燒結(jié)處理對(duì)不銹鋼濾網(wǎng)組織與性能的影響

郭雨菲，曲瑞波，侯宗宗

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所 河南洛陽(yáng) 471000

1 序言

不銹鋼燒結(jié)濾網(wǎng)是一種將多層不銹鋼編織網(wǎng)與沖孔板骨架經(jīng)燒結(jié)加工使之結(jié)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(qiáng)度，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、塑韌性、焊接性和易加工等特性，同時(shí)又繼承了金屬編織網(wǎng)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(yōu)異、綜合力學(xué)性能優(yōu)良、易再次加工、耐熱性好及壓降損失小等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、能源、化工及生物等高新技術(shù)和新興工業(yè)領(lǐng)域[3]。

不銹鋼燒結(jié)濾網(wǎng)的燒結(jié)加工，是將骨架層、保護(hù)網(wǎng)和主濾網(wǎng)，按照順序依次疊放在真空燒結(jié)爐中，在高溫和高真空環(huán)境以及外部施加壓力的作用下，破除表面氧化膜，實(shí)現(xiàn)各層金屬表面的有效接觸和充分?jǐn)U散，使各層之間形成可靠的擴(kuò)散連接。濾芯燒結(jié)加工的主要原理是真空擴(kuò)散焊接，但與普通擴(kuò)散焊接不同的是，由于金屬編織網(wǎng)絲徑較細(xì)且編織方式密集復(fù)雜，表面氧化膜很難去除，不利于擴(kuò)散的進(jìn)行[4]，因此為破碎蒸發(fā)孔板和絲網(wǎng)表面氧化膜，燒結(jié)加工的燒結(jié)溫度比一般的真空擴(kuò)散焊高，最高可達(dá)到0.9Tm（Tm為材料熔點(diǎn)），且為實(shí)現(xiàn)沖孔板和絲網(wǎng)的牢固連接，燒結(jié)時(shí)間也比一般擴(kuò)散焊長(zhǎng)。由于燒結(jié)加工的燒結(jié)溫度高，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，固然會(huì)使燒結(jié)母材出現(xiàn)不同程度的晶粒長(zhǎng)大、元素?zé)龘p、成分偏析，甚至?xí)行孪喈a(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)金屬母材的金相組織、力學(xué)性能、耐腐蝕性能造成影響[5]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)燒結(jié)網(wǎng)濾芯的研究主要集中在不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)的成形工藝、燒結(jié)加工工藝、過流性能、過濾性能及應(yīng)用分析等方面，針對(duì)于燒結(jié)處理對(duì)不銹鋼組織與性能影響的研究鮮有報(bào)道[6-8]。因此，對(duì)常用濾芯材質(zhì)燒結(jié)前后的組織與性能進(jìn)行研究，分析燒結(jié)處理對(duì)其組織性能的影響，對(duì)于評(píng)判不同材質(zhì)不銹鋼的燒結(jié)加工工藝性能的優(yōu)劣，指導(dǎo)不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯材質(zhì)的選型，以及評(píng)價(jià)不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)的實(shí)際使用性能，具有十分重要的指導(dǎo)意義。本文選取不銹鋼濾網(wǎng)常用材質(zhì)316L和904L，使用現(xiàn)有燒結(jié)工藝制作燒結(jié)濾網(wǎng)試樣，對(duì)比分析燒結(jié)前后濾網(wǎng)試樣的組織性能變化，為不銹鋼燒結(jié)濾芯的選材和應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

2 試驗(yàn)材料和方法

不銹鋼燒結(jié)濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可看出，不銹鋼濾網(wǎng)的絲網(wǎng)較細(xì)、骨架層穿孔板的孔洞較多，均不利于取樣試驗(yàn)。因此，本文分別使用316L和904L不銹鋼板材與相同材質(zhì)的不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行燒結(jié)加工，加工完成后將絲網(wǎng)用銑削加工的方法去除，分別制備316L和904L燒結(jié)試板，并選取316L和904L原始母材作為對(duì)比試板，分別制備金相組織、力學(xué)性能、晶間腐蝕和點(diǎn)蝕測(cè)試試樣，進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，分析各組試板的金相組織、物相組成、力學(xué)性能及耐腐蝕性能，研究燒結(jié)處理對(duì)這兩種不銹鋼材質(zhì)組織與性能的影響。

圖1 不銹鋼燒結(jié)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

試樣分組情況見表1，316L和904L不銹鋼的化學(xué)成分見表2。

表1 試樣分組情況

表2 316L和904L試板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 微觀組織分析

燒結(jié)前后316L和904L試樣的金相組織檢測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。從圖2、圖3可看出，燒結(jié)前后316L和904L試樣的室溫金相組織均為孿晶奧氏體，對(duì)比燒結(jié)前后試樣的金相組織發(fā)現(xiàn)，由于加熱溫度過高，所以經(jīng)過燒結(jié)處理后金屬的晶粒通過相互融合、長(zhǎng)大，使得晶粒顯著地增大，金屬晶粒的直徑增長(zhǎng)約十倍，這必然會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能造成一定的影響。

圖2 燒結(jié)前后316L試樣的顯微組織

圖3 燒結(jié)前后904L試樣的顯微組織

3.2 物相組成分析

對(duì)燒結(jié)前后的不銹鋼試樣進(jìn)行X射線衍射物相分析，所得衍射圖譜如圖4、圖5所示。對(duì)圖4、圖5進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，316L母材試樣的物相組成主要為γ-Fe奧氏體相，燒結(jié)處理后的316L燒結(jié)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(jié)處理后的904L燒結(jié)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(fā)生明顯變化。

圖4 燒結(jié)前后316L試樣X射線衍射圖譜

圖5 燒結(jié)前后904L試樣X射線衍射圖譜

3.3 力學(xué)性能分析

選取燒結(jié)前后不銹鋼試板制備的顯微硬度試樣，使用顯微硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)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(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 燒結(jié)前后不銹鋼試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 燒結(jié)前后316L試樣顯微硬度

圖7 燒結(jié)前后904L試樣顯微硬度

從以上試驗(yàn)結(jié)果可看出，316L和904L試板的硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值均相差不大，但316L的伸長(zhǎng)率明顯高于904L。另外，由于燒結(jié)溫度高且保溫時(shí)間長(zhǎng)，316L燒結(jié)試樣和904L燒結(jié)試樣的顯微硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與同材質(zhì)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(xù)加工和使用要求。

3.4 耐腐蝕性能分析

（1）晶間腐蝕試驗(yàn) 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(yàn)方法》，按照試驗(yàn)方法E，對(duì)316L、904L母材和燒結(jié)試板各取兩個(gè)試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，所有試樣經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。彎曲180°，彎曲部位在10倍放大鏡下觀察，試樣表面均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，試樣保持良好的韌性，316L、904L母材和燒結(jié)試樣的抗晶間腐蝕性能均較好。

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

表4 燒結(jié)前后不銹鋼試樣腐蝕速率及點(diǎn)蝕深度

圖8 燒結(jié)前后316L試樣點(diǎn)蝕試驗(yàn)表面形貌

圖9 燒結(jié)前后904L試樣點(diǎn)蝕試驗(yàn)表面形貌

4 結(jié)束語

1）經(jīng)燒結(jié)處理后，316L不銹鋼試樣的晶粒均明顯長(zhǎng)大，金相組織與燒結(jié)前母材一致，均為γ-Fe孿晶奧氏體組織，顯微硬度和力學(xué)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(diǎn)蝕性能較差。

2）經(jīng)燒結(jié)處理后，904L不銹鋼試樣的金相組織與燒結(jié)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(zhǎng)大，試樣的顯微硬度和力學(xué)性能較燒結(jié)前母材有所下降，但材料的塑韌性良好，抗點(diǎn)蝕試樣和抗晶間腐蝕性能優(yōu)良。

3）綜合分析，316L和904L不銹鋼的燒結(jié)加工工藝性能均較好，并且從力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)比可看出，燒結(jié)加工后316L試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與904L相當(dāng)，但伸長(zhǎng)率明顯高于904L，因此316L材質(zhì)的燒結(jié)濾網(wǎng)更適合燒結(jié)加工后復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工成形；從點(diǎn)蝕試驗(yàn)對(duì)比可看出，904L抗點(diǎn)蝕性能優(yōu)異，明顯優(yōu)于316L，因此904L材質(zhì)的燒結(jié)濾網(wǎng)更適合海洋環(huán)境應(yīng)用。