燒結處理對不銹鋼濾網組織與性能的影響

郭雨菲，曲瑞波，侯宗宗

中國船舶集團有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471000

1 序言

不銹鋼燒結濾網是一種將多層不銹鋼編織網與沖孔板骨架經燒結加工使之結合牢靠而制成的多孔過濾元件，該過濾元件既保持了沖孔板骨架的強度，具有良好的導熱、導電、塑韌性、焊接性和易加工等特性，同時又繼承了金屬編織網的過濾精度和耐腐蝕性能，是一種比較理想的過濾元件[1，2]。因其具有反清洗效果好、耐腐蝕性能優異、綜合力學性能優良、易再次加工、耐熱性好及壓降損失小等優點，所以被廣泛應用于環境、能源、化工及生物等高新技術和新興工業領域[3]。

不銹鋼燒結濾網的燒結加工，是將骨架層、保護網和主濾網，按照順序依次疊放在真空燒結爐中，在高溫和高真空環境以及外部施加壓力的作用下，破除表面氧化膜，實現各層金屬表面的有效接觸和充分擴散，使各層之間形成可靠的擴散連接。濾芯燒結加工的主要原理是真空擴散焊接，但與普通擴散焊接不同的是，由于金屬編織網絲徑較細且編織方式密集復雜，表面氧化膜很難去除，不利于擴散的進行[4]，因此為破碎蒸發孔板和絲網表面氧化膜，燒結加工的燒結溫度比一般的真空擴散焊高，最高可達到0.9Tm（Tm為材料熔點），且為實現沖孔板和絲網的牢固連接，燒結時間也比一般擴散焊長。由于燒結加工的燒結溫度高，高溫停留時間長，固然會使燒結母材出現不同程度的晶粒長大、元素燒損、成分偏析，甚至會有新相產生，進而對金屬母材的金相組織、力學性能、耐腐蝕性能造成影響[5]。

國內外針對燒結網濾芯的研究主要集中在不銹鋼燒結網的成形工藝、燒結加工工藝、過流性能、過濾性能及應用分析等方面，針對于燒結處理對不銹鋼組織與性能影響的研究鮮有報道[6-8]。因此，對常用濾芯材質燒結前后的組織與性能進行研究，分析燒結處理對其組織性能的影響，對于評判不同材質不銹鋼的燒結加工工藝性能的優劣，指導不銹鋼燒結網濾芯材質的選型，以及評價不銹鋼燒結網的實際使用性能，具有十分重要的指導意義。本文選取不銹鋼濾網常用材質316L和904L，使用現有燒結工藝制作燒結濾網試樣，對比分析燒結前后濾網試樣的組織性能變化，為不銹鋼燒結濾芯的選材和應用提供有價值的參考。

2 試驗材料和方法

不銹鋼燒結濾網的結構如圖1所示。從圖1可看出，不銹鋼濾網的絲網較細、骨架層穿孔板的孔洞較多，均不利于取樣試驗。因此，本文分別使用316L和904L不銹鋼板材與相同材質的不銹鋼絲網進行燒結加工，加工完成后將絲網用銑削加工的方法去除，分別制備316L和904L燒結試板，并選取316L和904L原始母材作為對比試板，分別制備金相組織、力學性能、晶間腐蝕和點蝕測試試樣，進行測試試驗，分析各組試板的金相組織、物相組成、力學性能及耐腐蝕性能，研究燒結處理對這兩種不銹鋼材質組織與性能的影響。

圖1 不銹鋼燒結濾網結構

試樣分組情況見表1，316L和904L不銹鋼的化學成分見表2。

表1 試樣分組情況

表2 316L和904L試板的化學成分（質量分數） （%）

3 試驗結果及分析

3.1 微觀組織分析

燒結前后316L和904L試樣的金相組織檢測結果如圖2、圖3所示。從圖2、圖3可看出，燒結前后316L和904L試樣的室溫金相組織均為孿晶奧氏體，對比燒結前后試樣的金相組織發現，由于加熱溫度過高，所以經過燒結處理后金屬的晶粒通過相互融合、長大，使得晶粒顯著地增大，金屬晶粒的直徑增長約十倍，這必然會對材料的力學性能和耐腐蝕性能造成一定的影響。

圖2 燒結前后316L試樣的顯微組織

圖3 燒結前后904L試樣的顯微組織

3.2 物相組成分析

對燒結前后的不銹鋼試樣進行X射線衍射物相分析，所得衍射圖譜如圖4、圖5所示。對圖4、圖5進行分析后發現，316L母材試樣的物相組成主要為γ-Fe奧氏體相，燒結處理后的316L燒結試樣的物相組成仍為γ-Fe奧氏體相；904L母材試樣物相組成主要為γ-Fe奧氏體相，燒結處理后的904L燒結試樣物相組成主要仍為γ-Fe奧氏體相，有微量新相析出，物相均未發生明顯變化。

圖4 燒結前后316L試樣X射線衍射圖譜

圖5 燒結前后904L試樣X射線衍射圖譜

3.3 力學性能分析

選取燒結前后不銹鋼試板制備的顯微硬度試樣，使用顯微硬度計進行檢測，結果如圖6、圖7所示。制作拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行拉伸試驗，結果見表3。

表3 燒結前后不銹鋼試樣拉伸試驗結果

圖6 燒結前后316L試樣顯微硬度

圖7 燒結前后904L試樣顯微硬度

從以上試驗結果可看出，316L和904L試板的硬度、抗拉強度和屈服強度值均相差不大，但316L的伸長率明顯高于904L。另外，由于燒結溫度高且保溫時間長，316L燒結試樣和904L燒結試樣的顯微硬度、屈服強度和抗拉強度與同材質母材相比均有一定程度的下降，但材料仍能保持良好的塑韌性，可以滿足后續加工和使用要求。

3.4 耐腐蝕性能分析

（1）晶間腐蝕試驗 參照GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》，按照試驗方法E，對316L、904L母材和燒結試板各取兩個試樣進行晶間腐蝕試驗，所有試樣經硫酸-硫酸銅腐蝕后進行彎曲試驗。彎曲180°，彎曲部位在10倍放大鏡下觀察，試樣表面均未發現晶間腐蝕裂紋，試樣保持良好的韌性，316L、904L母材和燒結試樣的抗晶間腐蝕性能均較好。

（2）點蝕試驗結果 參照GB/T 17897—2016《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》，對316L、904L母材和燒結試板各取3個試樣進行點蝕試驗。燒結前后316L、904L試樣點蝕試驗表面形貌分別如圖8、圖9所示，燒結前后316L、904L試樣蝕速率及點蝕深度見表4。從以上點蝕試驗結果可看出，316L母材和燒結試樣的抗點蝕性能不佳，在點蝕試驗后試樣均出現嚴重的點蝕穿透現象，但燒結前后316L試樣的平均腐蝕速率和平均點蝕深度均相差不大，因此燒結處理前后316L的抗點蝕能力差別不大；904L母材和燒結試樣的抗點蝕性能均較佳，在點蝕試驗后試樣幾乎未發生點蝕，平均腐蝕速率均較低，僅為0.003～0.004g/（m2·h），說明燒結處理對濾芯燒結板的抗點蝕性能影響不大，能夠滿足耐點蝕性能要求。

表4 燒結前后不銹鋼試樣腐蝕速率及點蝕深度

圖8 燒結前后316L試樣點蝕試驗表面形貌

圖9 燒結前后904L試樣點蝕試驗表面形貌

4 結束語

1）經燒結處理后，316L不銹鋼試樣的晶粒均明顯長大，金相組織與燒結前母材一致，均為γ-Fe孿晶奧氏體組織，顯微硬度和力學性能均有不同程度的下降，但材料仍保持良好的塑韌性，材料的耐晶間腐蝕能力良好，但抗點蝕性能較差。

2）經燒結處理后，904L不銹鋼試樣的金相組織與燒結前母材一致，均為γ-Fe孿晶奧氏體組織，由于晶粒尺寸明顯長大，試樣的顯微硬度和力學性能較燒結前母材有所下降，但材料的塑韌性良好，抗點蝕試樣和抗晶間腐蝕性能優良。

3）綜合分析，316L和904L不銹鋼的燒結加工工藝性能均較好，并且從力學性能試驗對比可看出，燒結加工后316L試樣的硬度、抗拉強度和屈服強度與904L相當，但伸長率明顯高于904L，因此316L材質的燒結濾網更適合燒結加工后復雜結構的加工成形；從點蝕試驗對比可看出，904L抗點蝕性能優異，明顯優于316L，因此904L材質的燒結濾網更適合海洋環境應用。