球墨鑄鐵金相試樣制備技巧與方法

王 潔

（長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)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(duì)于材料相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來說，掌握其制備方法也是一項(xiàng)必備技能。球墨鑄鐵是一種高強(qiáng)度材料，具有鐵的本質(zhì)和鋼的性能，因其強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性能優(yōu)良且成本低的特點(diǎn)，成為二十世紀(jì)五六十年代使用較為廣泛的鑄鐵材料之一，現(xiàn)已迅速發(fā)展成為應(yīng)用范圍僅次于灰鑄鐵的鑄鐵材料，在材料市場(chǎng)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(shù)量、大小、形態(tài)不一，常以球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀、蠕蟲狀的形態(tài)存在，在各種石墨形態(tài)中，球形最具代表性。通過對(duì)球墨鑄鐵的金相組織進(jìn)行研究，可探索其微觀結(jié)構(gòu)，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(jié)論的保障。本文對(duì)球墨鑄鐵金相試樣制備方法進(jìn)行分析，提出制備過程中常見問題，總結(jié)問題產(chǎn)生的原因以及解決技巧。

1 材料準(zhǔn)備

在金相試樣制備過程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備常選用M-2型金相試樣預(yù)磨機(jī)、P-2G型金相試樣拋光機(jī)、金相顯微鏡；金相砂紙常選用180#、400#、800#、1000#、1200#、2000#六種型號(hào)；拋光時(shí)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(gè)步驟都需要操作人員具有較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力。

2.1 磨制

2.1.1 操作過程

在開始磨制時(shí)，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?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上進(jìn)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(zhuǎn)試樣邊緣20°～30°，每3～5 s提起試樣逆時(shí)針或順時(shí)針單向旋轉(zhuǎn)試樣30°后，繼續(xù)來回旋轉(zhuǎn)磨制，重復(fù)操作6～9次，直至倒角圓潤(rùn)，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(shí)刻觀察倒角寬度，視情況可適當(dāng)將倒角加寬，以防在后續(xù)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(xì)磨。粗磨是在倒角磨制之后，繼續(xù)在預(yù)磨機(jī)上對(duì)磨面進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)試樣，其目的是消除磨面上的車痕，使磨面平整，但磨面會(huì)出現(xiàn)圓弧狀劃痕。細(xì)磨則是依次使用400#、800#、1000#、1200#、2000#砂紙對(duì)磨面進(jìn)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(xì)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(dòng)，右手緊緊握住金相試樣，使整個(gè)磨面與砂紙平行接觸，稍加壓力，從砂紙左端向右端進(jìn)行單向推磨，而從右端回到左端時(shí)，磨面與砂紙不得接觸。磨制過程中應(yīng)注意用力均勻適宜，速度平緩，避免試樣發(fā)熱，否則會(huì)影響制樣效果。當(dāng)試樣磨至砂紙邊緣時(shí)，將試樣輕輕拿起，以防止金相試樣磨面與玻璃板發(fā)生磕碰。同時(shí)，在同一號(hào)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(zhuǎn)動(dòng)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(jié)束。隨著砂紙由粗到細(xì)的磨制，劃痕將越來越細(xì)小。

2.1.2 常見問題及措施

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

磨面還可能出現(xiàn)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(yīng)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(jìn)行推磨，磨制過程中還應(yīng)盡量避免敲擊桌面發(fā)出聲響。

2.2 拋光

2.2.1 操作過程

拋光過程是為了將細(xì)磨中產(chǎn)生的劃痕消去，得到?jīng)]有劃痕的光滑拋面，進(jìn)而為之后的侵蝕步驟做準(zhǔn)備。首先，需要確認(rèn)拋光機(jī)能夠正常運(yùn)行，將準(zhǔn)備好的拋光布平整安裝在拋光盤上，保證拋光布干凈無(wú)破洞；在拋光前要及時(shí)將試樣和雙手沖洗干凈，以免細(xì)磨過程中有殘留的顆粒物掉落在拋光布上，使金相試樣產(chǎn)生劃痕；用少量水將拋光布潤(rùn)濕，在拋光盤的中心處加入適量拋光膏，然后打開拋光機(jī)開始拋光。在金相試樣拋光時(shí)，使試樣磨面與拋光布平行接觸，劃痕與拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)，可稍稍用力以快速消除2000#砂紙產(chǎn)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(jìn)行拋光，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)試樣，除去試樣的細(xì)小劃痕。隨著拋光時(shí)間不斷增加，施加的力度需要慢慢減小，在整個(gè)拋光過程中需要不停加入適量的水，以保持磨面濕潤(rùn)；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(xù)拋光10 s，進(jìn)一步去除肉眼不可見的細(xì)小拋痕。通過對(duì)光觀察磨面是否存在劃痕，在明亮的光線下轉(zhuǎn)動(dòng)試樣，采用不同角度觀察可更好地發(fā)現(xiàn)劃痕。當(dāng)拋面無(wú)劃痕、無(wú)波紋、沒有夾雜物、沒有拋光膏痕跡，變?yōu)楦蓛舻墓饣R面時(shí)，即可侵蝕。

2.2.2 常見問題及措施

首先在拋光前，應(yīng)保證拋光布安置緊實(shí)，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(huì)使試樣易飛出。其次，如果磨面上出現(xiàn)較大劃痕，這可能是由于拋光布上有顆粒物造成，此時(shí)需要清洗拋光布。若劃痕較大無(wú)法拋除時(shí)，則需要將試樣在1500#砂紙上進(jìn)行返工。然后在球墨鑄鐵的拋光過程中，應(yīng)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)存在一些由于石墨脫落留下的坑，而拋光膏用量過少則會(huì)使試樣表面變得暗沉，且劃痕較難消除，需要延長(zhǎng)拋光時(shí)間，所以拋光膏用量需適宜。另外，在球墨鑄鐵拋光即將結(jié)束時(shí)，需將試樣在拋光布上緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈，以防止石墨產(chǎn)生拖尾現(xiàn)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(yīng)及時(shí)消除。最后，拋光結(jié)束后應(yīng)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(shí)得到清晰細(xì)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(jìn)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(jìn)行侵蝕。侵蝕過程中可根據(jù)侵蝕時(shí)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(wú)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?？刂坪脮r(shí)間和力度，謹(jǐn)防竹夾劃到試樣表面。若用侵蝕時(shí)間長(zhǎng)短判斷侵蝕是否成功，則一般將侵蝕時(shí)間控制在10~15 s；若用試樣表面顏色變化判斷，則當(dāng)磨面由光亮變?yōu)槁晕⒒野讜r(shí)應(yīng)停止擦拭，隨后直接用酒精擦拭表面，再立即用吹風(fēng)機(jī)吹干表面殘留酒精。

吹干酒精后，用顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察。注意正確使用顯微鏡，先用低倍鏡再用高倍鏡進(jìn)行觀察，就會(huì)得到清晰正確的微觀組織，其干凈明亮、侵蝕均勻無(wú)劃痕、沒有麻點(diǎn)、沒有水漬、石墨不脫落、無(wú)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(huì)不清晰，晶界不明顯或斷斷續(xù)續(xù)；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(dǎo)致晶界較粗。因此，侵蝕過程需要經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制，并根據(jù)個(gè)人操作手法不同，通過不斷觀察分析來總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。此外，將球墨鑄鐵試樣用腐蝕液擦拭之后，無(wú)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(jìn)行觀察，這樣能大概率避免鑄鐵中球墨被暈染的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

金相試樣制備的質(zhì)量對(duì)試樣進(jìn)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(gè)步驟都可能使試樣磨面產(chǎn)生缺陷，因此，只有通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷探索，勤于思考，善于總結(jié)，并全面分析制備過程中易出現(xiàn)的問題并采取相應(yīng)措施，才能取得進(jìn)步，從而制備出合格的球墨鑄鐵試樣。