國產自動化制樣設備在金相制樣中的應用

衛(wèi)志清, 李生志, 王 成, 陳秋龍, 劉 瑩, 龍荷蓀, 樂金濤

(1.上海金相機械設備有限公司, 上海 201411；2.上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠, 上海 200240；3.上海交通大學 材料科學與工程學院, 上海 200240；4. 天津鋼鐵集團有限公司技術中心, 天津 300301；5.廣東省金屬學會理化檢驗專業(yè)委員會， 廣州 510623)

金相分析是金屬材料研究和質量檢驗的重要組成部分，在材料研發(fā)、鋼鐵生產和金屬加工等行業(yè)，材料的性能測試離不開金相分析。隨著現代科學技術的快速發(fā)展，金相檢驗技術也獲得前所未有的進步。為使材料能在金相顯微鏡下呈現出真實的形貌特征，在對其進行金相檢驗時需嚴格控制金相試樣的制備流程。

金相試樣的制備首先要選取一個具有代表性的部位，經過切割、鑲嵌、研磨、拋光等制樣工序，使金相試樣獲得一個粗糙度符合標準要求的表面，供在顯微鏡下進行觀察。金相試樣的表面應平整，要盡量避免由試樣不平整導致在觀察過程中各視場不在一個焦面上的情況。金相試樣表面不允許存在殘留雜質和孔洞等制樣缺陷。制備金相試樣應包含以下基本要素:能反映出被檢材料的真實結構，試樣表面不能有因制樣不當產生的塑性變形和損傷，盡可能快地制備試樣，制樣成本要低。

筆者介紹了國產自動化制樣技術在金相制樣中的發(fā)展及應用，并采用國產自動化金相制樣設備對球墨鑄鐵、碳鋼、白口鐵、離心澆注巴氏合金等材料進行了金相制樣。

1 鑲嵌設備與應用

鑲嵌是金相試樣制備過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，尤其是對于一些不易手拿的、微小的、形狀不規(guī)則需要保護邊緣的、需進行自動磨拋的試樣，鑲嵌是必不可少的工序。目前，金相試樣鑲嵌技術主要分為熱鑲嵌與冷鑲嵌，熱鑲嵌需要使用熱鑲嵌機對鑲嵌粉末進行加熱、加壓、冷卻等使其固化，一般熱鑲嵌的加工溫度在150～200 ℃，主要是用于固定或者包埋對溫度不敏感的試樣；冷鑲嵌則不通過加熱的手段對試樣進行包埋，常用于對溫度或者壓力敏感的試樣。

1.1 熱鑲嵌設備的現狀

早期的金相試樣鑲嵌機相對比較簡單，將一個加熱圈包圍在模套周圍，通過控制加熱溫度，然后手搖機械加壓來完成試樣的鑲嵌。這種鑲嵌機需要操作人員守在設備旁邊，壓力不夠了就要手動加壓。加熱功率較小，制樣時間長。由于沒有冷卻系統(tǒng)，只能等鑲嵌試樣自然冷卻后方可取樣。通常鑲嵌一個試樣需要30 min以上，效率較低。

隨著科學技術的發(fā)展，現在國內外的鑲嵌設備也在不斷地更新改進，基本實現了試樣鑲嵌的自動化，效率也大大提升[1-3]。目前市場上主流的熱鑲嵌設備，操作時只需將試樣放置到模套中，加入鑲嵌粉，蓋上上蓋，在設備上點擊開始后即可完成試樣的自動鑲嵌和冷卻，基本可以控制在8 min以內完成一個試樣的鑲嵌工作。

1.2 六頭自動鑲嵌機的開發(fā)運用

許多鋼廠試驗室中金相檢驗的工作量非常大，每熔煉一批材料，就要制備一批金相試樣，即便使用現有的快速鑲嵌機依舊跟不上制樣的節(jié)奏。雖然可以通過購置多臺鑲嵌機來解決問題，但成本較高，分開操作也影響效率。目前國內外已有雙頭的鑲嵌機，即可以同時鑲嵌2個試樣。

圖1 自動六頭鑲嵌機實物圖Fig.1 Physical diagram of automatic six-head inlaying machine

為滿足企業(yè)大批量鑲嵌金相試樣的需求，上海金相機械設備有限公司研發(fā)了一款自動多頭鑲嵌機，如圖1所示，其內置6個長模套，配備中間隔塊，可以同時完成12個試樣的鑲嵌，每批次鑲嵌時間可控制在12 min以內。該鑲嵌機采用大功率液壓動力裝置，加熱與冷卻裝置一體化設計，結構精簡高效，隔離與安全保護功能齊全。其具備自動滑蓋開蓋系統(tǒng)，多個試樣可以一次頂出，免去了操作多臺鑲嵌機逐一開蓋的繁瑣步驟。操作人員只需放置試樣和添加鑲嵌料，其余操作都是自動完成，工作效率高，鑲嵌試樣質量好，特別適合生產型企業(yè)制備大批量鑲嵌試樣的工況。

2 磨拋設備與應用

2.1 影響金相磨拋質量的主要因素

2.1.1 拋盤轉速

拋盤轉速越高，磨削能力越強，但也會使試樣表面產生變形層，對一些軟質材料,變形層會造成組織的變化，如產生滑移、孿晶等，因此像鋁合金，尤其是純鋁、鈦合金等，一般都希望在低轉速下進行拋光。但早期的磨拋機是單速的，轉速很高，有經驗的制樣者是通過利用近拋盤中心線速度較低的特點，來進行軟質材料的拋光。隨著多速磨拋機和無級調速磨拋機的開發(fā)運用，制樣速率控制難題就迎刃而解。

2.1.2 拋光壓力

拋光時操作者對試樣施加的壓力同樣會對軟質材料產生變形層。常用的磨拋設備并沒有控制試樣壓力的功能，全靠操作者的經驗，制樣效果的不確定性很大。

2.1.3 拋光時間

拋光時間并不是越長越好，長時間的過度拋光，會使夾雜物或基體中的石墨等脫落或產生拖尾現象，影響判定，也可能出現磨拋腐蝕坑的情況，而且拋光時間過長也會降低制樣效率。

2.1.4 拋光織物和拋光液

常用的拋光織物有呢、平絨、絲絨、帆布、聚胺脂等。粗拋時可以選擇回復性大的拋光織物，即纖維、絨毛長的拋光織物，其優(yōu)點是拋光磨料能嵌入織物纖維中，不易被離心力甩出，可保持比較高的拋光效率。細拋時拋光織物可以選擇纖維或絨較短的拋光織物，或比較薄的拋光織物。

2.1.5 拋光液

一般都采用金剛石拋光液，其拋光速率很快，效率很高，能滿足大部分金屬材料的制樣需要。但對于一些有色合金或低硬度材料等，應選用氧化鋁、氧化硅、氧化鉻、氧化鎂等拋光液進行拋光。

2.2 國產自動磨拋設備在精準制樣上的優(yōu)勢

20世紀末，國外推出的自動磨拋設備為標準化、程序化精準制備金相試樣帶來了可能。不同材料、硬度、檢測要求的金相試樣通過試驗確定的磨拋參數可方便地得到精準制樣的效果。然而，國外自動磨拋機高昂的售價使得國內絕大部分試驗室望而卻步。近年來國產自動磨拋機以其性價比高的優(yōu)勢逐步成為國內許多試驗室的首選，筆者以上海金相機械設備有限公司制造的YMPZ-2型自動磨拋機為例(如圖2所示),介紹國產磨拋機已具備的一些功能。該自動磨拋機具有雙磨拋盤，可通過上磨頭的移動，順序進行兩道磨拋；左右兩個磨拋盤可以分別實現100～1 000 r·min-1的無級變速，且可以任意選擇旋轉方向；上磨頭可以同時裝夾6個試樣，可以同時對6個試樣進行制備，大大提高了制樣效率；上磨頭旋轉方向可以是順時針的，也可以是逆時針的，轉速可調(20～120 r·min-1)。上磨頭的旋轉不但提高了制樣效率，磨拋時采用不同的旋轉方向也提高了制樣效果和制樣質量；上磨頭可以對磨拋試樣施加垂直于拋盤的可控作用力，對于不同材料的試樣可設置不同大小的作用力；磨頭與試樣之間接觸面為球面，可保證試樣始終與磨拋盤平面貼合，不會出現多磨面現象；機身上采用液晶顯示屏(LCD)的高清觸摸屏，各項參數的設置方便、直觀，并可將設置好的參數存儲以方便調用。

圖2 YMPZ-2型自動磨拋機實物圖Fig.2 Physical diagram of YMPZ-2 automatic grinding andpolishing machine

2.3 自動磨拋機制樣示例

采用由上海金相機械設備有限公司制造的YMPZ-2型自動磨拋機，對常用的一些金屬材料進行制樣實踐，取得了較好的制樣效果，也得到了相應的制樣參數。由于篇幅有限，筆者僅對球墨鑄鐵、碳鋼、白口鐵、離心澆注巴氏合金等鋼種制樣參數和實際效果作一個描述和介紹，供業(yè)內同行參考。另外，對合金鋼、馬氏體不銹鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金、硬質合金涂層、滲硼層、氧化鋁涂層、奧氏體高溫合金等材料的制樣參數和實際效果等以后再進行介紹。

2.3.1 球墨鑄鐵的自動磨拋參數和效果

由于鑄鐵基體上含有石墨，磨拋過程中不能將石墨拋落基體而在基本上形成孔洞，也不能將石墨拖出形成拖尾。因此在用砂紙磨的過程中，盡量從粗到細多進行幾道砂紙磨削。粗磨和細磨時，磨盤與磨頭的轉向一致，即如果磨盤是順時針旋轉，則磨頭也應是順時針旋轉，這樣磨屑容易被水沖走，而不容易帶入磨盤接觸到試樣表面，造成試樣表面劃傷。拋光時磨盤與磨頭轉向應相反，即逆向轉動，目的是使拋光劑容易保持在拋光織物上，不至于很快被甩出拋光盤。拋光織物選用纖維短小的，因為長纖維織物容易將石墨帶出基體形成孔洞，或部分帶出，造成石墨不圓整的假象，影響石墨評級。

球墨鑄鐵的牌號有很多種，硬度相差很大，主要是因為珠光體的含量不同。對于主要以鐵素體為基體的球墨鑄鐵，磨拋時壓力相對較小，而珠光體含量多的球墨鑄鐵，磨拋時壓力可適當增大。每道砂紙磨削時間不用很長，一般2 min即可，詳細技術參數詳見表1，其顯微組織形貌如圖3所示。

表1 球墨鑄鐵試樣的自動磨拋工藝參數Tab.1 Automatic grinding and polishing process parameters ofnodular cast iron sample

圖3 球墨鑄鐵試樣的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of nodular cast iron:a) nodular cast iron sample 1; b) nodular cast iron sample 2

2.3.2 碳鋼的自動磨拋參數和效果

碳鋼的硬度為200～400 HBW甚至更高。由于碳鋼的組織一般比較均勻，如果沒有特別的金相檢驗要求，磨拋參數相對比較簡單。對軟材料施加壓力相對較低，而對硬材料，施加的壓力則相對較高，磨盤和磨頭的速度也可以高些。拋光織物選擇長纖維的，如長絲絨拋光布等，可以很好地將金剛石磨料嵌于織物纖維中，保持高的磨削效率，碳鋼的金相制樣具體參數詳見表2和表3，其顯微組織形貌如圖4和圖5所示。

表2 硬度為200 HBW以下碳鋼試樣的自動磨拋工藝參數Tab.2 Automatic grinding and polishing process parameters ofcarbon steel sample with hardness below 200 HBW

表3 硬度為200 HBW以上的碳鋼試樣的自動磨拋工藝參數Tab.3 Automatic grinding and polishing process parameters ofcarbon steel sample with hardness above 200 HBW

圖4 硬度為200 HBW以下碳鋼試樣的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of carbon steel sample withhardness below 200 HBW:a) pure iron; b) 45 steel

圖5 硬度為200 HBW以下碳鋼試樣的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of carbon steel sample withhardness above 200 HBW:a) T8 annealed steel; b) T12 annealed steel

2.3.3 白口鐵的自動磨拋參數和效果

白口鐵是一種含硬質相滲碳體的材料。需要注意的是滲碳體硬而脆，磨拋時用力太大容易使?jié)B碳體破碎脫落，拋光時應避免用長纖維的拋光織物。對白口鐵的試樣制備方式則代表了含硬脆相材料的金相試樣制備工藝，白口鐵金相制樣的具體參數詳見表4，其顯微組織形貌如圖6所示。

表4 白口鐵的自動磨拋工藝參數Tab.4 Automatic grinding and polishing process parameters ofwhite cast iron

圖6 白口鐵的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of white cast iron:a) hypoeutectic white cast iron; b) hypereutectic white cast iron

2.3.4 離心澆注巴氏合金的自動磨拋參數和效果

巴氏合金(滑動軸承合金)的特征是軟基體上含有硬質點，因此拋光過程中采用短纖維拋光織物，氧化鋁或氧化硅拋光液。拋光時間盡量短，防止軟基體過度被拋光，形成浮凸。離心澆注巴氏合金金相制樣的具體參數詳見表5，其顯微組織形貌如圖7所示。

表5 離心澆注巴氏合金的自動磨拋工藝參數Tab.5 Automatic grinding and polishing process parameters ofcentrifugal casting Babbitt alloy

圖7 離心澆注巴氏合金的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of centrifugal casting Babbitt alloy:a) centrifugal casting Babbitt alloy 1;b) centrifugal casting Babbitt alloy 2

3 結束語

(1) 對不同材料、不同檢測要求的試樣，金相制樣的工藝參數是不一樣的，制樣不良可能會造成分析結果的偏差。應保證制樣過程標準化、規(guī)范化，使檢測結果正確一致，有效避免因人而異的制樣過程所造成的檢驗結果差異。

(2) 采用由上海金相機械設備有限公司制造的自動制樣設備制備的金相試樣，完全滿足相關試驗標準的要求，大幅提高了金相制樣的質量和效率。

(3) 金相制樣設備已經實現了利用程序控制的自動化，考慮到設備的性價比，目前磨拋機還不能進行自動換盤、換砂紙或拋布等步驟，但對于企業(yè)大批量金相試樣的制備，目前的自動金相制樣設備不失為提高金相制樣效率的有力保障。國產自動金相制樣設備還需繼續(xù)摸索和提升。