高鐵用鋼彩色金相制備方法研究

陳俊龍，王洪濤，梁詠旗，韓知豫

(北京科技大學天津學院，天津 301830)

鋼材組織控制對其使用性能至關重要。高鐵用鋼的質量控制與鑒定受到高鐵制造企業的高度重視。金相分析是鋼材熱處理質量鑒定的關鍵技術，對其分析精度要求也越來越高。鋼材組織分析主要依靠黑白金相分析技術，其襯度差，分辨率低，難以區分精細組織。彩色金相分析技術具有襯度鮮明、分辨力強、準確度高等特點。金相試樣制備是金相檢測的首要步驟，其試樣質量受人為操作影響較大，如在試樣磨制、拋光過程中操作不當，容易使試樣表面產生變形和劃痕，導致試樣的金相分析結果失真，侵蝕工藝的選擇也會影響取得金相圖片的結果[1]。獲得符合要求的金相試樣是金相檢測的首要工作。

1 彩色顯示原理

彩色金相的顯色主要依靠薄膜干涉現象，當一束光照射在薄膜上，由于折射率不同，光波會被薄膜上的上界面與下界面分別反射，因而相互干涉而形成新的光波，這種現象稱為“薄膜干涉”。薄膜干涉原理如圖1所示。

圖1 薄膜干涉原理圖Fig.1 Schematic diagram of film interference

金屬試樣與化學侵蝕劑接觸，產生氧化還原反應，因金屬中各種組織的電極電位不同，在顯微區域形成極小的微電池[2]。金屬及合金中的各顯微組織對光的反射能力強弱差別較小，因而對不同波長的光不具備明顯的吸收選擇性，因此在光學金相顯微鏡下觀察時不能顯示出明顯的顏色差別[3]。彩色金相主要是以薄膜干涉現象為基礎，其原理是通過化學或物理方法在金屬表面形成一層極薄的干涉薄膜，通過薄膜干涉效應使金屬微觀組織產生不同的干涉色，從而顯著提高對金屬組織的鑒別能力[4]。

2 試驗方法

2.1 實驗材料及工藝

實驗試樣：45#，GCr15，T10。侵蝕工藝如表1所示。

表1 侵蝕工藝Tab.1 Erosion technology

2.2 磨制過程

手工磨制時，保持用力均勻，且沿同一方向，砂紙在試樣上留下的痕跡深淺與方向一致，避免出現不規則的痕跡，保證整個磨面的平整，減少試樣出現倒棱等缺陷。當試樣表面痕跡方向一致，可更換更細的砂紙繼續磨制，使用2 000目以上砂紙磨制完成，表面劃痕沿同一方向時可進行拋光過程。試樣表面成雙面或多面，可能因磨制時更換角度形成的，若出現雙面，可將試樣旋轉180°后繼續磨制，直至試樣表面平整[5]。

2.3 拋光過程

拋光織物和拋光劑根據實驗室現有條件及試樣情況合理挑選。拋光時可使用粒度較大的進行粗拋，粒度較小的進行精拋。拋光時避免單次拋光時間過長，使試樣表面升溫，可能導致表面組織的改變，可適當滴水以降溫。拋光完成后用蒸餾水沖洗表面污漬，及時用吸水紙吸干表面水漬，避免試樣表面氧化。

拋光試樣自檢。拋光好的試樣在自然光源下呈鏡面，無明顯劃痕，如果劃痕之間相互平行，說明拋光不徹底，應繼續拋光。如果劃痕之間相互交錯，說明磨制時未完全去除上一次的痕跡，應重新磨制并拋光。如果試樣表面劃痕雜亂無章，應更換或清洗干凈拋光布后重新拋光[6]。

2.4 試樣的侵蝕

傳統黑白金相采用化學擦拭法，一般步驟為蒸餾水沖洗試樣→擦拭酒精→擦拭硝酸酒精→用吸水紙吸干表面→擦拭酒精。操作流程較為煩瑣，取得的金相圖片效果較差。

彩色金相采用浸潤法，一般步驟為蒸餾水沖洗試樣→將表面侵入硝酸酒精溶液→吹風機吹干。該操作過程簡單快捷，取得金相圖片效果出色。采用浸潤法侵蝕金相是為了在金相表面取得一層薄膜，利用光對薄膜的干涉效應，使金屬中的各種顯微組織顯示出不同的顏色，提升對金相組織的鑒別能力。

使用吹風機吹干時，應避免風力過大、試樣表面受風不均勻，導致試樣表面形成的薄膜不均勻造成觀測效果不佳。應合理控制吹風機溫度及距離，使試樣表面形成的薄膜均勻平整，取得優良的觀察效果。

根據材料種類，選擇合適的侵蝕劑，尤其是不同種類材料形成的復合材料，因耐蝕性不同，優先侵蝕耐蝕性差的，觀察之后再重復侵蝕過程，使耐蝕組織顯現出來[7]。

3 實驗結果

圖2為45#鋼球化退火處理后，采用工藝A的彩色金相形貌，可見球狀珠光體(P)。圖3為45#鋼正火處理后，采用工藝B的彩色金相形貌，在晶界出現可見黑色團絮狀屈氏體(T)。圖4為T10鋼淬火處理后，采用工藝A的彩色金相形貌，可見典型的針狀淬火馬氏體組織(M)。圖5為T10鋼淬火+回火處理后，采用工藝B的彩色金相形貌。圖6為GCr15材質800℃退火處理后，采用工藝C彩色金相形貌，晶粒內藍、黃色塊狀不同位相珠光體(P)領域+白色網狀Fe3C+黑色絮狀T。圖7為GCr15材質720℃球化退火處理后，采用工藝D的彩色金相形貌，藍色塊狀P+白色多角塊狀先共析Fe3C+褐色粒狀碳化物。

圖2 45#工藝AFig.2 45# technology A

圖3 45#工藝BFig.3 45# technology B

圖4 T10工藝AFig.4 T10 technology A

圖5 T10工藝BFig.5 T10 technology B

圖6 GCr15工藝CFig.6 Gcr15 technology C

圖7 GCr15工藝DFig.7 GCr15 technology D

圖8和圖9為T10鋼860℃正火處理后取得的金相組織圖片。彩色金相在色彩的豐富度上比黑白金相呈現得更為良好，黑白金相圖片對于不同組織的辨認只能基于組織具有的形貌特征做出判斷，而彩色金相圖片可以根據各個組織顯色的不同對其做出更為準確判斷結果，黑白金相對于晶界的顯示不夠清晰，容易對辨識組織產生影響。

圖8 T10彩色Fig.8 T10 Color

圖9 T10黑白Fig.9 T10 black and white

侵蝕結果對比：侵蝕工藝B在晶界上的顯示較侵蝕工藝A效果較差，工藝A在色彩的體現上更為突出，有利于辨別各種組織特征，工藝B顏色處理后顏色較為單調，在表現珠光體組織上不能很好地突出其特征。工藝B侵蝕劑濃度高，所需要的侵蝕時間短，表面形成的膜厚度較薄，成像效果不好，色彩不豐富；工藝A侵蝕劑濃度低，侵蝕時間適當延長，使其表面形成的膜厚度適中，取得的成像效果好，色彩更豐富。

工藝C和工藝D對同種材質處理，但因工藝不同對于組織的顯色情況不同，若選取的工藝可以使金相組織在色彩上具有較高的對比度，將有利于對組織的辨識，提高檢測準確性。

4 結論

彩色金相技術使各組織有不同色彩，襯度更高，可以根據顏色特點對組織做出準確辨別，相比較于黑白金相技術具有更高的組織辨識度。

根據試樣的鋼種、熱處理工藝的不同，制備彩色金相試樣的關鍵在于選擇恰當的侵蝕劑，制訂合理的侵蝕工藝，形成特定光學性質和厚度的干涉膜。本實驗的彩色金相制備工藝可發揮彩色金相分析的技術優勢，提高組織鑒定的準確率。