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金屬纖維氈輥壓焊研究*

金屬纖維氈是一種新型功能材料，其孔徑分布均勻，精度可控，孔隙度高，比表面積大，耐高溫，耐腐蝕，具有良好的氣體滲透性和優(yōu)良的熱抗震性[1-2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，金屬纖維氈的使用空間不斷拓展，其材質(zhì)、制備方法和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面也隨之有了巨大發(fā)展，迅速成為了民用工業(yè)領(lǐng)域和國(guó)防工業(yè)不可替代的關(guān)鍵材料[3-4]。

金屬纖維非燒結(jié)氈是金屬纖維制品中一個(gè)重要的分支，具有非常重要的地位。金屬纖維非燒結(jié)氈與燒結(jié)氈的最大區(qū)別是其采取非燒結(jié)手段制備，避免燒結(jié)過(guò)程的繁瑣工藝和昂貴費(fèi)用。采用非燒結(jié)氈技術(shù)可有效降低金屬纖維燒結(jié)氈生產(chǎn)成本30%～40%，提高生產(chǎn)效率。本文采用滾壓焊的方式對(duì)金屬纖維氈坯進(jìn)行試驗(yàn)， 選擇9組參數(shù)分別在真空環(huán)境和大氣環(huán)境下進(jìn)行輥壓焊試驗(yàn)， 對(duì)比不同參數(shù)的金屬纖維氈輥壓焊工藝，研究輥壓焊鐵鉻鋁金屬纖維氈的過(guò)濾性能。

1 試驗(yàn)過(guò)程

圖1 金屬纖維氈氈坯

選用絲徑為12 μm的鐵鉻鋁金屬纖維氈坯(見(jiàn)圖1)進(jìn)行試驗(yàn)，單重為400 g/m2。在大氣環(huán)境下，輥壓焊試樣尺寸為400 mm×700 mm，在真空環(huán)境下，輥壓焊試樣尺寸為170 mm×240 mm。

在進(jìn)行輥壓焊加工時(shí)，先用平整機(jī)將纖維毛坯氈平整，使其具有一定的強(qiáng)度。在大氣環(huán)境下進(jìn)行輥壓焊試驗(yàn)時(shí)，將纖維氈坯放置到鋼板上，然后送入氫氣加熱爐中加熱到所需溫度，用鉗子夾住氈坯送入軋機(jī)進(jìn)行輥壓焊。在真空環(huán)境下進(jìn)行輥壓焊試驗(yàn)時(shí)，打開(kāi)真空系統(tǒng)等達(dá)到一定真空度，將氈坯放在2塊經(jīng)過(guò)氧化處理的鋼板中間送入加熱室， 升溫速度為7 ℃/min，保溫10 min；然后送入軋輥進(jìn)行加工；最后送入真空冷卻室進(jìn)行冷卻，待溫度<60 ℃時(shí)，打開(kāi)冷卻室取出試樣。輥壓焊工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輥壓焊工藝參數(shù)

采用掃描電鏡對(duì)輥壓焊纖維氈進(jìn)行能譜分析和形貌分析，用BMP—93A滲透儀測(cè)量輥壓焊纖維氈的名義過(guò)濾精度和透氣性。

2 結(jié)果與討論

2.1 輥壓焊纖維氈表面形貌

金屬纖維氈微觀形貌如圖2所示。圖2a為鐵鉻鋁纖維氈坯表面形貌，纖維表面存在一些溝槽和不光滑，這是纖維在加工過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，纖維與纖維在接點(diǎn)處相互接觸。圖2b為真空環(huán)境下，輥壓焊纖維氈厚度為0.13 mm時(shí)的表面情況，可明顯看出接點(diǎn)處由于受到軋輥的強(qiáng)制變形，其接點(diǎn)處纖維明顯變形壓平；同時(shí)，由于氈厚度為0.13 mm(厚度小)，表面看起來(lái)較為致密，孔隙度較低，會(huì)降低纖維氈的透氣性和過(guò)濾性能。圖2c為大氣環(huán)境下，厚度為0.16 mm輥壓焊纖維氈表面形貌，可以看出其僅在纖維接點(diǎn)處變形較大。圖2d為圖2c中纖維接點(diǎn)處微觀形貌，可以看出纖維接點(diǎn)處變形較為劇烈，且在大氣環(huán)境下加熱纖維氈坯，其纖維表面會(huì)形成較厚的氧化膜，在劇烈變形下形成“龜裂”形貌。對(duì)比圖2d和圖2e，圖2e在真空下輥壓焊纖維表面形成的氧化膜厚度小，表面較為光滑。圖2f為燒結(jié)金屬纖維氈表面形貌，可以看出燒結(jié)氈纖維接點(diǎn)處沒(méi)有明顯的變形，而是通過(guò)部分液相進(jìn)行擴(kuò)散焊接形成連接；而輥壓焊纖維氈則是通過(guò)接點(diǎn)處劇烈塑性變形破壞氧化膜形成焊點(diǎn)(見(jiàn)圖2c和圖2e)。

圖2 金屬纖維氈微觀形貌

真空燒結(jié)金屬纖維氈如圖3所示。從圖3可以看出，纖維表面溝槽消失，表面存在大量白色顆粒。這是因?yàn)闊Y(jié)氈在燒結(jié)時(shí)溫度較高，纖維表面已經(jīng)部分變?yōu)橐簯B(tài)，在隨后的冷卻過(guò)程中表面重新凝固改善了纖維表面質(zhì)量，在纖維和纖維接觸點(diǎn)形成擴(kuò)散焊接連接在一起，纖維表面白色顆粒析出物為Al2O3。

圖3 真空燒結(jié)金屬纖維氈

真空輥壓焊纖維氈宏觀形貌如圖4所示。從圖4a可以看出，當(dāng)厚度達(dá)到0.25 mm時(shí)，宏觀上纖維氈表面有部分區(qū)域沒(méi)有焊接牢固，有“蓬松”區(qū)域產(chǎn)生，這是因?yàn)闅峙髟诤穸壬线€存在不均勻，在輥壓焊時(shí)部分區(qū)域纖維接點(diǎn)處沒(méi)有劇烈變形，纖維表面氧化膜未破壞焊接在一起；從圖4b可以看出，厚度為0.16 mm的輥壓焊纖維氈表面質(zhì)量較好，這是因?yàn)樵谳亯汉笗r(shí)，厚度小的輥壓焊纖維氈接點(diǎn)處加工率更大，即使纖維氈坯厚度有波動(dòng)也能夠在接點(diǎn)處達(dá)到焊接的變形量。

圖4 真空輥壓焊纖維氈宏觀形貌

2.2 真空輥壓焊成分分析

由于鐵鉻鋁金屬纖維氈在某些環(huán)境下加熱到一定溫度時(shí)存在主要元素蒸發(fā)問(wèn)題，從而造成鐵鉻鋁輥壓焊纖維氈中鋁含量達(dá)不到要求，所以在真空不同加熱溫度下對(duì)輥壓焊纖維氈鋁含量(見(jiàn)表2)進(jìn)行化學(xué)成分分析。在真空中，升溫速度7 ℃/min，保溫10 min的情況下，400～800 ℃輥壓焊纖維氈滿足鋁含量>5.0%的要求。

表2 真空輥壓焊鐵鉻鋁金屬纖維氈鋁含量

2.3 過(guò)濾性能研究

輥壓焊纖維氈性能見(jiàn)表3。從表3可以看出，隨著輥壓焊纖維氈厚度的增加，其透氣度不斷提高，過(guò)濾精度不斷降低。當(dāng)輥壓焊纖維氈厚度為(0.2±0.02) mm時(shí)，與過(guò)濾精度為20 μm、型號(hào)為BZ20D的燒結(jié)氈相比，其在精度上能夠滿足要求(19～21 μm)，而真空輥壓焊纖維氈的透氣性稍低；但是輥壓焊纖維氈單重僅為400 g/m2，而B(niǎo)Z20D燒結(jié)氈單重約為1 000 g/m2，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于真空燒結(jié)纖維氈。所以在某些要求不甚苛刻的領(lǐng)域，采用輥壓焊纖維氈可以有效降低成本。厚度為(0.25±0.02) mm的輥壓焊纖維氈在過(guò)濾性能方面接近型號(hào)為BZ25D的金屬纖維燒結(jié)氈。

表3 輥壓焊纖維氈性能

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次試驗(yàn)得到如下結(jié)論。

1)采用輥壓焊對(duì)金屬纖維毛氈進(jìn)行加工，在真空環(huán)境下加熱溫度800 ℃，真空度為3.32×10-2Pa，加熱速率為7 ℃/min，保溫10 min，輥壓焊鐵鉻鋁纖維氈鋁含量為5.3%，符合使用要求。

2)采用絲徑為12 μm，單重為400 g/m2的鐵鉻鋁纖維氈坯，在真空環(huán)境和大氣環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。真空環(huán)境下輥壓焊纖維氈無(wú)嚴(yán)重氧化，表面質(zhì)量較好。當(dāng)輥壓焊纖維氈厚度為(0.16±0.02) mm時(shí)，其過(guò)濾性能與BZ20D燒結(jié)氈過(guò)濾性能基本一致；當(dāng)輥壓焊纖維氈厚度為(0.25±0.02) mm時(shí)，其過(guò)濾性能與BZ25D燒結(jié)氈過(guò)濾性能一致。

3)采用合理的輥壓焊參數(shù)，可以制備出過(guò)濾性能和表面質(zhì)量良好的鐵鉻鋁纖維氈，大幅度降低了燒結(jié)金屬纖維氈的生產(chǎn)成本。

[1] 奚正平, 湯慧萍. 燒結(jié)金屬多孔材料[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2009.

[2] 湯慧萍. 燒結(jié)金屬多孔材料研究進(jìn)展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2006, 35(2):428-432.

[3] Poniewski M E. Peculiarities of boiling heat transfer on capillary-porous coverings[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2004, 43(5):431-442.

[4] 楊照玲, 李建平, 奚正平. 超細(xì)不銹鋼纖維的制備和性能[J]. 稀有金屬材料與工程, 2001, 30(6):663-666.

責(zé)任編輯 鄭練

孫 鵬，盧文靜，郭 亮，白文峰

(西安菲爾特金屬過(guò)濾材料有限公司，陜西 西安 710016)

研究了鐵鉻鋁金屬纖維氈真空輥壓焊工藝。通過(guò)采用真空輥壓焊方法制備出了鐵鉻鋁金屬纖維氈，并討論了真空和大氣環(huán)境下工藝參數(shù)對(duì)輥壓焊金屬纖維氈的影響。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)金屬纖維氈絲徑為12 μm，單重為400 g/m2，真空輥壓焊工藝參數(shù)為：加熱溫度800 ℃，保溫10 min，輥壓焊氈厚度為(0.16±0.02) mm時(shí)，纖維氈表面質(zhì)量較好，強(qiáng)度高，過(guò)濾性能接近燒結(jié)金屬纖維氈。

真空軋制；輥壓焊；尾氣過(guò)濾；高溫除塵

Research on Vacuum Roll Welding of Metal Fiber Felt

SUN Peng, LU Wenjing, GUO Liang, BAI Wenfeng

(Xi’an Filter Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710016, China)

A preliminary study on vacuum roll welding parameters of FeCrAl metal fiber felt is done. The influence of different processing atmosphere on roll welded metal fiber felt is researched. The results show that while the diameter of metal fiber is 12 μm, the square meter weight is 400 g， the parameters of vacuum roll welding felt are heating to 800 ℃ and keeping for 10 minutes， the surface quality and filtration performance is better when the thickness reaches (0.16±0.02) mm.

vacuum rolling, roll welding, high temperature flue gas filtration, exhaust filter

* 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA031004)

孫鵬(1980-)，男，工程師，碩士，主要從事過(guò)濾材料等方面的研究。

2016-02-29

TB 34

A