球墨铸铁金相试样制备方法与技巧

2020-11-13郭林秀

山西冶金 2020年5期

郭林秀

（山西工程职业学院，山西太原 030009）

球墨铸铁的性能取决金相组织，球墨铸铁的金相组织可以认为是由钢的基体与不同形状、数量、大小及分布的石墨组成，其中，基体往往是不同数量的铁素体、珠光体、甚至自由渗碳体组成的单一或混合组织，石墨通常以球状、片状、蠕虫状、棉絮状，球形是最具代表性的形态。研究球墨铸铁的金相组织，首要的任务是制备供观察的金相试样，这是金相学研究的重要部分，也是得到清晰组织图像，得出正确结论的保障。制备金相试样不仅需要耐心细心，更需要经验和技巧。本论文以铁素体型球墨铸铁为例，分析金相试验制备的方法，以及制备过程中常见的问题与对策。

1 金相试样的制备

实验用球墨铸铁练习样由武义恒宇有限公司提供，尺寸为Φ18 mm×20 mm 的圆柱体，其组织成分为100%的铁素体基体，石墨球分布在铁素体的基体上。铁素体强度、硬度比较低，塑性、韧性较好，石墨也是一个强度低、塑性好的组织。在球墨铸铁中，石墨镶嵌在铁素体基体中，以物理方式结合，无分子间作用力。因此在制备金相样品时，用力不能太大，且要防止石墨脱落等。对于金相练习样，经过磨制、抛光、侵蚀三个工序制备好试样，再经显微镜观察检验制样效果。

1.1 试样的磨制

试样经过切割，表面粗糙，且有厚厚的变形层，需要用金相砂纸打磨，即磨制。选用碳化硅（SiC）砂纸，因碳化硅具有高的强度，磨削能力强，具有玻璃光泽，便宜且寿命长，是理想的金相水磨砂纸磨料。碳化硅金相砂纸根据不同的附着粒度，有不同的型号，常用的有180号、320号、400号、600号、800号、1000号、1200号、1500号、2000号九个号，号也称为目。目是一个单位，含义是在1 平方英寸的面积上筛网的孔数，每一个孔就叫一目，那么筛孔越多，磨料就越细，目数就越高。

根据试样的软硬程度和表面粗糙程度，选择砂纸的型号，经过实验验证，本实验选180号进行倒角，磨掉切割的车痕，基本消除切割引起的变形层。磨制操作如下页图1 所示。磨制过程中必须使整个试样水平接触砂纸，推后砂纸上留下的磨痕与试样宽度相同（保证整个面都可以磨到，以达到磨平），同时，注意磨制力度和速度，用力太大会引起试样表面产生新的变形层，磨制速度太快，导致试样发烧，也会引起试样组织的变化，影响制样的效果。重复图1所示的操作，直到试样表面的划痕方向一致，无杂痕。冲洗样品和手，换320号砂纸，将制样旋转90°继续磨制，磨制方法和180号砂纸一样，当划痕方向均匀的和磨痕方向一致，且完全消除180号砂纸留下的磨痕时，换下一道砂纸。逐一换600号，1000号，1200号，1500号砂纸，进行推磨，砂纸越细，力度要越轻。

整个磨制过程要注意，球墨铸铁的石墨结合力弱，容易脱落，磨制时力度要稍轻，同时，要观察在砂纸上留下的磨痕，若出现白色线状痕迹，很有可能存在石墨脱落到砂纸上，及时清理。还要注意，在每次换砂纸时，一定要保证完全磨掉上一道次留下的磨痕，否则，最终的样品组织中会出现划痕现象。如何判断每张砂纸是否磨好，应观察表面划痕是否都清晰平行，无交叉，无其他方向划痕，划痕从试样倒角边缘起到试样另一边缘终，无间断，试样表面无局部发白，试样表面反光亮度相同，划痕粗细一致。

图1 磨制过程示意图

1.2 试样的抛光

经磨制后，球墨制铁金相试样表面有1500号砂纸留下的细划痕且表面仍有形变扰动层，影响正确的组织显示，需要进行抛光，消除这些问题。本次实验抛光机为HVP-1 金相试样抛光机，抛光盘直径为Φ203 mm，抛盘转速1400 r/min，输入电压为单相AC220 V、50 Hz。抛光布用海军呢。

安装好抛光布后，打开抛光机，用洗瓶在抛光布上滴加一定的水来润湿抛光布。湿度均匀后关停抛光机抹抛光膏。在抛光盘半圈上、下两边对应涂抹，涂抛光盘半圈的1/3 长度，且抛光膏一边距边缘1/3，一边距中心1/3，如图2 所示。试样要位于抛光盘的右侧（防止试样飞出后伤人），手臂带动试样进行左右摆动抛光，并在抛光过程中可以将试样进行旋转，这样既能达到抛光效果，又能有效防止石墨脱落。重复进行，抛光过程要适时添加冷却水，控制好抛光布的湿度。

图2 抛光操作示意图

当试样抛光面上肉眼看不到划痕，整个抛光面平整光亮如镜，可清晰映像时，抛光完成，在抛光盘中心用水冲洗样品，将多余的抛光膏洗掉。抛光完毕，再次用水冲洗试样和手。抛光的样品在显微镜下观察，检验抛光效果。铁素体型球墨铸铁抛光后在金相显微镜下的组织为白色底色上分布着石墨球。

1.3 试样的腐蚀

采用擦拭法进行腐蚀，腐蚀剂用4%硝酸酒精，酒精为分析纯，硝酸为分析纯，自己配制。

1）酒精擦拭试样表面。表面腐蚀前先用酒精棉球轻轻擦拭试样表面，（棉球要基本滴湿，滴约2 mL试剂）。

2）腐蚀试样表面。边自转试样边用滴有硝酸酒精的棉球水平轻轻擦拭抛光后的试样端面，对好试样与灯光的角度，注意观察试样抛光面变化，待其由亮转为浅灰白色或灰色后，终止腐蚀。

3）吹干。腐蚀后，立即用酒棉球擦拭并用吹风机快速吹干。吹干时，试样表面与电吹风不可太近，不使用热风。

制备好的金相试样在显微镜下观察与分析。

2 常见制样问题与对策

图3 球墨铸铁各种金相组织图

如图3-1 和3-2 是铁素体型球墨铸铁的标准金相组织图，组织为“铁素体+球状石墨”，铁素体基体上离散分布着球状石墨。球状石墨与铁素体之间的相界面以及铁素体晶界清晰可见。

如图5-3 所示，制备好的金相试样其组织在100×下有一个方向的大划痕，主要是粗砂纸磨制是力度太大，且磨制时间不够，导致粗大划痕，这种划痕在后期很难处理掉。因此，金相制样时粗砂纸磨制是基础，勤学多练掌握技巧。图5-4 是金相试样在金相显微镜下放大500×的组织图，可以观察到晶内细划痕，这主要是抛光不够引起，可以适当延长抛光时间。

图5-5 是金相试样在金相显微镜下放大500×的组织图，很明显铁素体晶粒内有很多黑点，这可能是坑点，也可能是抛光时石墨脱落后，沾到组织上引起的。在制样过程中，把握力度可以解决这一问题。图5-6 存在两个问题，一是石墨球边缘不完整，好像“飞”起来的感觉。这主要是抛光时抛光了或者抛光时按压力度太大或者抛光时没有旋转试样引起的。二是组织中有明显的氧化现象，球墨铸铁制样时不易见水，因球墨与铁素体在存在水的环境下，球墨与铁素体分别作阴极与阳极，形成电化学腐蚀，铁素体会迅速氧化生锈变黄，因此，冲洗完立即用酒精擦拭试样脱水（防止生锈），洗手，用吹风机将试样与手都吹干。