國內外金相試樣拋光機的發展狀況分析

    摘要：介紹了國內外金相試樣拋光機的研究情況，以及各種類型拋光機的性能與特點。就我國拋光機的性能和冷卻裝置等方面存在的問題進行了討論；以微處理器為基礎的各種制樣設備代表著金相試樣製備的先進技術，通過機電結合、軟硬體結合及互補，增加柔性拋光功能，改進冷卻方式等來改造傳統的金相試樣拋光設備。
　　
　　材料是人類生產和生活的物質基礎，它可以直接反映出人類文明的程度。金屬材料的力學性能不僅與它的化學成分有關，也與它的組織結構有著密切的關係。了解它們之間的關係並掌握它們之間的變化規律，進行正確的金相分析是有效使用材料所必需的。
　　
　　要進行金相分析，就必須製備能用於微觀觀察檢驗的樣品—金相試樣。通常，金相試樣製備要經過以下幾個步驟：取樣、鑲嵌、磨光(粗磨和細磨)和拋光。每項操作都必須嚴格細心因為任何階段的失誤都可能影響以後的步驟，在極端的情況下，不正確的製作可能造成假組織，從而得出錯誤的結論川。金相試樣的製備是通過切割機、鑲嵌機、磨/拋光機來完成的，金相試樣的最終質量是由拋光工序決定的，拋光是金相制樣過程中至關重要的一環。拋光是將試樣上磨製產生的磨痕及變形層去掉，使其成為光滑鏡面的最後工序。拋光試樣的方法有機械拋光、電解拋光、化學拋光以及複合拋光等。機械拋光是現階段應用最為廣泛的拋光方法，其正確的工藝和操作方法是在保證獲得優質的試樣和其他條件(如邊緣保留及石墨和夾雜物保留等)的情況下具有最高的拋光速率選擇可靠性高的金相試樣拋光機，可以提高制樣效率和質量，減少試樣廢品率，從而降低成本，提高經濟效益，獲得樣品質量的高度一致性。
　　
　　1金相試樣拋光的技術要求
　　
　　拋光操作的關鍵是要設法得到最大的拋光速率，以便儘快除去磨光時產生的損傷層。同時也要使拋光損傷層不會影響最終觀察到的組織，即不會造成假組織。這兩個要求是矛盾的。前者要求使用較粗的磨料，以保證有較大的拋光速率來去除磨光的損傷層，但拋光損傷層也較深；後者要求使用最細的材料，使拋光損傷層較淺，但拋光速率低。解決這個矛盾的最好的辦法就是把拋光分為兩個階段進行。首先是粗拋，目的是去除磨光損傷層，這一階段應具有最大的拋光速率，粗拋形成的表層損傷是次要的考慮，不過也應當儘可能小；其次是精拋(或稱終拋)，其目的是去除粗拋產生的表層損傷，使拋光損傷減到最小。
　　
　　拋光時，試樣磨麵與拋光碟應絕對平行並均勻地輕壓在拋光碟上，注意防止試樣飛出和因壓力太大而產生新磨痕。同時還應使試樣自轉並沿轉盤半徑方向來回移動，以避免拋光織物局部磨損太快在拋光過程中要不斷添加微粉懸浮液，使拋光織物保持一定濕度。濕度太大會減弱拋光的磨痕作用，使試樣中硬相呈現浮凸和鋼中非金屬夾雜物及鑄鐵中石墨相產生「曳尾」現象；濕度太小時，由於摩擦生熱會使試樣升溫，潤滑作用減小，磨麵失去光澤，甚至出現黑斑，輕合金則會拋傷表面。

　　為了達到粗拋的目的，要求轉盤轉速較低，最好不要超過500r/min；拋光時間應當比去掉劃痕所需的時間長些，因為還要去掉變形層。粗拋後磨麵光滑，但黯淡無光，在顯微鏡下觀察有均勻細緻的磨痕，有待精拋消除。
　　
　　精拋時轉盤速度可適當提高，拋光時間以拋掉粗拋的損傷層為宜。精拋後磨麵明亮如鏡，在顯微鏡明視場條件下看不到劃痕，但在相襯照明條件下則仍可見到磨痕。
　　
　　金相試樣拋光質量的好壞嚴重影響試樣的組織結構，已逐步引起有關專家的重視。近年來，國內外在拋光機的性能上作了大量的研究工作，研究出不少新機型、新一代的拋光設備，正由原來的手動操作發展成為各種各樣的半自動及全自動拋光機。下面介紹幾種常用的機械拋光機的性能和特點。
　　
　　2金相拋光機的性能與特點
　　
　　2.1國外拋光機的性能與特點
　　
　　(l)丹麥Struers公司研製的Abrapol-10型高科技自動化立地式金相拋光機。試樣可以不經鑲嵌裝在特殊夾具上，夾具由另一電動機帶動，其轉動方向與拋光碟相反。夾具與拋光碟之間的壓力可以在0～7OON之間任意調節。當到達預定拋光時間後，夾具自動抬起並停止。夾具的特點是能適應各種形狀的試樣。對於線材及尺寸較小的棒材試樣，可把試樣分成三組，用厚鋼板及螺釘固定在夾具上，每組可裝20～40個線材試樣，對於較大試樣每個夾具可以裝6塊。夾具上試樣孔的設計是使樣品與夾具及固定螺釘始終保持三點接觸。如果兩個人使用3台這種設備，lh可製備6至8個夾具試樣，實際上每個夾具試樣在3台設備上的總有效時間總共只有6min，具有很高的拋光效率，而且試樣的拋光質量能達到金相分析的要求。
　　
　　(2)美國Buehler公司研製生產的vanguard型全自動拋光機從粗拋到最後精拋整個過程全自動完成，可以設置50個常用工作程序，操作界面友好，彩色液晶顯示，觸摸式操作，整個過程的每個工序之間都進行夾持器和樣品的清洗與烘乾，充分保證了樣品製備的高效與高制性，操作過程的全自動化模式，節省了人工並提高了效率與質量。試樣由拋光臂按照一定軌跡在拋光碟內運動，拋光臂上的壓力可根據需要調節，最大可達20N。在預定的拋光時間內，此壓力將逐漸自動減小到零，這樣可減少拋光缺陷。拋光臂的速度也可以調節，每道工序只需2～5min，適用於各種材料。
　　
　　2.2國內拋光機的性能與特點
　　
　　(1)上海長方光學有限公司生產的PG-1型金相拋光機配備0.2kw電機，拋光碟直徑為220mm，拋光速度可定製為900l./min或1400r/min。PG-l拋光機是採集多方面使用人員的意見和要求設計而成的，它具有傳動平穩，噪音小，操作、維修方便等優點。該機的拋光碟直徑和傳遞功率均大於國內同類產品，能適合更多種材料的拋光要求。

　　(2)河北農業大學機電新技術公司研製生產的DMP-3A10型金相拋光機採用電腦控制，拋光時間採用倒計時數字顯示，在0～99min595定時範圍內任意給定。壓力按加載大小數字顯示，在O～200N加載範圍內任意給定磨盤轉速採用儀表顯示，在0～50r/min範圍內任意調節。工作時，磨盤在調速電機的驅動下旋轉，並根據一設定的壓力，按理想的加壓保壓和分段卸壓方式將夾持盤壓在轉動的磨盤上，從而能快速去除試樣表面的磨痕和消除變形層拋光時間到達後，磨盤停止轉動，夾持盤自動提升，從而實現無人監控操作{6。DMP-3A10型金相拋光機可根據不同金屬材料的需要現場設置和存儲工作參數(速度、壓力和時間)，也可從存儲器中調用已事先優化的工作參數，具有很高的智能化程度。
　　
　　(3)南京測控科學器材有限公司研製的GPV型金相變頻調速拋光機採用無級變速，從1400～50r/min，並具有數字顯示轉速的功能變頻調速是被理論和實踐證明的「節能明顯，功能豐富，性能穩定」的調速裝置，根據不同材料，拋光時需要選擇合適的速度，得到最佳的效果。
　　
　　該機的優點是能在很短的時間內，達到最優的拋光速度，並且消除試樣表面的劃痕，使試樣符合金相分析與研究的要求。
　　
　　3討論
　　
　　縱觀國內外拋光機的狀況，國內研發的拋光機在性能和外觀等方面還存在一定差距。例如，國內研製的拋光機多數機型的拋光碟為單盤或雙盤，有水龍頭，但冷卻條件差由於冷卻條件差，試樣表面易發熱變灰暗，而且會繼續增厚形變擾動層，對快速拋光好試樣帶來麻煩；拋光碟轉速固定不變，而金相試樣製備過程不允許組織變形，軟相(石墨)脫落，硬相(碳化物)浮凸，拋光後試樣表面應光亮如鏡、無磨痕。為此，不同性質的材料，需採取不同措施。
　　
　　而國外研製的全自動拋光機，能夠自動控製冷卻液的流量，整個操作過程採用全自動化模式，節省了人工並有效地提高了研究效率與質量。
　　
　　我國金相試樣製備的研究開發雖然已有幾十年的歷史，並己取得了一定的成績，但是和國外相比仍然有明顯的不足，制約我國金相試樣製備技術發展的因素主要有以下幾個方面:
　　
　　(l)我國目前還沒有金相試樣拋光機國家標準，金相試樣拋光機作業質量的測試指標以及測試條件，各個生產研製單位大多是根據企業標準對金相試樣拋光進行測試檢驗，判定標準不一，影響了新機型的開發研製。
　　
　　(2)缺乏懂金相知識與機械設計及其控制的綜合性人才，這無形中增加了我國金相取樣制樣設備的研究和開發的難度。

　　(3)冶金、機械、汽車、拖拉機、兵器、航天航空、軸承、工模具等製造行業中所需的金屬材料類型多樣化，由於各種金屬材料的物理、化學等性能不一，使拋光機在試驗參數測定確定最佳性能指標等方面有很大難度。
　　
　　(4)金相試樣拋光的機制研究和系統的理論欠缺，研究手段相對落後〔我國金相試樣拋光機的設計和開發要適合我國的具體國情，不僅要適合我國廣大金相工作者對金相試樣拋光機各種性能的要求，提高制樣質量和自動化程度，同時應考慮到金相工作者不同知識層次的需要，使設備力求操作簡單、安全可靠，而且應考慮儘量降低成本，提高性能價格比，使金相試樣拋光機在各種規模、各種類型的企業實驗室得到應用和普及，促進我國金相事業的發展。
　　
　　目前，就拋光機設計而言，仍面臨許多急待突破的技術難題，主要表現在以一F幾個方面：
　　
　　a.拋光方式的研究
　　
　　先進的金相試樣拋光機，需要有先進的理論作指導目前，有關金相試樣拋光機的理論著作過於老化，新理論和學術研究性文章比其他機械技術理論少，且深度不夠，學術價值低，這給新機型的開發研製帶來了困難。理論研究是今後有待深人探討的關鍵內容之一。
　　
　　b.冷卻方式的研究
　　
　　多數試樣拋光方法最重要的特點是拋光時產生高溫，會造成金相組織發生變化，給金相分析造成困難因而，金相取樣時必須進行充分冷卻。通常使用的冷卻液為水，冷卻試樣靠自來水壓力注射，冷卻程度的好壞直接關係到試樣的切割質量。目前，關於試樣拋光的冷卻方式的專題研究成果還未見報導。
　　
　　c.控制方法的研究
　　
　　在處理複雜系統控制問題時，傳統控制方法對於複雜性、不確定性、突變性所帶來的問題總有些力不從心·為了適應不同技術領域和社會發展對控制科學提出的新要求，我們必須發展新的控制模式。
　　
　　近年來，在傳統控制中加人邏輯推理和啟發式知識，將傳統控制理論與模糊邏輯、神經網絡、遺傳算法等人工智慧技術結合起來，充分利用人的控制知識對複雜系統進行智能化控制，逐漸形成拋光機的智能控制。
　　
　　4結論
　　
　　目前金相試樣拋光設備形式多樣，各種半自動化、自動化產品在各種規模及各種類型的企業實驗室得到廣泛應用，使操作者的工作量得以減小，制樣效率得到提高；以微處理器為基礎的各種制樣設備代表著金相試樣製備的先進技術通過機電結合軟硬體結合及互補，增加柔性拋光功能等方式，改造傳統的金相制樣設備，就可以獲得手工操作難以實現的高精度、高性能和再現性好的金相試樣。