浅谈岩矿样品制样设备的现状及发展趋势

2021-11-30方明山刘方明肖仪武

矿冶 2021年1期

方明山刘方明肖仪武陈帮

(矿冶科技集团有限公司矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 102628)

岩矿样品的制备是将岩石或矿石样品通过切割、磨平及抛光等工序磨制成光片或薄片的过程。岩矿光片是原矿块状样品经过切、磨、抛等工序后制备出的光片，主要用于在偏光显微镜下采用反射光系统对不透明矿物进行鉴定和分析。岩矿光片的磨制包括样品切割、粗磨、中磨、细磨、精磨以及抛光等流程。基本要求是：必须具有较高的光泽度，矿物间的相对突起不应太显著，表面没有凹穴、擦痕和麻点等。薄片是将岩矿标本切割磨制成厚度0.03 mm左右的切片粘在载玻片上，加盖玻片后用于偏光显微镜下观察的片子，主要用于在偏光显微镜下通过透射光系统对透明矿物的研究。薄片的磨制包括样品切割(包括样品的粗切和精切)、粗磨薄片、薄片的精细磨薄和厚度检验等工序[1-3]。

岩矿样品光片或薄片在经过上述的处理工序后，质量合格后即可用于光学显微镜下观察，并开展相应的研究和测试分析工作。

1 岩矿样品制样设备的现状

在岩矿样品的制备过程中，不管是光片还是薄片都需要经过切割、磨抛等关键工序，都会用到相应的制样设备。但到目前为止，国内外市场上都没有专门针对岩矿样品的自动制样设备。目前我国大约有超过1 000家的地质队，60所以上的地质类高校以及一大批从事地质、矿业研究的单位和公司，在工作过程中都需要进行岩矿样品的制备。

为满足强烈的市场需求，只能退而求其次，通过其他的专用设备来替代。由于自动制样设备在金相领域应用效果良好，相对来说已经比较成熟[4-5]，而且金相样品的制备过程和步骤与岩矿样品基本一致[6]，所以一些单位就使用金相的自动切割、磨抛机来制备岩矿样品。

1.1 主要设备的国内外现状

目前，国外的自动切割、研磨抛光设备主要针对金相产品，代表性生产厂家有丹麦的司特尔(Struers)公司、美国的标乐(Buehler)公司、美国的力可(Leco)公司以及土耳其的美康(Metkon)等公司。

同普通机械行业中的金属切割不同，金相试样切割有它自身的要求和特点，金相试样对保持原有组织状态要求比较严格，即必须保证所截取试样的金相组织与原部件金相组织一致。在金相中最常用的是薄片砂轮切割，其优点为：切割面比较光滑平整，截面与轴线的垂直度好，可以切割较高硬度的材料。国外代表性的产品有美国力可(Leco)公司的MSX系列切割机，美国标乐(Buehler)公司的AbrasiMet系列砂轮切割机。目前，国内也已在国外的基础上开发设计了多种新的切割机，但多是仿造，与国外的相比，国内开发设备切割直径小、切割质量差，且适用范围窄。金相样品的自动切割机可基本满足岩矿样品的粗切要求，即将不规则状的块状样品切成厚度1 cm左右，长和宽在2～4 cm的片状样品。但是，有些岩矿样品易碎，所以在切割方式上还需要改进。

在自动研磨设备方面，丹麦司特尔(Struers)公司研制的Abrapol系列半自动金相研磨/抛光机、Tegramin系列自动研磨/抛光机。试样夹具和磨抛盘分别由不同的电动机带动，转动方向相反。夹具与抛光盘之间的压力可以在0～700 N内任意调节。当到达预定磨抛时间后，夹具自动抬起并停止。夹具的特点是能适应各种形状的试样，具有很高的抛光效率，而且试样的抛光质量能达到金相分析的要求。美国标乐(Buehler)公司代表性的产品有EcoMet 250/300/pro 研磨/抛光机系列，能够满足各种类型金相样品的常规打磨和抛光，其操作界面友好、彩色液晶显示、触摸式操作，最多可以设置50个常用工作程序，整个过程的每个工序之间都进行夹持器和样品的清洗与烘干。抛光时，试样由抛光臂按照一定轨迹在抛光盘内运动。抛光臂上的压力可根据需要调节，最大可达20 N。在预定的抛光时间内，此压力将逐渐自动减小到零，这样可减少抛光缺陷。抛光臂的速度也可以调节，每道工序只需2～5 min。此外，机器整体采用铸铝设计，增加了产品的耐用性与稳定性。美国力可(Leco)公司的BG系列磨/抛机，采用完全封闭式砂带紧绷机械装置，有效减少了皮带的滑动，同时改善了排水循环系统，残渣有专门的清理区域可方便去除，而且改善了排水循环系统使堵塞几率降到最低；GPX系列研磨抛光机同样采用彩色显示触摸屏，先进的碗形/排水设计特点实现自动碗冲洗更容易清理，减少材料的积累，而自动碗状冲洗/清洗，更容易清除磨抛下来的细屑。同时，内置了一个一体式的蠕动泵，可以使得磨抛液更容易均匀分配到抛光布[7-8]。

国内从事自动研磨抛光机研究开发的厂商主要有沈阳科晶设备制造有限公司、上海光学仪器六厂以及上海中研仪器制造厂等。相比国外金相自动磨抛设备，国内的自动磨抛产品多为模仿创新，在结构和外形上基本类似甚至还有所改进，不过由于没有真正掌握技术细节精髓，而且为降低成本多使用质量不高的材料，在性能和耐用性等方面还存在一定差距。

岩矿薄片的自动制样设备世界上虽然一直有人在尝试，比如法国的Brot公司，国内在江苏省姜堰市也有相关厂家在生产，但也都是没有效果很好的成套产品。基本上只能实现和完成岩矿样品的自动粗切，后续的自动粗磨和精磨环节实际使用效果很差。一方面，研磨精度控制不够，误差较大，制备出的薄片过厚，无法用于光学显微镜下透光观测；另一方面，研磨过程中样品经常会碎裂，研磨的速度和压力等方式还有待进一步提高改进。

1.2 替代产品存在的技术缺陷和问题

虽然金相样品的自动制样设备在制备岩矿样品方面起到了一定作用，但相对于相别单一的金相样品来说，岩矿样品其中包含十几甚至几十种不同的矿物，而且不同的矿物具有不同的硬度等特性，所以用于金相样品的自动制样设备对岩矿样品来说，总体上适应性较差，还是无法完全满足其制样，特别是磨抛方面的要求，存在着一些技术方面的缺陷和问题。

用于金相的自动研磨机，在对样品进行粗磨和细磨的时候，会分别使用不同细度的砂纸，需要人工进行多次的将砂纸固定在磨盘上，使用起来很繁琐、费力。由于光片是在光学显微镜下放大观测，对样品表面的平整度和光泽度有很高的要求，一般要求表面粗糙度小于2 μm而且光洁如镜。金相自动研磨抛光机的样品夹具多采用重力单点控制，用一个着力点抵住样品顶层进行研磨。也是同样的原因，对于相别单一的金相样品来说，这种控制方式是适用的也是相对方便的。但是，在研磨岩矿样品时，特别是对磨抛硬度较高的样品时，一个着力点很难保持样品始终水平，样品一旦稍有倾斜，就会出现样品部分表面磨抛不到，其平整度和光泽度无法保证，从而导致一个光片表面中有一部分达到显微镜下观察要求，而有部分样品表面则无法观察的后果，这样的光片也是不合格的，需要重新制备。这些影响因素都极大限制了金相自动磨抛设备在岩矿样品自动制备上的应用。

此外，国外先进的自动研磨抛光设备不仅价格普遍较高，而且配套使用的砂纸、研磨膏和抛光液的价格也非常昂贵。比如标乐公司的EcoMet250研磨/抛光机一台就需要人民币30 万元左右，其中砂纸和抛光液是长期大量使用的消耗品，价格同样不菲，折合计算到制备一个光片的成本大约需要100 元左右，对岩矿样品制备来说，使用成本太高。国内的金相自动磨抛设备制造相对粗糙，而且多是模仿国外相关产品，虽结构、外形相似，甚至有所创新，但是相比之下，自动化程度较低、稳定性也不够，虽然具有价格相对便宜的优势，但应用范围有限。

1.3 岩矿样品制备面临的其他问题

高质量的光片和薄片是开展工艺矿物学研究和岩矿分析鉴定工作的基础，如果磨制的质量不好，则会影响到鉴定结果的准确性。光片的合格与否在于其磨抛后表面的光泽度是否达到光学显微镜下观测的要求，多是通过专业的技术人员人工观察判断，也可通过光泽度仪检测。薄片的质量高低关键在于其厚度是否达到0.03 mm，否则就会影响观察效果，一般也是通过专业技术人员在光学显微镜下人工判断或者采用一些专业的测厚仪来测量[9-13]。不管是使用国外的制样设备，还是国内的相关设备进行岩矿样品的制备，都存在一个产品质量自身无法检测的问题，都只能先将制备好的光片和薄片交付给专业的技术人员通过光学显微镜下人工观察或检测才能判断。一旦质量不过关，就还需要制样人员再重新制备。这一过程十分耗时费力、效率很低、对项目的进度影响很大。

目前岩矿样品的制备在使用金相样品制样设备的基础上，还需要结合大量的人工参与才能较好的完成。由于岩矿样品中矿物种类繁多，硬度等性质差别较大，对实际操作经验要求很高。一名合格的磨片工人，一般需要经过十几甚至二十几年的磨练才能熟练掌握其中的技巧，制备出符合要求的光片和薄片。但是，由于岩矿样品制备工作强度较大，工作环境相对较差，从事磨片工作的人越来越少，人员断档现象突显。目前只有少数高校和研究单位有专业的磨片制样室，而且从业人员也很少。特别是制备薄片的技术工人尤其缺乏，随着老一代磨片工人的退休，加上后继无人，现在优秀制备薄片的技术工人十分稀缺。因此急需研发出针对岩矿样品专用的制样设备，结合数控技术及专家系统的发展与进步，提高设备精度的同时还要实现其自动化和智能化，以降低对人工的依赖，消除光片和薄片制样技术工人断档造成的岩矿样品制备无人可用的危机。