂。圖3(c)和表3是銹點(diǎn)區(qū)域纖維的成分分析，通過(guò)與正常316L不銹鋼纖維的成分對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖3(b)中1和2區(qū)域除了不銹鋼纖維的成分外，還有NaCl存在；3區(qū)域纖維表面沒(méi)有粘附物，成分與1和2區(qū)域相比沒(méi)有NaCl。進(jìn)一步說(shuō)明，不銹鋼纖維氈表面小銹點(diǎn)的產(chǎn)生是由于表面粘附NaCl造成的[6]。

(a)不銹鋼纖維氈表面銹點(diǎn)的宏觀照片；(b)銹點(diǎn)位置的SEM照片；(c)銹點(diǎn)位置的能譜圖圖3 不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面小銹點(diǎn)微觀形貌和成分分析 Fig.3 Micromorphology and composition analysis of small rust spots on the surface of stainless steel fiber sintered felt

表3 不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面銹點(diǎn)化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of rust spots on the surface of stainless steel fiber sintered felt

(a)不銹鋼纖維氈表面粘附外來(lái)纖維的宏觀照片；(b)外來(lái)纖維的SEM照片；(c)外來(lái)纖維的能譜圖

表4 不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面粘附外來(lái)纖維化學(xué)成分Table 4 Chemical composition of foreign fibers adhered to the surface of stainless steel fiber sintered felt

圖4和表4分別展現(xiàn)了不銹鋼纖維氈表面粘附其他外來(lái)纖維的SEM照片和EDS成分，圖4(a)可以看出纖維氈表面粘附了一些黑色的纖維。圖4(b)是對(duì)圖4(a)黑纖維區(qū)域放大的SEM照片，可以看出明顯存在絲徑約為22 μm的外來(lái)纖維，其微觀形貌與正常的316L不銹鋼纖維明顯不同。圖4(c)和表4是外來(lái)纖維的成分分析，可以其主要成分是Ta，其很有可能是Ta纖維粘附在不銹鋼纖維氈表面。

圖5和表5分別展現(xiàn)了不銹鋼纖維氈表面缺陷溶洞的SEM照片和EDS成分，圖5(a)可以看出纖維氈表面有一個(gè)小溶洞，沒(méi)有夾雜物存在，幾根纖維發(fā)生了斷裂，纖維斷口光滑。圖5(b)是對(duì)圖5(a)溶洞區(qū)域放大的SEM照片，更清晰地看到纖維有溶化的趨勢(shì)。圖5(c)和表5是溶洞區(qū)域的成分分析，與正常的316L不銹鋼纖維成分對(duì)比可以看出該溶洞區(qū)域沒(méi)有雜質(zhì)元素。說(shuō)明該溶洞的產(chǎn)生不是由于夾雜產(chǎn)生的，另外斷裂的纖維斷口光滑，沒(méi)有折斷刺傷的痕跡，進(jìn)一步說(shuō)明溶洞的產(chǎn)生不是由于機(jī)械損傷造成的。經(jīng)過(guò)分析溶洞的產(chǎn)生很可能是由不銹鋼纖維氈燒結(jié)溫度過(guò)高導(dǎo)致細(xì)絲徑的纖維發(fā)現(xiàn)了部分溶斷。

(a)和(b)是不銹鋼纖維氈表面溶洞不同放大倍數(shù)的SEM照片；(c)溶洞位置的能譜圖圖5 不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面溶洞微觀形貌和成分分析Fig.5 Microscopic morphology and composition analysis of molten caves on the surface of stainless steel fiber sintered felt

表5 不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面溶洞區(qū)域化學(xué)成分Table 5 Chemical composition ofmolten caves on the surface of stainless steel fiber sintered felt

表6 不銹鋼纖維燒結(jié)氈表面夾雜化學(xué)成分Table 6 Chemical composition of inclusions on the surface of stainless steel fiber sintered felt

圖6和表6分別展現(xiàn)了不銹鋼纖維氈表面夾雜物的SEM照片和EDS成分，圖6(a)可以清晰地看出纖維氈表面存在夾雜物。圖6(b)是對(duì)圖6(a)夾雜物區(qū)域放大的SEM照片，可以看出夾雜物是由小顆粒聚集在一起，夾雜物區(qū)域的纖維發(fā)生了斷裂，并且纖維表面粘附了白色的小顆粒。圖6(c)和表6是夾雜物的成分分析，經(jīng)過(guò)與正常316L不銹鋼纖維的成分對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該夾雜物區(qū)域的異常元素是Al、O、S、Mn，是一種含Al和Mn的金屬夾雜物和非金屬夾雜物的混合物[7]。夾雜物區(qū)域的纖維發(fā)生了斷裂，說(shuō)明夾雜物與不銹鋼纖維在高溫下燒結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)[8]。該夾雜的存在對(duì)不銹鋼纖維氈的使用是不利的，該區(qū)域容易發(fā)生腐蝕產(chǎn)生漏洞，造成纖維氈在高溫?zé)煔獬龎m、化纖過(guò)濾等領(lǐng)域使用時(shí)過(guò)濾性能和使用壽命降低。

3 結(jié)論

(1)小黑點(diǎn)的形成主要是非金屬夾雜粘附在纖維氈中、宏觀看起來(lái)纖維氈表面有小黑點(diǎn)缺陷。該區(qū)域纖維是完整的，但會(huì)堵塞纖維氈的孔道；

(2)金屬夾雜多大與不銹鋼纖維發(fā)生反應(yīng)，造成纖維斷裂，堵塞纖維氈的孔道；

(3)溶洞是由于燒結(jié)溫度過(guò)高導(dǎo)致細(xì)絲徑的不銹鋼纖維在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生溶斷、導(dǎo)致局部不均勻；

(4)小銹點(diǎn)是由于潮濕環(huán)境中的無(wú)機(jī)鹽離子，特別是Cl-1對(duì)不銹鋼纖維腐蝕產(chǎn)生的。同時(shí)，針對(duì)性地提出了改善不銹鋼纖維氈表面缺陷的策略。