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現代金相試樣製備技術

2015-11-20 09:51:00

李炯輝     上海市機械工程學會理化檢驗專委會
 
    【摘要】本文介紹的現代金相試樣製備新技術,它可在更短的時間、更低的製樣成本,能正確地顯現被檢材料的真實組織;同時能更好地實現重現性。
 
     金相試樣製備的好壞,對被檢測材料內在組織真實地顯現有極其重要的關聯。如果樣品製備的不好,將不能顯示被檢材料的真實組織,會導致錯誤的結果,達不到檢驗的目的,為此應引起金相檢驗人員對製樣技術的高度重視。

     一、金相製樣樣品要求
 
     在具有代表的部位選取金相試樣。試樣表麵應平招、光潔、無劃痕、邊緣不倒角;顯小被檢材料的真實組織,磨麵應無塑性變形和熱損傷產生,磨麵中夾雜物不被汙染和拉曳。樣品製備過程的時間應盡量縮短,應在可接受的時間內完成,應把每個試樣的製樣成本控製在可接受的範圍內。
 
    製樣方法有切割、鑲樣和研磨/拋光三道上序,以下簡述各上序。
 
    二、切割
 
    1.樣品切割的基本要求
 
    最佳的切割平招度;最小的變形和組織變化;高的精準度;高的切割速度;最經濟的效果;能獲得良好的後續操作。
 
    2.常用的切割方法
 
    熱切割技術並包括:等離子電弧切割、激光束切割及電火花線切割。
 
    機械切割技術並包括:鋸、濕式砂輪切割、精密濕式砂輪切割。
 
    樣品的性能與規格:尺寸70mm×15mm×150mm;材料42CrMo4;冷軋;熱處理狀態退火;硬度為:390~360HV10。
 
    各種切割方法結果對比如表1所小。切害」技術比較如表2所示。
 
    3.濕式砂輪切割技術
 
    濕磨料的切割是金相試樣最佳的切割方法(見圖1)。切割時,切割輪上的磨料粒子如同小上具,囚此切割輪的磨損就是切割作用的結果。加入高壓冷卻水,可防止由於表麵過熱IfIJ造成的損傷。其理想狀態為:新鮮磨料始終存在於砂輪外緣。切害」輪的切削掉落作用小意見圖2。
 
    4.切割砂輪
 
    (1)濕式切割論不同的設計包括易耗型切割輪和長壽型切割輪。上述烈號切割輪有不同尺寸(直徑或厚度),如圖3所示。

    (2)不同磨料類型:Al2O3、SiC、立方氮化硼及金剛石;特性:磨料的濃度、顆粒尺寸、空間分布狀態和均勻性。
 
    (3)粘結劑類型:酚醛塑料、金屬、橡膠;特性:硬度和孔隙率。
 
    (4)易耗型切割輪的特點Al2O3及SiC切割輪(見圖4)。其優點是高效、便宜;缺點是不耐用、較脆。
 
    (5)長壽切割輪的特點金剛石及CBN切割輪(見圖5)。其優點是耐用;缺點是價格較高。
 

   
    5.影響切割輪質量的因素
 
    (1)切割輪類型正確選擇切割輪是保證低變形、平整麵和低成本的準則。如果計算整個過程的實際消耗,那麽價廉質低的切割輪很少會帶來較低的成本。
 
    切割輪由磨料材料和粘結劑組成,典型的有酚醛樹脂或金屬等組成。切割輪會有不同的磨料,如Al2O3、SiC、CBN或金剛石等,應按照被切割材料的硬度和韌度來選擇。
 
    (2)切割機功能切割機極大地影響整個切割過程的質量和效率,為得到最佳的結果,應注意下列因素:①恒定進給速度,可以獲得極為均勻的表麵。②自動切割,可以獲得高重現性。③電子控製進給速度降低,以保護樣品和切割輪。
 
    (3)冷卻①試樣必須夾持緊,目前有快速夾緊夾具和平麵壓緊夾具兩種。②切割時減少砂輪與工件的接觸麵積,是提高切割效率的有效措施;最新型切割機切割時采用強有力的冷卻,可以減少切割輪的磨損和提高切割效率。③最近國外有增加冷卻能力的新型切割輪問世。STRUERS公司的2007-2008新型切割片可提高切割輪冷卻能力50%,可以大大節省切割輪的消耗(見圖6)。
 
    6.現代切割機
 
    隨著科學技術的發展,現代切割機(見圖7)從手動發展到手動/自動、全自動,切割形式從單一的自上而下到上下擺動、前後上下移動等多種程序切割的形式。切割試樣的直徑,從80mm、90mm、105mm、125mm直到160mm,有不同型號的切割機。
 
    三、鑲樣
 
    適用於尺寸很小、形狀複雜、需要保護邊緣(如脫碳、滲鍍層、塗覆層試樣)、多孔或有裂紋試樣,以及PCB線路板、鍍層孔隙和需要標準的形狀的情況。
 
    鑲樣方法包括:

    (1)機械鑲樣 用機械的方法將試樣固定。
 
    (2)熱鑲樣 用酚醛熱塑性樹脂固定試樣。
 
    (3)冷鑲樣 對熱過敏的材料,可用冷鑲樹脂固定試樣。
 
    熱鑲樣需要用熱鑲樣機(見圖8)來鑲樣,先進的熱鑲樣機可預先將加熱溫度、壓力、時間,冷卻水流量、冷卻時間以及加入鑲嵌樹脂量等設置好,它可自動按程序進行鑲樣,鑲好後會自動報警,整個過程即結束。

 
    冷鑲樣特別適用於熱敏感、壓敏感的材料;用於大批量簡單試樣的鑲樣;固化時間短,收縮率低,粘附性強,邊角保護好,抗磨性好;適用於微電子工業的超高速鑲樣,以及脆性材料的真空浸漬。冷鑲樣機如圖9所示。
 
    冷鑲樣樹脂包括:環氧樹脂、丙烯酸樹脂和聚酯樹脂(如圖10所示)。冷鑲工具如圖11所示。熱鑲樣效果如圖12所示。冷鑲效果如圖13所示。
 
 
 
 
    四、研磨拋光
 
    為得到一個能在光學顯微鏡下觀察的粗糙度低的表麵,需對試樣進行研磨拋光。經切割的表麵留有80#粒度的磨痕,要得到鏡麵一樣的表麵,就必須利用從粗到細的磨粒的金相砂紙來進行研磨,逐漸接近極理想的細劃痕的表麵。一般將研磨分為粗磨和精磨兩個步驟。
 
    圖14為砂紙磨光過程中試樣表麵變形層消除示意情況。其中A、B、C分別表示試樣表麵總變形層。A為嚴重變形層;B為中等變形層;C為微小變形層;D為無變形層的原始組織。
 
    研磨步驟:第一步,粗磨後試樣表麵的變形層;第二步,磨光後表麵的變形層;第三步,精磨後試樣表麵的變形層;第四步,磨光後試樣表麵存在的微小變形層。
    
    磨光砂紙有幹砂紙和濕砂紙兩種。砂紙上的磨料有SiC和Al2O3兩種,前者磨料硬度2700HV,後者磨粒的硬度為2000HV。SiC砂紙對MD-Piano磨削速率比較如圖15所示。

    采用磁性研磨盤的新型拋光機(如圖16所示),僅用單盤研磨/拋光機就可以完成試樣的研磨/拋光工序。新型拋光機由三個部分組成:夾持多個試樣的磨頭;帶磁性單盤研磨/拋光機;帶編程控製的自動滴液器。
 
    目前最新的磨盤不是簡單的一個鋁盤,而是在鋁盤上有一層磁性材料構成的磁性盤;這樣可以很方便地放置磨盤或拋光盤,使製樣發展到三道快速製樣工藝;同時它既省時又省料。
 
    MD(研磨盤)粗磨盤有200mm,250mm,300mm三種規格。
 
    MDPiano,金剛石粗磨盤,適用於磨>150HV試樣,有80#、120#、220#、600#、1200#粒度,常用為220#磨盤。
 
    MDPrimo,SiC粗磨盤,適用於磨<150HV試樣,有120#、220#兩種粒度,常用為220#磨盤。
 
    試樣切割後的切割麵,可直接置於MD-220粗磨盤上進行粗磨,轉速300r/min。
 
    MD精磨盤有200mm、250mm和300mm三種規格。
 
    可將經220#粗磨的試樣,直接於精磨盤上精磨,盤的轉速為150r/min。
 
    MD-Allegro適用於硬度>150HV的試樣精磨,需加15μm或9μm的金剛石懸浮液磨料和潤滑劑。MD-Largo適用於硬度≤150HV韌、軟試樣精磨,需加15um或9um金剛石懸浮液磨料和潤滑劑。拋光經精磨後的試樣,可置於拋光盤上進行拋光,可用3μm的金剛石懸浮液進行拋光,直至可以在顯微鏡下觀察。如需拋光表麵更潔淨,可用0.04m的氧化物拋光液進行細拋30~60s即可。
 
    采用MD係統對金相樣品進行研磨與拋光是一個更好的解決方案,它具有以下優點:
 
    (1)操作更方便。                  (2)樣品品質更高。
 
    (3)製樣步驟更簡單。            (4)製樣時間更少。
 
    (5)製樣成本更低。               (6)維護更少。
 
    通用製備方法:2502000HV(見表3)。
 
    
    30mm直徑鑲嵌好後的樣品如圖17所示。
    通用製備方法:30~250HV(見表4)。30mm直徑鑲嵌好後試樣如圖18所示

 

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