球墨铸铁和铝硅合金金相试样制备技巧

【摘 要】本文以球墨铸铁和铝硅合金为金相制样的典范，介绍在金相试样制备过程中的取样、磨制、抛光和侵蚀过程中常出现的问题、产生原因和解决技巧，总结了试样制备的一些小技巧，本文作者在第四届“蔡司・金相学会杯”全国高校大学生金相大赛中获一等奖，在日常训练和参赛经历中，对金相试样制备有一些的领悟和见解，实践证明，掌握了一定的制备技巧，可快速制备高质量的金相试样。

【关键词】球墨铸铁；铝硅合金；金相试样

球墨铸铁的硬度高，而铝硅合金的硬度较低，两者是实验室金相试样制备的典型金属材料。金相显微分析是研究材料内部组织的重要方法之一，试样制备的目的是为了展示材料的真实显微组织并使其得以准确观察、鉴定、记录和测量。众所周知，合金的成分、加工工艺等因素直接影响金属材料的内部组织结构的变化，用金相分析的方法来观察检验金属内部的组织结构是工业生产中的一种重要手段，材料测试和分析，试样制备是关键，笔者根据反复实验总结了球墨铸铁和铝硅合金两种试样制备过程中出现的问题、产生原因和解决技巧，以期为初学者提供帮助，其他金相检验工作者也可以借b。

1 金相试样的取样

从被检验材料或零部件上切取一定尺寸试样的过程称为取样。选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析极其重要的一步，包括选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。

1.1 试样的取样原则

取样部位应具有代表性，所取的试样能真实反映材料的组织特征，取样部位要根据金相分析的目的来取。试样截取的部位确定后，还需进一步明确选取哪一个截面作为金相试样的磨面，磨面一般分为横截面与纵截面，这两个截面研究的目的是不同的。

横截面主要研究：试样从中心到边缘组织分布的渐变情况，表面渗层、硬化层、镀层等表面处理的深度及组织，表面缺陷以及非金属夹杂物在横截面上的分布情况，即类型、形态、大小、数量和分布及等级等。

纵截面主要研究：非金属夹杂物在纵截面上的分布情况、大小、数量及形状，金属的变形程度，如有无带状组织存在等。

有时为了研究某种组织的立体形貌，在一个试样上选取两个互相垂直的磨面。对于裂纹、夹杂物的深度测量，往往也需要在另外一个垂直磨面上进行。

试样截取时的注意事项：

1）保证材料不发生任何组织变化。

2）尺寸大小要合适，易于磨制为宜。推荐尺寸球墨铸铁试样？准17×18，铝硅合金？准16×20。试样尺寸以磨面面积小于400mm2、高度15-20mm为宜。如果没有特殊要求，一般情况下要对试样进行倒角，以免在以后的制备过程中划破砂纸与抛光布。

3）截取试样时应注意保护试样的特殊表面，如热处理表面强化层、化学热处理渗层、热喷涂层及镀层、氧化脱碳层、裂纹区以及废品或失效零件上的损坏特征，不应因截取而造成损伤。

以上所述是取样的一般原则，对于一些常规检验的取样部位，有关的技术标准中都有明确的规定，必须严格执行。

1.2 试样的截取方法

试样的截取方法很多，常用的有：

1）电切割：电火花切割、线切割。

2）气切割（氧-乙炔火焰）。

3）机械切割：切割机、锯（手锯、锯床）、机床（车床、剪床、刨床）、敲击。具有一定硬度的材料如普通碳钢、普通合金钢、淬火处理后的材料用砂轮切割机或电火花切割。常用的切割方法是薄片水冷砂轮切割机，砂轮厚度在1.2-2.0mm，规格为？准250×1.5mm。砂轮片是由颗粒状碳化硅（或氧化铝）与树脂、橡胶粘合而成[1]。

2 试样的磨制

2.1 试样粗磨出现的问题

在砂轮机上磨制易出现试样烫手的情况，和表面变黑氧化现象。

产生原因：由于砂轮机的转速极快，在砂轮机上磨削容易产生大量的热，并且接触压力越大，产生的热量也越大，变形也越大，从而使试样表面过热，组织氧化且发生变形。

解决技巧：操作时手持试样前后用力要均匀，接触压力不可过大，待表面基本平整将试样由砂轮外圆移到砂轮侧面磨平，力度逐渐减小，以防过量发热及机械变形。磨制时要不断冷却试样，以保证试样的组织不因受热而发生变化。凡不作表面层金相检验的试样必须倒角。软材料（如铝硅合金）操作要用锉刀锉平，不能在砂轮机上平整，以免产生较大的粗磨痕与大的变形层。平整完毕后，必须将手和试样清洗干净，以防止粗大沙粒带入下一道工序，造成较深的磨痕[1]。

2.2 试样细磨出现的问题

1）球墨铸铁和铝硅合金在磨制过程磨面中有明显的磨痕不一致现象且出现多个面。

产生原因：在磨面上施加的压力应力不均衡或者磨制的姿势不规范。

解决技巧：单程向前推进，返程试样提离砂纸。随砂纸号换细，力度也逐渐减轻，与上道磨痕成90。推磨至其完全被覆盖。如出现多个面，可针对凸起的面加深力度推磨，随时观察，较易恢复成一个平面。

2）磨制过程中出现极少量不同方向的划痕。

产生原因：可能是上道砂纸上的大颗粒掉落到砂纸上，操作者的手上或磨面上粘有大颗粒带入到砂纸上，也有可能玻璃板不干净，上面有沙粒。所以在磨削过程中出现不同方向的划痕。

解决技巧：砂纸的叠放顺序为由细到粗，每次进入下道磨制时，都需将砂纸倾放掸去表面杂质，清洗或用纸巾轻抚手和试样。水磨会极大减少以上情况的产生。

3）铝硅合金在磨制过程中易出现大颗粒硅，导致大而深的划痕出现。

产生原因：铝硅合金质软，容易在磨削过程中因为产热而表面被氧化变黑。铝硅合金中的大颗粒硅在磨削过程中易脱离磨面，致使大而深的划痕出现，极大影响了效率。

解决技巧：磨制铝硅合金的力度要控制合适，边推磨边清理砂纸。编者在多次实验发现大颗粒出现是在W1000这道砂纸上，所以可以在不影响磨制效果的情况下，可以尽量避免使用该道砂纸。一旦出现大划痕可在清理砂纸的情况下，在本道砂纸上垂直该划痕推磨直至消除。

4）过旧的砂纸不宜继续使用。

原因：因旧砂纸上的磨粒已变钝，磨削的效果较差[3]，并且旧砂纸不利于保护试样中的石墨，会使石墨部分脱落，脱落形成的空洞会由于周围金属的变形而变小或由于侵蚀而扩大，同时空洞容易被污物填充，影响石墨评定的正确性[2]。因此应及时更换新的砂纸。

3 试样的抛光

试样抛光过程中出现的问题

1）抛光过程中操作者身上易被溅上抛光液而需穿操作服。

产生原因：抛光机的抛光罩因离心力转飞，引起抛光液四溅；因压力过大或抛光布不平整，抛光液从抛光中的试样的前端或后端飞溅。

解决技巧：在固定抛光布时，一定注意将抛光布拉平、箍紧。抛光罩要安装好再打开开关。抛光过程中力度要适中，随时观察，试样由抛光盘的边缘移向中心，压力逐渐减轻。

2）抛光过程中的飞样问题。

产生原因：抛光转盘顺时针转动，造成飞样；抛光过程中，试样不平衡抛光，造成飞样。

解决技巧：开启抛光机的开关，保证抛光转盘逆时针转动。抛光时手要握紧试样，用力要均匀，使试样整个磨面同时进行抛光。

3）抛光时抛光效率低，磨面失去金属光泽；铝硅合金还出现抛伤表面，出现麻点和黑斑的问题。

产生原因：抛光时抛光液的浓度过高不会提高抛光速度，浓度太低则会明显降低效率。湿度不足容易使磨面产生过热或粘结抛光剂并降低性，磨面失去光泽，软合金易抛伤表面，出现麻点、黑斑[1]。湿度太大会减弱抛光的磨削作用。

解决技巧：检验抛光织物上的湿度是否合适的办法是：观察试样抛光面上的水膜蒸发时间，当试样离开抛光盘后，抛光面上附着的水膜应在2-5s内蒸发完毕。

4）抛光过程中一些较软的试样如铝硅合金、铅、锡、锌等，易产生表面变形层的问题。

产生原因：抛光压力太大，抛光时间太久，或者反复抛光。

解决技巧：可用抛光―浸蚀交替操作或抛光―化学抛光方法进行消除[1]。抛光层一旦出现需要在较细的砂纸上进行重新磨制，以消除变形层。

5）抛光试样表面一直荡有水膜和同一个方向的水痕。

产生原因：有水膜是因为抛光液加的量过多。沿一个方向抛光，出现同向的细小划痕，所以出现同一个方向的水痕。

解决技巧：在抛光要结束时，可以采用用清水转抛的方法，因为抛光膏都具有一定的颗粒度，仍存在细小的划痕，转抛可以，使各个方向抛光均匀，以防出现一个方向的水痕。

6）球墨铸铁抛光时会出现大多数石墨沿同一个方向“拖尾巴”问题，即石墨曳尾题。

产生原因：抛光过程中试样的自传不够造成，抛光织物丝绒的绒毛过长也会产生曳尾问题[2]。

解决技巧：抛光时，试样不但要沿抛光盘的半径方向来回移动，还要不断自转，即试样和握持的手指间要有相对运动。

4 试样的侵蚀

试样侵蚀中出现的问题

1）试样侵蚀后，表面不是光洁的镜面状，而是不干净的。

产生原因：因为试样侵蚀不均匀。

解决技巧：最好选用浸入腐蚀法，可以保证试样整个面同时被腐蚀，而且确保被侵蚀面水平夹持冲洗干净，不会出现腐蚀不均匀现象。滴蚀法和用棉花蘸蚀法都需确保整个抛光面同时接触腐蚀液。

2）试样侵蚀后，在金相显微镜下几乎看不到晶界，或试样表面出现花斑。

产生原因：侵蚀时间没有把握好，试样侵蚀不够，则在金相显微镜下的晶界很少；试样侵蚀过度，表面被氧化，出现花斑。

解决技巧：侵蚀时试样变成浅灰色，需马上用清水冲洗。如果发现侵蚀不够需再次侵蚀，侵蚀过度则需重新抛光。球墨铸铁侵蚀时间一般为4-5秒，铝硅合金侵蚀时间一般为5-6秒。

特别需要注意的是已经制备好的试样应保存好，主要是防止生锈和机械损伤。一般将试样放在装有干燥硅胶的干燥缸内，并在缸盖上涂上凡士林密封，在缸内应铺上绒布[1]。

5 结语

金相试样的制备是显微组织检验过程中一个极其重要的环节，要快速制备高质量的球墨铸铁或铝硅合金金相试样，关键要掌握好磨制、抛光和侵蚀这几个环节的操作，同时了解不同试样的各自特性，在实践操作中不断去摸索并总结经验，熟能生巧，从而制备出高质量的金相试样。

【参考文献】

[1]葛利玲.材料科学与工程基础实验教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]燕样样.浅谈铸铁金相试样制备方法[J].金属热处理，2007，32（3）：104-105.

[3]宗斌，王国红，魏国建.试样磨、抛光中的技巧[J].理化检验――物理分册，2005，41（2）：101-102.