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程中的取樣、磨制、拋光和侵蝕過程中常出現的問題、產生原因和解決技巧，總結了試樣制備的一些小技巧，本文作者在第四屆“蔡司·金相學會杯”全國高校大學生金相大賽中獲一等獎，在日常訓練和參賽經歷中，對金相試樣制備有一些的領悟和見解，實踐證明，掌握了一定的制備技巧，可快速制備高質量的金相試樣。

【關鍵詞】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，兩者是實驗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顯微組織并使其得以準確觀察、鑒定、記錄和測量。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部組織結構的變化，用金相分析的方法來觀察檢驗金屬內部的組織結構是工業生產中的一種重要手段，材料測試和分析，試樣制備是關鍵，筆者根據反復實驗總結了球墨鑄鐵和鋁硅合金兩種試樣制備過程中出現的問題、產生原因和解決技巧，以期為初學者提供幫助，其他金相檢驗工作者也可以借鑒。

1 金相試樣的取樣

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

1.1 試樣的取樣原則

取樣部位應具有代表性，所取的試樣能真實反映材料的組織特征，取樣部位要根據金相分析的目的來取。試樣截取的部位確定后，還需進一步明確選取哪一個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，即類型、形態、大小、數量和分布及等級等。

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、數量及形狀，金屬的變形程度，如有無帶狀組織存在等。

有時為了研究某種組織的立體形貌，在一個試樣上選取兩個互相垂直的磨面。對于裂紋、夾雜物的深度測量，往往也需要在另外一個垂直磨面上進行。

試樣截取時的注意事項：

1）保證材料不發生任何組織變化。

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17×18，鋁硅合金？準16×20。試樣尺寸以磨面面積小于400mm2、高度15-20mm為宜。如果沒有特殊要求，一般情況下要對試樣進行倒角，以免在以后的制備過程中劃破砂紙與拋光布。

3）截取試樣時應注意保護試樣的特殊表面，如熱處理表面強化層、化學熱處理滲層、熱噴涂層及鍍層、氧化脫碳層、裂紋區以及廢品或失效零件上的損壞特征，不應因截取而造成損傷。

以上所述是取樣的一般原則，對于一些常規檢驗的取樣部位，有關的技術標準中都有明確的規定，必須嚴格執行。

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、線切割。

2）氣切割（氧-乙炔火焰）。

3）機械切割：切割機、鋸（手鋸、鋸床）、機床（車床、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或電火花切割。常用的切割方法是薄片水冷砂輪切割機，砂輪厚度在1.2-2.0mm，規格為？準250×1.5mm。砂輪片是由顆粒狀碳化硅（或氧化鋁）與樹脂、橡膠粘合而成[1]。

2 試樣的磨制

2.1 試樣粗磨出現的問題

在砂輪機上磨制易出現試樣燙手的情況，和表面變黑氧化現象。

產生原因：由于砂輪機的轉速極快，在砂輪機上磨削容易產生大量的熱，并且接觸壓力越大，產生的熱量也越大，變形也越大，從而使試樣表面過熱，組織氧化且發生變形。

解決技巧：操作時手持試樣前后用力要均勻，接觸壓力不可過大，待表面基本平整將試樣由砂輪外圓移到砂輪側面磨平，力度逐漸減小，以防過量發熱及機械變形。磨制時要不斷冷卻試樣，以保證試樣的組織不因受熱而發生變化。凡不作表面層金相檢驗的試樣必須倒角。軟材料（如鋁硅合金）操作要用銼刀銼平，不能在砂輪機上平整，以免產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 試樣細磨出現的問題

1）球墨鑄鐵和鋁硅合金在磨制過程磨面中有明顯的磨痕不一致現象且出現多個面。

產生原因：在磨面上施加的壓力應力不均衡或者磨制的姿勢不規范。

解決技巧：單程向前推進，返程試樣提離砂紙。隨砂紙號換細，力度也逐漸減輕，與上道磨痕成90。推磨至其完全被覆蓋。如出現多個面，可針對凸起的面加深力度推磨，隨時觀察，較易恢復成一個平面。

2）磨制過程中出現極少量不同方向的劃痕。

產生原因：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。所以在磨削過程中出現不同方向的劃痕。

解決技巧：砂紙的疊放順序為由細到粗，每次進入下道磨制時，都需將砂紙傾放撣去表面雜質，清洗或用紙巾輕撫手和試樣。水磨會極大減少以上情況的產生。

3）鋁硅合金在磨制過程中易出現大顆粒硅，導致大而深的劃痕出現。

產生原因：鋁硅合金質軟，容易在磨削過程中因為產熱而表面被氧化變黑。鋁硅合金中的大顆粒硅在磨削過程中易脫離磨面，致使大而深的劃痕出現，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。編者在多次實驗發現大顆粒出現是在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）過舊的砂紙不宜繼續使用。

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試樣中的石墨，會使石墨部分脫落，脫落形成的空洞會由于周圍金屬的變形而變小或由于侵蝕而擴大，同時空洞容易被污物填充，影響石墨評定的正確性[2]。因此應及時更換新的砂紙。

3 試樣的拋光

試樣拋光過程中出現的問題

1）拋光過程中操作者身上易被濺上拋光液而需穿操作服。

產生原因：拋光機的拋光罩因離心力轉飛，引起拋光液四濺；因壓力過大或拋光布不平整，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，一定注意將拋光布拉平、箍緊。拋光罩要安裝好再打開開關。拋光過程中力度要適中，隨時觀察，試樣由拋光盤的邊緣移向中心，壓力逐漸減輕。

2）拋光過程中的飛樣問題。

產生原因：拋光轉盤順時針轉動，造成飛樣；拋光過程中，試樣不平衡拋光，造成飛樣。

解決技巧：開啟拋光機的開關，保證拋光轉盤逆時針轉動。拋光時手要握緊試樣，用力要均勻，使試樣整個磨面同時進行拋光。

3）拋光時拋光效率低，磨面失去金屬光澤；鋁硅合金還出現拋傷表面，出現麻點和黑斑的問題。

產生原因：拋光時拋光液的濃度過高不會提高拋光速度，濃度太低則會明顯降低效率。濕度不足容易使磨面產生過熱或粘結拋光劑并降低潤滑性，磨面失去光澤，軟合金易拋傷表面，出現麻點、黑斑[1]。濕度太大會減弱拋光的磨削作用。

解決技巧：檢驗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時間，當試樣離開拋光盤后，拋光面上附著的水膜應在2-5s內蒸發完畢。

4）拋光過程中一些較軟的試樣如鋁硅合金、鉛、錫、鋅等，易產生表面變形層的問題。

產生原因：拋光壓力太大，拋光時間太久，或者反復拋光。

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

5）拋光試樣表面一直蕩有水膜和同一個方向的水痕。

產生原因：有水膜是因為拋光液加的量過多。沿一個方向拋光，出現同向的細小劃痕，所以出現同一個方向的水痕。

解決技巧：在拋光要結束時，可以采用用清水轉拋的方法，因為拋光膏都具有一定的顆粒度，仍存在細小的劃痕，轉拋可以，使各個方向拋光均勻，以防出現一個方向的水痕。

6）球墨鑄鐵拋光時會出現大多數石墨沿同一個方向“拖尾巴”問題，即石墨曳尾問題。

產生原因：拋光過程中試樣的自傳不夠造成，拋光織物絲絨的絨毛過長也會產生曳尾問題[2]。

解決技巧：拋光時，試樣不但要沿拋光盤的半徑方向來回移動，還要不斷自轉，即試樣和握持的手指間要有相對運動。

4 試樣的侵蝕

試樣侵蝕中出現的問題

1）試樣侵蝕后，表面不是光潔的鏡面狀，而是不干凈的。

產生原因：因為試樣侵蝕不均勻。

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

2）試樣侵蝕后，在金相顯微鏡下幾乎看不到晶界，或試樣表面出現花斑。

產生原因：侵蝕時間沒有把握好，試樣侵蝕不夠，則在金相顯微鏡下的晶界很少；試樣侵蝕過度，表面被氧化，出現花斑。

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

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

5 結語

金相試樣的制備是顯微組織檢驗過程中一個極其重要的環節，要快速制備高質量的球墨鑄鐵或鋁硅合金金相試樣，關鍵要掌握好磨制、拋光和侵蝕這幾個環節的操作，同時了解不同試樣的各自特性，在實踐操作中不斷去摸索并總結經驗，熟能生巧，從而制備出高質量的金相試樣。

【參考文獻】

[1]葛利玲.材料科學與工程基礎實驗教程[M].北京：機械工業出版社，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，王國紅，魏國建.試樣磨、拋光中的技巧[J].理化檢驗——物理分冊，2005，41（2）：101-102.

[責任編輯：田吉捷]