不銹鋼纖維力學性能及表面形貌的影響研究

姜飛龍，張國朋，許佩敏，段博譯

（西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司，陜西西安 710000）

不銹鋼纖維屬于一種新型的工業應用材料，包括304、316、316L、310S 等多種材質，具有強度高、導電性好、耐高溫、耐腐蝕等多種優良性能，被廣泛應用于化工、電子、航天等領域[1]。316L 不銹鋼纖維是其中一種常用的材料，目前主要由集束拉拔而成，絲徑可達μm 級別，具有耐高溫、耐腐蝕性等優良性能，可以應用在耐腐蝕領域[2]，且具有非金屬纖維所具有的粘合性、柔軟性等性能，更加提升了其在各行各業的應用價值[3]。集束拉拔作為生產316L 不銹鋼纖維的主要生產技術，大大提高了不銹鋼纖維的生產效率[4]，但是，隨著工業應用領域的發展，對不銹鋼纖維力學性能要求也越來越高，因此生產細規格絲徑和高性能不銹鋼纖維已經是近些年來主要的研究目標[5]。周照耀等[6]發現在復合材料中，隨著不銹鋼纖維體積含量的上升，可以有效的阻止裂紋在復合材料中的傳播。SHAJARI S 等[7]采用碳納米管（CNT）聚丙烯納米復合材料為基體，不銹鋼纖維作為納米復合材料的增強材料，雜化形成納米復合材料，增強了其力學性能和電磁屏蔽性能。QuanD 等[8]在CFRP 中添加不銹鋼纖維，可以提升CFRP 的斷裂韌性，TalonenJ 等[9]研究了應變速率會影響不銹鋼馬氏體的轉變和力學性能，Takemoto T 等[10]研究了熱處理對不銹鋼力學性能的影響規律，楊春雷等[11]發現在不銹鋼絲拉拔過程中,鋼絲的硬度沿鋼絲表面至中心呈增加趨勢，高亞男[12]的研究表明拉拔工藝對不銹鋼/銅/碳鋼復合有較大影響。王賓寧等[13]發現隨著拉拔的進行，不銹鋼絲徑減小，其抗拉強度會得到提升。孫海忠等[14]對不同的不銹鋼絲徑采用不同的退火溫度進行拉拔，并分析了表面形貌和性能。但是上述研究均基于不銹鋼絲或纖維為基礎，做成復合材料進行研究，或不銹鋼纖維絲徑規格較粗，未能拉拔至絲徑0.006mm 規格，因此基于以上研究與分析，退火參數和加工率是影響纖維力學性能的主要因素[15]。在不同的溫度以及保溫時間下，不同絲徑具有自身最優的工藝參數值[16]。因此選取合適的加工率和退火參數，對細規格不銹鋼纖維力學性能具有很大的影響。本研究通過改變加工率、退火溫度和退火時間，研究不銹鋼纖維力學性能的變化規律，得出適合生產力學性能優異不銹鋼纖維的工藝參數。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用316L 不銹鋼絲，通過集束拉拔，將不銹鋼纖維絲徑拉至0.006mm，作為研究對象，其主要化學成分含量如表1 所示。

表1 316L 不銹鋼絲化學成分 ωB/%

采用單因素實驗，分別研究加工率、退火溫度和退火時間對纖維力學性能的影響。為更加與生產實際相結合，退火溫度范圍選為800～880℃，加工率選為73.52%～95.65%，退火時間選為0.5～2.5 min,將加工率、退火參數試驗值設置如表2 所示。

表2 試驗參數值

采用電子單纖維強力機進行纖維力學性能測試，測試內容為纖維的斷裂強力和斷裂伸長率，測試方法為每組試驗選取20 根纖維進行測量，對測量結果求得平均值作為試驗結果，通過電子掃描顯微鏡對纖維表面進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 加工率對纖維力學性能及形貌的影響

以316L 不銹鋼絲為研究對象，纖維絲徑拉至0.006mm，退火溫度選用880℃，退火時間為2 min，加工率依次選取73.52%、78.39%、82.86%、86.07%、88.60%、90.20%、91.70%、92.97%、95.65%，試驗結果如下。

圖1 纖維力學性能隨加工率變化規律

從圖1a、b 中可以看出，在退火溫度為880℃，退火時間為2min 時，在加工率由73.52%到91.70%過程中，纖維斷裂強力由1.9cN 提高到3.3cN，纖維斷裂伸長率由0.55%提升到0.7%。斷裂強力和斷裂伸長率隨著加工率的提高而提高，這是因為，纖維拉拔是奧氏體向馬氏體轉變的過程，奧氏體提升材料的塑變能力，而馬氏體提升材料的抗拉強度。因此隨著拉拔的進行，不銹鋼纖維中的馬氏體越來越多，纖維的抗拉強度提升，纖維越不容易斷裂，因此，纖維的斷裂能力和斷裂伸長率也越來越大。當加工率達到91.70%以后，在該退火溫度和時間下，隨著纖維拉拔的進行，纖維中的奧氏體與馬氏體轉變達到極限值，馬氏體不再增多，因此，纖維斷裂強力和斷裂伸長率也不再增加。

將上述工藝拉拔出的纖維，通過掃描電鏡分析表面形貌，如圖2 所示，在加工率為73.52%和91.70%時，纖維表面有拉拔凹槽，表面凸起較少，當加工率為95.65%時，纖維表面除有凹槽外，還有部分凸起顆粒。纖維表面形貌出現凹槽的主要原因和加工過程關系比較大，由于纖維生產過程采用的是集束拉拔，在拉拔過程中，纖維與纖維之間存在擠壓，多根纖維在相互擠壓之下，就出現了一條條的線型凹槽；而在加工率為95.65%時，纖維相互擠壓過很，在纖維表面形成無規律小顆粒。

圖2 不同加工率下纖維表面形貌

2.2 退火參數對纖維力學性能及表面形貌的影響

2.2.1 退火溫度對纖維力學性能的影響

由于加工率在91.70%～95.65%之間，纖維斷裂強力和斷裂伸長率已不發生變化，因此本次試驗加工率選取為95.65%，最大化的避免加工率對纖維斷裂強力和斷裂伸長率的影響。退火時間為2min，退火溫度依次選取800℃、820℃、840℃、860℃、880℃，試驗結果如下。

從圖3a 中可以看出，退火溫度由800℃提高到880℃，斷裂強力在3.3cN 附近基本無變化。圖3b 中，斷裂伸長率在0.7%附近無變化，這是因為在800～880℃之間，纖維中馬氏體向奧氏體轉變達到最大，隨著溫度提升，奧氏體向馬氏體不再轉變。

圖3 纖維力學性能隨退火溫度變化規律

2.2.2 退火時間對纖維力學性能的影響

加工率選取為95.65%，退火溫度選取為880℃，為研究退火時間對纖維斷裂強力和斷裂伸長率的影響規律，退火時間選取為0.5min、1min、1.5 min、2min、2.5min，試驗結果如下。

從圖4a 中可以看出，退火時間為2min 時，不銹鋼纖維的斷裂強力為3.3cN。圖4b 中，斷裂伸長率為0.7%，在退火時間為1min、1.5min 和2.5min時，纖維力學性能和退火時間2min 時相比，變化不明顯。但當退火時間為0.5min 時，不銹鋼纖維的斷裂強力為4.3cN，斷裂伸長率為1.0%，相較于退火時間2min，纖維的斷裂強力和伸長率得到較大提升。因此退火時間對纖維的力學性能影響較大，為后續深入研究退火參數對不銹鋼纖維力學性能的影響提供了一定的參考價值。

圖4 纖維力學性能隨退火時間的變化規律

2.2.3 退火參數對纖維表面形貌的影響

將退火溫度、時間不同情況下得到的兩種纖維，進行掃描電鏡觀察，發現二者表面形貌變化不大，都存在條狀凹槽和部分顆粒，改變退火溫度和時間，纖維表面形貌變化不明顯。

3 結論

（1）退火溫度和退火時間一定時，在加工率為91.70% 之前，纖維力學性能與加工率正相關，在加工率達到91.7% 以后，纖維力學性能幾乎無變化。

（2）加工率和退火時間一定時，在退火溫度800～880℃范圍內，纖維力學性能受退火溫度變化影響較小。

（3）加工率和退火溫度一定時，相較于退火時間2min，采用退火時間0.5min，纖維斷裂強力由3.3cN 提升到4.3cN，斷裂伸長率由0.7%提升到1.0%，力學性能提升較明顯。

圖5 不同退火參數下纖維表面形貌

（4）纖維在集束拉拔過程中，纖維表面會形成條狀凹槽，當加工率過大時，纖維表面會有顆粒出現。改變退火參數，纖維表面形貌變化不明顯。

（5）不銹鋼纖維拉拔過程中的加工率和退火參數對纖維力學性能的影響規律，對后續生產不同性能的纖維具有重要的指導意義。