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文 | 阿坊

编辑 | 阿坊

金属纤维被广泛应用于石油、化工、化纤、纺织电子、航空等工业领域。用金属纤维制备成熔体滤芯应用于化纤行业的熔浆过滤，制备成滤袋应用于冶金及其火电等高温烟气除尘行业的气固分离。

由于化纤熔浆和高温烟气皆具有较强的腐蚀性因此耐腐蚀性能是金属纤维制品的一项重要指标金属纤维被用于纺织行业，与纱线一起混纺织成布匹，做成电磁屏蔽服，对金属纤维强度和柔韧性有很高的要求。

金属纤维如有碳化物、金属间化合物相或马氏体相析出，会使材料的耐腐蚀性和塑性韧性下降，脆性升高，造成纤维碎断增多，对金属纤维的使用造成严重的不利影响。

所以，让我们一起来探讨下金属纤维析出碳化物和马氏体相形态特征，以及对金属纤维力学性能和耐腐蚀性的影响吧。

一.实验材料及实验方法

实验材料选用316L不锈钢丝，采用集束拉拔法国制备成铜/钢复合体，经过多次冷拉，最后经表面去铜和纤维分离等环节，加工制成金属纤维。

使用电阻炉保护性气氛对金属纤维进行处理。采用JEM6460扫描电镜表征金属纤维的显微组织形貌;采用布鲁克D8AdvanceX射线衍射仪分析金属纤维的析出物相;采用INCAX-Act能谱仪分析金属纤维析出相元素成分;采用纤维YGO04A型电子强力仪测试金属纤维的断裂强力和伸长率，拉伸速率为10mm/min，夹伸长度为10mm;采用Olympus金相显微镜观察含有铜隔离层金属纤维腐蚀后的奥氏体和马氏体组织。

二.研究结果

铜/钢复合体金属纤维随炉升温，在850C时效处理时间1h以上、降温速率小于10C/min条件下，进行加工所获得的金属纤维扫描电镜照片如图1所示。从放大2000倍的扫描电镜照片可知，金属纤维表面析出很多颗粒物，金属纤维表面粗糙，颜色由于析出颗粒物漫反射而发暗，失去了应有的金属光泽，纤维分散性因纤维丝之间的摩擦系数的增大而降低。

测试靶材为铜靶，在扫描速率为2/min条件下，经过时效处理后316L不锈钢金属纤维的XRD图谱如图2所示。从图谱中可见，在850C时效处理条件下，金属纤维相转变析出物相有Cr23C6、NiCNiFe相。波峰较低的两个C峰应该为金属纤维表面因时效处理后，未清理干净而保留下的杂质峰。

Cr23C6是一种复杂的立方晶系的晶体，Cr23C6硬度较高，维氏硬度为12.7~15.0GPa4，对于塑性加工是不利的有害相。Cr23C6碳化物弥散分布在金属基体中，由于Cr23C6碳化物硬度高当金属纤维基体在拉伸加工过程中，Cr23C6碳化物随若纤维的减径被带到表面闯，金属纤维在拉拔制备过程中如果丝材基体Cr23C6碳化物含量过高时，会造成冷拉拔加工剧烈的断线。

为了进一步分析确定析出颗粒物的物相和成分，对其析出颗粒物随机选取两个点进行能谱分析图3为金属纤维的能谱分析位置图。图3(a)(b)分别为金属纤维能谱分析所选取的析出颗粒物所对应的谱图1和图2。

能谱分析的化学成分结果见表1。由表1和图3(a)能谱分析析出物选取的点图谱1可知，析出物区域的C含量都非常高，C的摩尔质量占比为20%左右，其它以金属元素为主的摩尔质量占比为80%左右，符合MC。

碳化物形态C元素的摩尔质量占比因此，结合图2的XRD分析结果，NiC应该为微量相，碳化物析出以Cr23C6。为主。当含镍量较高时，NiFe化合物作为软磁材料使用，其塑性较好，NiFe相对金属纤维材料的加工使用性能影响较小，因此不做为研究的重点。

316L不锈钢中由于Cr元素含量较高，而Cr是强碳化物形成元素，Cr元素与C元素会形成Cr2C3，Cr23C6等多种碳化物析出形态，当Cr含量大于11wt%时，碳化物的类型变成了含碳量较少的Cr23C6。由于不锈钢丝中不含有Cu元素，能谱分析析结果显示Cu元素的含量较高，含量大于1.4wt%。

这是因为铜/钢复合体加工过程较长，中间热处理次数多，钢丝表面包覆的铜层，其局部地方已经与钢丝基体发生了热力学扩散，铜原子扩散进入到不锈钢基体，在表面去铜和纤维分离环节没有被处理干净所造成。

Cr23C6中Cr原子有时可能被Fe，Mo，Cr，Cu等元素原子取代;C元素也可能被BNO等元素原子取代。B，N，O等元素原子半径与碳原子相近，当这些B，N，O元素原子存在时，热处理时因热动力因素而打散可代替碳原子，形成复合的B，C，N，O化物M23(C,B，N，O)，M可能为Fe、Mo、Cr、Ni等元素原子Weiss等学者的研究结果表明，316L不锈钢在一定的条件下析出的碳化物形式有(Cr16Fe5Mo2)C6。因此316L不锈钢中的碳化物析出形态因加工条件不同而呈现出多种形式。

奥氏体不锈钢经过长时间加热后会析出碳化物Cr23C6，对于奥氏体不锈钢来说正常组织应该为奥氏体基体加少量的铁素体，异常组织为碳化物Cr23C6和o相。碳化物相的生成存在一定的温度，把材料加热到高于其生成温度范围，碳化物可以重新固溶到不锈钢基体中。大量研究表明MxC的析出敏感温度为650~800C，当温度高于800C时MxC。颗粒物会逐渐溶解于基体。

白文峰等叫的研究显示把不锈钢金属纤维加热到900C以上，纤维表面析出的碳化物颗粒逐渐减少，当温度达到1000C以上时，纤维表面颗粒物完全消除。

图4为金属纤维马氏体相的SEM图像。将含有铜隔离层的316L金属纤维，加热到850C保温5min，再以水冷的方式快速冷却至0C，观察金属纤维的扫描电镜照片。

由图可见，当金属纤维加热后用水冷急速冷却到0C以下，在奥氏体中出现了层状的马氏体组织，出现该组织的316L不锈钢金属纤维用永久磁铁或电磁铁可以吸住，而纯奥氏体316L不锈钢纤维不能被吸住。

从图4还可知，这种马氏体组织在奥氏体不锈钢纤维中虽然占比不是很大，但是会造成金属纤维材料性能的变化，对纤维的使用性能产生不利影响。马氏体组织的出现，还有一种可能是由于加工温度较高和变形量较大，已具有了诱发马氏体相变的趋势，加工过程中由应力诱发的马氏体相变。

对直径为中0.012mm的金属纤维分别在软态时效态有碳化物析出相以及水冷形成马氏体相3种情形，所测试纤维的断裂强力，断裂伸长率结果见表2。对金属纤维分别测试8次，然后取平均值。

从表2中可知，金属纤维时效处理后，由于碳化物的析出金属纤维的力学性能发生重要改变，时效后金属纤维析出相的增加使金属纤维的断裂强力和断裂伸长率分别相比软态的金属纤维都有所降低，而水冷处理后的金属纤维因析出少量马氏体使断裂强力相比正常软态的纤维有所升高，断裂伸长率略有降低，水冷处理后的纤维断裂延伸长率差异性变大，断裂伸长率最低1.95%，最高7.85%。

奥氏体不锈钢的强化通常使用加工硬化的处理方法来实现，常温下淬火不能提高奥氏体不锈钢材料的强度，然而当急冷到0C以下，316L不锈钢金属纤维的力学性能也能够发生改变，表现为断裂强力升高，并且经水冷急冷处理的金属纤维其伸长率差异很大，这种改变与马氏体相的出现有密切关系。

析出相对金属纤维的影响还表现在脆性和塑性韧性。碳化物M23C6，马氏体相的出现使金属纤维的脆性增加，塑性韧性降低。M23C6相析出越多，对金属纤维使用性能的不利影响越大，碳化物M23C6。颗粒的析出量随若金属纤维C含量升高而增多。

M23C6相的析出形貌随着C质量分数的增加，尺寸细小的颗粒逐渐转变为尺寸粗大。碳化物M23C6马氏体相是金属纤维加工过程中断线的主要原因。脆硬性相的出现，不仅使纤维加工成型变得困难，还会使成品纤维的柔韧性降低，纤维的碎断增加，使用性能变差。

三.结论

1.在850C/1h以上时效处理后，316L不锈钢金属纤维析出物相有Cr23C6、NiC、NiFe相，其中Cr23C6是起主要作用的析出相，对金属纤维的性能影响最突出。

2.Cr23C6相析出量较多时，使金属纤维的脆性增加，Cr23C6相以及同时析出的NiC相NiFe相等其它相共同作用下，材料的力学性能耐腐蚀性能降低，对纤维的加工使用产生不利影响。

3.316L不锈钢金属纤维加热到850C充分保温5min，以水冷的方式快速冷却到0C其金属纤维奥氏体组织中能够形成少量马氏体相。马氏体相的出现，使金属纤维断裂强力增加，不同纤维断裂伸长率差异性变大，平均伸长率有所降低，耐腐蚀性能相比纯奥氏体金属纤维有所下降。