一种新型金相染色剂在齿轮金相组织分析中的应用

王梦梦 王子龙 何亮亮 李阳 高林峰

摘 要：传统酸腐蚀金相显色法应用广泛，但却有腐蚀过程繁琐，腐蚀时间难控制等缺点，为此本文提出了一种新的金相染色方法，此方法具有快速，方便，绿色安全，显色更清晰的优点。只需经过一次染色就能清楚的区分齿轮中非马组织，马氏体，贝氏体，残余奥氏体等组织，大大提高了生产效率。

关键词：彩色金相;薄膜干涉;齿轮;金相组织

1 引言

金相分析是金属热加工内在质量控制的核心，是分析材料热处理后组织的无可替代的一种手段。目前使用最广泛的金相显色方法为酸腐蚀法，它是通过酸刻蚀改变材料表面衬度来对组织进行区分。传统酸腐蚀法操作简便，无需特别的设备，在企业的快速检测中使用广泛。但是随着科技的发展，实际工作中对于金相检验的要求越来越高，传统方法已经不能满足。一般的，传统腐蚀方法有以下缺点：

（1）腐蚀时间难控制，腐蚀时间短组织无法完全显现，腐蚀太深组织会出现假象。

（2）腐蚀过程繁瑣，非马组织需要很浅腐蚀，贝氏体组织要浅腐蚀，而马氏体组织则需要深腐蚀才能看到，无法做到只通过一次腐蚀就可观察到所有组织的效果。

（3）马氏体和下贝氏体无法区分，腐蚀后马氏体和下贝氏体颜色都呈棕黄色，形态都为针状，组织完全无法区分。

（4）显色剂具有强腐蚀性，对人体有害，属于严格管控的危险化学制品。

上世纪四十年代美国金相学家Berha[1]等人发明了彩色金相技术大大提高了金相鉴别能力。彩色金相是通过化学或物理的方法，在样品的表面形成一层干涉膜，通过薄膜干涉将组织显示出来[2]。目前，很多研究者致力于彩色金相法的研究并取得了重大突破，但仍存在一些局限。例如：G.F Vanders Voort 采用硝酸酒精+偏亚硫酸氢钠这种复合的金相腐蚀方法，腐蚀后铁素体和残余奥氏体都呈白色，贝氏体、马氏体、珠光体都为深色，无法区分。LePera 采用偏亚硫酸氢钠+苦味酸溶液进行腐蚀，腐蚀后马氏体和残余奥氏体都为白色无法区分。[3]也有研究者在LePera的基础上调整了两组分的比例依然无法将马氏体和残余奥氏体分开。鉴于此本文在大量探索试验的基础上不断摸索提出了一种用于可以用于齿轮金相组织分析的方法，此方法一次染色可将所有组织清楚区分，操作方便、安全快捷。

2 试验材料及方法

（1）试样材料：20CrMiTi，生产工艺：锻造-正火-机加工-渗碳-淬火。

（2）试样制备：在齿轮上随机切取两个连续的齿并从中间劈开（切割过程中防止过热引起组织的变化），将试样分别用砂纸和抛光布抛光呈镜面、乙醇冲洗后触感备用。

（3）染色剂的配制。1）传统染色剂：4%硝酸酒精;2）新染色剂：偏重亚硫酸钾（3g）+硫代硫酸钠（5g）+苦味酸（1ml饱和水溶液）+水（100ml）。

（4）染色。1）传统染色剂：将试样浸泡在染色剂中3s后取出，并用大量清水冲洗，吹干;2）新染色剂：将试样浸泡在染色剂中观察，待试样表面出现黄色膜同时齿轮边缘出现深色的轮廓时，将试样取出，并用大量清水冲洗，吹干。

（5）金相组织的观察：将试样放在显微镜下放大500×观察。

3 试验结果与讨论

图1右边为传统腐蚀剂腐蚀后的齿轮剖面金相图片。从图中可以清楚的看到白色和深色两种组织。其中白色组织为残余奥氏体，深色的组织为马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，电化学电位较低很容易被腐蚀，因此组织呈深色。奥氏体为碳溶于γ-Fe中的固溶体。电化学电位较高不容易被腐蚀，因此组织呈白色。然而，由于马氏体、贝氏体、类珠光体类组织的电化学电位非常接近，当酸存在时，酸会与这些组织都发生反应，组织都为深色，因此酸腐蚀法无法将他们分开。

图1左边为新染色剂处理后的齿轮剖面的金相图片。显色效果完全优于传统酸腐蚀法。图中白色为残余奥氏体，灰色为马氏体，深色发蓝的组织为贝氏体，同时齿轮边缘可以清晰的看到非马组织。这是因为，染色剂中的偏重亚硫酸钾溶于水会生成H2S，水溶液中H2S电解提供的S2-会与金属Fe发生反应生成FeS黄色沉淀附着在试样表面，即在试样表面形成一层薄膜。溶液中酸的加入会加快成膜的速度。整个成膜过程即：Fe+2H++S2-=FeS+H2。一般的，薄膜厚度必须控制在400-500?之间，否则，膜厚度太小看不见颜色，膜厚度太厚显示不出光的干涉效应，整体呈现黑色[4]。本方法在多次试验的基础上，通过观察试样表面的颜色来控制成膜时间，已达到对成膜厚度的控制。整个成膜过程需要10分钟，相对于传统腐蚀时间3秒，时间更容易控制。此染色方法彻底解决了传统腐蚀剂的缺点，染色速度容易控制，组织可以更好的分离开。对于齿轮来说，一次腐蚀就可以看到所有的组织，方别快捷。同时，此染色方法绿色安全，大大降低了企业的环保安全压力。

4 结论

本文开发的金相染色剂，它利用薄膜干涉方法将各种组织分开，彻底克服了传统腐蚀剂的缺点，一次染色就可以观察到所有组织，同时操作简便、安全，整个过程容易控制。

参考文献：

[1]Berha E ShpLge B.ColourmetalloFaphie[M].Americ.4-160.

[2]彩色金相技术编写组.彩色金相技术（应用图册）[M].北京：国防工业出版社，1991.

[3]Gerge F.Vander Voort.Color Metallography[J].Microscopy today，2005，nov：22-27.

[4]胡恒法，裴新华，穆海玲.低碳贝氏体复相钢相鉴别技术[J].物理测试，2008，26（05）：1-5.