李炯辉 上海市机械工程学会理化检验专委会
【摘要】本文介绍的现代金相试样制备新技术，它可在更短的时间、更低的制样成本，能正确地显现被检材料的真实组织；同时能更好地实现重现性。
金相试样制备的好坏，对被检测材料内在组织真实地显现有极其重要的关联。如果样品制备的不好，将不能显示被检材料的真实组织，会导致错误的结果，达不到检验的目的，为此应引起金相检验人员对制样技术的高度重视。
一、金相制样样品要求
在具有代表的部位选取金相试样。试样表面应平招、光洁、无划痕、边缘不倒角；显小被检材料的真实组织，磨面应无塑性变形和热损伤产生，磨面中夹杂物不被污染和拉曳。样品制备过程的时间应尽量缩短，应在可接受的时间内完成，应把每个试样的制样成本控制在可接受的范围内。
制样方法有切割、镶样和研磨/抛光三道上序，以下简述各上序。
二、切割
1.样品切割的基本要求
最佳的切割平招度；最小的变形和组织变化；高的精准度；高的切割速度；最经济的效果；能获得良好的后续操作。
2.常用的切割方法
热切割技术并包括：等离子电弧切割、激光束切割及电火花线切割。
机械切割技术并包括：锯、湿式砂轮切割、精密湿式砂轮切割。
样品的性能与规格：尺寸70mm×15mm×150mm；材料42CrMo4；冷轧；热处理状态退火；硬度为：390～360HV10。
各种切割方法结果对比如表1所小。切害」技术比较如表2所示。
3.湿式砂轮切割技术
湿磨料的切割是金相试样最佳的切割方法(见图1)。切割时，切割轮上的磨料粒子如同小上具，囚此切割轮的磨损就是切割作用的结果。加入高压冷却水，可防止由于表面过热IfIJ造成的损伤。其理想状态为：新鲜磨料始终存在于砂轮外缘。切害」轮的切削掉落作用小意见图2。
4.切割砂轮
(1）湿式切割论不同的设计包括易耗型切割轮和长寿型切割轮。上述烈号切割轮有不同尺寸(直径或厚度)，如图3所示。
（2）不同磨料类型：Al2O3、SiC、立方氮化硼及金刚石；特性：磨料的浓度、颗粒尺寸、空间分布状态和均匀性。
（3）粘结剂类型：酚醛塑料、金属、橡胶；特性：硬度和孔隙率。
（4）易耗型切割轮的特点Al2O3及SiC切割轮(见图4）。其优点是高效、便宜；缺点是不耐用、较脆。
（5）长寿切割轮的特点金刚石及CBN切割轮（见图5）。其优点是耐用；缺点是价格较高。
5.影响切割轮质量的因素
（1）切割轮类型正确选择切割轮是保证低变形、平整面和低成本的准则。如果计算整个过程的实际消耗，那么价廉质低的切割轮很少会带来较低的成本。
切割轮由磨料材料和粘结剂组成，典型的有酚醛树脂或金属等组成。切割轮会有不同的磨料，如Al2O3、SiC、CBN或金刚石等，应按照被切割材料的硬度和韧度来选择。
（2）切割机功能切割机极大地影响整个切割过程的质量和效率，为得到最佳的结果，应注意下列因素：①恒定进给速度，可以获得极为均匀的表面。②自动切割，可以获得高重现性。③电子控制进给速度降低，以保护样品和切割轮。
（3）冷却①试样必须夹持紧，目前有快速夹紧夹具和平面压紧夹具两种。②切割时减少砂轮与工件的接触面积，是提高切割效率的有效措施；最新型切割机切割时采用强有力的冷却，可以减少切割轮的磨损和提高切割效率。③最近国外有增加冷却能力的新型切割轮问世。STRUERS公司的2007-2008新型切割片可提高切割轮冷却能力50%，可以大大节省切割轮的消耗(见图6)。
6.现代切割机
随着科学技术的发展，现代切割机（见图7）从手动发展到手动/自动、全自动，切割形式从单一的自上而下到上下摆动、前后上下移动等多种程序切割的形式。切割试样的直径，从80mm、90mm、105mm、125mm直到160mm，有不同型号的切割机。
三、镶样
适用于尺寸很小、形状复杂、需要保护边缘（如脱碳、渗镀层、涂覆层试样）、多孔或有裂纹试样，以及PCB线路板、镀层孔隙和需要标准的形状的情况。
镶样方法包括：
(1)机械镶样 用机械的方法将试样固定。
(2)热镶样 用酚醛热塑性树脂固定试样。
(3)冷镶样 对热过敏的材料，可用冷镶树脂固定试样。
热镶样需要用热镶样机(见图8)来镶样，先进的热镶样机可预先将加热温度、压力、时间，冷却水流量、冷却时间以及加入镶嵌树脂量等设置好，它可自动按程序进行镶样，镶好后会自动报警，整个过程即结束。
冷镶样特别适用于热敏感、压敏感的材料；用于大批量简单试样的镶样；固化时间短，收缩率低，粘附性强，边角保护好，抗磨性好；适用于微电子工业的超高速镶样，以及脆性材料的真空浸渍。冷镶样机如图9所示。
冷镶样树脂包括：环氧树脂、丙烯酸树脂和聚酯树脂(如图10所示)。冷镶工具如图11所示。热镶样效果如图12所示。冷镶效果如图13所示。
四、研磨抛光
为得到一个能在光学显微镜下观察的粗糙度低的表面，需对试样进行研磨抛光。经切割的表面留有80#粒度的磨痕，要得到镜面一样的表面，就必须利用从粗到细的磨粒的金相砂纸来进行研磨，逐渐接近极理想的细划痕的表面。一般将研磨分为粗磨和精磨两个步骤。
图14为砂纸磨光过程中试样表面变形层消除示意情况。其中A、B、C分别表示试样表面总变形层。A为严重变形层；B为中等变形层；C为微小变形层；D为无变形层的原始组织。
研磨步骤：第一步，粗磨后试样表面的变形层；第二步，磨光后表面的变形层；第三步，精磨后试样表面的变形层；第四步，磨光后试样表面存在的微小变形层。
磨光砂纸有干砂纸和湿砂纸两种。砂纸上的磨料有SiC和Al2O3两种，前者磨料硬度2700HV，后者磨粒的硬度为2000HV。SiC砂纸对MD-Piano磨削速率比较如图15所示。
采用磁性研磨盘的新型抛光机(如图16所示)，仅用单盘研磨/抛光机就可以完成试样的研磨/抛光工序。新型抛光机由三个部分组成：夹持多个试样的磨头；带磁性单盘研磨/抛光机；带编程控制的自动滴液器。
目前最新的磨盘不是简单的一个铝盘，而是在铝盘上有一层磁性材料构成的磁性盘；这样可以很方便地放置磨盘或抛光盘，使制样发展到三道快速制样工艺；同时它既省时又省料。
MD（研磨盘）粗磨盘有200mm，250mm，300mm三种规格。
MDPiano，金刚石粗磨盘，适用于磨>150HV试样，有80＃、120＃、220＃、600＃、1200＃粒度，常用为220＃磨盘。
MDPrimo，SiC粗磨盘，适用于磨<150HV试样，有120＃、220＃两种粒度，常用为220＃磨盘。
试样切割后的切割面，可直接置于MD-220粗磨盘上进行粗磨，转速300r/min。
MD精磨盘有200mm、250mm和300mm三种规格。
可将经220＃粗磨的试样，直接于精磨盘上精磨，盘的转速为150r/min。
MD-Allegro适用于硬度>150HV的试样精磨，需加15μm或9μm的金刚石悬浮液磨料和润滑剂。MD-Largo适用于硬度≤150HV韧、软试样精磨，需加15um或9um金刚石悬浮液磨料和润滑剂。抛光经精磨后的试样，可置于抛光盘上进行抛光，可用3μm的金刚石悬浮液进行抛光，直至可以在显微镜下观察。如需抛光表面更洁净，可用0.04m的氧化物抛光液进行细抛30～60s即可。
采用MD系统对金相样品进行研磨与抛光是一个更好的解决方案，它具有以下优点：
(1)操作更方便。 (2)样品品质更高。
(3)制样步骤更简单。 (4)制样时间更少。
(5)制样成本更低。 (6)维护更少。
通用制备方法：2502000HV(见表3)。
30mm直径镶嵌好后的样品如图17所示。
通用制备方法：30～250HV(见表4)。30mm直径镶嵌好后试样如图18所示
