工具钢的金相制备

摘要

工具钢是一种非常重要的材料,它的化学成分组成从简单的塑性成型的模具钢和水淬硬化碳钢到高合金的高速钢. 这些材料都有一个共同的特点——铁基材料。在工具钢和模具钢的失效分析中,有时会观察到各种各样我们不希望出现的显微组织。

一般而言，工具钢的金相样品制备不是特别困难。但是，还是有些问题需要注意。

首先其切割过程值得注意，为了避免过热和过烧，切割片必须选用粘结强度较低的切割片。

在样品制备过程中，样品的边缘保护非常重要。例如：脱碳层评判的样品，热处理后的失效的样品尤其如此。

在样品制备过程中防止夹杂物的脱落非常重要，特别对于那些需要对夹杂物含量和类型需要评判的。对于含有石墨的工具钢，石墨必须正确保留。对于Si含量较高的工具钢斑点染色问题经常会遇到。

碳化物在样品制备时会破裂甚至从基体上脱落变成孔洞，对于合金含量较高材料在切割时要特别注意。金相工作者必须能够判别这些孔洞是材料本身存在的还是在样品制备过程中产生的。

工具钢的制备流程

01

切割

相对较软的样品（硬度低于35HRC或345HV）可以使用钢锯或者带锯进行切割。

对于高硬度的样品切割必须使用砂轮切割片，在切割过程中使用水进行冷却，切割片应使用粘结强度较低的砂轮片以防止样品过烧。

对于淬火后的高合金工具钢，这样的材料相对较脆，切割时比较容易得到平坦和损伤层小的切割表面。在精密切割机上使用金刚石或立方氮化硼刀片切割高硬度的高合金工具钢可以获得最小损伤层的高质量切割表面。

02

镶嵌

通常较大的样品不需要镶嵌就可以直接进行抛光。如果样品边缘需要被保护的样品，就必须进行镶嵌。

镶嵌主要用于小和形状不规则的样品。

如果对于样品的研磨抛光位置有特定的要求，那么就可以使用透明的丙烯酸热镶嵌树脂。

冷镶嵌的环氧树脂主要用于样品对于温度敏感和那些不能承受压力的样品。

03

研磨与抛光

在传统的方法中，无论是手动还是自动抛光在研磨阶段，通常使用的SiC砂纸,水冷（200~300mm或8”~12”直径）。最初研磨砂纸粒度的选自取决于切割后的样品表面状态。

传统的方法中，抛光阶段采用多步金刚石抛光液，最后抛光阶段采用氧化铝抛光。最终的抛光步骤采用手动或自动均可。

总之，由于工具钢的高硬度所以抛光时很容易去除样品的划痕和人为缺陷。

现代的方法是使用自动化的设备进行研磨和抛光的，镶嵌或未经镶嵌的样品被放置到各种尺寸的样品夹持器中，抛光盘的直径通常为200，250或300mm直径（8”,10”或12”）。使用最新的制备方案只需3个步骤就可以得到令人满意的抛光表面。

下表1的四步抛光方法可以得到高质量的抛光表面来适合所有需求；表2显示的是一个更为简捷的3步制备方法。

表1. 工具钢四步法制备

表2. 工具钢三步法制备

图1. 用3步制备方法制备的O6石墨工具钢显微组织

04

腐蚀

2%~10%的硝酸溶液作为工具钢的侵蚀液。通常2%~3%的硝酸溶液可满足大多数工具钢的侵蚀，10%硝酸溶液适用于高合金工具钢，例如D型钢的侵蚀液。

硝酸乙醇腐蚀液常用于显示马氏体组织，苦味酸（4%的苦味酸乙醇）溶液常用于退火的工具钢样品的检测。

注：在配置溶液时尽量用乙醇替代甲醇，甲醇有累积性毒物所以尽量少用。

总结

如果想要得到真实的显微组织，正确的样品制备过程必不可少。使用现代的半自动磨抛设备可以快速的进行样品制备而且能够得到令人满意的工具钢样品。在便捷的3步样品制备和4步样品制备工艺中已经提到样品制备的关键参数控制。

切割过程选用硬度合适的金相专用的砂轮切割片，以避免过大损伤的产生。

如果样品边缘需要检查，就要选用保边性好的树脂进行镶嵌。

最初的研磨工序，尽可能使用粒度较细的砂纸。

在抛光过程中，添加足够的抛光液，才能做到有效的材料去除。

在最终抛光时，抛光布使用无绒毛、编织或压制的织物进行表面抛光。

选择最适合的腐蚀剂清晰显示显微组织并得到最好的图像衬度。

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