摘要：工具鋼是一種非常重要的材料，它的化學(xué)成分組成從簡單的塑性成型的模具鋼和淬火水冷的碳鋼到高合金的高速鋼。在工具鋼和模具鋼的失效分析中，有時(shí)會(huì)觀察到各種各樣我們不希望出現(xiàn)的顯微組織。

工具鋼是一種非常重要的材料，它的化學(xué)成分組成從簡單的塑性成型的模具鋼和淬火水冷的碳鋼到高合金的高速鋼。甚至對于那些化學(xué)成分更新奇材料通過粉末冶金加工方法都可以做到，這些材料都有一個(gè)共同的特點(diǎn)。首先它們都是鐵基材料。金相工作者一致認(rèn)為對于硬度相對較軟的退火態(tài)的、熱軋態(tài)和鍛造后的高速鋼具有不盡相同的顯微組織，而熱處理后的硬度較高的工具鋼的顯微組織通常是強(qiáng)度較高的馬氏體和各種形態(tài)和類型的碳化物構(gòu)成。在工具鋼和模具鋼的失效分析中，有時(shí)會(huì)觀察到各種各樣我們不希望出現(xiàn)的顯微組織。
一般而言，工具鋼的金相樣品制備不是特別困難。但是，還是有些問題需要注意。首先其切割過程相當(dāng)困難，為了避免過熱和過燒，切割片必須選用粘結(jié)強(qiáng)度較低的切割片。在樣品制備過程中，樣品的邊緣保護(hù)非常重要。例如：對于脫碳層評判的樣品，對于熱處理后的失效的樣品尤其如此。在樣品制備過程中防止夾雜物的脫落非常重要，特別對于那些需要對夾雜物含量和類型需要評判的。對于含有石墨的工具鋼，石墨必須正確保留。對于Si含量較高的工具鋼斑點(diǎn)染色問題經(jīng)常會(huì)遇到。碳化物在樣品制備時(shí)會(huì)破裂甚至從基體上脫落變成空洞，對于合金含量較高材料在切割時(shí)要特別注意。金相工作者必須能夠判別這些空洞是材料本身存在的還是在樣品制備過程中產(chǎn)生的。

樣品制備過程
切割
相對較軟的樣品（硬度低于35HRC或345HV）可以使用手鋸或者帶鋸進(jìn)行切割?？墒?，這樣的過程往往會(huì)導(dǎo)致樣品表面損失層變大和切割表面非常糙。為了去除這些損傷層，在*初的粗磨時(shí)一定要使用較粗顆粒的磨料（例如80 -120 grit的SiC砂紙）。這樣才能去除切割產(chǎn)生的樣品損傷。對于高硬度的樣品切割必須使用砂輪切割片，在切割過程中使用水進(jìn)行冷卻，切割片應(yīng)使用粘結(jié)強(qiáng)度較低的砂輪片以防止樣品過燒。在切割過程中樣品的冷卻可以避免過熱，這些切割產(chǎn)生的熱量對于淬火和淬火后+低溫回火的工具鋼的影響尤為嚴(yán)重。不正確的切割導(dǎo)致馬氏體高溫回火，如果熱量過大還會(huì)導(dǎo)致切割表面重新轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織。這樣在后續(xù)的磨削步驟想要去除這種損傷是非常困難的。對于淬火后的高合金工具鋼，這樣的材料相對較脆，切割時(shí)比較容易得到平坦和損傷層小的切割表面。隨后可對切割表面進(jìn)行研磨和拋光。在精密切割機(jī)上使用金剛石或立方氮化硼刀片切割高硬度的高合金工具鋼可以獲得*小損傷層的高質(zhì)量切割表面。雖然切割速度較低，但是其切割表面非常光滑平坦，其后就可以使用較細(xì)粒度的SiC砂紙進(jìn)行研磨（例如：使用240 到 320 粒度的SiC砂紙）。
鑲嵌
通常較大的樣品不需要鑲嵌就可以直接進(jìn)行拋光。現(xiàn)在大多數(shù)先進(jìn)的自動(dòng)拋光機(jī)可以對未經(jīng)鑲嵌的樣品直接進(jìn)行拋光。如果樣品邊緣需要被保護(hù)的樣品，就必須進(jìn)行鑲嵌。鑲嵌之前對樣品進(jìn)行電鍍處理往往可以得到*佳的樣品邊緣保護(hù)，但是現(xiàn)在很少這樣做。因?yàn)楝F(xiàn)在使用的像EpoMet®這樣的鑲
嵌樹脂可以給樣品提供非常好的邊緣保護(hù)即便是沒有電鍍過得樣品。自動(dòng)拋光機(jī)比手持拋光能夠得到更好的樣品邊緣保護(hù)。在研磨和拋光時(shí)，使用中心力加載方式比單點(diǎn)力加載方式等到的樣品表面更加平坦。鑲嵌主要用于小和形狀不不規(guī)則的樣品。對于樣品邊緣保護(hù)沒有特別的要求的樣品使用普通的鑲嵌樹脂即可?？墒怯行╄偳稑渲赡鼙灰恍┫窬凭惖幕瘜W(xué)試劑溶解，并且許多鑲嵌樹脂不能用于熱侵蝕的樣品鑲嵌。環(huán)氧類壓力鑲嵌環(huán)氧樹脂可以防止上述現(xiàn)象的出現(xiàn)。如果對于樣品的研磨拋光位置有特定的要求，那么就可以使用透明的丙烯酸壓力鑲嵌樹脂。冷鑲嵌所使用的環(huán)氧樹脂也能達(dá)到令人滿意的效果。冷鑲嵌的環(huán)氧樹脂主要用于樣品對于溫度敏感和那些不能承受壓力的樣品。冷鑲嵌樹脂是**的與樣品進(jìn)行正真物理粘結(jié)的樹脂。如果樣品不需要邊緣保護(hù)而且也不會(huì)受熱影響的話，可以使用成本便宜的酚醛樹脂進(jìn)行壓力鑲嵌。傳統(tǒng)的研磨和拋光方法在傳統(tǒng)的方法中，無論是手動(dòng)還是自動(dòng)拋光在研磨階段，通常使用防水的SiC砂紙 （200~300mm或8”~12”直徑）。*初研磨砂紙粒度的選自取決于切割后的樣品表面狀態(tài)。砂紙
的牌號從120，240，320，400到600 grift由粗到細(xì)。對于高合金的工具鋼為了防止碳化物的脫落常常使用更細(xì)粒度的砂紙。保持一個(gè)適中或較大的壓力在樣品上，研磨時(shí)間在1~2min去除上一個(gè)步驟產(chǎn)生的損傷層和劃痕。要使用新的砂紙，使用過的舊砂紙將產(chǎn)生較大的損傷。傳統(tǒng)的方法中，拋光階段采用多步金剛石拋光劑，*后拋光階段采用幾步的氧化鋁拋光。對于常規(guī)監(jiān)測的樣品，通常使用6um和1um金剛石拋光就可以。在拋光步上涂抹上金剛石拋光膏或噴灑金剛石拋光劑。當(dāng)使用粗顆粒金剛石拋光劑時(shí)*好使用短絨毛或無絨毛的拋光布。較細(xì)的金剛石拋光劑與中等長度絨毛拋光布一起使用。潤滑劑或者“擴(kuò)散劑”與金剛石拋光劑一起使用，它能濕潤拋光布并且拋光阻力拋光機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)在100~150 rpm 。壓力適中，拋光時(shí)間2min即可。*終的拋光步驟采用手動(dòng)或自動(dòng)均可，通常使用的拋光劑是0.3μm α-氧化鋁和 0.05μm γ- 氧化鋁,使用0.04-0.06μm氧化硅也是非常有效。轉(zhuǎn)數(shù)、壓力和時(shí)間與粗拋光階段一樣。總之，由于工具鋼的高硬度所以拋光時(shí)很容易去除樣品的劃痕和人為缺陷。

現(xiàn)代的方法
現(xiàn)代的方法是使用自動(dòng)化的機(jī)器進(jìn)行研磨和拋光的，鑲嵌或未經(jīng)鑲嵌的樣品被放置到各種尺寸的樣品夾持器中，拋光盤的直徑通常為200，250或300mm直徑（8” ,10”或12”）。使用新研制的制備表面和拋光劑只是需要3個(gè)步驟就可以得到令人滿意的拋光表面。表1的四步拋光方法可以得到拋光表面可以合所有需要。對于日常檢測工作，其中第四步可以省略，其拋光表面質(zhì)量完全滿足要求。第四步僅僅用于需要對樣品拍照和一些雜志論文出版時(shí)需要印刷質(zhì)量的照片。表2顯示的是一個(gè)更為簡捷的3步制備方法，這個(gè)方法也能夠制備可以拍攝出用于研究和出版質(zhì)量的照片的樣品表面。在制備的**步中，絲質(zhì)UltraPol®和聚酯纖維質(zhì)地UltraPad®拋光布都能得到好的樣品邊緣保護(hù)和高質(zhì)量的拋光表面，但是前者拋光質(zhì)量要好于后者。當(dāng)樣品夾持器采用反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，換句話說當(dāng)樣品夾持器的轉(zhuǎn)向與磨盤的轉(zhuǎn)向（通常是逆時(shí)針）相反時(shí)，可以使材料的去除速率增加。如果樣品夾持器的轉(zhuǎn)速<100 rpm，采用反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)拋光劑和潤滑劑與樣品接觸時(shí)間更長。如果樣品夾持器的轉(zhuǎn)速>100 rpm，幾乎所有的液體都被甩到拋光盤之外。這是因?yàn)樵诜捶较蜣D(zhuǎn)動(dòng)情況下，由于離心力的作用磨料的的甩出速度幾乎與其添加速度一樣快。如果在第四步后，觀察氧化物或硫化物周圍發(fā)現(xiàn)有浮圖現(xiàn)象。重復(fù)第四步采用反向轉(zhuǎn)動(dòng)，浮圖現(xiàn)象除去。在拋光布上使用金剛石的拋光膏其材料去除速率較快，用你的手指將金剛石拋光膏均勻涂抹在拋光布上。拋光開始時(shí)使
用潤滑劑，在拋光的過程中使用MetaDi®金剛石拋光液，使用與金剛石拋光膏同樣顆粒尺寸的金剛石拋光液其效果*好。因?yàn)榻饎偸瘨伖庖褐泻袧櫥核圆恍枰偬砑訚櫥瑒ｋm然一些試驗(yàn)人員也在使用金剛石拋光液的同時(shí)加入少量的0.05μm 氧化鋁拋光液，它不是過去傳統(tǒng)意義上的焙燒制成
的非結(jié)晶的氧化鋁。如果從切割到拋光所有步驟完成，*后的拋光時(shí)間在5min沒有浮凸和邊緣倒園的問題發(fā)生。那么在切割時(shí)就要避免過渡的切割損傷。鑲嵌使用收縮率低的EpoMet®樹脂，避免收縮縫隙產(chǎn)生。磨削開始盡量使用粒度較細(xì)的SiC砂紙（或者是相應(yīng)尺寸顆粒的DGD磨盤），樣品夾持
器采用低速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，上述這些都是獲得材料**真實(shí)組織關(guān)鍵步驟。

結(jié)論

    如果想要得到真實(shí)的顯微組織，正確的樣品制備過程必不可少。使用現(xiàn)代的半自動(dòng)磨拋設(shè)備可以快速的進(jìn)行樣品制備而 且能夠得到令人滿意的工具鋼樣品。在便捷的3步樣品制備和4步樣品制備工藝中已經(jīng)提到樣品制備的關(guān)鍵參數(shù)控制。首先，切割過程選用硬度合適的金相專用的砂輪切割片，以避免過大損傷的產(chǎn)生。其次，如果樣品邊緣需要檢查，就要選用保邊性好的樹脂進(jìn)行鑲嵌。第三，*初的研磨工序，盡可能使用粒度較細(xì)的砂紙。第四，在拋光過程中，添加足夠的拋光液，才能做到有效的材料去除。第五，在*終拋光時(shí)，使用無絨毛，編織或壓制的織物作為拋光表面。*后，選擇*適合的腐蝕劑清晰顯示顯微組織并得到*好的圖像襯度。