球墨鑄鐵金相試樣制備中的常見缺陷及其原因分析

談 浩1，王松林1，王繼成2

（1.銅陵學院，安徽 銅陵 244000；2.機械工程學院，安徽 銅陵 244000）

球墨鑄鐵的力學性能取決于鑄鐵中石墨的形狀、大小、球數和鑄鐵的基本組織，而研究石墨的形狀、大小、球數和基本組織的優劣就必須進行金相檢驗。但在金相試樣制備過程中的每一步都可能會造成很多常見的缺陷，從而嚴重影響對球墨鑄鐵基本組織的評判。本研究通過對金相試樣制備中磨制工藝、拋光工藝和腐蝕工藝的工藝參數進行優化或改變，通過顯微分析和工藝檢測以對比排除的方法來消除這些常見缺陷，以期獲得一套完整的工藝參數。

1 實驗

1.1 實驗設備及所用耗材

（1）實驗設備：①臺式預磨機(M-1)：磨拋盤直徑203mm；轉速700r/min；電動機220V，50Hz。②臺式拋光機(P-1)：拋光盤直徑203mm；轉速1400r/min；電動機220V，50Hz。③金相顯微鏡：Moticam pro205A金相顯微鏡。

（2）實驗耗材：①水磨砂紙：180#；金相砂紙：W20、W14、W10、W7、W5共5個型號。②拋光布：采用不帶背膠的拋光布(海軍呢)。③拋光膏：金剛石拋光膏(粒度W2.5，5g/支)。④浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液；無水乙醇。⑤試樣：北科標樣。

1.2 試樣制備與表征

試樣表征及其對應試樣的制備過程。

球墨鑄鐵的組織：這是球墨鑄鐵的真實組織。在制備的過程中必須準確地把握住各個制備環節，并熟練操作。（如圖1所示）。

組織中的花斑：該表征是試樣在腐蝕的過程中因為過度腐蝕，導致真實組織中白色的鐵素體基體發黑以及球墨模糊，從而難以進行辨認和分析。（如圖2所示）。

圖1 球墨鑄鐵的組織 200X

圖2 組織中的花斑 500X

組織中的假象：分界線上下兩部分組織的能辨度相差較大，通過黑色球墨的晰度進行區分。該表征是因為在試樣的研磨階段因為操作不當導致試樣表面不平整存在數個微米的偏差。從而在金相顯微鏡下兩部分無法聚光一致。（如圖3所示）。

組織中的曳尾：該表征是因為在試樣拋光過程中，長時間單方向拋光導致的石墨球沿拋光方向變形。（如圖4所示）。

圖3 組織中的假象 200X

圖4 組織中的曳尾 500X

組織中的黑點：組織中的這些黑點大多是研磨和拋光過程中的微小顆粒嵌入試樣表面或拋光后試樣表面未完全清理導致的。通過浮雕檢測顯示這些黑點的確不屬于鐵素體基體。（如圖6所示）。

圖5 浮雕下的黑點 500X

圖6 組織中的黑點 500X

1.3 球墨鑄鐵試樣制備

（1）試樣的研磨。粗磨：用磨拋機對試樣進行粗磨。粗磨時應先對試樣邊緣進行倒角，防止在后續工序中拉裂砂紙或拋光布。倒角后對試樣制備表面進行粗磨，粗磨過程中要不斷加入清水防止溫度升高引起組織的變化，其次在粗磨時要防止因為用力不均勻導致試樣表面高低不平，從而影響后續環節。粗磨結束后應獲得平整光潔的表面。

精磨：精磨的目的是消除粗磨時產生的深而粗的磨痕，獲得單一且均勻的細小磨痕，為拋光做準備。精磨時從各號砂紙上，從粗到細依次進行。每更換一個道次的砂紙時應保證上一道次砂紙的磨痕完全除去，然后將試樣旋轉90°進行下一道次的精磨，直至獲得光潔平整并且磨痕是單一均勻的試樣表面。

（2）試樣的拋光。本實驗采用的W2.5鉆石拋光膏，拋光膏應取豌豆粒大小涂敷在拋光布半徑二分之一處。拋光時把試樣的磨面平正的壓在拋光布上涂有拋光膏的附近，壓力均勻且不要過大。拋光時將冷卻水從拋光盤中央斷續注入，若冷卻水太多會導致鋼中出現夾雜物及石墨球表面產生脫落，影響拋光效果；若冷卻水不足，磨面在拋光時溫度升高致使拋光質量不好。拋光過程中可以適當將試樣旋轉180°進行拋光，用以拋去因用力不均勻導致的試樣表面未被完全拋光的部分。拋光后期連續的小角度轉動試樣可以防止石墨球出現曳尾的現象。

拋光時間不宜過長，完全消除磨痕，出現光滑鏡面即可。

（3）試樣的腐蝕。本實驗用的金相組織的顯示方法是化學浸蝕。由于材料中不同部位的混亂程度不同，對同一種腐蝕劑的耐腐蝕能力也不同。當用同種腐蝕劑去腐蝕試樣表面時，試樣則形成高低不同的浸蝕表面。

為防止在腐蝕的過程中出現不必要的缺陷，在拋光結束后要遵從腐蝕的一般步驟（清水沖洗試樣→擦酒精→腐蝕→清水沖洗試樣→滴酒精→吹干），其次還要準確把握球墨鑄鐵的腐蝕時間（16S~18S），并能根據其它因素（4%的硝酸酒精溶液的濃度的差異）等做出對應的調整，最好的操作是在腐蝕的過程中可以根據試樣表面的顏色變化判斷試樣是否已準確腐蝕。在腐蝕的過程中發現試樣腐蝕過重或其它不理想的現象，如試樣表面發黑，腐蝕不均勻或有花斑等，應重新制備直至獲得滿意的試樣為止。

2 結果及討論

2.1 球墨鑄鐵試樣制備中常見的缺陷及應對措施

假象、曳尾、浮雕和花斑等缺陷極易出現在試樣制備過程中，這樣就不得不擔心這些缺陷對試樣組織鑒定的影響。

（1）假象。顯微鏡下試樣表面隨機分布的夾雜物、孔洞和脫落物。研磨時顆粒嵌入磨面和石墨球表面的脫落物、拋光時拋光膏的殘余和劃痕微小部分的殘余以及腐蝕的不均勻可能都是假象的來源。應對措施。①研磨時要確保試樣平整的壓下，壓力合理且均勻，研磨環節不可急于求成。②拋光時注意拋光膏使用，冷卻水的噴灑不要過多，拋光時間也不要太長。拋光結束后用清水或酒精沖洗可明顯的減少試樣表面的殘余物。③正確的選擇腐蝕試劑，準確的把握腐蝕工藝，避免不必要的制備缺陷。

（2）曳尾。拋光過程中試樣與拋光盤長時間同一方向運動時，曳尾常出現在石墨球沿該拋光方向。因其典型的形狀常被稱為“曳尾”。應對措施。①拋光階段多次添加冷卻水保持拋光布的濕度，拋光后期連續的轉動試樣防止出現石墨球曳尾的現象。②拋光時壓力不可過大，既可避免曳尾，也可以防止試樣飛出傷人。

（3）浮雕。不同相的硬度和磨損速率不同，導致在金相制備中材料的剝離速率不同，致使在顯微鏡下組織形貌反差大，形成浮雕。應對措施。①浮雕主要產生于拋光階段，所以確保研磨后的高質量磨面，為拋光階段打下基礎。②拋光階段多次添加冷卻水保持拋光布的濕度，把握拋光時間，避免操作時間過長。

（4）花斑。球墨鑄鐵試樣因為表面不潔凈、腐蝕的過淺或過深等原因造成的一種試樣制備中的缺陷。應對措施。①拋光結束后，試樣用清水沖洗，并用酒精棉擦拭，從而除去試樣表面的微小異物。②清洗結束后，立刻將試樣浸入腐蝕試劑中進行腐蝕，或者用棉花蘸取腐蝕試劑擦拭試樣磨面進行腐蝕。不過前者比后者腐蝕效果好。

2.2 實驗者的技能技巧

金相試樣制備對實驗者的技能技巧要求很高。因此想要制備出高質量的試樣，實驗者不僅需要有很好的耐心，也要有高超的試樣制備技巧。所以實驗前，實驗者對于基本技能的訓練是很有必要的。認真學習把握試樣制備中的技能和技巧，了解制備過程中的哪些不當操作會導致哪些對應的缺陷，以及制備過程中的缺陷可以通過何種方式快速有效的避免或消除。

3 結論

金相試樣的制備是顯微組織鑒定過程中一個非常重要的環節。無論是研磨，拋光，還是腐蝕，每一步都可能在金相試樣表面造成一些常見缺陷，從而影響組織鑒定。對于試樣制備中出現的問題，要用嚴謹的科學態度，警惕和防范每一道工序。為獲得高質量的金相試樣，必須在實踐中探索這些缺陷產生的原因，總結經驗，積累技巧從而解決問題。