球墨铸铁金相试样制备技巧与方法

王 洁

（长春师范大学工程学院，吉林 长春 130032）

金相试样的制备是金属材料微观世界研究的重要部分，对于材料相关专业的学生来说，掌握其制备方法也是一项必备技能。球墨铸铁是一种高强度材料，具有铁的本质和钢的性能，因其强度高、硬度大、耐磨性能优良且成本低的特点，成为二十世纪五六十年代使用较为广泛的铸铁材料之一，现已迅速发展成为应用范围仅次于灰铸铁的铸铁材料，在材料市场上占有重要地位。球墨铸铁试样的金相组织是由基体组织和石墨组成的。其中，基体一般是由珠光体和铁素体组成的单一或混合组织组成；石墨数量、大小、形态不一，常以球状、团状、团絮状、蠕虫状的形态存在，在各种石墨形态中，球形最具代表性。通过对球墨铸铁的金相组织进行研究，可探索其微观结构，判断其性能，制备出可供观察的金相试样，并能得到清晰组织图像，这是得到正确结论的保障。本文对球墨铸铁金相试样制备方法进行分析，提出制备过程中常见问题，总结问题产生的原因以及解决技巧。

1 材料准备

在金相试样制备过程中，实验设备常选用M-2型金相试样预磨机、P-2G型金相试样抛光机、金相显微镜；金相砂纸常选用180#、400#、800#、1000#、1200#、2000#六种型号；抛光时选择金刚石抛光膏、腐蚀液为4%的硝酸酒精溶液、脱脂棉球及竹夹；试样选用球墨铸铁。

2 试样制备

为研究球墨铸铁的金相组织，首先需要制备出用于观察的金相试样，金相试样的制备步骤主要包括试样的磨制、试样的抛光、试样的腐蚀以及金相显微组织显示，每一个步骤都需要操作人员具有较强的动手实践能力。

2.1 磨制

2.1.1 操作过程

在开始磨制时，首先需要磨制试样倒角，否则在磨制和抛光过程中，试样的边缘容易划破砂纸或损伤抛光布。倒角需要用180#砂纸在预磨机上进行磨制：将试样磨面倾斜约45°，使磨面边缘与研磨盘接触，轻轻按压试样并来回旋转试样边缘20°～30°，每3～5 s提起试样逆时针或顺时针单向旋转试样30°后，继续来回旋转磨制，重复操作6～9次，直至倒角圆润，倾斜角度为45°，且磨制宽度一致，约为0.5～1 mm。在磨制过程中还要时刻观察倒角宽度，视情况可适当将倒角加宽，以防在后续磨面磨制的操作过程中，因倒角被大量磨损而返工，加大工作量。

然后开始磨面磨制，该磨制分为粗磨和细磨。粗磨是在倒角磨制之后，继续在预磨机上对磨面进行磨制的过程。将试样磨面放在磨盘半径1/2处，与砂纸平行接触并稍加压力转动试样，其目的是消除磨面上的车痕，使磨面平整，但磨面会出现圆弧状划痕。细磨则是依次使用400#、800#、1000#、1200#、2000#砂纸对磨面进行手工磨制，目的是消除粗磨划痕，得到匀称划痕及平整磨面。细磨过程：将砂纸平放在干净的玻璃板上，左手按住砂纸边缘，防止砂纸滑动，右手紧紧握住金相试样，使整个磨面与砂纸平行接触，稍加压力，从砂纸左端向右端进行单向推磨，而从右端回到左端时，磨面与砂纸不得接触。磨制过程中应注意用力均匀适宜，速度平缓，避免试样发热，否则会影响制样效果。当试样磨至砂纸边缘时，将试样轻轻拿起，以防止金相试样磨面与玻璃板发生磕碰。同时，在同一号砂纸上需要磨2~4道，且每道单程要磨制4~6次，每更换1道需将试样转动90°，以使试样磨面的新划痕与旧划痕垂直，直至上一道磨制的划痕被完全消除，得到均匀且方向一致的新划痕，单程磨制结束。随着砂纸由粗到细的磨制，划痕将越来越细小。

2.1.2 常见问题及措施

试样可能出现斜坡或多面现象，这是由于磨制时用力不均匀造成的。因此，在每次更换角度和更换砂纸时，拿样的方式应与之前保持一致，且将重心放平。磨制一段时间后观察磨面，若发现上述情况，应及时矫正。将试样旋转180°进行磨制，或者利用重心偏向进行矫正，即在磨面高的一边加大力度进行研磨，直至试样磨面平整。在磨制过程中，需保证整个磨面与砂纸接触，即磨痕与试样直径等宽。

磨面还可能出现较大划痕，一般情况下这是由砂纸上存在较大颗粒造成的。所以在更换砂纸的过程中，应擦拭玻璃板，提前将试样和砂纸表面清理干净，在使用砂纸期间，尽量在同一位置进行推磨，磨制过程中还应尽量避免敲击桌面发出声响。

2.2 抛光

2.2.1 操作过程

抛光过程是为了将细磨中产生的划痕消去，得到没有划痕的光滑抛面，进而为之后的侵蚀步骤做准备。首先，需要确认抛光机能够正常运行，将准备好的抛光布平整安装在抛光盘上，保证抛光布干净无破洞；在抛光前要及时将试样和双手冲洗干净，以免细磨过程中有残留的颗粒物掉落在抛光布上，使金相试样产生划痕；用少量水将抛光布润湿，在抛光盘的中心处加入适量抛光膏，然后打开抛光机开始抛光。在金相试样抛光时，使试样磨面与抛光布平行接触，划痕与抛光盘转动方向相垂直；在抛光前期，将试样由中心向外缘，再由外缘向中心做往复运动，可稍稍用力以快速消除2000#砂纸产生的较大划痕；在金相试样磨制中期，将试样置于抛光盘半径1/2处进行抛光，轻轻转动试样，除去试样的细小划痕。随着抛光时间不断增加，施加的力度需要慢慢减小，在整个抛光过程中需要不停加入适量的水，以保持磨面湿润；在后期需加大水量以稀释抛光膏，冲洗磨面上的残留物。将磨面抛成光滑镜面，且看不到划痕及波纹后，继续抛光10 s，进一步去除肉眼不可见的细小抛痕。通过对光观察磨面是否存在划痕，在明亮的光线下转动试样，采用不同角度观察可更好地发现划痕。当抛面无划痕、无波纹、没有夹杂物、没有抛光膏痕迹，变为干净的光滑镜面时，即可侵蚀。

2.2.2 常见问题及措施

首先在抛光前，应保证抛光布安置紧实，若安装不牢固，抛光布容易崩盘伤到手，且抛光过程中，力度不能过大，否则会使试样易飞出。其次，如果磨面上出现较大划痕，这可能是由于抛光布上有颗粒物造成，此时需要清洗抛光布。若划痕较大无法抛除时，则需要将试样在1500#砂纸上进行返工。然后在球墨铸铁的抛光过程中，应控制抛光膏用量，若抛光膏用量过多，球墨铸铁中的石墨易脱落，在观察时会发现存在一些由于石墨脱落留下的坑，而抛光膏用量过少则会使试样表面变得暗沉，且划痕较难消除，需要延长抛光时间，所以抛光膏用量需适宜。另外，在球墨铸铁抛光即将结束时，需将试样在抛光布上缓缓转动几圈，以防止石墨产生拖尾现象，尤其需注意所磨制试样的边缘位置是否存在划痕，若存在应及时消除。最后，抛光结束后应立即用清水清洗抛面，以防止其被空气氧化。

2.3 侵蚀与观察

2.3.1 操作过程

侵蚀过程的目的是为了显示出试样完整的金相显微组织，以便在用显微镜观察时得到清晰细致的组织图像。侵蚀方法一般包括“擦拭法”和“浸入法”两种。其中，擦拭法侵蚀方法：用竹夹将脱脂棉球放入配好的腐蚀液中，将其浸湿，然后将试样倾斜45°，用该棉球在试样磨面上进行擦拭侵蚀。浸入法侵蚀方法：用竹夹直接夹取试样，将试样磨面完全浸入腐蚀液进行侵蚀。侵蚀过程中可根据侵蚀时间或试样磨面颜色变化判断该试样侵蚀是否成功。

使用擦拭法侵蚀前，需要用清水冲洗试样及双手，保证试样表面干净，手上无污物，然后将试样倾斜45°，用腐蚀液浸湿的脱脂棉球擦拭其表面，擦拭过程中保证腐蚀液覆盖均匀。控制好时间和力度，谨防竹夹划到试样表面。若用侵蚀时间长短判断侵蚀是否成功，则一般将侵蚀时间控制在10~15 s；若用试样表面颜色变化判断，则当磨面由光亮变为略微灰白时应停止擦拭，随后直接用酒精擦拭表面，再立即用吹风机吹干表面残留酒精。

吹干酒精后，用显微镜对试样进行观察。注意正确使用显微镜，先用低倍镜再用高倍镜进行观察，就会得到清晰正确的微观组织，其干净明亮、侵蚀均匀无划痕、没有麻点、没有水渍、石墨不脱落、无大小坑。

2.3.2 常见问题及措施

试样侵蚀的均匀适度是球墨铸铁侵蚀过程中需注意的一大常见问题。如果侵蚀较轻，显微图像将会不清晰，晶界不明显或断断续续；相反，若侵蚀过度，试样表面容易被氧化，铸铁中的石墨容易晕染开，导致晶界较粗。因此，侵蚀过程需要经过多次反复实验，对时间进行严格控制，并根据个人操作手法不同，通过不断观察分析来总结经验。此外，将球墨铸铁试样用腐蚀液擦拭之后，无需用清水冲洗表面残留的腐蚀液，直接用酒精擦拭球墨铸铁即可，然后立即吹干进行观察，这样能大概率避免铸铁中球墨被晕染的情况。

3 结语

金相试样制备的质量对试样进行正确的组织鉴定有着直接影响。在球墨铸铁制备过程中，每一个步骤都可能使试样磨面产生缺陷，因此，只有通过反复实验，不断探索，勤于思考，善于总结，并全面分析制备过程中易出现的问题并采取相应措施，才能取得进步，从而制备出合格的球墨铸铁试样。