優(yōu)化球墨鑄鐵金相試樣制備概述

黃志偉，胡闖開，李志輝

（長春師范大學(xué)，吉林 長春 130032）

球墨鑄鐵的金相試樣清晰的金相組織結(jié)構(gòu)可更好地判斷球墨鑄鐵的力學(xué)性能。球墨鑄鐵的金相組織中的石墨常以球狀、團(tuán)狀、開花、蠕蟲、枝晶的形態(tài)而存在，其中球形為最具有代表性的形態(tài)，在金相光學(xué)顯微鏡低倍下觀察球狀石墨時，外形相似圓形；高倍時，為不規(guī)則多邊形，呈散射狀[1]。優(yōu)秀的制備方法能讓球墨鑄鐵的金相組織結(jié)構(gòu)完整呈現(xiàn)出來。經(jīng)試驗(yàn)總結(jié)，采用機(jī)械預(yù)磨＋手工磨制的制備手法為佳。

1 制備試樣的設(shè)備及材料

金相試樣的制樣設(shè)備通常選用M-2 型金相試樣預(yù)磨機(jī)與P-2G 型拋光機(jī)，磨光的砂紙通常選用180 號、400 號、800 號、1000 號、1200 號、2000 號的水磨砂紙。拋光時采用金剛石拋光膏，侵蝕液用含量為4%的硝酸酒精溶液。

預(yù)磨前應(yīng)選取合適的試樣, 試樣通常在具有有代表性的部位進(jìn)行截取。球墨鑄鐵試樣最佳截取的面積為10 mm×10 mm 左右，這樣磨制、拋光效果較佳，可更好對金相組織進(jìn)行分析。

2 機(jī)械預(yù)磨試樣

1）首先確認(rèn)預(yù)磨機(jī)是否能正常運(yùn)行，檢查機(jī)器有無異?，F(xiàn)象，去除潛在因素，并清楚預(yù)磨機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（一般為逆時針旋轉(zhuǎn)）。

2）根據(jù)預(yù)磨機(jī)的研磨盤尺寸，將180 號的水磨砂紙剪裁同樣大小，裁好后浸濕并安裝固定在預(yù)磨機(jī)的研磨盤中。

3）將自來水管與預(yù)磨機(jī)連接，將水龍頭放置研磨盤中心，打開預(yù)磨機(jī)水龍頭，調(diào)節(jié)好水龍頭水流的大?。ㄋ髦睆揭?～6 mm 為宜）。

4）接通電源，打開預(yù)磨機(jī)開關(guān)，研磨盤開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

5）用食指、拇指、中指握緊球墨鑄鐵試樣，將試樣邊緣以水平面45°方向放入研磨盤磨倒角，輕輕用力按壓試樣并利用手腕力量旋轉(zhuǎn)試樣邊緣10°～30°，球墨鑄鐵質(zhì)地較軟，每次磨制時間3～6 s 應(yīng)將試樣提起，及時觀察試樣磨制程度，順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)30°繼續(xù)磨制，重復(fù)操作5-10 次直至試樣倒角外觀圓潤并滿足（0.5～1.0 mm）×45°即可。

6）磨制倒角后，將試樣角度調(diào)整回水平，在距研磨盤中心1/3 處位置握緊試樣緩慢放下磨制，在試樣與砂紙之間接觸潤滑并無跳動時，適當(dāng)施加壓力磨制，每次球墨鑄鐵試樣在研磨盤上的時間不可以超過25 s，當(dāng)試樣磨制表面平整，磨痕方向一致且完全消除試樣表面原有加工痕跡時，即可關(guān)閉水龍頭，關(guān)閉預(yù)磨機(jī)，經(jīng)過粗磨后的在顯微鏡下金相組織如圖1 所示[2]（注意整個預(yù)磨環(huán)節(jié)總時間控制在3～5 min，關(guān)閉預(yù)磨機(jī)后及時將180 號水磨砂紙拆卸下，并擦干研磨盤的水分）。

圖1 粗磨后試樣

圖2 400 號砂紙磨制后試樣

3 手工磨制試樣

1）為防止對球墨鑄鐵試樣造成意外劃痕，將工作臺面清理整潔，無顆?；蚧覊m存在。將砂紙按照從細(xì)到粗的順序從上到下依次疊放并放置一側(cè)。

2）首先將400 號水磨砂紙橫著平鋪在工作臺面，一手按住砂紙底部，另一只手的中指與拇指夾住試樣，食指壓在試樣上方，讓試樣的上一道磨痕方向與磨制方向垂直并和砂紙緊密接觸，拇指食指用力，讓試樣從砂紙左側(cè)平穩(wěn)推進(jìn)至砂紙右側(cè)，接著提起試樣重新回到起始位置，進(jìn)行二次磨制。（球墨鑄鐵硬度較低，稍稍用力即可），經(jīng)400 號砂紙磨制后的顯微鏡下的金相組織如圖2 所示。

3）重復(fù)磨制步驟直至試樣磨制表面平整，磨痕方向一致且完全消除上一道劃痕（磨制要點(diǎn)為快，穩(wěn)，準(zhǔn)）。

4）按照從粗到細(xì)的順序換上砂紙并重復(fù)步驟2和步驟3 的操作，經(jīng)800 號、1000 號、1200 號、2000號砂紙磨制后在顯微鏡下金相組織分別為圖3、圖4、圖5、圖6 所示（400 號、1000 號砂紙磨制時間稍久）。

5）每更換一道砂紙前，用嘴輕輕吹掉試樣表面存在的磨屑顆粒，并及時清理工作臺面整潔，以無肉眼可見金屬顆粒和灰塵為標(biāo)準(zhǔn)，接著放上下一道水磨砂紙，將試樣旋轉(zhuǎn)90°讓磨痕方向與磨制方向垂直進(jìn)行下一道砂紙的磨制[3]。

6）最后一道砂紙磨制之后，在光線下仔細(xì)觀察試樣是否存在過深劃痕或者方向不統(tǒng)一的劃痕，如有存在應(yīng)及時返工磨制。

圖3 800 號砂紙磨制后試樣

圖4 1000 號砂紙磨制后試樣

圖5 1200 號砂紙磨制后試樣

圖6 2000 號砂紙磨制后試樣

4 試樣拋光

1）首先確認(rèn)拋光機(jī)是否能正常運(yùn)行，檢查拋光布是否完整無破損的平整安裝在拋光機(jī)上（拋光布安裝方法：將濕潤的拋光布平整的鋪在拋光盤上，將固定箍環(huán)壓緊拋光布套在拋光盤上，套在拋光盤上后可用手指捏著拋光布邊緣向下拽緊，讓拋光布更加平整的貼在拋光盤上），然后清楚拋光機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（一般為逆時針旋轉(zhuǎn)）。

2）正式拋光前，需用清水將手和試樣進(jìn)行沖洗，將手和球墨鑄鐵試樣表面存在的金屬磨屑和顆粒沖去除，消除存在的影響因素。

3）沖洗過后，將拋光膏擠出綠豆大小，均勻涂抹拋光盤上，留少許拋光膏固定在拋光盤中心（拋光膏不易過多，否則后期觀察試樣，金相組織較臟）。

4）開啟拋光機(jī)，左手拿裝有冷卻水的滴瓶，控制力度讓水滴緩慢均勻的滴在拋光盤上，由于球墨鑄鐵含有球狀石墨，滴落水滴不應(yīng)過大(水流較大，金相組織中石墨易擴(kuò)散，形狀不規(guī)則，易產(chǎn)生石墨“拖尾”現(xiàn)象，如產(chǎn)生此現(xiàn)象，將試樣反方向或旋轉(zhuǎn)90°拋光15～25 s 即可消除[4]。)右手的拇指、食指、中指用力夾住試樣將試樣拋光面放置離拋光盤中心2/3處，緩慢放下試樣，力度從大到小，使試樣緊密貼合在拋光盤上。

5）試樣拋光共分為三個階段：第一階段：將試樣在離拋光盤中心2/3 處磨制，此階段用力稍大，主要拋光球墨鑄鐵試樣在2000 號砂紙產(chǎn)生的粗大劃痕，按四個方向相同力度進(jìn)行拋光，計算時間15～30 s，每次每個方向拋光結(jié)束后，用適量清水沖洗，仔細(xì)觀察試樣表面有無劃痕。第二階段：待試樣表面無明顯粗大劃痕可將試樣向拋光盤中心緩慢移動，間隔性的將中心處留有的拋光膏粘附出來，此階段主要消除試樣在拋光盤上產(chǎn)生的細(xì)小劃痕，力度稍稍降低，同樣四個方向進(jìn)行拋光，可使試樣在拋光盤上上下短距離移動，直至劃痕消除為止。第三階段：將試樣緩慢移動至拋光盤中心，控制滴瓶調(diào)大水滴滴落速度，但不能成股流出，此階段主要洗清試樣表面殘留拋光膏。

6）最終，關(guān)掉拋光機(jī)電源，用清水沖洗試樣表面，拋光結(jié)束后試樣在顯微鏡下金相組織如82 頁圖7 所示。

5 金相試樣的侵蝕

拋光結(jié)束的球墨鑄鐵試樣在光學(xué)顯微鏡下觀察，只能看到大大小小的黑點(diǎn)，僅可以觀察鑄鐵中的石墨和非金屬金屬夾雜物等，不能觀察金相組織及結(jié)構(gòu)特征。所以利用化學(xué)試劑的溶液借化學(xué)或電化學(xué)的作用下顯示金相組織。

常用侵蝕劑為3%～5%硝酸酒精溶液，侵蝕方法常用“擦拭法”與“浸入法”：“擦拭法”利用棉球蘸取硝酸酒精溶液，將試樣傾斜45°，按同一方向擦拭4～8 次；“浸入法”利用夾子夾取試樣，將試樣表面完全浸入侵蝕溶液中（不可將試樣表面觸碰容器壁或容器底部），等待8～15 s，將試樣夾出。

侵蝕過后，快速用清水沖洗試樣表面殘留侵蝕液，在用酒精溶液沖洗[5]，最后用吹風(fēng)機(jī)按同一方向吹干即可。

經(jīng)侵蝕后，試樣在顯微鏡下金相組織如圖8 所示。

圖7 拋光后試樣

圖8 侵蝕后試樣

6 結(jié)語

金相試樣的顯微組織圖是觀察球墨鑄鐵的力學(xué)性能重要判斷依據(jù)，快速穩(wěn)定制備球墨鑄鐵金相試樣，關(guān)鍵要掌握好磨制，拋光和侵蝕這幾個階段的重要操作，根據(jù)制備出現(xiàn)的問題及時采用對應(yīng)措施，從而制備高質(zhì)量的球墨鑄鐵金相試樣。