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鑄鐵的金相制備

介紹

鑄鐵是碳元素含量在2.1-6.67%之間的鐵碳合金。鑄鐵具有良好的澆注性（在液態狀態下，容易鑄造成型），凝固后收縮率低。
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鑄鐵的生產始于將鐵礦石和焦炭（碳）一起送入高爐。鐵是通過還原從礦石中提取出來的。這種鐵叫做“生鐵”。它可以用于某些用途，也可以用于煉鋼。

另外，也可以用廢鋼和焦炭來生產鑄鐵。其工藝過程涉及到：沖天爐、電爐或回轉爐。

Fig. 1: Diagram of a blast furnace

可以通過碳含量的百分比來區分鑄鐵：

? 含碳量低于4.3%的亞共晶鑄鐵

? 含碳量4.3%的共晶鑄鐵

? 含碳量超過4.3%的過共析鑄鐵

Fe-C相圖（圖2）有助于解釋結晶過程和組織轉變。

Fig. 2: Fe-C diagram

主要的鑄鐵種類

一般來說，鑄鐵分為兩大類：
白口鑄鐵

碳以珠光體基體的Fe3C碳化物形式存在，斷口呈亮白色。白口鑄鐵是錳合金鑄鐵。鉻和鉬的存在也有利于制造白口鑄鐵。這種鑄鐵耐磨，硬度高，但脆性大，不能承受沖擊載荷。

灰口鑄鐵

碳以（球狀或片層狀）石墨的形式出現。這些鑄鐵富含硅，有利于石墨的形成。由于片狀石墨存在，故耐磨性和腐蝕性好。

=> 由于石墨的幾何形狀具有缺口效應，片層狀石墨鑄鐵很脆。拉伸強度不是最佳的，但它適用于壓力成型或需要耐磨性的應用。

=> 球墨鑄鐵是一種冷卻速度減慢的鑄鐵，因此碳以球體的形式結晶。石墨的幾何形狀改善了可加工性，力學特性接近于鋼。它是一種具有延展性的和可鍛的鑄鐵。在鑄鐵中加入鎂可以減少硫的存在。因此，石墨是球形而不是片狀形成的。
如果經過熱處理，從白口鑄鐵中制造球墨鑄鐵是可能的。

在合金鑄鐵中：

? 鉻元素可增加其機械特性

? 鉬元素可提高其抗沖擊能力

? 磷使鑄鐵具有更好的澆注性。

混合物的化學成分是決定所獲得鑄鐵類型的參數之一。

冷卻速度影響其中一種鑄鐵的形成。
? 如果冷卻迅速，則有利于滲碳體的形成，從而產生白口鑄鐵。
? 然而，如果冷卻較慢，碳有時間作為石墨收集，產生灰口鑄鐵。

鑄鐵名稱

根據NF EN 1560-1，鑄鐵具有標準化名稱。

其名稱始終以EN-GJ開頭（G對應于鑄造金屬，J對應于鐵）。

與石墨結構相對應的另一個字母緊跟在名稱的開頭：

L 表示層狀
S 代表球形
M 表示退火石墨（可鍛）
V 代表蠕蟲狀
Y 表示特殊結構
N 表示無石墨

通常，這之后是所需的最小抗拉強度和最小伸長率，單位為%，或與高合金鋼相同的名稱。

兩個例子:
EN-GJS-400-15：層狀石墨鑄鐵，強度R最小400 MPa，伸長率A 15%。
EN-GJN-X 300 Cr Ni Si 9-5-2: 含3%碳、9%鉻、5%鎳和2%硅的無石墨鑄鐵（白口鑄鐵）。

=> 根據耐沖擊性、耐磨性和良好的鑄造性能，它們有多種鑄鐵牌號可供選擇，以滿足所有應用。

應用

鑄鐵一般用于制造大型物體：例如下水道井蓋、爐灶、汽車零件……
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金相制備

無論何種材料，為了展示其最真實的微觀組織，需要進行一系列同樣重要的金相試樣制備步驟，順序如下：

? 從零件中獲取待檢試樣（如有必要），稱為“切割”。

? 標準化試樣外觀尺寸（如有必要），稱為“鑲嵌”。

? 提升樣品表面狀態，稱為“研磨拋光”。

? 樣品表征：（如有必要）利用腐蝕劑腐蝕樣品獲取微觀組織信息，稱為“金相腐蝕”；通過光學或電子顯微鏡觀察。

=> 這些步驟中的每一步都必須嚴格執行，否則其之后的步驟將無法展開。
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切割

切割的目的是選取試樣，以獲得一個合適的部分進行檢查，而不改變有關材料的物理化學性質。換句話說，必須避免加熱或任何可能導致應變硬化的金屬變形。切割是零件進一步制備和檢驗的基礎步驟。

PRESI提供自小型精密切割機至中、大型切割設備，以適應不同切割精度、切割尺寸以及切割效率需求：

每一臺切割設備都有其配套適用的附件夾具和耗材。夾具與耗材的正確選擇對實現良好的切割質量至關重要。

=> 各類附件夾具的重要性顯而易見。如果試樣在切割過程中未被正確夾持，其將對切割輪，工件，甚至切割設備產生不利影響。
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Fig. 5: Brake disc – EVO 400



Fig. 6: Crankshaft – Mecatome T330



Fig. 7: Cast iron plate – Mecatome ST310

耗材

所有的切割機都使用由水基和防銹添加劑混合而成的潤滑/冷卻液，用于改善切割和冷卻性能。添加劑還可以保護試樣和切割設備免受腐蝕。
Meule 灰口鑄鐵 白口鑄鐵
精密切割 S (Ø 180mm)
UTW		 S (Ø 180mm)
AO
CBN
中型切割 F
MNF
AO		 F
AO
CBN
大型切割 MNF
AO		 AO

表1：選擇合適的切割輪

=> 切割輪的選擇必須適當以避免切割失效，或過度的切割輪損耗甚至破碎。切割輪的選擇主要由切割對象的硬度決定。

鑲嵌

樣品鑲嵌的目的是為了包埋一些形狀復雜、易碎、小尺寸的試樣，方便其后續的研磨拋光操作。鑲嵌技術及工藝應同時保證鑲嵌氣泡的排除并杜絕邊緣收縮的發生。

高質量的鑲嵌對保護易碎材料至關重要，同時也為后續拋光和其他分析獲得良好的制備結果。

鑲嵌前，試樣應該用粗顆粒砂紙去毛刺，例如，去除任何切割毛刺。用乙醇清洗(在超聲波槽中，效率更高)。這使得樹脂盡可能地粘附在樣品上，從而限制收縮(樹脂和樣品之間的空間)。如果持續收縮，會導致拋光過程中出現問題。磨料顆粒可能會滯留在試樣縫隙中，在后期釋放出來，則會對樣品和拋光表面造成污染的風險。在這種情況下，建議在每個步驟之間用超聲波清洗機清洗。

兩種鑲嵌方法:

熱鑲嵌

熱鑲嵌可有效保護樣品邊緣，或為后續硬度測試需求服務（因其相較于冷鑲嵌，能提供更剛性的支撐）。

該方法需經由熱鑲嵌機實現。
PRESI MECAPRESS 3自動熱鑲嵌機：

? 全自動工作循環

? 操作簡便：參數設定、儲存、調用，保證高可重現性

? 25.4 – 50 毫米，6種內模尺寸

+ POINT

熱鑲嵌在邊緣保護、硬度、耐化學腐蝕方面表現出色。

冷鑲嵌

冷鑲嵌更適用于：

? 脆性材料，溫度/壓力敏感材料

? 復雜的幾何結構，如蜂窩結構樣品

? 需要鑲嵌樣品數量較大時

可使用設備為：

+ POINT

大幅提高鑲嵌質量，特別是通過減少收縮，優化透明度和促進樹脂浸漬。

+ POINT

用環氧樹脂對多孔材料進行真空浸漬的設備。
因為樹脂的固化收縮特性，冷鑲嵌試樣的“背面”易形成不平整表面。在研磨拋光之前，可用砂紙簡單打磨使得兩端面平行。

耗材

PRESI提供直徑20-50毫米的、不同材質的多種模杯，包括KM2.0“一次性”模杯，特氟龍、橡膠、聚乙烯模杯等。為應對不同使用需求，也可提供不同尺寸的長方形模具。
Meule 白口鑄鐵和灰口鑄鐵
熱鑲嵌 環氧樹脂
酚醛
烯丙基
冷鑲嵌 KM-B
KM-U

表2：選擇合適的鑲嵌樹脂

研磨拋光

研磨拋光是試樣制備的最后一個步驟。在每一個步驟中，均使用比之前一個步驟更細小的磨削顆粒來磨制樣品表面，以最終得到一個高度平整的樣品表面，消除殘留的劃痕和缺陷，以免影響微觀分析、硬度測試、顯微組織觀察等實驗目的。

PRESI提供一系列手動與自動研磨拋光設備，包含豐富的夾具、附件等配件，以滿足從預磨直至最終拋光、單個或批次樣品的工作需求。

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MINITECH系列手動研磨拋光機采用了最先進的技術，用戶友好，功能強大，可靠，操作簡便。

MECATECH系列臺式自動研磨拋光機即可滿足手動工作，也可滿足自動工作需求。憑借其先進的技術理念，750-1500瓦的電機功率，可處理各種不同材料及滿足需要制備大量樣品的需求。

耗材及磨拋工藝步驟

下述所有磨拋工藝步驟均為常用的推薦信息，可根據實際工況靈活調整。

每種工藝的第一步都被稱為“求平”步驟，即快速去除材料（及鑲嵌樹脂）表面，使其平整。

施加于樣品的壓力將由其面積尺寸決定。通常而言，在粗磨步驟中，每10毫米直徑樣品可施加1daN（10牛頓）力，即Ø40mm=4daN，并在之后的每個拋光步驟中逐步遞減0.5daN.

下表為通用的鑄鐵磨拋工藝之一：

N° 磨拋介質 懸浮液/潤滑液 底盤轉速
(RPM)		 工作頭轉速
(RPM)		 旋轉方向-底盤/工作頭 時間
1 P320 Ø / Water 300 150
1’
2 TOP 9μm ADS poly / Lub ADS 150 135
4’
3 STA 3μm ADS poly / Lub ADS 150 135
3’
4 TFR 1μm ADS poly / Lub ADS 150 135
1’

使用P320砂紙已足夠實現對經金相切割后的樣品進行粗磨。如果粗磨步驟需要去除更多的材料，則應使用較大磨削顆粒尺寸的砂紙。

在粗磨階段不建議底盤和工作頭反向旋轉，因為這會對試樣表面平整度造成不利影響。然而，如果需要去除大量材料，兩者反向旋轉將提高工作效率。

由于鑄鐵在拋光階段可能的水敏性，建議使用ADS無水酒精基多晶金剛石懸浮液。

在磨拋每個步驟間，建議用水或酒精（以限制腐蝕黑點）做樣品清洗，并已吹風機或壓縮空氣快速吹干。




圖13：球狀石墨鑄鐵（10X物鏡）



圖14：球狀石墨鑄鐵（50X物鏡）
下表為通用的鑄鐵磨拋工藝之二:
N° 磨拋介質 懸浮液/潤滑液 底盤轉速
(RPM)		 工作頭轉速
(RPM)		 旋轉方向-底盤/工作頭 時間
1 I-Max R 54μm Ø / 水 300 150
3’
2 MED-R 9μm super abrasive MED-R 150 135
4’
3 STA 3μm ADS poly / Lub ADS 150 135
3’
4 TFR 1μm ADS poly / Lub ADS 150 135
1’

在這套工藝中，以54μm I-Max R金剛石磨盤取代碳化硅砂紙作樣品求平。該樹脂基金剛石研磨盤適用于硬質材料，能提供良好的表面平整度，并可替代數百張砂紙。

第二步使用了MED-R研磨盤。其上的樹脂墊結構結合專用的超級磨削顆粒懸浮液，能保持良好的樣品表面平整度。該研磨盤可提供遠大于拋光布的使用壽命。

其后的拋光步驟使用了ADS無水酒精基多晶金剛石懸浮液。如果鑄鐵樣品未呈現水敏性，則LDP水基多晶金剛石懸浮液也可適用。




圖15：片狀石墨鑄鐵（10X物鏡）



圖16：片狀石墨鑄鐵（50X物鏡）

金相觀察

下列腐蝕劑可幫助揭示鑄鐵的微觀組織:

? Nital 4 硝酸酒精腐蝕劑

? Picral’s 苦味酸腐蝕劑

? Chatelier’s 腐蝕劑

這份清單并不詳盡，由于鑄鐵的結構與鋼的結構相近，因此兩種材料有一些共同的腐蝕劑。所有的顯微照片均使用PRESI VIEW圖像軟件制作：

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圖17：球狀石墨鑄鐵（10X物鏡）



圖18：球狀石墨鑄鐵（100X物鏡）



圖19：片狀石墨鑄鐵心部（10X物鏡）



圖20：片狀石墨鑄鐵心部（100X物鏡）



圖21：片狀石墨鑄鐵邊緣（10X物鏡）



圖22：片狀石墨鑄鐵邊緣（100X物鏡）

=> 圖17-22中所有的顯微組織均由4%硝酸酒精腐蝕獲得。