球墨鑄鐵金相試樣制備方法與技巧

郭林秀

（山西工程職業學院， 山西 太原 030009）

球墨鑄鐵的性能取決金相組織，球墨鑄鐵的金相組織可以認為是由鋼的基體與不同形狀、數量、大小及分布的石墨組成，其中，基體往往是不同數量的鐵素體、珠光體、甚至自由滲碳體組成的單一或混合組織，石墨通常以球狀、片狀、蠕蟲狀、棉絮狀，球形是最具代表性的形態。研究球墨鑄鐵的金相組織，首要的任務是制備供觀察的金相試樣，這是金相學研究的重要部分，也是得到清晰組織圖像，得出正確結論的保障。制備金相試樣不僅需要耐心細心，更需要經驗和技巧。本論文以鐵素體型球墨鑄鐵為例，分析金相試驗制備的方法，以及制備過程中常見的問題與對策。

1 金相試樣的制備

實驗用球墨鑄鐵練習樣由武義恒宇有限公司提供，尺寸為Φ18 mm×20 mm 的圓柱體，其組織成分為100%的鐵素體基體，石墨球分布在鐵素體的基體上。鐵素體強度、硬度比較低，塑性、韌性較好，石墨也是一個強度低、塑性好的組織。在球墨鑄鐵中，石墨鑲嵌在鐵素體基體中，以物理方式結合，無分子間作用力。因此在制備金相樣品時，用力不能太大，且要防止石墨脫落等。對于金相練習樣，經過磨制、拋光、侵蝕三個工序制備好試樣，再經顯微鏡觀察檢驗制樣效果。

1.1 試樣的磨制

試樣經過切割，表面粗糙，且有厚厚的變形層，需要用金相砂紙打磨，即磨制。選用碳化硅（SiC）砂紙，因碳化硅具有高的強度，磨削能力強，具有玻璃光澤，便宜且壽命長，是理想的金相水磨砂紙磨料。碳化硅金相砂紙根據不同的附著粒度，有不同的型號，常用的有180號、320號、400號、600號、800號、1000號、1200號、1500號、2000號九個號，號也稱為目。目是一個單位，含義是在1 平方英寸的面積上篩網的孔數，每一個孔就叫一目，那么篩孔越多，磨料就越細，目數就越高。

根據試樣的軟硬程度和表面粗糙程度，選擇砂紙的型號，經過實驗驗證，本實驗選180號進行倒角，磨掉切割的車痕，基本消除切割引起的變形層。磨制操作如下頁圖1 所示。磨制過程中必須使整個試樣水平接觸砂紙，推后砂紙上留下的磨痕與試樣寬度相同（保證整個面都可以磨到，以達到磨平），同時，注意磨制力度和速度，用力太大會引起試樣表面產生新的變形層，磨制速度太快，導致試樣發燒，也會引起試樣組織的變化，影響制樣的效果。重復圖1所示的操作，直到試樣表面的劃痕方向一致，無雜痕。沖洗樣品和手，換320號砂紙，將制樣旋轉90°繼續磨制，磨制方法和180號砂紙一樣，當劃痕方向均勻的和磨痕方向一致，且完全消除180號砂紙留下的磨痕時，換下一道砂紙。逐一換600號，1000號，1200號，1500號砂紙，進行推磨，砂紙越細，力度要越輕。

整個磨制過程要注意，球墨鑄鐵的石墨結合力弱，容易脫落，磨制時力度要稍輕，同時，要觀察在砂紙上留下的磨痕，若出現白色線狀痕跡，很有可能存在石墨脫落到砂紙上，及時清理。還要注意，在每次換砂紙時，一定要保證完全磨掉上一道次留下的磨痕，否則，最終的樣品組織中會出現劃痕現象。如何判斷每張砂紙是否磨好，應觀察表面劃痕是否都清晰平行，無交叉，無其他方向劃痕，劃痕從試樣倒角邊緣起到試樣另一邊緣終，無間斷，試樣表面無局部發白，試樣表面反光亮度相同，劃痕粗細一致。

圖1 磨制過程示意圖

1.2 試樣的拋光

經磨制后，球墨制鐵金相試樣表面有1500號砂紙留下的細劃痕且表面仍有形變擾動層，影響正確的組織顯示，需要進行拋光，消除這些問題。本次實驗拋光機為HVP-1 金相試樣拋光機，拋光盤直徑為Φ203 mm，拋盤轉速1400 r/min，輸入電壓為單相AC220 V、50 Hz。拋光布用海軍呢。

安裝好拋光布后，打開拋光機，用洗瓶在拋光布上滴加一定的水來潤濕拋光布。濕度均勻后關停拋光機抹拋光膏。在拋光盤半圈上、下兩邊對應涂抹，涂拋光盤半圈的1/3 長度，且拋光膏一邊距邊緣1/3，一邊距中心1/3，如圖2 所示。試樣要位于拋光盤的右側（防止試樣飛出后傷人），手臂帶動試樣進行左右擺動拋光，并在拋光過程中可以將試樣進行旋轉，這樣既能達到拋光效果，又能有效防止石墨脫落。重復進行，拋光過程要適時添加冷卻水，控制好拋光布的濕度。

圖2 拋光操作示意圖

當試樣拋光面上肉眼看不到劃痕，整個拋光面平整光亮如鏡，可清晰映像時，拋光完成，在拋光盤中心用水沖洗樣品，將多余的拋光膏洗掉。拋光完畢，再次用水沖洗試樣和手。拋光的樣品在顯微鏡下觀察，檢驗拋光效果。鐵素體型球墨鑄鐵拋光后在金相顯微鏡下的組織為白色底色上分布著石墨球。

1.3 試樣的腐蝕

采用擦拭法進行腐蝕，腐蝕劑用4%硝酸酒精，酒精為分析純，硝酸為分析純，自己配制。

1）酒精擦拭試樣表面。表面腐蝕前先用酒精棉球輕輕擦拭試樣表面，（棉球要基本滴濕，滴約2 mL試劑）。

2）腐蝕試樣表面。邊自轉試樣邊用滴有硝酸酒精的棉球水平輕輕擦拭拋光后的試樣端面，對好試樣與燈光的角度，注意觀察試樣拋光面變化，待其由亮轉為淺灰白色或灰色后，終止腐蝕。

3）吹干。腐蝕后，立即用酒棉球擦拭并用吹風機快速吹干。吹干時，試樣表面與電吹風不可太近，不使用熱風。

制備好的金相試樣在顯微鏡下觀察與分析。

2 常見制樣問題與對策

圖3 球墨鑄鐵各種金相組織圖

如圖3-1 和3-2 是鐵素體型球墨鑄鐵的標準金相組織圖，組織為“鐵素體+球狀石墨”，鐵素體基體上離散分布著球狀石墨。球狀石墨與鐵素體之間的相界面以及鐵素體晶界清晰可見。

如圖5-3 所示，制備好的金相試樣其組織在100×下有一個方向的大劃痕，主要是粗砂紙磨制是力度太大，且磨制時間不夠，導致粗大劃痕，這種劃痕在后期很難處理掉。因此，金相制樣時粗砂紙磨制是基礎，勤學多練掌握技巧。圖5-4 是金相試樣在金相顯微鏡下放大500×的組織圖，可以觀察到晶內細劃痕，這主要是拋光不夠引起，可以適當延長拋光時間。

圖5-5 是金相試樣在金相顯微鏡下放大500×的組織圖，很明顯鐵素體晶粒內有很多黑點，這可能是坑點，也可能是拋光時石墨脫落后，沾到組織上引起的。在制樣過程中，把握力度可以解決這一問題。圖5-6 存在兩個問題，一是石墨球邊緣不完整，好像“飛”起來的感覺。這主要是拋光時拋光了或者拋光時按壓力度太大或者拋光時沒有旋轉試樣引起的。二是組織中有明顯的氧化現象，球墨鑄鐵制樣時不易見水，因球墨與鐵素體在存在水的環境下，球墨與鐵素體分別作陰極與陽極，形成電化學腐蝕，鐵素體會迅速氧化生銹變黃，因此，沖洗完立即用酒精擦拭試樣脫水（防止生銹），洗手，用吹風機將試樣與手都吹干。

3 結論

金相制樣的質量關乎著正確鑒定組織，而球墨鑄鐵組織中鑲嵌的石墨球具有性能的特殊性，使其金相制樣區別于其他材料，本文結合實踐經驗詳細說明了球墨鑄鐵在磨制、拋光、腐蝕的制樣操作和注意事項。并對制樣過程中易出現的問題，進行了分析，提出應對的策略，為材料工作者制備金相試樣提供方法和經驗。