衛(wèi)志清, 李生志, 王 成, 陳秋龍, 劉 瑩, 龍荷蓀, 樂(lè)金濤

(1.上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司, 上海 201411；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠, 上海 200240；3.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240；4. 天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心, 天津 300301；5.廣東省金屬學(xué)會(huì)理化檢驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)， 廣州 510623)

金相分析是金屬材料研究和質(zhì)量檢驗(yàn)的重要組成部分，在材料研發(fā)、鋼鐵生產(chǎn)和金屬加工等行業(yè)，材料的性能測(cè)試離不開(kāi)金相分析。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，金相檢驗(yàn)技術(shù)也獲得前所未有的進(jìn)步。為使材料能在金相顯微鏡下呈現(xiàn)出真實(shí)的形貌特征，在對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)時(shí)需嚴(yán)格控制金相試樣的制備流程。

金相試樣的制備首先要選取一個(gè)具有代表性的部位，經(jīng)過(guò)切割、鑲嵌、研磨、拋光等制樣工序，使金相試樣獲得一個(gè)粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)要求的表面，供在顯微鏡下進(jìn)行觀察。金相試樣的表面應(yīng)平整，要盡量避免由試樣不平整導(dǎo)致在觀察過(guò)程中各視場(chǎng)不在一個(gè)焦面上的情況。金相試樣表面不允許存在殘留雜質(zhì)和孔洞等制樣缺陷。制備金相試樣應(yīng)包含以下基本要素:能反映出被檢材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)，試樣表面不能有因制樣不當(dāng)產(chǎn)生的塑性變形和損傷，盡可能快地制備試樣，制樣成本要低。

筆者介紹了國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化制樣技術(shù)在金相制樣中的發(fā)展及應(yīng)用，并采用國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化金相制樣設(shè)備對(duì)球墨鑄鐵、碳鋼、白口鐵、離心澆注巴氏合金等材料進(jìn)行了金相制樣。

1 鑲嵌設(shè)備與應(yīng)用

鑲嵌是金相試樣制備過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于一些不易手拿的、微小的、形狀不規(guī)則需要保護(hù)邊緣的、需進(jìn)行自動(dòng)磨拋的試樣，鑲嵌是必不可少的工序。目前，金相試樣鑲嵌技術(shù)主要分為熱鑲嵌與冷鑲嵌，熱鑲嵌需要使用熱鑲嵌機(jī)對(duì)鑲嵌粉末進(jìn)行加熱、加壓、冷卻等使其固化，一般熱鑲嵌的加工溫度在150～200 ℃，主要是用于固定或者包埋對(duì)溫度不敏感的試樣；冷鑲嵌則不通過(guò)加熱的手段對(duì)試樣進(jìn)行包埋，常用于對(duì)溫度或者壓力敏感的試樣。

1.1 熱鑲嵌設(shè)備的現(xiàn)狀

早期的金相試樣鑲嵌機(jī)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，將一個(gè)加熱圈包圍在模套周圍，通過(guò)控制加熱溫度，然后手搖機(jī)械加壓來(lái)完成試樣的鑲嵌。這種鑲嵌機(jī)需要操作人員守在設(shè)備旁邊，壓力不夠了就要手動(dòng)加壓。加熱功率較小，制樣時(shí)間長(zhǎng)。由于沒(méi)有冷卻系統(tǒng)，只能等鑲嵌試樣自然冷卻后方可取樣。通常鑲嵌一個(gè)試樣需要30 min以上，效率較低。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的鑲嵌設(shè)備也在不斷地更新改進(jìn)，基本實(shí)現(xiàn)了試樣鑲嵌的自動(dòng)化，效率也大大提升[1-3]。目前市場(chǎng)上主流的熱鑲嵌設(shè)備，操作時(shí)只需將試樣放置到模套中，加入鑲嵌粉，蓋上上蓋，在設(shè)備上點(diǎn)擊開(kāi)始后即可完成試樣的自動(dòng)鑲嵌和冷卻，基本可以控制在8 min以內(nèi)完成一個(gè)試樣的鑲嵌工作。

1.2 六頭自動(dòng)鑲嵌機(jī)的開(kāi)發(fā)運(yùn)用

許多鋼廠試驗(yàn)室中金相檢驗(yàn)的工作量非常大，每熔煉一批材料，就要制備一批金相試樣，即便使用現(xiàn)有的快速鑲嵌機(jī)依舊跟不上制樣的節(jié)奏。雖然可以通過(guò)購(gòu)置多臺(tái)鑲嵌機(jī)來(lái)解決問(wèn)題，但成本較高，分開(kāi)操作也影響效率。目前國(guó)內(nèi)外已有雙頭的鑲嵌機(jī)，即可以同時(shí)鑲嵌2個(gè)試樣。

圖1 自動(dòng)六頭鑲嵌機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Physical diagram of automatic six-head inlaying machine

為滿足企業(yè)大批量鑲嵌金相試樣的需求，上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司研發(fā)了一款自動(dòng)多頭鑲嵌機(jī)，如圖1所示，其內(nèi)置6個(gè)長(zhǎng)模套，配備中間隔塊，可以同時(shí)完成12個(gè)試樣的鑲嵌，每批次鑲嵌時(shí)間可控制在12 min以內(nèi)。該鑲嵌機(jī)采用大功率液壓動(dòng)力裝置，加熱與冷卻裝置一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)高效，隔離與安全保護(hù)功能齊全。其具備自動(dòng)滑蓋開(kāi)蓋系統(tǒng)，多個(gè)試樣可以一次頂出，免去了操作多臺(tái)鑲嵌機(jī)逐一開(kāi)蓋的繁瑣步驟。操作人員只需放置試樣和添加鑲嵌料，其余操作都是自動(dòng)完成，工作效率高，鑲嵌試樣質(zhì)量好，特別適合生產(chǎn)型企業(yè)制備大批量鑲嵌試樣的工況。

2 磨拋設(shè)備與應(yīng)用

2.1 影響金相磨拋質(zhì)量的主要因素

2.1.1 拋盤轉(zhuǎn)速

拋盤轉(zhuǎn)速越高，磨削能力越強(qiáng)，但也會(huì)使試樣表面產(chǎn)生變形層，對(duì)一些軟質(zhì)材料,變形層會(huì)造成組織的變化，如產(chǎn)生滑移、孿晶等，因此像鋁合金，尤其是純鋁、鈦合金等，一般都希望在低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行拋光。但早期的磨拋機(jī)是單速的，轉(zhuǎn)速很高，有經(jīng)驗(yàn)的制樣者是通過(guò)利用近拋盤中心線速度較低的特點(diǎn)，來(lái)進(jìn)行軟質(zhì)材料的拋光。隨著多速磨拋機(jī)和無(wú)級(jí)調(diào)速磨拋機(jī)的開(kāi)發(fā)運(yùn)用，制樣速率控制難題就迎刃而解。

2.1.2 拋光壓力

拋光時(shí)操作者對(duì)試樣施加的壓力同樣會(huì)對(duì)軟質(zhì)材料產(chǎn)生變形層。常用的磨拋設(shè)備并沒(méi)有控制試樣壓力的功能，全靠操作者的經(jīng)驗(yàn)，制樣效果的不確定性很大。

2.1.3 拋光時(shí)間

拋光時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)度拋光，會(huì)使夾雜物或基體中的石墨等脫落或產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，影響判定，也可能出現(xiàn)磨拋腐蝕坑的情況，而且拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)降低制樣效率。

2.1.4 拋光織物和拋光液

常用的拋光織物有呢、平絨、絲絨、帆布、聚胺脂等。粗拋時(shí)可以選擇回復(fù)性大的拋光織物，即纖維、絨毛長(zhǎng)的拋光織物，其優(yōu)點(diǎn)是拋光磨料能嵌入織物纖維中，不易被離心力甩出，可保持比較高的拋光效率。細(xì)拋時(shí)拋光織物可以選擇纖維或絨較短的拋光織物，或比較薄的拋光織物。

2.1.5 拋光液

一般都采用金剛石拋光液，其拋光速率很快，效率很高，能滿足大部分金屬材料的制樣需要。但對(duì)于一些有色合金或低硬度材料等，應(yīng)選用氧化鋁、氧化硅、氧化鉻、氧化鎂等拋光液進(jìn)行拋光。

2.2 國(guó)產(chǎn)自動(dòng)磨拋設(shè)備在精準(zhǔn)制樣上的優(yōu)勢(shì)

20世紀(jì)末，國(guó)外推出的自動(dòng)磨拋設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)化、程序化精準(zhǔn)制備金相試樣帶來(lái)了可能。不同材料、硬度、檢測(cè)要求的金相試樣通過(guò)試驗(yàn)確定的磨拋參數(shù)可方便地得到精準(zhǔn)制樣的效果。然而，國(guó)外自動(dòng)磨拋機(jī)高昂的售價(jià)使得國(guó)內(nèi)絕大部分試驗(yàn)室望而卻步。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)自動(dòng)磨拋機(jī)以其性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)逐步成為國(guó)內(nèi)許多試驗(yàn)室的首選，筆者以上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司制造的YMPZ-2型自動(dòng)磨拋機(jī)為例(如圖2所示),介紹國(guó)產(chǎn)磨拋機(jī)已具備的一些功能。該自動(dòng)磨拋機(jī)具有雙磨拋盤，可通過(guò)上磨頭的移動(dòng)，順序進(jìn)行兩道磨拋；左右兩個(gè)磨拋盤可以分別實(shí)現(xiàn)100～1 000 r·min-1的無(wú)級(jí)變速，且可以任意選擇旋轉(zhuǎn)方向；上磨頭可以同時(shí)裝夾6個(gè)試樣，可以同時(shí)對(duì)6個(gè)試樣進(jìn)行制備，大大提高了制樣效率；上磨頭旋轉(zhuǎn)方向可以是順時(shí)針的，也可以是逆時(shí)針的，轉(zhuǎn)速可調(diào)(20～120 r·min-1)。上磨頭的旋轉(zhuǎn)不但提高了制樣效率，磨拋時(shí)采用不同的旋轉(zhuǎn)方向也提高了制樣效果和制樣質(zhì)量；上磨頭可以對(duì)磨拋試樣施加垂直于拋盤的可控作用力，對(duì)于不同材料的試樣可設(shè)置不同大小的作用力；磨頭與試樣之間接觸面為球面，可保證試樣始終與磨拋盤平面貼合，不會(huì)出現(xiàn)多磨面現(xiàn)象；機(jī)身上采用液晶顯示屏(LCD)的高清觸摸屏，各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置方便、直觀，并可將設(shè)置好的參數(shù)存儲(chǔ)以方便調(diào)用。

圖2 YMPZ-2型自動(dòng)磨拋機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of YMPZ-2 automatic grinding andpolishing machine

2.3 自動(dòng)磨拋機(jī)制樣示例

采用由上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司制造的YMPZ-2型自動(dòng)磨拋機(jī)，對(duì)常用的一些金屬材料進(jìn)行制樣實(shí)踐，取得了較好的制樣效果，也得到了相應(yīng)的制樣參數(shù)。由于篇幅有限，筆者僅對(duì)球墨鑄鐵、碳鋼、白口鐵、離心澆注巴氏合金等鋼種制樣參數(shù)和實(shí)際效果作一個(gè)描述和介紹，供業(yè)內(nèi)同行參考。另外，對(duì)合金鋼、馬氏體不銹鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金、硬質(zhì)合金涂層、滲硼層、氧化鋁涂層、奧氏體高溫合金等材料的制樣參數(shù)和實(shí)際效果等以后再進(jìn)行介紹。

2.3.1 球墨鑄鐵的自動(dòng)磨拋參數(shù)和效果

由于鑄鐵基體上含有石墨，磨拋過(guò)程中不能將石墨拋落基體而在基本上形成孔洞，也不能將石墨拖出形成拖尾。因此在用砂紙磨的過(guò)程中，盡量從粗到細(xì)多進(jìn)行幾道砂紙磨削。粗磨和細(xì)磨時(shí)，磨盤與磨頭的轉(zhuǎn)向一致，即如果磨盤是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則磨頭也應(yīng)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這樣磨屑容易被水沖走，而不容易帶入磨盤接觸到試樣表面，造成試樣表面劃傷。拋光時(shí)磨盤與磨頭轉(zhuǎn)向應(yīng)相反，即逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，目的是使拋光劑容易保持在拋光織物上，不至于很快被甩出拋光盤。拋光織物選用纖維短小的，因?yàn)殚L(zhǎng)纖維織物容易將石墨帶出基體形成孔洞，或部分帶出，造成石墨不圓整的假象，影響石墨評(píng)級(jí)。

球墨鑄鐵的牌號(hào)有很多種，硬度相差很大，主要是因?yàn)橹楣怏w的含量不同。對(duì)于主要以鐵素體為基體的球墨鑄鐵，磨拋時(shí)壓力相對(duì)較小，而珠光體含量多的球墨鑄鐵，磨拋時(shí)壓力可適當(dāng)增大。每道砂紙磨削時(shí)間不用很長(zhǎng)，一般2 min即可，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1，其顯微組織形貌如圖3所示。

表1 球墨鑄鐵試樣的自動(dòng)磨拋工藝參數(shù)Tab.1 Automatic grinding and polishing process parameters ofnodular cast iron sample

圖3 球墨鑄鐵試樣的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of nodular cast iron:a) nodular cast iron sample 1; b) nodular cast iron sample 2

2.3.2 碳鋼的自動(dòng)磨拋參數(shù)和效果

碳鋼的硬度為200～400 HBW甚至更高。由于碳鋼的組織一般比較均勻，如果沒(méi)有特別的金相檢驗(yàn)要求，磨拋參數(shù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。對(duì)軟材料施加壓力相對(duì)較低，而對(duì)硬材料，施加的壓力則相對(duì)較高，磨盤和磨頭的速度也可以高些。拋光織物選擇長(zhǎng)纖維的，如長(zhǎng)絲絨拋光布等，可以很好地將金剛石磨料嵌于織物纖維中，保持高的磨削效率，碳鋼的金相制樣具體參數(shù)詳見(jiàn)表2和表3，其顯微組織形貌如圖4和圖5所示。

表2 硬度為200 HBW以下碳鋼試樣的自動(dòng)磨拋工藝參數(shù)Tab.2 Automatic grinding and polishing process parameters ofcarbon steel sample with hardness below 200 HBW

表3 硬度為200 HBW以上的碳鋼試樣的自動(dòng)磨拋工藝參數(shù)Tab.3 Automatic grinding and polishing process parameters ofcarbon steel sample with hardness above 200 HBW

圖4 硬度為200 HBW以下碳鋼試樣的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of carbon steel sample withhardness below 200 HBW:a) pure iron; b) 45 steel

圖5 硬度為200 HBW以下碳鋼試樣的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of carbon steel sample withhardness above 200 HBW:a) T8 annealed steel; b) T12 annealed steel

2.3.3 白口鐵的自動(dòng)磨拋參數(shù)和效果

白口鐵是一種含硬質(zhì)相滲碳體的材料。需要注意的是滲碳體硬而脆，磨拋時(shí)用力太大容易使?jié)B碳體破碎脫落，拋光時(shí)應(yīng)避免用長(zhǎng)纖維的拋光織物。對(duì)白口鐵的試樣制備方式則代表了含硬脆相材料的金相試樣制備工藝，白口鐵金相制樣的具體參數(shù)詳見(jiàn)表4，其顯微組織形貌如圖6所示。

表4 白口鐵的自動(dòng)磨拋工藝參數(shù)Tab.4 Automatic grinding and polishing process parameters ofwhite cast iron

圖6 白口鐵的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of white cast iron:a) hypoeutectic white cast iron; b) hypereutectic white cast iron

2.3.4 離心澆注巴氏合金的自動(dòng)磨拋參數(shù)和效果

巴氏合金(滑動(dòng)軸承合金)的特征是軟基體上含有硬質(zhì)點(diǎn)，因此拋光過(guò)程中采用短纖維拋光織物，氧化鋁或氧化硅拋光液。拋光時(shí)間盡量短，防止軟基體過(guò)度被拋光，形成浮凸。離心澆注巴氏合金金相制樣的具體參數(shù)詳見(jiàn)表5，其顯微組織形貌如圖7所示。

表5 離心澆注巴氏合金的自動(dòng)磨拋工藝參數(shù)Tab.5 Automatic grinding and polishing process parameters ofcentrifugal casting Babbitt alloy

圖7 離心澆注巴氏合金的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of centrifugal casting Babbitt alloy:a) centrifugal casting Babbitt alloy 1;b) centrifugal casting Babbitt alloy 2

3 結(jié)束語(yǔ)

(1) 對(duì)不同材料、不同檢測(cè)要求的試樣，金相制樣的工藝參數(shù)是不一樣的，制樣不良可能會(huì)造成分析結(jié)果的偏差。應(yīng)保證制樣過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，使檢測(cè)結(jié)果正確一致，有效避免因人而異的制樣過(guò)程所造成的檢驗(yàn)結(jié)果差異。

(2) 采用由上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司制造的自動(dòng)制樣設(shè)備制備的金相試樣，完全滿足相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，大幅提高了金相制樣的質(zhì)量和效率。

(3) 金相制樣設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用程序控制的自動(dòng)化，考慮到設(shè)備的性價(jià)比，目前磨拋機(jī)還不能進(jìn)行自動(dòng)換盤、換砂紙或拋布等步驟，但對(duì)于企業(yè)大批量金相試樣的制備，目前的自動(dòng)金相制樣設(shè)備不失為提高金相制樣效率的有力保障。國(guó)產(chǎn)自動(dòng)金相制樣設(shè)備還需繼續(xù)摸索和提升。