淺談巖礦樣品制樣設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

方明山 劉方明 肖儀武 陳 幫

(礦冶科技集團(tuán)有限公司 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

巖礦樣品的制備是將巖石或礦石樣品通過切割、磨平及拋光等工序磨制成光片或薄片的過程。巖礦光片是原礦塊狀樣品經(jīng)過切、磨、拋等工序后制備出的光片，主要用于在偏光顯微鏡下采用反射光系統(tǒng)對(duì)不透明礦物進(jìn)行鑒定和分析。巖礦光片的磨制包括樣品切割、粗磨、中磨、細(xì)磨、精磨以及拋光等流程。基本要求是：必須具有較高的光澤度，礦物間的相對(duì)突起不應(yīng)太顯著，表面沒有凹穴、擦痕和麻點(diǎn)等。薄片是將巖礦標(biāo)本切割磨制成厚度0.03 mm左右的切片粘在載玻片上，加蓋玻片后用于偏光顯微鏡下觀察的片子，主要用于在偏光顯微鏡下通過透射光系統(tǒng)對(duì)透明礦物的研究。薄片的磨制包括樣品切割(包括樣品的粗切和精切)、粗磨薄片、薄片的精細(xì)磨薄和厚度檢驗(yàn)等工序[1-3]。

巖礦樣品光片或薄片在經(jīng)過上述的處理工序后，質(zhì)量合格后即可用于光學(xué)顯微鏡下觀察，并開展相應(yīng)的研究和測(cè)試分析工作。

1 巖礦樣品制樣設(shè)備的現(xiàn)狀

在巖礦樣品的制備過程中，不管是光片還是薄片都需要經(jīng)過切割、磨拋等關(guān)鍵工序，都會(huì)用到相應(yīng)的制樣設(shè)備。但到目前為止，國內(nèi)外市場(chǎng)上都沒有專門針對(duì)巖礦樣品的自動(dòng)制樣設(shè)備。目前我國大約有超過1 000家的地質(zhì)隊(duì)，60所以上的地質(zhì)類高校以及一大批從事地質(zhì)、礦業(yè)研究的單位和公司，在工作過程中都需要進(jìn)行巖礦樣品的制備。

為滿足強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求，只能退而求其次，通過其他的專用設(shè)備來替代。由于自動(dòng)制樣設(shè)備在金相領(lǐng)域應(yīng)用效果良好，相對(duì)來說已經(jīng)比較成熟[4-5]，而且金相樣品的制備過程和步驟與巖礦樣品基本一致[6]，所以一些單位就使用金相的自動(dòng)切割、磨拋機(jī)來制備巖礦樣品。

1.1 主要設(shè)備的國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國外的自動(dòng)切割、研磨拋光設(shè)備主要針對(duì)金相產(chǎn)品，代表性生產(chǎn)廠家有丹麥的司特爾(Struers)公司、美國的標(biāo)樂(Buehler)公司、美國的力可(Leco)公司以及土耳其的美康(Metkon)等公司。

同普通機(jī)械行業(yè)中的金屬切割不同，金相試樣切割有它自身的要求和特點(diǎn)，金相試樣對(duì)保持原有組織狀態(tài)要求比較嚴(yán)格，即必須保證所截取試樣的金相組織與原部件金相組織一致。在金相中最常用的是薄片砂輪切割，其優(yōu)點(diǎn)為：切割面比較光滑平整，截面與軸線的垂直度好，可以切割較高硬度的材料。國外代表性的產(chǎn)品有美國力可(Leco)公司的MSX系列切割機(jī)，美國標(biāo)樂(Buehler)公司的AbrasiMet系列砂輪切割機(jī)。目前，國內(nèi)也已在國外的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)了多種新的切割機(jī)，但多是仿造，與國外的相比，國內(nèi)開發(fā)設(shè)備切割直徑小、切割質(zhì)量差，且適用范圍窄。金相樣品的自動(dòng)切割機(jī)可基本滿足巖礦樣品的粗切要求，即將不規(guī)則狀的塊狀樣品切成厚度1 cm左右，長(zhǎng)和寬在2～4 cm的片狀樣品。但是，有些巖礦樣品易碎，所以在切割方式上還需要改進(jìn)。

在自動(dòng)研磨設(shè)備方面，丹麥司特爾(Struers)公司研制的Abrapol系列半自動(dòng)金相研磨/拋光機(jī)、Tegramin系列自動(dòng)研磨/拋光機(jī)。試樣夾具和磨拋盤分別由不同的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。夾具與拋光盤之間的壓力可以在0～700 N內(nèi)任意調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定磨拋時(shí)間后，夾具自動(dòng)抬起并停止。夾具的特點(diǎn)是能適應(yīng)各種形狀的試樣，具有很高的拋光效率，而且試樣的拋光質(zhì)量能達(dá)到金相分析的要求。美國標(biāo)樂(Buehler)公司代表性的產(chǎn)品有EcoMet 250/300/pro 研磨/拋光機(jī)系列，能夠滿足各種類型金相樣品的常規(guī)打磨和拋光，其操作界面友好、彩色液晶顯示、觸摸式操作，最多可以設(shè)置50個(gè)常用工作程序，整個(gè)過程的每個(gè)工序之間都進(jìn)行夾持器和樣品的清洗與烘干。拋光時(shí)，試樣由拋光臂按照一定軌跡在拋光盤內(nèi)運(yùn)動(dòng)。拋光臂上的壓力可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，最大可達(dá)20 N。在預(yù)定的拋光時(shí)間內(nèi)，此壓力將逐漸自動(dòng)減小到零，這樣可減少拋光缺陷。拋光臂的速度也可以調(diào)節(jié)，每道工序只需2～5 min。此外，機(jī)器整體采用鑄鋁設(shè)計(jì)，增加了產(chǎn)品的耐用性與穩(wěn)定性。美國力可(Leco)公司的BG系列磨/拋機(jī)，采用完全封閉式砂帶緊繃機(jī)械裝置，有效減少了皮帶的滑動(dòng)，同時(shí)改善了排水循環(huán)系統(tǒng)，殘?jiān)袑ｉT的清理區(qū)域可方便去除，而且改善了排水循環(huán)系統(tǒng)使堵塞幾率降到最低；GPX系列研磨拋光機(jī)同樣采用彩色顯示觸摸屏，先進(jìn)的碗形/排水設(shè)計(jì)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碗沖洗更容易清理，減少材料的積累，而自動(dòng)碗狀沖洗/清洗，更容易清除磨拋下來的細(xì)屑。同時(shí)，內(nèi)置了一個(gè)一體式的蠕動(dòng)泵，可以使得磨拋液更容易均勻分配到拋光布[7-8]。

國內(nèi)從事自動(dòng)研磨拋光機(jī)研究開發(fā)的廠商主要有沈陽科晶設(shè)備制造有限公司、上海光學(xué)儀器六廠以及上海中研儀器制造廠等。相比國外金相自動(dòng)磨拋設(shè)備，國內(nèi)的自動(dòng)磨拋產(chǎn)品多為模仿創(chuàng)新，在結(jié)構(gòu)和外形上基本類似甚至還有所改進(jìn)，不過由于沒有真正掌握技術(shù)細(xì)節(jié)精髓，而且為降低成本多使用質(zhì)量不高的材料，在性能和耐用性等方面還存在一定差距。

巖礦薄片的自動(dòng)制樣設(shè)備世界上雖然一直有人在嘗試，比如法國的Brot公司，國內(nèi)在江蘇省姜堰市也有相關(guān)廠家在生產(chǎn)，但也都是沒有效果很好的成套產(chǎn)品?；旧现荒軐?shí)現(xiàn)和完成巖礦樣品的自動(dòng)粗切，后續(xù)的自動(dòng)粗磨和精磨環(huán)節(jié)實(shí)際使用效果很差。一方面，研磨精度控制不夠，誤差較大，制備出的薄片過厚，無法用于光學(xué)顯微鏡下透光觀測(cè)；另一方面，研磨過程中樣品經(jīng)常會(huì)碎裂，研磨的速度和壓力等方式還有待進(jìn)一步提高改進(jìn)。

1.2 替代產(chǎn)品存在的技術(shù)缺陷和問題

雖然金相樣品的自動(dòng)制樣設(shè)備在制備巖礦樣品方面起到了一定作用，但相對(duì)于相別單一的金相樣品來說，巖礦樣品其中包含十幾甚至幾十種不同的礦物，而且不同的礦物具有不同的硬度等特性，所以用于金相樣品的自動(dòng)制樣設(shè)備對(duì)巖礦樣品來說，總體上適應(yīng)性較差，還是無法完全滿足其制樣，特別是磨拋方面的要求，存在著一些技術(shù)方面的缺陷和問題。

用于金相的自動(dòng)研磨機(jī)，在對(duì)樣品進(jìn)行粗磨和細(xì)磨的時(shí)候，會(huì)分別使用不同細(xì)度的砂紙，需要人工進(jìn)行多次的將砂紙固定在磨盤上，使用起來很繁瑣、費(fèi)力。由于光片是在光學(xué)顯微鏡下放大觀測(cè)，對(duì)樣品表面的平整度和光澤度有很高的要求，一般要求表面粗糙度小于2 μm而且光潔如鏡。金相自動(dòng)研磨拋光機(jī)的樣品夾具多采用重力單點(diǎn)控制，用一個(gè)著力點(diǎn)抵住樣品頂層進(jìn)行研磨。也是同樣的原因，對(duì)于相別單一的金相樣品來說，這種控制方式是適用的也是相對(duì)方便的。但是，在研磨巖礦樣品時(shí)，特別是對(duì)磨拋硬度較高的樣品時(shí)，一個(gè)著力點(diǎn)很難保持樣品始終水平，樣品一旦稍有傾斜，就會(huì)出現(xiàn)樣品部分表面磨拋不到，其平整度和光澤度無法保證，從而導(dǎo)致一個(gè)光片表面中有一部分達(dá)到顯微鏡下觀察要求，而有部分樣品表面則無法觀察的后果，這樣的光片也是不合格的，需要重新制備。這些影響因素都極大限制了金相自動(dòng)磨拋設(shè)備在巖礦樣品自動(dòng)制備上的應(yīng)用。

此外，國外先進(jìn)的自動(dòng)研磨拋光設(shè)備不僅價(jià)格普遍較高，而且配套使用的砂紙、研磨膏和拋光液的價(jià)格也非常昂貴。比如標(biāo)樂公司的EcoMet250研磨/拋光機(jī)一臺(tái)就需要人民幣30 萬元左右，其中砂紙和拋光液是長(zhǎng)期大量使用的消耗品，價(jià)格同樣不菲，折合計(jì)算到制備一個(gè)光片的成本大約需要100 元左右，對(duì)巖礦樣品制備來說，使用成本太高。國內(nèi)的金相自動(dòng)磨拋設(shè)備制造相對(duì)粗糙，而且多是模仿國外相關(guān)產(chǎn)品，雖結(jié)構(gòu)、外形相似，甚至有所創(chuàng)新，但是相比之下，自動(dòng)化程度較低、穩(wěn)定性也不夠，雖然具有價(jià)格相對(duì)便宜的優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用范圍有限。

1.3 巖礦樣品制備面臨的其他問題

高質(zhì)量的光片和薄片是開展工藝礦物學(xué)研究和巖礦分析鑒定工作的基礎(chǔ)，如果磨制的質(zhì)量不好，則會(huì)影響到鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性。光片的合格與否在于其磨拋后表面的光澤度是否達(dá)到光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)的要求，多是通過專業(yè)的技術(shù)人員人工觀察判斷，也可通過光澤度儀檢測(cè)。薄片的質(zhì)量高低關(guān)鍵在于其厚度是否達(dá)到0.03 mm，否則就會(huì)影響觀察效果，一般也是通過專業(yè)技術(shù)人員在光學(xué)顯微鏡下人工判斷或者采用一些專業(yè)的測(cè)厚儀來測(cè)量[9-13]。不管是使用國外的制樣設(shè)備，還是國內(nèi)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行巖礦樣品的制備，都存在一個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量自身無法檢測(cè)的問題，都只能先將制備好的光片和薄片交付給專業(yè)的技術(shù)人員通過光學(xué)顯微鏡下人工觀察或檢測(cè)才能判斷。一旦質(zhì)量不過關(guān)，就還需要制樣人員再重新制備。這一過程十分耗時(shí)費(fèi)力、效率很低、對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)度影響很大。

目前巖礦樣品的制備在使用金相樣品制樣設(shè)備的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合大量的人工參與才能較好的完成。由于巖礦樣品中礦物種類繁多，硬度等性質(zhì)差別較大，對(duì)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)要求很高。一名合格的磨片工人，一般需要經(jīng)過十幾甚至二十幾年的磨練才能熟練掌握其中的技巧，制備出符合要求的光片和薄片。但是，由于巖礦樣品制備工作強(qiáng)度較大，工作環(huán)境相對(duì)較差，從事磨片工作的人越來越少，人員斷檔現(xiàn)象突顯。目前只有少數(shù)高校和研究單位有專業(yè)的磨片制樣室，而且從業(yè)人員也很少。特別是制備薄片的技術(shù)工人尤其缺乏，隨著老一代磨片工人的退休，加上后繼無人，現(xiàn)在優(yōu)秀制備薄片的技術(shù)工人十分稀缺。因此急需研發(fā)出針對(duì)巖礦樣品專用的制樣設(shè)備，結(jié)合數(shù)控技術(shù)及專家系統(tǒng)的發(fā)展與進(jìn)步，提高設(shè)備精度的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化和智能化，以降低對(duì)人工的依賴，消除光片和薄片制樣技術(shù)工人斷檔造成的巖礦樣品制備無人可用的危機(jī)。

2 巖礦樣品制樣設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

雖然目前市場(chǎng)上還沒有針對(duì)巖礦樣品專用的自動(dòng)制樣設(shè)備，分析當(dāng)下巖礦樣品在制備過程中遇到的實(shí)際操作困難和發(fā)現(xiàn)的技術(shù)問題[14-23]，結(jié)合市場(chǎng)需求，巖礦樣品自動(dòng)制樣設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾方面，同時(shí)也是未來巖礦樣品專用自動(dòng)制樣設(shè)備研發(fā)制造的主要方向：

1)自動(dòng)化程度越來越高。切割、研磨拋光等設(shè)備將會(huì)從現(xiàn)有的人工參與半自動(dòng)到全自動(dòng)，從單一設(shè)備自動(dòng)化到全流程的自動(dòng)化，自動(dòng)化水平將會(huì)越來越高。

2)精度越來越高。隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，切割、研磨拋光精度越來越高，大大提高了制樣成品率，機(jī)器完全取代人工的可能性在增加。

3)功能集成度逐步提高。制樣設(shè)備從原來一個(gè)步驟需要多臺(tái)設(shè)備完成到一個(gè)步驟一臺(tái)設(shè)備完成再到多個(gè)步驟一臺(tái)設(shè)備完成，功能集成度越來越高。

4)專家系統(tǒng)應(yīng)用越來越多。隨著專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進(jìn)步，制樣設(shè)備中應(yīng)用專家系統(tǒng)越來越多，不同樣品性質(zhì)對(duì)應(yīng)不同制樣方案包括研拋壓力、速度及時(shí)間、磨料種類選擇等。