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浅谈国内外金相试样抛光机的发展状况分析

日期:2016年11月16日 10:06

摘要:介绍了国内外金相试样抛光机的研究情况,以及各种类型抛光机的性能与特点。就我国抛光机的性能和冷却装置等方面存在的问题进行了讨论;以微处理器为基础的各种制样设备代表着金相试样制备的先进技术,通过机电结合、软硬件结合及互补,增加柔性抛光功能,改进冷却方式等来改造传统的金相试样抛光设备。
  
  材料是人类生产和生活的物质基础,它可以直接反映出人类文明的程度。金属材料的力学性能不仅与它的化学成分有关,也与它的组织结构有着密切的关系。了解它们之间的关系并掌握它们之间的变化规律,进行正确的金相分析是有效使用材料所必需的。
  
  要进行金相分析,就必须制备能用于微观观察检验的样品—金相试样。通常,金相试样制备要经过以下几个步骤:取样、镶嵌、磨光(粗磨和细磨)和抛光。每项操作都必须严格细心因为任何阶段的失误都可能影响以后的步骤,在极端的情况下,不正确的制作可能造成假组织,从而得出错误的结论川。金相试样的制备是通过切割机、镶嵌机、磨/抛光机来完成的,金相试样的最终质量是由抛光工序决定的,抛光是金相制样过程中至关重要的一环。抛光是将试样上磨制产生的磨痕及变形层去掉,使其成为光滑镜面的最后工序。抛光试样的方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光以及复合抛光等。机械抛光是现阶段应用最为广泛的抛光方法,其正确的工艺和操作方法是在保证获得优质的试样和其他条件(如边缘保留及石墨和夹杂物保留等)的情况下具有最高的抛光速率选择可靠性高的金相试样抛光机,可以提高制样效率和质量,减少试样废品率,从而降低成本,提高经济效益,获得样品质量的高度一致性。
  
  1金相试样抛光的技术要求
  
  抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率,以便尽快除去磨光时产生的损伤层。同时也要使抛光损伤层不会影响最终观察到的组织,即不会造成假组织。这两个要求是矛盾的。前者要求使用较粗的磨料,以保证有较大的抛光速率来去除磨光的损伤层,但抛光损伤层也较深;后者要求使用最细的材料,使抛光损伤层较浅,但抛光速率低。解决这个矛盾的最好的办法就是把抛光分为两个阶段进行。首先是粗抛,目的是去除磨光损伤层,这一阶段应具有最大的抛光速率,粗抛形成的表层损伤是次要的考虑,不过也应当尽可能小;其次是精抛(或称终抛),其目的是去除粗抛产生的表层损伤,使抛光损伤减到最小。
  
  抛光时,试样磨面与抛光盘应绝对平行并均匀地轻压在抛光盘上,注意防止试样飞出和因压力太大而产生新磨痕。同时还应使试样自转并沿转盘半径方向来回移动,以避免抛光织物局部磨损太快在抛光过程中要不断添加微粉悬浮液,使抛光织物保持一定湿度。湿度太大会减弱抛光的磨痕作用,使试样中硬相呈现浮凸和钢中非金属夹杂物及铸铁中石墨相产生“曳尾”现象;湿度太小时,由于摩擦生热会使试样升温,润滑作用减小,磨面失去光泽,甚至出现黑斑,轻合金则会抛伤表面。

  为了达到粗抛的目的,要求转盘转速较低,最好不要超过500r/min;抛光时间应当比去掉划痕所需的时间长些,因为还要去掉变形层。粗抛后磨面光滑,但黯淡无光,在显微镜下观察有均匀细致的磨痕,有待精抛消除。
  
  精抛时转盘速度可适当提高,抛光时间以抛掉粗抛的损伤层为宜。精抛后磨面明亮如镜,在显微镜明视场条件下看不到划痕,但在相衬照明条件下则仍可见到磨痕。
  
  金相试样抛光质量的好坏严重影响试样的组织结构,已逐步引起有关专家的重视。近年来,国内外在抛光机的性能上作了大量的研究工作,研究出不少新机型、新一代的抛光设备,正由原来的手动操作发展成为各种各样的半自动及全自动抛光机。下面介绍几种常用的机械抛光机的性能和特点。
  
  2金相抛光机的性能与特点
  
  2.1国外抛光机的性能与特点
  
  (l)丹麦Struers公司研制的Abrapol-10型高科技自动化立地式金相抛光机。试样可以不经镶嵌装在特殊夹具上,夹具由另一电动机带动,其转动方向与抛光盘相反。夹具与抛光盘之间的压力可以在0~7OON之间任意调节。当到达预定抛光时间后,夹具自动抬起并停止。夹具的特点是能适应各种形状的试样。对于线材及尺寸较小的棒材试样,可把试样分成三组,用厚钢板及螺钉固定在夹具上,每组可装20~40个线材试样,对于较大试样每个夹具可以装6块。夹具上试样孔的设计是使样品与夹具及固定螺钉始终保持三点接触。如果两个人使用3台这种设备,lh可制备6至8个夹具试样,实际上每个夹具试样在3台设备上的总有效时间总共只有6min,具有很高的抛光效率,而且试样的抛光质量能达到金相分析的要求。
  
  (2)美国Buehler公司研制生产的vanguard型全自动抛光机从粗抛到最后精抛整个过程全自动完成,可以设置50个常用工作程序,操作界面友好,彩色液晶显示,触摸式操作,整个过程的每个工序之间都进行夹持器和样品的清洗与烘干,充分保证了样品制备的高效与高制性,操作过程的全自动化模式,节省了人工并提高了效率与质量。试样由抛光臂按照一定轨迹在抛光盘内运动,抛光臂上的压力可根据需要调节,最大可达20N。在预定的抛光时间内,此压力将逐渐自动减小到零,这样可减少抛光缺陷。抛光臂的速度也可以调节,每道工序只需2~5min,适用于各种材料。
  
  2.2国内抛光机的性能与特点

  
  (1)莱州市蔚仪试验器械制造有限公司制造的MoPao1000型金相试样自动磨抛机可同时加工6个金相试样,数字显示制样转速,制样时间可调,磨抛盘具有二级定速和无级调速两种功能,磨抛头主轴可无级转速, 配有快速更换式磨抛盘,多试样夹持器,中心力加载,大容量磨料自动配送系统并且还具有“一键修复”程序功能。 磨抛盘转速:50-600r/min(无级调速) or 150r/min、300r/min(两级定速),加荷范围:1-200牛顿(N) 制样时间:0-999秒(S), 试样最大直径: 30mm。该机的优点是能在很短的时间内,达到最优的抛光速度,并且消除试样表面的划痕,使试样符合金相分析与研究的要求,在国内同行业中属于领先水平。

  (2)河北农业大学机电新技术公司研制生产的DMP-3A10型金相抛光机采用电脑控制,抛光时间采用倒计时数字显示,在0~99min595定时范围内任意给定。压力按加载大小数字显示,在O~200N加载范围内任意给定磨盘转速采用仪表显示,在0~50r/min范围内任意调节。工作时,磨盘在调速电机的驱动下旋转,并根据一设定的压力,按理想的加压保压和分段卸压方式将夹持盘压在转动的磨盘上,从而能快速去除试样表面的磨痕和消除变形层抛光时间到达后,磨盘停止转动,夹持盘自动提升,从而实现无人监控操作{6。DMP-3A10型金相抛光机可根据不同金属材料的需要现场设置和存储工作参数(速度、压力和时间),也可从存储器中调用已事先优化的工作参数,具有很高的智能化程度。
  
  (3)南京测控科学器材有限公司研制的GPV型金相变频调速抛光机采用无级变速,从1400~50r/min,并具有数字显示转速的功能变频调速是被理论和实践证明的“节能明显,功能丰富,性能稳定”的调速装置,根据不同材料,抛光时需要选择合适的速度,得到最佳的效果。
  
   
  3讨论
  
  纵观国内外抛光机的状况,国内研发的抛光机在性能和外观等方面还存在一定差距。例如,国内研制的抛光机多数机型的抛光盘为单盘或双盘,有水龙头,但冷却条件差由于冷却条件差,试样表面易发热变灰暗,而且会继续增厚形变扰动层,对快速抛光好试样带来麻烦;抛光盘转速固定不变,而金相试样制备过程不允许组织变形,软相(石墨)脱落,硬相(碳化物)浮凸,抛光后试样表面应光亮如镜、无磨痕。为此,不同性质的材料,需采取不同措施。
  
  而国外研制的全自动抛光机,能够自动控制冷却液的流量,整个操作过程采用全自动化模式,节省了人工并有效地提高了研究效率与质量。
  
  我国金相试样制备的研究开发虽然已有几十年的历史,并己取得了一定的成绩,但是和国外相比仍然有明显的不足,制约我国金相试样制备技术发展的因素主要有以下几个方面:
  
  (l)我国目前还没有金相试样抛光机国家标准,金相试样抛光机作业质量的测试指标以及测试条件,各个生产研制单位大多是根据企业标准对金相试样抛光进行测试检验,判定标准不一,影响了新机型的开发研制。
  
  (2)缺乏懂金相知识与机械设计及其控制的综合性人才,这无形中增加了我国金相取样制样设备的研究和开发的难度。

  (3)冶金、机械、汽车、拖拉机、兵器、航天航空、轴承、工模具等制造行业中所需的金属材料类型多样化,由于各种金属材料的物理、化学等性能不一,使抛光机在试验参数测定确定最佳性能指标等方面有很大难度。
  
  (4)金相试样抛光的机制研究和系统的理论欠缺,研究手段相对落后〔我国金相试样抛光机的设计和开发要适合我国的具体国情,不仅要适合我国广大金相工作者对金相试样抛光机各种性能的要求,提高制样质量和自动化程度,同时应考虑到金相工作者不同知识层次的需要,使设备力求操作简单、安全可靠,而且应考虑尽量降低成本,提高性能价格比,使金相试样抛光机在各种规模、各种类型的企业实验室得到应用和普及,促进我国金相事业的发展。
  
  目前,就抛光机设计而言,仍面临许多急待突破的技术难题,主要表现在以一F几个方面:
  
  a.抛光方式的研究
  
  先进的金相试样抛光机,需要有先进的理论作指导目前,有关金相试样抛光机的理论著作过于老化,新理论和学术研究性文章比其他机械技术理论少,且深度不够,学术价值低,这给新机型的开发研制带来了困难。理论研究是今后有待深人探讨的关键内容之一。
  
  b.冷却方式的研究
  
  多数试样抛光方法最重要的特点是抛光时产生高温,会造成金相组织发生变化,给金相分析造成困难因而,金相取样时必须进行充分冷却。通常使用的冷却液为水,冷却试样靠自来水压力注射,冷却程度的好坏直接关系到试样的切割质量。目前,关于试样抛光的冷却方式的专题研究成果还未见报道。
  
  c.控制方法的研究
  
  在处理复杂系统控制问题时,传统控制方法对于复杂性、不确定性、突变性所带来的问题总有些力不从心·为了适应不同技术领域和社会发展对控制科学提出的新要求,我们必须发展新的控制模式。
  
  近年来,在传统控制中加人逻辑推理和启发式知识,将传统控制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术结合起来,充分利用人的控制知识对复杂系统进行智能化控制,逐渐形成抛光机的智能控制。
  
  4结论
  
  目前金相试样抛光设备形式多样,各种半自动化、自动化产品在各种规模及各种类型的企业实验室得到广泛应用,使操作者的工作量得以减小,制样效率得到提高;以微处理器为基础的各种制样设备代表着金相试样制备的先进技术通过机电结合软硬件结合及互补,增加柔性抛光功能等方式,改造传统的金相制样设备,就可以获得手工操作难以实现的高精度、高性能和再现性好的金相试样。

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