噴絲板表面花斑原因分析

北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司　王隆泉/文

噴絲板表面花斑原因分析

北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司王隆泉/文

本文從理化指標(biāo)、表面形貌、低倍組織、沉淀硬化熱處理工藝等多種角度分析噴絲板表面產(chǎn)生花斑的原因，最終給出合理分析結(jié)果，設(shè)計(jì)合理的熱處理工藝，提高噴絲板的耐腐蝕性。

噴絲板 花斑 沉淀硬化 耐腐蝕性

化纖原料通過(guò)螺桿擠壓、融化、預(yù)過(guò)濾、分流等工藝流程后到達(dá)噴絲板，噴絲板上的微孔將熔融態(tài)的原料分流成熔體細(xì)流噴出，再經(jīng)冷卻、上油、拉伸等紡絲工藝后卷繞成絲餅。噴絲板上的噴絲孔是由導(dǎo)孔和微孔組成，微孔的形狀決定了纖維截面的形狀。噴絲板的微孔有不同的規(guī)格和形狀，即，圓型（形狀相同，直徑不同）；異型（微孔形狀為三角、矩形、Y狀等）。噴絲板是化纖成套設(shè)備中非常重要的零件，其上的孔的數(shù)量、形狀和技術(shù)指標(biāo)直接關(guān)系到成套設(shè)備的產(chǎn)量、產(chǎn)品種類和質(zhì)量。

由于眾多化纖原料具有不同程度的腐蝕性，且紡絲時(shí)噴絲板的工作條件為高溫、高壓（工作溫度290℃，工作壓力120kg/cm2），因此噴絲板必須選用具有一定強(qiáng)度、具有耐腐蝕性的金屬材料。SUS630材料，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為06Cr17Cu4Ni4Nb，其性能正好符合噴絲板的使用要求。該材料屬于馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，具有高的強(qiáng)度和塑性，良好的耐腐蝕性。SUS630經(jīng)過(guò)熱處理之后具有組織均勻，綜合性能良好等優(yōu)良性能。

噴絲板在使用一段時(shí)間之后，有使用企業(yè)反映板面（出絲面）會(huì)出現(xiàn)些不規(guī)則的花斑，花斑呈黑色、白色和金色，以黑色居多。這種花斑在一定程度上影響紡絲的品質(zhì)，造成產(chǎn)品降等。

本文將就噴絲板材料成分、硬度、熱處理方式進(jìn)行研究分析，分析花斑出現(xiàn)的原因，找出消除花斑的解決方法，為提高噴絲板質(zhì)量提供重要的技術(shù)支持。

噴絲板的加工工序?yàn)椋?/p>

下料-熱處理-粗車-精車-銑鍵槽-加工中心粗鉆導(dǎo)孔-精鉆-鉸底孔-清洗-磨兩面-清洗-沖底孔-鉆微孔-清洗-沖微孔-清洗-研磨-清洗-精整-清洗-珩磨-清洗-檢驗(yàn)。

1.對(duì)問(wèn)題絲板進(jìn)行檢測(cè)與分析

1.1噴絲板材料成分和硬度分析

為了分析產(chǎn)生花斑的原因，首先需要確定產(chǎn)生“花斑”的噴絲板原材料化學(xué)成分是否合格。我們選取有花斑的噴絲板為取樣品，檢測(cè)其化學(xué)成分。SUS630執(zhí)行的國(guó)標(biāo)《GB/ T1220-2007不銹鋼棒》，檢測(cè)合金成分所使用的檢測(cè)儀是牛津便攜式X熒光光譜成分分析儀，型號(hào)X-MET5100。檢測(cè)五組數(shù)據(jù)，表1為問(wèn)題噴絲板材料中各項(xiàng)成分檢測(cè)平均值。對(duì)比國(guó)標(biāo)規(guī)定的各元素含量范圍，判定有花斑的噴絲板的原材料成分是合格的。

表1　問(wèn)題噴絲板材料中各項(xiàng)成分檢測(cè)平均值

使用時(shí)代集團(tuán)TH320型號(hào)洛氏硬度計(jì)對(duì)問(wèn)題噴絲板上5處硬度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果為HRC32～35（見(jiàn)表2），符合圖紙技術(shù)要求。

表2　問(wèn)題噴絲板的硬度檢測(cè)表

上面這兩項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果顯示，本批噴絲板理化指標(biāo)合格，不是導(dǎo)致產(chǎn)生花斑的主要原因。

1.2表面形貌及花斑成份分析

為了進(jìn)一步分析花斑產(chǎn)生的原因，我們采用掃描電鏡針對(duì)黑色斑處表面形貌進(jìn)行檢測(cè)。首先用線切割機(jī)從噴絲板上有黑斑處取φ20×26大小的圓柱形試樣，清洗后放入掃描電鏡的試樣倉(cāng)中抽真空檢測(cè)，掃描電鏡的型號(hào)X’pert MPD。檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)黑斑處表面不光滑，有銹蝕狀的凹坑，如1圖所示，該圖為放大200倍的黑斑形狀。

用掃描電鏡對(duì)蝕坑處的凹凸物質(zhì)進(jìn)行成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，零件表面含氧量比較高，但沒(méi)有其他雜質(zhì)元素。成分檢測(cè)結(jié)果如2圖所示，根據(jù)含氧比例推算表面附著物質(zhì)的成分較接近Fe2O3等高比例氧化物。

由于附著物沒(méi)有夾雜物，腐蝕性質(zhì)為氧化腐蝕，基本排除酸蝕的可能性。這項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果表明問(wèn)題噴絲板的耐氧化性嚴(yán)重下降，分析方向進(jìn)一步明確。

1.3低倍組織分析

確定黑斑為氧化腐蝕之后，開(kāi)始對(duì)材料的抗氧化性、金相組織進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)有黑斑的噴絲板進(jìn)行微觀分析，對(duì)其進(jìn)行低倍組織檢測(cè)。選擇正常的和問(wèn)題的噴絲板進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表3所示，說(shuō)明出現(xiàn)黑斑的噴絲板不存在原材料缺陷，與正常噴絲板的材料一致，所用材料致密，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3　低倍組織檢測(cè)結(jié)果

2.熱處理工藝分析及調(diào)整

對(duì)于合金成分一定的不銹鋼，其性能與組織結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。例如鋼的基體金相結(jié)構(gòu)、晶粒大小、晶界上碳化物的析出、偏聚、第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布等，都會(huì)影響金屬材料的性能。熱處理可以改變金屬的組織結(jié)構(gòu)，從而對(duì)其性能產(chǎn)生影響。為了進(jìn)一步分析噴絲板表面產(chǎn)生花斑的原因，綜合考慮以上檢測(cè)結(jié)果之后，從材料熱處理工藝角度著手查找相關(guān)資料，尋找能夠影響材料耐腐蝕性能的因素。

2.1噴絲板的熱處理工藝

SUS630的常規(guī)熱處理工藝是固熔+時(shí)效處理，其強(qiáng)化機(jī)理是：在固熔過(guò)程中，當(dāng)基體加熱到奧氏體溫度時(shí)，銅、鈮等元素溶入奧氏體晶粒中，在冷卻后獲得銅、鈮過(guò)飽和馬氏體組織，馬氏體具有高強(qiáng)高韌性，基體得到第一次強(qiáng)化。固溶處理參數(shù)的選擇非常重要，固溶處理對(duì)其耐腐蝕性能的影響巨大。

在時(shí)效過(guò)程中，晶粒中過(guò)飽和的銅、鈮等元素析出，富銅相彌散沉淀，這使基體得到第二次強(qiáng)化。在480℃～620℃范圍內(nèi)，隨著時(shí)效溫度的提高，馬氏體板條結(jié)構(gòu)減少，組織軟化，同時(shí)，富銅相等沉淀相質(zhì)點(diǎn)析出長(zhǎng)大，沉淀強(qiáng)化效果減弱，導(dǎo)致硬度下降。通過(guò)不同溫度的時(shí)效處理，可以獲得不同機(jī)械性能。

2.2固熔溫度對(duì)耐蝕性能的影響

固熔處理后的金相組織是含有過(guò)飽和銅、鈮的低碳板條馬氏體，有時(shí)由于淬火不充分或者加熱溫度過(guò)高等原因，還會(huì)有少量殘余奧氏體和鐵素體。

淬火溫度過(guò)高時(shí)，一方面將導(dǎo)致晶粒粗大，另一方面將導(dǎo)致合金碳化物過(guò)多地溶入到奧氏體中去，因此淬火后馬氏體含量減少，殘余奧氏體增加，硬度降低。同時(shí)過(guò)高的加熱溫度還會(huì)導(dǎo)致鐵素體含量增加，影響耐腐蝕性。固熔溫度一般選擇1040℃，過(guò)高或過(guò)低的溫度都會(huì)影響其性能。

2.3固熔時(shí)間對(duì)耐蝕性能的影響

固熔時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)金相組織也是有很大的影響，例如，試驗(yàn)固熔溫度1040℃，進(jìn)行了60min和80min固溶處理的兩試樣耐腐蝕性能相當(dāng)，都出現(xiàn)了明顯的鈍化區(qū)，具有較優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕能力。由于固熔處理后組織成分較均勻，晶界沉淀相少，所以晶界不易被腐蝕：而經(jīng)40min固溶處理的試樣與進(jìn)行了60min和80min固溶處理的試樣相比，耐蝕性最差，甚至沒(méi)有出現(xiàn)鈍化區(qū)。由此可以得知固熔時(shí)間對(duì)金相組織有很大的影響。

2.4時(shí)效溫度和時(shí)間的影響

SUS630的時(shí)效處理應(yīng)根據(jù)對(duì)性能的要求，確定加熱溫度和保溫時(shí)間。該鋼材固溶后，隨時(shí)效溫度的升高，馬氏體組織發(fā)生回火，且不斷地析出沉淀相。450℃時(shí)效時(shí)已有銅、鈮等沉淀相析出，到470℃～480℃時(shí)，晶內(nèi)沉淀物顆粒細(xì)小且彌散分布，此時(shí)材料的硬度最高。之后，隨時(shí)效溫度的繼續(xù)升高，硬度和強(qiáng)度下降，塑性、韌性提高。由于硬度和強(qiáng)度的變化規(guī)律類似，所以對(duì)硬度和強(qiáng)度有明確要求的工件，應(yīng)嚴(yán)格控制時(shí)效溫度，以滿足使用要求。為保證沉淀相的充分析出和時(shí)效效果，時(shí)效保溫時(shí)間一般不少于4h，保溫后可采用空氣冷卻。相同時(shí)效溫度下，時(shí)效保溫時(shí)間不同最終獲得的性能也不同。

2.5增加調(diào)整處理工藝

調(diào)整處理的目的是降低奧氏體中的合金元素含量，以提高馬氏體變溫度Ms點(diǎn)。由于調(diào)整處理時(shí)合金元素只能部分溶于奧氏體中，一部分C和Nb、鉻等元素從奧氏體中析出來(lái)。根據(jù)金屬碳化物穩(wěn)定性可知，鈮和碳的親和力大于鉻和碳的親和力，NbC析出后長(zhǎng)大比較容易，因而鉻的析出被得到抑制。同時(shí)調(diào)整處理后，馬氏體組織呈細(xì)小化特征，但仍保持馬氏體特征，這種細(xì)小的組織在隨后的時(shí)效處理時(shí)不發(fā)生粗化。所以調(diào)整處理后進(jìn)行時(shí)效可避免貧鉻區(qū)的形成并使馬氏體呈現(xiàn)細(xì)小化特征，進(jìn)而使組織的均勻性增加，耐腐蝕性增加。

原有的噴絲板熱處理工藝通常采用固溶后直接時(shí)效的工藝流程，固溶后直接時(shí)效的基體組織為回火馬氏體，還有少量的殘余奧氏體和δ鐵素體，同時(shí)晶內(nèi)和晶界都出現(xiàn)了大量的ε-Cu、NbC、M23C6沉淀硬化相。大量沉淀硬化相的析出造成組織的不均一，從而使各部分產(chǎn)生電位差，為微觀腐蝕創(chuàng)造了條件，這是固溶后直接時(shí)效處理時(shí)耐蝕性差的主要原因。在時(shí)效處理之前增加調(diào)整處理，其耐蝕性能和力學(xué)性能發(fā)生很大改變。增加調(diào)整處理，對(duì)于同樣的固溶和時(shí)效溫度，材料的耐蝕性顯著提高，沖擊韌性將提高一倍以上。SUS630不銹鋼經(jīng)調(diào)整處理后再進(jìn)行時(shí)效處理，自腐蝕電位和點(diǎn)蝕電位升高，年腐蝕率下降，可有效避免貧鉻區(qū)的形成，而鉻正是保證金屬良好耐蝕性的關(guān)鍵。

3.調(diào)整后的熱處理工藝及參數(shù)

熱處理工藝可以通過(guò)改變合金的組織和相應(yīng)成份，而對(duì)合金的耐蝕性起到?jīng)Q定性的作用。經(jīng)以上分析，我們改變了原有的熱處理工藝路線，采用1040℃經(jīng)60min固溶處理+816℃經(jīng)0.5小時(shí)的調(diào)整處理+525℃經(jīng)3小時(shí)的時(shí)效處理，嚴(yán)格控制各段處理的溫度、時(shí)間，加工一批噴絲板發(fā)往客戶，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，客戶反應(yīng)良好，說(shuō)明熱處理工藝改進(jìn)獲得成功，提高了噴絲板的耐腐蝕性。

4.結(jié)論

SUS630兼有強(qiáng)度高，耐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。該鋼材耐蝕性不但與化學(xué)成分有關(guān)，還與熱處理工藝有關(guān)。選擇正確的熱處理工藝路線和參數(shù)是提高噴絲板使用過(guò)程中的耐腐蝕性的關(guān)鍵工序。通過(guò)在傳統(tǒng)熱處理工藝的基礎(chǔ)上，增加調(diào)整處理，可以得到細(xì)化馬氏體基體組織，提高材料的耐蝕性。我們通過(guò)增加調(diào)整熱處理工藝，細(xì)化熱處理工藝參數(shù)，嚴(yán)格遵守工藝紀(jì)律，很好地解決了噴絲板出現(xiàn)花斑現(xiàn)像，提高噴絲板的質(zhì)量。

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