球墨鑄鐵和鋁硅合金金相試樣制備技巧

張秋紅　樊湘芳　周娟　趙崇　吳闖

【摘 要】本文以球墨鑄鐵和鋁硅合金為金相制樣的典范，介紹在金相試樣制備過(guò)程中的取樣、磨制、拋光和侵蝕過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題、產(chǎn)生原因和解決技巧，總結(jié)了試樣制備的一些小技巧，本文作者在第四屆“蔡司·金相學(xué)會(huì)杯”全國(guó)高校大學(xué)生金相大賽中獲一等獎(jiǎng)，在日常訓(xùn)練和參賽經(jīng)歷中，對(duì)金相試樣制備有一些的領(lǐng)悟和見(jiàn)解，實(shí)踐證明，掌握了一定的制備技巧，可快速制備高質(zhì)量的金相試樣。

【關(guān)鍵詞】球墨鑄鐵；鋁硅合金；金相試樣

球墨鑄鐵的硬度高，而鋁硅合金的硬度較低，兩者是實(shí)驗(yàn)室金相試樣制備的典型金屬材料。金相顯微分析是研究材料內(nèi)部組織的重要方法之一，試樣制備的目的是為了展示材料的真實(shí)顯微組織并使其得以準(zhǔn)確觀察、鑒定、記錄和測(cè)量。眾所周知，合金的成分、加工工藝等因素直接影響金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，用金相分析的方法來(lái)觀察檢驗(yàn)金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要手段，材料測(cè)試和分析，試樣制備是關(guān)鍵，筆者根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)了球墨鑄鐵和鋁硅合金兩種試樣制備過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題、產(chǎn)生原因和解決技巧，以期為初學(xué)者提供幫助，其他金相檢驗(yàn)工作者也可以借鑒。

1 金相試樣的取樣

從被檢驗(yàn)材料或零部件上切取一定尺寸試樣的過(guò)程稱(chēng)為取樣。選擇合適的、有代表性的試樣是進(jìn)行金相顯微分析極其重要的一步，包括選擇取樣部位、檢驗(yàn)面及確定截取方法、試樣尺寸等。

1.1 試樣的取樣原則

取樣部位應(yīng)具有代表性，所取的試樣能真實(shí)反映材料的組織特征，取樣部位要根據(jù)金相分析的目的來(lái)取。試樣截取的部位確定后，還需進(jìn)一步明確選取哪一個(gè)截面作為金相試樣的磨面，磨面一般分為橫截面與縱截面，這兩個(gè)截面研究的目的是不同的。

橫截面主要研究：試樣從中心到邊緣組織分布的漸變情況，表面滲層、硬化層、鍍層等表面處理的深度及組織，表面缺陷以及非金屬夾雜物在橫截面上的分布情況，即類(lèi)型、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布及等級(jí)等。

縱截面主要研究：非金屬夾雜物在縱截面上的分布情況、大小、數(shù)量及形狀，金屬的變形程度，如有無(wú)帶狀組織存在等。

有時(shí)為了研究某種組織的立體形貌，在一個(gè)試樣上選取兩個(gè)互相垂直的磨面。對(duì)于裂紋、夾雜物的深度測(cè)量，往往也需要在另外一個(gè)垂直磨面上進(jìn)行。

試樣截取時(shí)的注意事項(xiàng)：

1）保證材料不發(fā)生任何組織變化。

2）尺寸大小要合適，易于磨制為宜。推薦尺寸球墨鑄鐵試樣？準(zhǔn)17×18，鋁硅合金？準(zhǔn)16×20。試樣尺寸以磨面面積小于400mm2、高度15-20mm為宜。如果沒(méi)有特殊要求，一般情況下要對(duì)試樣進(jìn)行倒角，以免在以后的制備過(guò)程中劃破砂紙與拋光布。

3）截取試樣時(shí)應(yīng)注意保護(hù)試樣的特殊表面，如熱處理表面強(qiáng)化層、化學(xué)熱處理滲層、熱噴涂層及鍍層、氧化脫碳層、裂紋區(qū)以及廢品或失效零件上的損壞特征，不應(yīng)因截取而造成損傷。

以上所述是取樣的一般原則，對(duì)于一些常規(guī)檢驗(yàn)的取樣部位，有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的規(guī)定，必須嚴(yán)格執(zhí)行。

1.2 試樣的截取方法

試樣的截取方法很多，常用的有：

1）電切割：電火花切割、線(xiàn)切割。

2）氣切割（氧-乙炔火焰）。

3）機(jī)械切割：切割機(jī)、鋸（手鋸、鋸床）、機(jī)床（車(chē)床、剪床、刨床）、敲擊。具有一定硬度的材料如普通碳鋼、普通合金鋼、淬火處理后的材料用砂輪切割機(jī)或電火花切割。常用的切割方法是薄片水冷砂輪切割機(jī)，砂輪厚度在1.2-2.0mm，規(guī)格為？準(zhǔn)250×1.5mm。砂輪片是由顆粒狀碳化硅（或氧化鋁）與樹(shù)脂、橡膠粘合而成[1]。

2 試樣的磨制

2.1 試樣粗磨出現(xiàn)的問(wèn)題

在砂輪機(jī)上磨制易出現(xiàn)試樣燙手的情況，和表面變黑氧化現(xiàn)象。

產(chǎn)生原因：由于砂輪機(jī)的轉(zhuǎn)速極快，在砂輪機(jī)上磨削容易產(chǎn)生大量的熱，并且接觸壓力越大，產(chǎn)生的熱量也越大，變形也越大，從而使試樣表面過(guò)熱，組織氧化且發(fā)生變形。

解決技巧：操作時(shí)手持試樣前后用力要均勻，接觸壓力不可過(guò)大，待表面基本平整將試樣由砂輪外圓移到砂輪側(cè)面磨平，力度逐漸減小，以防過(guò)量發(fā)熱及機(jī)械變形。磨制時(shí)要不斷冷卻試樣，以保證試樣的組織不因受熱而發(fā)生變化。凡不作表面層金相檢驗(yàn)的試樣必須倒角。軟材料（如鋁硅合金）操作要用銼刀銼平，不能在砂輪機(jī)上平整，以免產(chǎn)生較大的粗磨痕與大的變形層。平整完畢后，必須將手和試樣清洗干凈，以防止粗大沙粒帶入下一道工序，造成較深的磨痕[1]。

2.2 試樣細(xì)磨出現(xiàn)的問(wèn)題

1）球墨鑄鐵和鋁硅合金在磨制過(guò)程磨面中有明顯的磨痕不一致現(xiàn)象且出現(xiàn)多個(gè)面。

產(chǎn)生原因：在磨面上施加的壓力應(yīng)力不均衡或者磨制的姿勢(shì)不規(guī)范。

解決技巧：?jiǎn)纬滔蚯巴七M(jìn)，返程試樣提離砂紙。隨砂紙?zhí)枔Q細(xì)，力度也逐漸減輕，與上道磨痕成90。推磨至其完全被覆蓋。如出現(xiàn)多個(gè)面，可針對(duì)凸起的面加深力度推磨，隨時(shí)觀察，較易恢復(fù)成一個(gè)平面。

2）磨制過(guò)程中出現(xiàn)極少量不同方向的劃痕。

產(chǎn)生原因：可能是上道砂紙上的大顆粒掉落到砂紙上，操作者的手上或磨面上粘有大顆粒帶入到砂紙上，也有可能玻璃板不干凈，上面有沙粒。所以在磨削過(guò)程中出現(xiàn)不同方向的劃痕。

解決技巧：砂紙的疊放順序?yàn)橛杉?xì)到粗，每次進(jìn)入下道磨制時(shí)，都需將砂紙傾放撣去表面雜質(zhì)，清洗或用紙巾輕撫手和試樣。水磨會(huì)極大減少以上情況的產(chǎn)生。

3）鋁硅合金在磨制過(guò)程中易出現(xiàn)大顆粒硅，導(dǎo)致大而深的劃痕出現(xiàn)。

產(chǎn)生原因：鋁硅合金質(zhì)軟，容易在磨削過(guò)程中因?yàn)楫a(chǎn)熱而表面被氧化變黑。鋁硅合金中的大顆粒硅在磨削過(guò)程中易脫離磨面，致使大而深的劃痕出現(xiàn)，極大影響了效率。

解決技巧：磨制鋁硅合金的力度要控制合適，邊推磨邊清理砂紙。編者在多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大顆粒出現(xiàn)是在W1000這道砂紙上，所以可以在不影響磨制效果的情況下，可以盡量避免使用該道砂紙。一旦出現(xiàn)大劃痕可在清理砂紙的情況下，在本道砂紙上垂直該劃痕推磨直至消除。

4）過(guò)舊的砂紙不宜繼續(xù)使用。

原因：因舊砂紙上的磨粒已變鈍，磨削的效果較差[3]，并且舊砂紙不利于保護(hù)試樣中的石墨，會(huì)使石墨部分脫落，脫落形成的空洞會(huì)由于周?chē)饘俚淖冃味冃』蛴捎谇治g而擴(kuò)大，同時(shí)空洞容易被污物填充，影響石墨評(píng)定的正確性[2]。因此應(yīng)及時(shí)更換新的砂紙。

3 試樣的拋光

試樣拋光過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

1）拋光過(guò)程中操作者身上易被濺上拋光液而需穿操作服。

產(chǎn)生原因：拋光機(jī)的拋光罩因離心力轉(zhuǎn)飛，引起拋光液四濺；因壓力過(guò)大或拋光布不平整，拋光液從拋光中的試樣的前端或后端飛濺。

解決技巧：在固定拋光布時(shí)，一定注意將拋光布拉平、箍緊。拋光罩要安裝好再打開(kāi)開(kāi)關(guān)。拋光過(guò)程中力度要適中，隨時(shí)觀察，試樣由拋光盤(pán)的邊緣移向中心，壓力逐漸減輕。

2）拋光過(guò)程中的飛樣問(wèn)題。

產(chǎn)生原因：拋光轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，造成飛樣；拋光過(guò)程中，試樣不平衡拋光，造成飛樣。

解決技巧：開(kāi)啟拋光機(jī)的開(kāi)關(guān)，保證拋光轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。拋光時(shí)手要握緊試樣，用力要均勻，使試樣整個(gè)磨面同時(shí)進(jìn)行拋光。

3）拋光時(shí)拋光效率低，磨面失去金屬光澤；鋁硅合金還出現(xiàn)拋傷表面，出現(xiàn)麻點(diǎn)和黑斑的問(wèn)題。

產(chǎn)生原因：拋光時(shí)拋光液的濃度過(guò)高不會(huì)提高拋光速度，濃度太低則會(huì)明顯降低效率。濕度不足容易使磨面產(chǎn)生過(guò)熱或粘結(jié)拋光劑并降低潤(rùn)滑性，磨面失去光澤，軟合金易拋傷表面，出現(xiàn)麻點(diǎn)、黑斑[1]。濕度太大會(huì)減弱拋光的磨削作用。

解決技巧：檢驗(yàn)拋光織物上的濕度是否合適的辦法是：觀察試樣拋光面上的水膜蒸發(fā)時(shí)間，當(dāng)試樣離開(kāi)拋光盤(pán)后，拋光面上附著的水膜應(yīng)在2-5s內(nèi)蒸發(fā)完畢。

4）拋光過(guò)程中一些較軟的試樣如鋁硅合金、鉛、錫、鋅等，易產(chǎn)生表面變形層的問(wèn)題。

產(chǎn)生原因：拋光壓力太大，拋光時(shí)間太久，或者反復(fù)拋光。

解決技巧：可用拋光—浸蝕交替操作或拋光—化學(xué)拋光方法進(jìn)行消除[1]。拋光層一旦出現(xiàn)需要在較細(xì)的砂紙上進(jìn)行重新磨制，以消除變形層。

5）拋光試樣表面一直蕩有水膜和同一個(gè)方向的水痕。

產(chǎn)生原因：有水膜是因?yàn)閽伖庖杭拥牧窟^(guò)多。沿一個(gè)方向拋光，出現(xiàn)同向的細(xì)小劃痕，所以出現(xiàn)同一個(gè)方向的水痕。

解決技巧：在拋光要結(jié)束時(shí)，可以采用用清水轉(zhuǎn)拋的方法，因?yàn)閽伖飧喽季哂幸欢ǖ念w粒度，仍存在細(xì)小的劃痕，轉(zhuǎn)拋可以，使各個(gè)方向拋光均勻，以防出現(xiàn)一個(gè)方向的水痕。

6）球墨鑄鐵拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)大多數(shù)石墨沿同一個(gè)方向“拖尾巴”問(wèn)題，即石墨曳尾問(wèn)題。

產(chǎn)生原因：拋光過(guò)程中試樣的自傳不夠造成，拋光織物絲絨的絨毛過(guò)長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生曳尾問(wèn)題[2]。

解決技巧：拋光時(shí)，試樣不但要沿拋光盤(pán)的半徑方向來(lái)回移動(dòng)，還要不斷自轉(zhuǎn)，即試樣和握持的手指間要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

4 試樣的侵蝕

試樣侵蝕中出現(xiàn)的問(wèn)題

1）試樣侵蝕后，表面不是光潔的鏡面狀，而是不干凈的。

產(chǎn)生原因：因?yàn)樵嚇忧治g不均勻。

解決技巧：最好選用浸入腐蝕法，可以保證試樣整個(gè)面同時(shí)被腐蝕，而且確保被侵蝕面水平夾持沖洗干凈，不會(huì)出現(xiàn)腐蝕不均勻現(xiàn)象。滴蝕法和用棉花蘸蝕法都需確保整個(gè)拋光面同時(shí)接觸腐蝕液。

2）試樣侵蝕后，在金相顯微鏡下幾乎看不到晶界，或試樣表面出現(xiàn)花斑。

產(chǎn)生原因：侵蝕時(shí)間沒(méi)有把握好，試樣侵蝕不夠，則在金相顯微鏡下的晶界很少；試樣侵蝕過(guò)度，表面被氧化，出現(xiàn)花斑。

解決技巧：侵蝕時(shí)試樣變成淺灰色，需馬上用清水沖洗。如果發(fā)現(xiàn)侵蝕不夠需再次侵蝕，侵蝕過(guò)度則需重新拋光。球墨鑄鐵侵蝕時(shí)間一般為4-5秒，鋁硅合金侵蝕時(shí)間一般為5-6秒。

特別需要注意的是已經(jīng)制備好的試樣應(yīng)保存好，主要是防止生銹和機(jī)械損傷。一般將試樣放在裝有干燥硅膠的干燥缸內(nèi)，并在缸蓋上涂上凡士林密封，在缸內(nèi)應(yīng)鋪上絨布[1]。

5 結(jié)語(yǔ)

金相試樣的制備是顯微組織檢驗(yàn)過(guò)程中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，要快速制備高質(zhì)量的球墨鑄鐵或鋁硅合金金相試樣，關(guān)鍵要掌握好磨制、拋光和侵蝕這幾個(gè)環(huán)節(jié)的操作，同時(shí)了解不同試樣的各自特性，在實(shí)踐操作中不斷去摸索并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，熟能生巧，從而制備出高質(zhì)量的金相試樣。

【參考文獻(xiàn)】

[1]葛利玲.材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]燕樣樣.淺談鑄鐵金相試樣制備方法[J].金屬熱處理，2007，32（3）：104-105.

[3]宗斌，王國(guó)紅，魏國(guó)建.試樣磨、拋光中的技巧[J].理化檢驗(yàn)——物理分冊(cè)，2005，41（2）：101-102.

[責(zé)任編輯：田吉捷]