Cast iron

铸铁金相制备

铸铁广泛用于很多应用,尤其是汽车和工程行业,而金相则是生产过程中质量控制的重要组成部分。 了解如何对铸铁进行准确的金相分析,并得到可再现的结果。

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铸铁的主要特点

铁是最多样化的金属之一,几个世纪以来,它一直是一种重要的建筑材料,被用于很多建筑,如火车站、市场大厅以及办公室和家装。

如果与碳和其他元素形成合金,铁有很多种类。 “铸铁”一词指的是含有 2.5-4% 碳和 1-3% 硅(典型)的铁-碳-硅合金。 在灰铸铁中,碳以石墨的形式存在;在白铸铁中,它以碳化铁和合金碳化物的形式存在。

铸铁具有良好的可铸造性和可加工性,机械性能适中。 由于铸铁的经济优势,它被用于汽车金属制造和加工行业的多种应用。 此外,特定的铸铁也是海水泵外壳、轧机轧辊以及土工设备部件可以选择使用的材料。

铸铁
图 1: 奥氏体回火球墨铸铁,Beraha 彩色蚀刻 (放大倍数: 500x,DIC)


铸铁的金相质量控制流程

由于石墨形态对铸铁的力学性能有重要影响,灰铸铁的金相质量控制是铸铁生产流程不可缺少的一部分。

铸铁的基本金相质量控制流程如下:
  • 使用标准的参考比较图和/或图像分析,在未蚀刻的抛光样品上测定石墨的形态、大小和分布。
  • 然后根据规范,对样品进行蚀刻,以检查矩阵的结构。

铸铁
图 2: 铸铁 GGG60,未蚀刻(放大倍数:200x)
图 3: 铸铁 GGG60,用 3% 硝酸乙醇蚀刻(放大倍数:200x)

铸铁金相制备的难点

制备铸铁样品的主要挑战是保持石墨的原始形状和尺寸,以确保正确表征铸铁的微观结构。

铸铁
图 4: 包含片状石墨的灰铸铁,抛光不足(放大倍数:200x)
图 5: 包含片状石墨的灰铸铁,显示抛光正确(放大倍数:200x)

在显微镜下,石墨的图像看起来是二维的。 但它实际上是三维的。 这意味着,在研磨和抛光过程中,一定比例的石墨被切割得很浅,在矩阵中只有很弱的固定作用。 因此,石墨总有可能不能完全保留,尤其是非常大的石墨片或聚积石墨片。 结果,石墨相不总是能够很好地保留或抛光。

在可锻铸铁中,石墨以团絮状或回火碳的形式存在。 这是一种易碎的石墨,在金相制备过程中很难保留。

常见的制备误差是研磨后对涂污基体金属的去除不足,使石墨的真实形状和尺寸模糊不清。 这在铁素体和奥氏体铸铁中特别普遍,它们很容易变形和划伤。 对于这些材料,进行彻底的金刚石研磨和最终抛光非常重要。

大多数铸铁的标准显微镜检查采用 100 倍的放大率,这使得石墨看起来是黑色的。 但是,要验证碳是否完全保留,则需要更高的放大倍数,因为抛光良好的石墨是灰色的。

铸铁

图 6: 抛光不足使石墨颗粒覆盖有金属污迹,用 3% 硝酸乙醇蚀刻(放大倍数:200x)
图 7: 抛光正确,显示石墨的形状和大小适合进行评估,用 3% 硝酸乙醇蚀刻(放大倍数:200x)

铸铁
图 8: 抛光良好的石墨片(放大倍数: 500x)

克服时间限制

由于时间的限制,采用手工方法对铸铁进行金相制备和显微结构分析时,往往难以保持一致的制备结果。 但是,由于测试件的几何形状,自动制备往往又不可能。 解决方案是设计特定的测试件,以适应自动系统。

有关铸铁的切割和镶样的建议


切割

  • 合金白铸铁非常硬 (HV 600),很难切割,尤其是大截面。 尽管如此,金刚石切割轮也不适合切割白铸铁。 相反,建议使用立方氮化硼切割轮。
  • 对于大截面,自动切割比手动切割更有效。
  • 如果切割含石墨的铸铁,建议根据铸铁的硬度选择氧化铝切割轮。
镶样

  • 质量控制样品的制备通常不镶样。
  • 如果是失效分析样品,最好使用热压缩镶样。
  • 对于软到中等硬度的铸铁,推荐使用酚醛树脂 (MultiFast)。为达到最佳的边缘保护效果,使用 LevoFast(含有矿物和玻璃填料的三聚氰胺树脂)。
  • 对于较硬的铸铁,应使用增强树脂 (DuroFast)。
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有关铸铁的研磨和抛光的建议

请参考下面白铸铁和石墨铸铁完整的详细制备方法。

  • 建议对大多数铸铁采用带金刚石的刚性圆磨盘进行精磨,因为它使样品非常平整,而且不会留下石墨起伏。
  • 硬质白铸铁和奥氏体回火球墨铸铁可以用金刚石 (MD-Piano 220) 进行平面研磨,用金刚石 (MD-Allegro) 进行精磨。
  • 软到中等硬度、含有铁素体、奥氏体或珠光体基体的铸铁应采用碳化硅箔/砂纸进行平面研磨,用金刚石 MD-Largo 进行精磨。
  • 对于在抛光过程中容易腐蚀的铸铁,建议使用无水金刚石悬浮液 (DP-A) 和黄色润滑剂

铸铁

表 1: 白铸铁的制备方法。
或者,DiaPro 金刚石悬浮液可分别替换为 DP-Suspension P,9
μm、3 μm 和 1 μm,与 DP-Blue 润滑剂一同使用。

铸铁

表 2: 石墨铸铁的制备方法。

*在保留石墨非常困难的情况下,可以尝试使用 MD-Plan 抛光布进行精磨。
**这一步为可选

或者,DiaPro 金刚石悬浮液可分别替换为 DP-Suspension P,9 μm、3 μm 和 1 μm,与 DP-Blue 润滑剂一同使用

铸铁
图 9: 灰铸铁,制备时采用碳化硅箔/砂纸进行精磨,仍显示有划痕
图 10: 灰铸铁,制备时采用带金刚石的刚性圆盘 MD-Largo 进行精磨,显示边缘保护良好

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有关铸铁清洗的建议

  • 由于很多铸铁容易腐蚀,所以清洗必须迅速,并应始终用冷水清洗。 但是,样品不能与水接触。
  • 建议用乙醇彻底清洗,用强劲的暖风快速干燥。 如果仍有腐蚀发生,只能用无水乙醇清洗和冲洗。

有关铸铁蚀刻的建议

  • 为评估石墨的形状、大小和分布,以及铸件的孔隙率,铸铁样品在进行最初的显微镜检查时未进行蚀刻。 在对微观结构进行这种初步评估后,可以用 1-3% 的硝酸乙醇溶液对样品进行蚀刻,以便检测微观结构。
  • 石墨铸铁不适合进行电解抛光,因为石墨会被电解液洗掉。 但是,如果只需要快速确定基体的微观结构,则可以使用电解抛光和蚀刻。

以下 Beraha 试剂可用于彩色蚀刻,并可根据合金进行修改:
1000 ml 水
200 ml 盐酸
24 g 二氟化铵
在 100 ml 这种储液中,添加 1 g 焦亚硫酸钾

铸铁
图 11: 奥氏回火球墨铸铁,用 3% 硝酸乙醇蚀刻,偏振光(放大倍数:200x)

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总结

铸铁是含 2.5-4% 碳和 1- 3% 硅的黑色合金。 铸铁金相制备的主要难点在于保持石墨的片状、球状或回火形态的真实形状和尺寸。 特别是带有软铁素体基体的铸铁容易弄脏,容易变形和划伤。

在研磨过程中,基体会涂抹在石墨上,除非经过非常彻底的金刚石抛光,否则石墨不会以其真正的形态显示出来。 因此,建议用碳化硅箔/砂纸进行平面研磨,然后用金刚石进行精磨和抛光。 可选择用硅胶作简单的最后抛光。

 

深入了解其他材料

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