球墨鑄鐵金相試樣制備技巧與方法

王 潔

（長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032）

金相試樣的制備是金屬材料微觀世界研究的重要部分，對于材料相關專業的學生來說，掌握其制備方法也是一項必備技能。球墨鑄鐵是一種高強度材料，具有鐵的本質和鋼的性能，因其強度高、硬度大、耐磨性能優良且成本低的特點，成為二十世紀五六十年代使用較為廣泛的鑄鐵材料之一，現已迅速發展成為應用范圍僅次于灰鑄鐵的鑄鐵材料，在材料市場上占有重要地位。球墨鑄鐵試樣的金相組織是由基體組織和石墨組成的。其中，基體一般是由珠光體和鐵素體組成的單一或混合組織組成；石墨數量、大小、形態不一，常以球狀、團狀、團絮狀、蠕蟲狀的形態存在，在各種石墨形態中，球形最具代表性。通過對球墨鑄鐵的金相組織進行研究，可探索其微觀結構，判斷其性能，制備出可供觀察的金相試樣，并能得到清晰組織圖像，這是得到正確結論的保障。本文對球墨鑄鐵金相試樣制備方法進行分析，提出制備過程中常見問題，總結問題產生的原因以及解決技巧。

1 材料準備

在金相試樣制備過程中，實驗設備常選用M-2型金相試樣預磨機、P-2G型金相試樣拋光機、金相顯微鏡；金相砂紙常選用180#、400#、800#、1000#、1200#、2000#六種型號；拋光時選擇金剛石拋光膏、腐蝕液為4%的硝酸酒精溶液、脫脂棉球及竹夾；試樣選用球墨鑄鐵。

2 試樣制備

為研究球墨鑄鐵的金相組織，首先需要制備出用于觀察的金相試樣，金相試樣的制備步驟主要包括試樣的磨制、試樣的拋光、試樣的腐蝕以及金相顯微組織顯示，每一個步驟都需要操作人員具有較強的動手實踐能力。

2.1 磨制

2.1.1 操作過程

在開始磨制時，首先需要磨制試樣倒角，否則在磨制和拋光過程中，試樣的邊緣容易劃破砂紙或損傷拋光布。倒角需要用180#砂紙在預磨機上進行磨制：將試樣磨面傾斜約45°，使磨面邊緣與研磨盤接觸，輕輕按壓試樣并來回旋轉試樣邊緣20°～30°，每3～5 s提起試樣逆時針或順時針單向旋轉試樣30°后，繼續來回旋轉磨制，重復操作6～9次，直至倒角圓潤，傾斜角度為45°，且磨制寬度一致，約為0.5～1 mm。在磨制過程中還要時刻觀察倒角寬度，視情況可適當將倒角加寬，以防在后續磨面磨制的操作過程中，因倒角被大量磨損而返工，加大工作量。

然后開始磨面磨制，該磨制分為粗磨和細磨。粗磨是在倒角磨制之后，繼續在預磨機上對磨面進行磨制的過程。將試樣磨面放在磨盤半徑1/2處，與砂紙平行接觸并稍加壓力轉動試樣，其目的是消除磨面上的車痕，使磨面平整，但磨面會出現圓弧狀劃痕。細磨則是依次使用400#、800#、1000#、1200#、2000#砂紙對磨面進行手工磨制，目的是消除粗磨劃痕，得到勻稱劃痕及平整磨面。細磨過程：將砂紙平放在干凈的玻璃板上，左手按住砂紙邊緣，防止砂紙滑動，右手緊緊握住金相試樣，使整個磨面與砂紙平行接觸，稍加壓力，從砂紙左端向右端進行單向推磨，而從右端回到左端時，磨面與砂紙不得接觸。磨制過程中應注意用力均勻適宜，速度平緩，避免試樣發熱，否則會影響制樣效果。當試樣磨至砂紙邊緣時，將試樣輕輕拿起，以防止金相試樣磨面與玻璃板發生磕碰。同時，在同一號砂紙上需要磨2~4道，且每道單程要磨制4~6次，每更換1道需將試樣轉動90°，以使試樣磨面的新劃痕與舊劃痕垂直，直至上一道磨制的劃痕被完全消除，得到均勻且方向一致的新劃痕，單程磨制結束。隨著砂紙由粗到細的磨制，劃痕將越來越細小。

2.1.2 常見問題及措施

試樣可能出現斜坡或多面現象，這是由于磨制時用力不均勻造成的。因此，在每次更換角度和更換砂紙時，拿樣的方式應與之前保持一致，且將重心放平。磨制一段時間后觀察磨面，若發現上述情況，應及時矯正。將試樣旋轉180°進行磨制，或者利用重心偏向進行矯正，即在磨面高的一邊加大力度進行研磨，直至試樣磨面平整。在磨制過程中，需保證整個磨面與砂紙接觸，即磨痕與試樣直徑等寬。

磨面還可能出現較大劃痕，一般情況下這是由砂紙上存在較大顆粒造成的。所以在更換砂紙的過程中，應擦拭玻璃板，提前將試樣和砂紙表面清理干凈，在使用砂紙期間，盡量在同一位置進行推磨，磨制過程中還應盡量避免敲擊桌面發出聲響。

2.2 拋光

2.2.1 操作過程

拋光過程是為了將細磨中產生的劃痕消去，得到沒有劃痕的光滑拋面，進而為之后的侵蝕步驟做準備。首先，需要確認拋光機能夠正常運行，將準備好的拋光布平整安裝在拋光盤上，保證拋光布干凈無破洞；在拋光前要及時將試樣和雙手沖洗干凈，以免細磨過程中有殘留的顆粒物掉落在拋光布上，使金相試樣產生劃痕；用少量水將拋光布潤濕，在拋光盤的中心處加入適量拋光膏，然后打開拋光機開始拋光。在金相試樣拋光時，使試樣磨面與拋光布平行接觸，劃痕與拋光盤轉動方向相垂直；在拋光前期，將試樣由中心向外緣，再由外緣向中心做往復運動，可稍稍用力以快速消除2000#砂紙產生的較大劃痕；在金相試樣磨制中期，將試樣置于拋光盤半徑1/2處進行拋光，輕輕轉動試樣，除去試樣的細小劃痕。隨著拋光時間不斷增加，施加的力度需要慢慢減小，在整個拋光過程中需要不停加入適量的水，以保持磨面濕潤；在后期需加大水量以稀釋拋光膏，沖洗磨面上的殘留物。將磨面拋成光滑鏡面，且看不到劃痕及波紋后，繼續拋光10 s，進一步去除肉眼不可見的細小拋痕。通過對光觀察磨面是否存在劃痕，在明亮的光線下轉動試樣，采用不同角度觀察可更好地發現劃痕。當拋面無劃痕、無波紋、沒有夾雜物、沒有拋光膏痕跡，變為干凈的光滑鏡面時，即可侵蝕。

2.2.2 常見問題及措施

首先在拋光前，應保證拋光布安置緊實，若安裝不牢固，拋光布容易崩盤傷到手，且拋光過程中，力度不能過大，否則會使試樣易飛出。其次，如果磨面上出現較大劃痕，這可能是由于拋光布上有顆粒物造成，此時需要清洗拋光布。若劃痕較大無法拋除時，則需要將試樣在1500#砂紙上進行返工。然后在球墨鑄鐵的拋光過程中，應控制拋光膏用量，若拋光膏用量過多，球墨鑄鐵中的石墨易脫落，在觀察時會發現存在一些由于石墨脫落留下的坑，而拋光膏用量過少則會使試樣表面變得暗沉，且劃痕較難消除，需要延長拋光時間，所以拋光膏用量需適宜。另外，在球墨鑄鐵拋光即將結束時，需將試樣在拋光布上緩緩轉動幾圈，以防止石墨產生拖尾現象，尤其需注意所磨制試樣的邊緣位置是否存在劃痕，若存在應及時消除。最后，拋光結束后應立即用清水清洗拋面，以防止其被空氣氧化。

2.3 侵蝕與觀察

2.3.1 操作過程

侵蝕過程的目的是為了顯示出試樣完整的金相顯微組織，以便在用顯微鏡觀察時得到清晰細致的組織圖像。侵蝕方法一般包括“擦拭法”和“浸入法”兩種。其中，擦拭法侵蝕方法：用竹夾將脫脂棉球放入配好的腐蝕液中，將其浸濕，然后將試樣傾斜45°，用該棉球在試樣磨面上進行擦拭侵蝕。浸入法侵蝕方法：用竹夾直接夾取試樣，將試樣磨面完全浸入腐蝕液進行侵蝕。侵蝕過程中可根據侵蝕時間或試樣磨面顏色變化判斷該試樣侵蝕是否成功。

使用擦拭法侵蝕前，需要用清水沖洗試樣及雙手，保證試樣表面干凈，手上無污物，然后將試樣傾斜45°，用腐蝕液浸濕的脫脂棉球擦拭其表面，擦拭過程中保證腐蝕液覆蓋均勻。控制好時間和力度，謹防竹夾劃到試樣表面。若用侵蝕時間長短判斷侵蝕是否成功，則一般將侵蝕時間控制在10~15 s；若用試樣表面顏色變化判斷，則當磨面由光亮變為略微灰白時應停止擦拭，隨后直接用酒精擦拭表面，再立即用吹風機吹干表面殘留酒精。

吹干酒精后，用顯微鏡對試樣進行觀察。注意正確使用顯微鏡，先用低倍鏡再用高倍鏡進行觀察，就會得到清晰正確的微觀組織，其干凈明亮、侵蝕均勻無劃痕、沒有麻點、沒有水漬、石墨不脫落、無大小坑。

2.3.2 常見問題及措施

試樣侵蝕的均勻適度是球墨鑄鐵侵蝕過程中需注意的一大常見問題。如果侵蝕較輕，顯微圖像將會不清晰，晶界不明顯或斷斷續續；相反，若侵蝕過度，試樣表面容易被氧化，鑄鐵中的石墨容易暈染開，導致晶界較粗。因此，侵蝕過程需要經過多次反復實驗，對時間進行嚴格控制，并根據個人操作手法不同，通過不斷觀察分析來總結經驗。此外，將球墨鑄鐵試樣用腐蝕液擦拭之后，無需用清水沖洗表面殘留的腐蝕液，直接用酒精擦拭球墨鑄鐵即可，然后立即吹干進行觀察，這樣能大概率避免鑄鐵中球墨被暈染的情況。

3 結語

金相試樣制備的質量對試樣進行正確的組織鑒定有著直接影響。在球墨鑄鐵制備過程中，每一個步驟都可能使試樣磨面產生缺陷，因此，只有通過反復實驗，不斷探索，勤于思考，善于總結，并全面分析制備過程中易出現的問題并采取相應措施，才能取得進步，從而制備出合格的球墨鑄鐵試樣。