铸铁

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。

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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。

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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。

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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。

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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)

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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。

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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-SuspensionP，9μm, 3μM和1μ米,与DP-Blue润滑剂一同使用。

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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，9μm, 3μM和1μ米,与DP-Blue润滑剂一同使用

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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。

以下贝拉哈试剂可用于彩色蚀刻，并可根据合金进行修改:
1000毫升水
200毫升盐酸
24克二氟化铵
在100 ml这种储液中，添加1 g焦亚硫酸钾

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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。

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