李炯輝 上海市機械工程學(xué)會理化檢驗專委會
【摘要】本文介紹的現(xiàn)代金相試樣制備新技術(shù)，它可在更短的時間、更低的制樣成本，能正確地顯現(xiàn)被檢材料的真實組織；同時能更好地實現(xiàn)重現(xiàn)性。
金相試樣制備的好壞，對被檢測材料內(nèi)在組織真實地顯現(xiàn)有極其重要的關(guān)聯(lián)。如果樣品制備的不好，將不能顯示被檢材料的真實組織，會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果，達不到檢驗的目的，為此應(yīng)引起金相檢驗人員對制樣技術(shù)的高度重視。
一、金相制樣樣品要求
在具有代表的部位選取金相試樣。試樣表面應(yīng)平招、光潔、無劃痕、邊緣不倒角；顯小被檢材料的真實組織，磨面應(yīng)無塑性變形和熱損傷產(chǎn)生，磨面中夾雜物不被污染和拉曳。樣品制備過程的時間應(yīng)盡量縮短，應(yīng)在可接受的時間內(nèi)完成，應(yīng)把每個試樣的制樣成本控制在可接受的范圍內(nèi)。
制樣方法有切割、鑲樣和研磨/拋光三道上序，以下簡述各上序。
二、切割
1.樣品切割的基本要求
最佳的切割平招度；最小的變形和組織變化；高的精準(zhǔn)度；高的切割速度；最經(jīng)濟的效果；能獲得良好的后續(xù)操作。
2.常用的切割方法
熱切割技術(shù)并包括：等離子電弧切割、激光束切割及電火花線切割。
機械切割技術(shù)并包括：鋸、濕式砂輪切割、精密濕式砂輪切割。
樣品的性能與規(guī)格：尺寸70mm×15mm×150mm；材料42CrMo4；冷軋；熱處理狀態(tài)退火；硬度為：390～360HV10。
各種切割方法結(jié)果對比如表1所小。切害」技術(shù)比較如表2所示。
3.濕式砂輪切割技術(shù)
濕磨料的切割是金相試樣最佳的切割方法(見圖1)。切割時，切割輪上的磨料粒子如同小上具，囚此切割輪的磨損就是切割作用的結(jié)果。加入高壓冷卻水，可防止由于表面過熱IfIJ造成的損傷。其理想狀態(tài)為：新鮮磨料始終存在于砂輪外緣。切害」輪的切削掉落作用小意見圖2。
4.切割砂輪
(1）濕式切割論不同的設(shè)計包括易耗型切割輪和長壽型切割輪。上述烈號切割輪有不同尺寸(直徑或厚度)，如圖3所示。
（2）不同磨料類型：Al2O3、SiC、立方氮化硼及金剛石；特性：磨料的濃度、顆粒尺寸、空間分布狀態(tài)和均勻性。
（3）粘結(jié)劑類型：酚醛塑料、金屬、橡膠；特性：硬度和孔隙率。
（4）易耗型切割輪的特點Al2O3及SiC切割輪(見圖4）。其優(yōu)點是高效、便宜；缺點是不耐用、較脆。
（5）長壽切割輪的特點金剛石及CBN切割輪（見圖5）。其優(yōu)點是耐用；缺點是價格較高。
5.影響切割輪質(zhì)量的因素
（1）切割輪類型正確選擇切割輪是保證低變形、平整面和低成本的準(zhǔn)則。如果計算整個過程的實際消耗，那么價廉質(zhì)低的切割輪很少會帶來較低的成本。
切割輪由磨料材料和粘結(jié)劑組成，典型的有酚醛樹脂或金屬等組成。切割輪會有不同的磨料，如Al2O3、SiC、CBN或金剛石等，應(yīng)按照被切割材料的硬度和韌度來選擇。
（2）切割機功能切割機極大地影響整個切割過程的質(zhì)量和效率，為得到最佳的結(jié)果，應(yīng)注意下列因素：①恒定進給速度，可以獲得極為均勻的表面。②自動切割，可以獲得高重現(xiàn)性。③電子控制進給速度降低，以保護樣品和切割輪。
（3）冷卻①試樣必須夾持緊，目前有快速夾緊夾具和平面壓緊夾具兩種。②切割時減少砂輪與工件的接觸面積，是提高切割效率的有效措施；最新型切割機切割時采用強有力的冷卻，可以減少切割輪的磨損和提高切割效率。③最近國外有增加冷卻能力的新型切割輪問世。STRUERS公司的2007-2008新型切割片可提高切割輪冷卻能力50%，可以大大節(jié)省切割輪的消耗(見圖6)。
6.現(xiàn)代切割機
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代切割機（見圖7）從手動發(fā)展到手動/自動、全自動，切割形式從單一的自上而下到上下擺動、前后上下移動等多種程序切割的形式。切割試樣的直徑，從80mm、90mm、105mm、125mm直到160mm，有不同型號的切割機。
三、鑲樣
適用于尺寸很小、形狀復(fù)雜、需要保護邊緣（如脫碳、滲鍍層、涂覆層試樣）、多孔或有裂紋試樣，以及PCB線路板、鍍層孔隙和需要標(biāo)準(zhǔn)的形狀的情況。
鑲樣方法包括：
(1)機械鑲樣 用機械的方法將試樣固定。
(2)熱鑲樣 用酚醛熱塑性樹脂固定試樣。
(3)冷鑲樣 對熱過敏的材料，可用冷鑲樹脂固定試樣。
熱鑲樣需要用熱鑲樣機(見圖8)來鑲樣，先進的熱鑲樣機可預(yù)先將加熱溫度、壓力、時間，冷卻水流量、冷卻時間以及加入鑲嵌樹脂量等設(shè)置好，它可自動按程序進行鑲樣，鑲好后會自動報警，整個過程即結(jié)束。
冷鑲樣特別適用于熱敏感、壓敏感的材料；用于大批量簡單試樣的鑲樣；固化時間短，收縮率低，粘附性強，邊角保護好，抗磨性好；適用于微電子工業(yè)的超高速鑲樣，以及脆性材料的真空浸漬。冷鑲樣機如圖9所示。
冷鑲樣樹脂包括：環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂和聚酯樹脂(如圖10所示)。冷鑲工具如圖11所示。熱鑲樣效果如圖12所示。冷鑲效果如圖13所示。
四、研磨拋光
為得到一個能在光學(xué)顯微鏡下觀察的粗糙度低的表面，需對試樣進行研磨拋光。經(jīng)切割的表面留有80#粒度的磨痕，要得到鏡面一樣的表面，就必須利用從粗到細的磨粒的金相砂紙來進行研磨，逐漸接近極理想的細劃痕的表面。一般將研磨分為粗磨和精磨兩個步驟。
圖14為砂紙磨光過程中試樣表面變形層消除示意情況。其中A、B、C分別表示試樣表面總變形層。A為嚴(yán)重變形層；B為中等變形層；C為微小變形層；D為無變形層的原始組織。
研磨步驟：第一步，粗磨后試樣表面的變形層；第二步，磨光后表面的變形層；第三步，精磨后試樣表面的變形層；第四步，磨光后試樣表面存在的微小變形層。
磨光砂紙有干砂紙和濕砂紙兩種。砂紙上的磨料有SiC和Al2O3兩種，前者磨料硬度2700HV，后者磨粒的硬度為2000HV。SiC砂紙對MD-Piano磨削速率比較如圖15所示。
采用磁性研磨盤的新型拋光機(如圖16所示)，僅用單盤研磨/拋光機就可以完成試樣的研磨/拋光工序。新型拋光機由三個部分組成：夾持多個試樣的磨頭；帶磁性單盤研磨/拋光機；帶編程控制的自動滴液器。
目前最新的磨盤不是簡單的一個鋁盤，而是在鋁盤上有一層磁性材料構(gòu)成的磁性盤；這樣可以很方便地放置磨盤或拋光盤，使制樣發(fā)展到三道快速制樣工藝；同時它既省時又省料。
MD（研磨盤）粗磨盤有200mm，250mm，300mm三種規(guī)格。
MDPiano，金剛石粗磨盤，適用于磨>150HV試樣，有80＃、120＃、220＃、600＃、1200＃粒度，常用為220＃磨盤。
MDPrimo，SiC粗磨盤，適用于磨<150HV試樣，有120＃、220＃兩種粒度，常用為220＃磨盤。
試樣切割后的切割面，可直接置于MD-220粗磨盤上進行粗磨，轉(zhuǎn)速300r/min。
MD精磨盤有200mm、250mm和300mm三種規(guī)格。
可將經(jīng)220＃粗磨的試樣，直接于精磨盤上精磨，盤的轉(zhuǎn)速為150r/min。
MD-Allegro適用于硬度>150HV的試樣精磨，需加15μm或9μm的金剛石懸浮液磨料和潤滑劑。MD-Largo適用于硬度≤150HV韌、軟試樣精磨，需加15um或9um金剛石懸浮液磨料和潤滑劑。拋光經(jīng)精磨后的試樣，可置于拋光盤上進行拋光，可用3μm的金剛石懸浮液進行拋光，直至可以在顯微鏡下觀察。如需拋光表面更潔凈，可用0.04m的氧化物拋光液進行細拋30～60s即可。
采用MD系統(tǒng)對金相樣品進行研磨與拋光是一個更好的解決方案，它具有以下優(yōu)點：
(1)操作更方便。 (2)樣品品質(zhì)更高。
(3)制樣步驟更簡單。 (4)制樣時間更少。
(5)制樣成本更低。 (6)維護更少。
通用制備方法：2502000HV(見表3)。
30mm直徑鑲嵌好后的樣品如圖17所示。
通用制備方法：30～250HV(見表4)。30mm直徑鑲嵌好后試樣如圖18所示
