CN101788413A - 铅及其合金金相试样制备与组织显露方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铅及其合金金相试样制备与组织显露方法，包括用细齿扁平锉刀进行湿磨、机械抛光、化学抛光及组织显露步骤，化学抛光采用无水乙醇、丙三醇、双氧水和乳酸组成的化学抛光液，组织显露采用无水乙醇、丙三醇和双氧水组成的浸蚀剂，成功制备了可供金相观察的样品。其操作简单、方便，制样时间短，材料耗费少，且制备样品组织显露清晰度高，特别适合用于铅及其合金金相试样制备与组织显露。

Description

铅及其合金金相试样制备与组织显露方法

技术领域

本发明涉及铅及其合金金相试样制备与组织显露实验技术领域，特别是提供了一种铅及其合金金相试样制备与组织显露方法，适用于制备铅及其合金金相试样。

背景技术

众所周知，铅的熔点低，有良好的耐蚀性，比重大，抗张强度小，铅莫氏硬度1.5，由于质地柔软，在低的压力下就会发生形变，纯铅在室温下会再结晶。现有同类制备金相试样的方法给制备铅及其合金金相样品带来困难，其基本步骤：粗磨：试样先经400^#碳化硅水砂纸→600^#碳化硅水砂纸→800^#碳化硅水砂纸在干净流水冲洗下磨光→洗净；细磨：1000^#碳化硅金相砂纸→1200^#碳化硅金相砂纸磨光→冲洗干净，每更换一道砂纸均要将试样沿磨痕方向转动90度，粗抛：在粗抛光织布上喷洒抛光剂→洗净；精抛：更换细的抛光布并在抛光织布上喷洒抛光剂→抛光速度在300～500r/min→超声波振动清洗器洗净；专用浸蚀剂腐蚀→洗净→吹干→显微镜观察。如申请号为CN200610011236.0的中国专利申请公开的《一种制备铅金相样品及显示组织的方法》即采用与此类似的方法。

这种制备铅及其合金金相试样的方法整个过程复杂，每道工序所需的标准时间约为1～2min，制备好一个可供观察的铅其及合金金相试样需要较长时间；再者，由于铅及其合金质地柔软，在低的压力下就会发生形变；现有同类方法制备金相试样在磨光时碳化硅砂纸脱落的颗粒极易嵌入试样表面可能被当成非金属夹杂物被误判；同时铅及其合金试样抛光时间过长易发热，由于发热极易氧化，在试样表面生成暗而不亮的灰色“氧化膜层”沉积，查得资料(张兴维，李润慈，王永兰，张宝珍等。Sn-Pb和Sn-Pb-Ag焊料合金试样的制备及其组织分析[J].理化检验-物理分册，1997，33(7)；29-33)。要去掉“氧化膜层”沉积，常常需要反复的抛光和浸蚀，查得资料(杨种田，汪大海，铅锡合金沉积物的显微组织[J].三峡大学学报(自然科学版)，2002，24(5)：456-457)。制备一个好的铅其及合金金相试样要越过许多难题。查得资料(匡同春，薜新民，叶兰莹。一种制备铅合金金相试样的方法[J].理化检验-物理分册，1997，33(1)；42)等采用的机械-化学抛光制备铅合金试样，采用30mlHCl+10mlH₂O₂+60mlH₂O腐蚀剂，提高制样效率和组织显示的真实性。但其制备过程仍然复杂，不易掌握。其次在抛光过程中如果压力过大、抛光时间过长极易导致抛光磨擦发热，此时在呈现暗而不亮的灰色“氧化膜层”沉积的同时由于压力过大也会发生相当大的金属流动而导致表面组织形变，这些表面变形组织会掩盖真实组织，造成假象，给金相组织分析造成一定的困难，(杨峰，田文怀，苏永安。一种制备铅金相样品及显示组织的方法公开专利号CN 1800813A)。目前国内有关文献资料及相关专利谈到铅金属金相试样制备方法都是围绕在传统的金相试样制备方法下进行。虽有所提高，但制备样品产生的耗材费用、制备样品产生的工作时间及制样过程都不太令人十分满意。近年来，随着现代金相实验技术的迅速发展，对铅及其合金的金相试样制备需要更高的科学实验技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种铅及其合金金相试样制备与组织显露方法，以达到操作简单方便且能有效显露铅及其合金金相组织的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：本发明铅及其合金金相试样制备与组织显露方法，其特征在于包括以下步骤：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨后的试样清洗干净，然后在抛光绒布上进行机械抛光，机械抛光以粒度为0.3～1.0μm的抛光剂调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，同时该抛光液还既是冷却剂又是润滑剂，抛光速度为200～500r/min，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：将机械抛光好的试样浸入化学抛光液中进行化学抛光，以去除经机械抛光试样表面生成的灰色氧化膜层，目测试样表面灰色氧化膜层痕迹完全消失、试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；化学抛光液为由CH₃CH₂OH、H₂O₂、CH₃CHOHCOOH及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为0.7～1.2∶0.9～1.1∶0.9～1.5∶0.8～1.5组成的混合溶液；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入浸蚀液中搅动浸蚀，然后洗净试样，吹干，即得到组织已清晰显露的试样；浸蚀液为由CH₃CH₂OH、H₂O₂及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为0.7～1.5∶0.9～1.1∶0.9～1.5组成的混合溶液。

所述化学抛光液优选为由CH₃CH₂OH、H₂O₂、CH₃CHOHCOOH及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为0.9∶1∶1.2∶1.2组成的混合溶液。

所述浸蚀液优选为由CH₃CH₂OH、H₂O₂及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为1.1∶1∶1.2组成的混合溶液。

所述抛光剂可以选用氧化铝、氧化铬等，但优选氧化铬。至于抛光剂的粒度，太小的话抛光效率低，太大则难以达到满意的抛光效果，故以0.3～1.0为宜。综合而言，抛光剂优选是粒度为0.50μm的氧化铬。

本发明采取的特殊的湿磨节能制样方法，利用水作冷却剂和润滑剂。湿磨可冷却试样，降低可导致真实组织变化的磨擦热，湿磨还能将磨面上的磨屑冲走、从而降低嵌入试样表面的倾向；节能省时，优选出的细齿扁平锉刀取代传统磨样耗材-碳化硅水砂纸和碳化硅金相砂纸，磨光试样时间仅需约为1～3min，细齿扁平锉刀一般是碳素工具钢(T12A、T13A)制成，经过热处理硬度达HRC62～67，锉刀表面细齿坚固不会脱落，对试样磨光表面不会因磨样时磨削物脱落而嵌入试样表面掩盖真实组织，造成假象。同时由于锉刀的材质和硬度所决定，制备铅及其合金金相试样一把锉刀可长期使用不需更换，而传统金相试样制样方法中制备一个合格的金相试样必须更换不同规格的碳化硅水砂纸和碳化硅金相砂纸磨光试样；其次：采用湿磨，避免了试样磨光表面发热造成的金属流动而导致表面组织形变等不利因素；制备样品的整个流程短，仅仅只需几分钟，不会出现因抛光时间长、抛光压力过大而造成的金属流动导致表面组织形变等；优选出无水乙醇、丙三醇、双氧水和乳酸组成的化学抛光液，以及优选出了无水乙醇、丙三醇和双氧水组成的浸蚀剂，成功制备了可供金相观察的样品。其操作简单、方便，且制备样品组织显露清晰度高，是铅及其合金金相试样制备与组织显露实验技术的显著进步。

附图说明

图1为用本发明方法所制备的工业纯铅样品的金相图片。

图2为用本发明方法所制备的蓄电池Pb-5Sb板栅合金样品的金相图片。

图3为图2放大后的金相图片。

图4为用本发明方法所制备的蓄电池Pb-Ca-Al-Sn板栅合金样品的金相图片。

图5为用本发明方法所制备的Pb-Sb-Cu电缆护套材料样品的金相图片。

图6为用本发明方法所制备的Pb-Sb-Cu电缆护套材料样品退火后的金相图片。

图7为用本发明方法所制备的Pb-50Sn焊料样品的金相图片。

图8为用本发明方法所制备的Pb-1Sn-1.5Ag铅基带银焊料样品的金相图片。

图9为用本发明方法所制备的铅锑锡字合金样品的金相图片。

具体实施方式

以下结合实施例及对比例对本发明作进一步详细描述。

下述所有实施例的制样流程为：取样→制样→湿磨→机械抛光→化学抛光→组织显露→洗净吹干→显微镜观察

实例一

在工业纯铅锭上用手工钢锯截取规格为20mm×20mm试样一块。具体实施步骤如下：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨好的试样置于含洗涤剂的水中经过超声波振动清洗器中洗净，然后进行机械抛光2min左右：抛光速度200r/min；此时抛光液既是冷却剂又是润滑剂；在微孔织物抛光绒布上喷滴粒度为0.5μm的氧化铬调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，将样品抛光，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：化学抛光的作用是将经机械抛光试样表面生成的灰色“氧化膜层”痕迹去除，将机械抛光好的样品浸入18mlCH₃CH₂OH+20ml H₂O₂+24ml CH₃CHOHCOOH+24ml CH₂OHCHOHCH₂OH混合溶液中进行化学抛光15秒左右，目测经机械抛光好的样品表面灰色“氧化膜层”痕迹完全消失，待试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入22ml CH₃CH₂OH+20ml H₂O₂+24mlCH₂OHCHOHCH₂OH混合浸蚀剂中搅动浸蚀6秒左右。用流水冲洗净试样，然后用无水乙醇洗净试样，吹干，此时可得到组织已清晰显露的试样。图1为本实施例制备的工业纯铅铸锭试样的金相图片，放大倍数100×，在显微镜上观察到清晰显露的单相等轴晶粒的金相组织。

实例二

在蓄电池板栅合金样品上用手工钢锯截取规格为20mm×20mm试样一块。具体实施步骤如下：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨好的试样置于含洗涤剂的水中经过超声波振动清洗器中洗净，然后进行机械抛光2min左右：抛光速度500r/min；此时抛光液既是冷却剂又是润滑剂；在微孔织物抛光绒布上喷滴粒度为0.5μm的氧化铬调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，将样品抛光，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：化学抛光的作用是将经机械抛光试样表面生成的灰色“氧化膜层”痕迹去除，将机械抛光好的样品浸入14mlCH₃CH₂OH+22ml H₂O₂+30ml CH₃CHOHCOOH+30ml CH₂OHCHOHCH₂OH混合溶液中进行化学抛光10秒左右，目测经机械抛光好的样品表面灰色“氧化膜层”痕迹完全消失，待试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入14ml CH₃CH₂OH+22ml H₂O₂+26mlCH₂OHCHOHCH₂OH混合浸蚀剂中搅动浸蚀3秒左右。用流水冲洗净试样，然后用无水乙醇洗净试样，吹干，此时可得到组织已清晰显露的试样。图2、图3为本实施例制备的蓄电池板栅合金材料(铸态)试样的金相图片，其中图2的放大倍数为100×，图3的放大倍数为500×。由图可见，在显微镜上分别用不同的放大倍数下观察清晰显露的Pb-5Sb板栅合金铸态为α+β共晶体组织。图2中组织说明：白色树枝为富Pb固溶体，黑色带为β(Sb)相与α(Pb)相二相共晶体。图3中组织说明：黑色带上β相经放大后，实为白色条片状之Sb相共晶体。

实例三

在蓄电池板栅合金样品上用手工钢锯截取规格为20mm×20mm试样一块。具体实施步骤如下：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨好的试样置于含洗涤剂的水中经过超声波振动清洗器中洗净，然后进行机械抛光2min左右：抛光速度300r/min此时抛光液既是冷却剂又是润滑剂；在微孔织物抛光绒布上喷滴粒度为0.5μm的氧化铬调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，将样品抛光，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：化学抛光的作用是将经机械抛光试样表面生成的灰色“氧化膜层”痕迹去除，将机械抛光好的样品浸入24mlCH₃CH₂OH+18ml H₂O₂+18ml CH₃CHOHCOOH+16ml CH₂OHCHOHCH₂OH混合溶液中进行化学抛光10秒左右，目测经机械抛光好的样品表面灰色“氧化膜层”痕迹完全消失，待试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入30ml CH₃CH₂OH+18ml H₂O₂+18mlCH₂OHCHOHCH₂OH混合浸蚀剂中搅动浸蚀3秒左右。用流水冲洗净试样，然后用无水乙醇洗净试样，吹干，此时可得到组织已清晰显露的试样。图4为本实施例制备的蓄电池板栅Pb-Ca-Al-Sn合金材料(铸态)试样的金相图片，放大倍数为400×。图4中Pb-Ca-Al-Sn合金铸态组织说明：白色方块和蝶形块是Pb₃Ca相，基体为Pb固溶体组织。

实例四

沿电缆铅护套管的经向方向用手工钢锯截取规格为20mm×20mm试样一块。具体实施步骤如下：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨好的试样置于含洗涤剂的水中经过超声波振动清洗器中洗净，然后进行机械抛光2min左右：抛光速度300r/min；此时抛光液既是冷却剂又是润滑剂；在微孔织物抛光绒布上喷滴粒度为0.5μm的氧化铬调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，将样品抛光，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：化学抛光的作用是将经机械抛光试样表面生成的灰色“氧化膜层”痕迹去除，将机械抛光好的样品浸入20mlCH₃CH₂OH+18ml H₂O₂+22ml CH₃CHOHCOOH+26ml CH₂OHCHOHCH₂OH混合溶液中进行化学抛光10秒左右，目测经机械抛光好的样品表面灰色“氧化膜层”痕迹完全消失，待试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入26ml CH₃CH₂OH+20ml H₂O₂+30mlCH₂OHCHOHCH₂OH混合浸蚀剂中搅动浸蚀3秒左右。用流水冲洗净试样，然后用无水乙醇洗净试样，吹干，此时可得到组织已清晰显露的试样。图5为本实施例制备的Pb-Sb-Cu合金(铸态)电缆护套材料试样的金相图片，放大倍数100×，显微镜观察清晰显露的金相组织为：含Sb量虽少，但也易于出现枝晶偏析，因此铸造后在一般冷却条件下，均表现为枝晶偏析形态。图6为本实施例制备的Pb-Sb-Cu合金电缆护套材料(铸态，经250℃退火2h)试样的金相图片，放大倍数100×，显微镜观察清晰显露的金相组织为：材料经250℃退火2h后枝晶偏析已完全消除，晶粒晶界明显，晶粒内可见小粒状和细针状Cu₂Sb化合物相。

实例五

在铅锡焊料合金样品上用手工钢锯截取规格为20mm×20mm试样一块。具体实施步骤如下：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨好的试样置于含洗涤剂的水中经过超声波振动清洗器中洗净，然后进行机械抛光2min左右：抛光速度300r/min；此时抛光液既是冷却剂又是润滑剂；在微孔织物抛光绒布上喷滴粒度为0.5μm的氧化铬调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，将样品抛光，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：化学抛光的作用是将经机械抛光试样表面生成的灰色“氧化膜层”痕迹去除，将机械抛光好的样品浸入18mlCH₃CH₂OH+20ml H₂O₂+26ml CH₃CHOHCOOH+20ml CH₂OHCHOHCH₂OH混合溶液中进行化学抛光10秒左右，目测经机械抛光好的样品表面灰色“氧化膜层”痕迹完全消失，待试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入18ml CH₃CH₂OH+20ml H₂O₂+24mlCH₂OHCHOHCH₂OH混合浸蚀剂中搅动浸蚀3秒左右。用流水冲洗净试样，然后用无水乙醇洗净试样，吹干，此时可得到组织已清晰显露的试样。图7为本实施例制备的Pb-50Sn铅锡焊料材料(铸态)试样的金相图片，放大倍数400×，试样在显微镜下观察清晰显露的组织为：黑色球块状为富铅固溶体初晶，片层状基体组织为富Pb(黑色)和富Sn(白色)共晶组织。

实例六

在铅锡焊料合金样品上用手工钢锯截取规格为20mm×20mm试样一块。具体实施步骤如下：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨好的试样置于含洗涤剂的水中经过超声波振动清洗器中洗净，然后进行机械抛光2min左右：抛光速度300r/min；此时抛光液既是冷却剂又是润滑剂；在微孔织物抛光绒布上喷滴粒度为0.5μm的氧化铬调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，将样品抛光，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：化学抛光的作用是将经机械抛光试样表面生成的灰色“氧化膜层”痕迹去除，将机械抛光好的样品浸入22mlCH₃CH₂OH+22ml H₂O₂+20ml CH₃CHOHCOOH+18ml CH₂OHCHOHCH₂OH混合溶液中进行化学抛光10秒左右，目测经机械抛光好的样品表面灰色“氧化膜层”痕迹完全消失，待试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入24ml CH₃CH₂OH+18ml H₂O₂+20mlCH₂OHCHOHCH₂OH混合浸蚀剂中搅动浸蚀3秒左右。用流水冲洗净试样，然后用无水乙醇洗净试样，吹干，此时可得到组织已清晰显露的试样。图8为本实施例制备的铅锡银铅基带银焊料(Pb-1Sn-1.5Ag)材料(铸态)试样的金相图片，放大倍数400×，试样在显微镜下观察清晰显露的组织为：白色大块为富Pb树枝状初晶，余为(Pb+Ag₂Sn)片层状共晶。Pb(白色)Ag₂Sn(黑色)。

实例七

在铅锡焊料合金样品上用手工钢锯截取规格为20mm×20mm试样一块。具体实施步骤如下：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨好的试样置于含洗涤剂的水中经过超声波振动清洗器中洗净，然后进行机械抛光2min左右：抛光速度300r/min；此时抛光液既是冷却剂又是润滑剂；在微孔织物抛光绒布上喷滴粒度为0.5μm的氧化铬调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，将样品抛光，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：化学抛光的作用是将经机械抛光试样表面生成的灰色“氧化膜层”痕迹去除，将机械抛光好的样品浸入20mlCH₃CH₂OH+18ml H₂O₂+22ml CH₃CHOHCOOH+24ml CH₂OHCHOHCH₂OH混合溶液中进行化学抛光10秒左右，目测经机械抛光好的样品表面灰色“氧化膜层”痕迹完全消失，待试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入20ml CH₃CH₂OH+18ml H₂O₂+22mlCH₂OHCHOHCH₂OH混合浸蚀剂中搅动浸蚀3秒左右。用流水冲洗净试样，然后用无水乙醇洗净试样，吹干，此时可得到组织已清晰显露的试样。图9为本实施例制备的铅锑锡铅字合金材料(铸态)试样的金相图片，放大倍数100×。铅锑锡铅字合金材料组成为16wt％Sb、7wt％Sn、余为铅。试样在显微镜下观察清晰显露的组织为：观察到β(Sb)初晶(白色方块)+[α(Pb)+β(Sb)+(SnSb)]三元共晶。

Claims (4)

1.一种铅及其合金金相试样制备与组织显露方法，其特征在于包括以下步骤：

a.湿磨：试样先经细齿扁平锉刀磨光，用流动水作冷却剂和润滑剂，然后进行机械抛光；

b.机械抛光：将湿磨后的试样清洗干净，然后在抛光绒布上进行机械抛光，机械抛光以粒度为0.3～1.0μm的抛光剂调入水中搅拌均匀的悬浮液作为抛光液，同时该抛光液还既是冷却剂又是润滑剂，抛光速度为200～500r/min，在显微镜下观察试样表面状态，确认试样表面锉刀划痕完全消失后进行化学抛光；

c.化学抛光：将机械抛光好的试样浸入化学抛光液中进行化学抛光，以去除经机械抛光试样表面生成的灰色氧化膜层，目测试样表面灰色氧化膜层痕迹完全消失、试样表面呈现光亮如镜的抛光表面即可；化学抛光液为由CH₃CH₂OH、H₂O₂、CH₃CHOHCOOH及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为0.7～1.2∶0.9～1.1∶0.9～1.5∶0.8～1.5组成的混合溶液；

d.组织显露：经化学抛光好的试样浸入浸蚀液中搅动浸蚀，然后洗净试样，吹干，即得到组织已清晰显露的试样；浸蚀液为由CH₃CH₂OH、H₂O₂及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为0.7～1.5∶0.9～1.1∶0.9～1.5组成的混合溶液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述化学抛光液为由CH₃CH₂OH、H₂O₂、CH₃CHOHCOOH及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为0.9∶1∶1.2∶1.2组成的混合溶液。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述浸蚀液为由CH₃CH₂OH、H₂O₂及CH₂OHCHOHCH₂OH按照体积比为1.1∶1∶1.2组成的混合溶液。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述抛光剂是粒度为0.50μm的氧化铬。

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