一種新型金相染色劑在齒輪金相組織分析中的應(yīng)用

王夢夢 王子龍 何亮亮 李陽 高林峰

摘 要：傳統(tǒng)酸腐蝕金相顯色法應(yīng)用廣泛，但卻有腐蝕過程繁瑣，腐蝕時間難控制等缺點，為此本文提出了一種新的金相染色方法，此方法具有快速，方便，綠色安全，顯色更清晰的優(yōu)點。只需經(jīng)過一次染色就能清楚的區(qū)分齒輪中非馬組織，馬氏體，貝氏體，殘余奧氏體等組織，大大提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：彩色金相;薄膜干涉;齒輪;金相組織

1 引言

金相分析是金屬熱加工內(nèi)在質(zhì)量控制的核心，是分析材料熱處理后組織的無可替代的一種手段。目前使用最廣泛的金相顯色方法為酸腐蝕法，它是通過酸刻蝕改變材料表面襯度來對組織進(jìn)行區(qū)分。傳統(tǒng)酸腐蝕法操作簡便，無需特別的設(shè)備，在企業(yè)的快速檢測中使用廣泛。但是隨著科技的發(fā)展，實際工作中對于金相檢驗的要求越來越高，傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足。一般的，傳統(tǒng)腐蝕方法有以下缺點：

（1）腐蝕時間難控制，腐蝕時間短組織無法完全顯現(xiàn)，腐蝕太深組織會出現(xiàn)假象。

（2）腐蝕過程繁瑣，非馬組織需要很淺腐蝕，貝氏體組織要淺腐蝕，而馬氏體組織則需要深腐蝕才能看到，無法做到只通過一次腐蝕就可觀察到所有組織的效果。

（3）馬氏體和下貝氏體無法區(qū)分，腐蝕后馬氏體和下貝氏體顏色都呈棕黃色，形態(tài)都為針狀，組織完全無法區(qū)分。

（4）顯色劑具有強腐蝕性，對人體有害，屬于嚴(yán)格管控的危險化學(xué)制品。

上世紀(jì)四十年代美國金相學(xué)家Berha[1]等人發(fā)明了彩色金相技術(shù)大大提高了金相鑒別能力。彩色金相是通過化學(xué)或物理的方法，在樣品的表面形成一層干涉膜，通過薄膜干涉將組織顯示出來[2]。目前，很多研究者致力于彩色金相法的研究并取得了重大突破，但仍存在一些局限。例如：G.F Vanders Voort 采用硝酸酒精+偏亞硫酸氫鈉這種復(fù)合的金相腐蝕方法，腐蝕后鐵素體和殘余奧氏體都呈白色，貝氏體、馬氏體、珠光體都為深色，無法區(qū)分。LePera 采用偏亞硫酸氫鈉+苦味酸溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕后馬氏體和殘余奧氏體都為白色無法區(qū)分。[3]也有研究者在LePera的基礎(chǔ)上調(diào)整了兩組分的比例依然無法將馬氏體和殘余奧氏體分開。鑒于此本文在大量探索試驗的基礎(chǔ)上不斷摸索提出了一種用于可以用于齒輪金相組織分析的方法，此方法一次染色可將所有組織清楚區(qū)分，操作方便、安全快捷。

2 試驗材料及方法

（1）試樣材料：20CrMiTi，生產(chǎn)工藝：鍛造-正火-機加工-滲碳-淬火。

（2）試樣制備：在齒輪上隨機切取兩個連續(xù)的齒并從中間劈開（切割過程中防止過熱引起組織的變化），將試樣分別用砂紙和拋光布拋光呈鏡面、乙醇沖洗后觸感備用。

（3）染色劑的配制。1）傳統(tǒng)染色劑：4%硝酸酒精;2）新染色劑：偏重亞硫酸鉀（3g）+硫代硫酸鈉（5g）+苦味酸（1ml飽和水溶液）+水（100ml）。

（4）染色。1）傳統(tǒng)染色劑：將試樣浸泡在染色劑中3s后取出，并用大量清水沖洗，吹干;2）新染色劑：將試樣浸泡在染色劑中觀察，待試樣表面出現(xiàn)黃色膜同時齒輪邊緣出現(xiàn)深色的輪廓時，將試樣取出，并用大量清水沖洗，吹干。

（5）金相組織的觀察：將試樣放在顯微鏡下放大500×觀察。

3 試驗結(jié)果與討論

圖1右邊為傳統(tǒng)腐蝕劑腐蝕后的齒輪剖面金相圖片。從圖中可以清楚的看到白色和深色兩種組織。其中白色組織為殘余奧氏體，深色的組織為馬氏體。馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，電化學(xué)電位較低很容易被腐蝕，因此組織呈深色。奧氏體為碳溶于γ-Fe中的固溶體。電化學(xué)電位較高不容易被腐蝕，因此組織呈白色。然而，由于馬氏體、貝氏體、類珠光體類組織的電化學(xué)電位非常接近，當(dāng)酸存在時，酸會與這些組織都發(fā)生反應(yīng)，組織都為深色，因此酸腐蝕法無法將他們分開。

圖1左邊為新染色劑處理后的齒輪剖面的金相圖片。顯色效果完全優(yōu)于傳統(tǒng)酸腐蝕法。圖中白色為殘余奧氏體，灰色為馬氏體，深色發(fā)藍(lán)的組織為貝氏體，同時齒輪邊緣可以清晰的看到非馬組織。這是因為，染色劑中的偏重亞硫酸鉀溶于水會生成H2S，水溶液中H2S電解提供的S2-會與金屬Fe發(fā)生反應(yīng)生成FeS黃色沉淀附著在試樣表面，即在試樣表面形成一層薄膜。溶液中酸的加入會加快成膜的速度。整個成膜過程即：Fe+2H++S2-=FeS+H2。一般的，薄膜厚度必須控制在400-500?之間，否則，膜厚度太小看不見顏色，膜厚度太厚顯示不出光的干涉效應(yīng)，整體呈現(xiàn)黑色[4]。本方法在多次試驗的基礎(chǔ)上，通過觀察試樣表面的顏色來控制成膜時間，已達(dá)到對成膜厚度的控制。整個成膜過程需要10分鐘，相對于傳統(tǒng)腐蝕時間3秒，時間更容易控制。此染色方法徹底解決了傳統(tǒng)腐蝕劑的缺點，染色速度容易控制，組織可以更好的分離開。對于齒輪來說，一次腐蝕就可以看到所有的組織，方別快捷。同時，此染色方法綠色安全，大大降低了企業(yè)的環(huán)保安全壓力。

4 結(jié)論

本文開發(fā)的金相染色劑，它利用薄膜干涉方法將各種組織分開，徹底克服了傳統(tǒng)腐蝕劑的缺點，一次染色就可以觀察到所有組織，同時操作簡便、安全，整個過程容易控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]Berha E ShpLge B.ColourmetalloFaphie[M].Americ.4-160.

[2]彩色金相技術(shù)編寫組.彩色金相技術(shù)（應(yīng)用圖冊）[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[3]Gerge F.Vander Voort.Color Metallography[J].Microscopy today，2005，nov：22-27.

[4]胡恒法，裴新華，穆海玲.低碳貝氏體復(fù)相鋼相鑒別技術(shù)[J].物理測試，2008，26（05）：1-5.