Volume 4, Issue 2
摘要:Mg 及其合金具有较低的硬度和强度,但是沉淀析出物使其强度和硬度都有很大提高。沉淀
析出物颗粒的硬度与基体硬度差别较大,样品制备时基体与析出物颗粒不在同一平面上,想要去除
样品上的划痕和基体的变形损伤层,控制浮凸都会非常困难。
Al无论采用何种生产工艺和
,Mg及其合金金相样品制备
都是非常困难的。Mg 及其合金具有较低的硬度和强度,但是
沉淀析出物使其强度和硬度都有很大提高。沉淀析出物颗粒
的硬度与基体硬度差别较大,样品制备时基体与析出物颗粒
不在同一平面上,想要去除样品上的划痕和基体的变形损伤
层,控制浮凸都会非常困难。Mg是一种十分活跃的金属,在
最后抛光步骤或每个制备步骤中是否使用水还有一些不同意
见。 虽然Mg的晶体结构是HCP,但是抛光后的Mg样品在偏振
光下没有很大变化。本文阐述了Mg及其合金的样品制备的新
方法,采用新的样品制备方法可以得到平坦没有浮凸、划痕
最少和基体变形损伤层最小的样品。此外还有一些关于侵蚀
剂配制的方法介绍。
Mg及其合金样品,由于其基体组织硬度与高硬度的沉淀析出
相颗粒硬度差别较大,加之Mg又是一种较活泼的金属,所以
导致浮凸现象产生,其样品制备非常困难。如果在切割、磨
光和抛光过程中施加在样品上压力过大都会导致机械孪晶的
产生。最终抛光和清洗步骤一定要避免和尽量少使用水和各
种溶液。Mg合金比纯Mg更容易被水侵蚀,所以有些专家认为
不应该在样品制备的任何步骤上使用水,即使是在磨光步骤
上也要使用 1:3(丙三醇+无水乙醇)的混合液或者煤油作
为冷却液。
图1. 所示:精炼的纯Mg(99.98%)中的机械孪晶,抛光剂:二氧
化硅,侵蚀剂: 苦味酸溶液 (偏振光+灵敏色片;标尺长度:
100μm)。
Mg及其合金的金相
Written by:
George Vander Voort (Buehler Ltd)
Tech-Notes
Using Microstructural Analysis to Solve Practical Problem
使用这样的冷却液最好,因为细小的Mg灰尘颗粒容易引起火
灾。由于存在硬度较高的金属中间相,所以浮凸现象较难控
制,抛光时使用有毛的抛光布尤其如此。
图 2a 和 b. 铸造Mg合金2.5% RE-2.11% Zn – 0.64% Zr显微组
织, 侵蚀剂:醋酸乙二醇 a(上图); 苦味酸溶液 b(下图) (偏振
光+灵敏色片)。 标尺长度分别为:20μm 和 50μm,图(a)在高放
大倍数的明场下更容易辨别RE在晶界处析出。
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试样在切割过程中会产生很严重的损伤,这是能否获得良好
抛光样品的前提。采用适当的切割工艺才能得到最小的损伤
层,使用砂轮切割机可以获得不错的效果。此外,切割时必
须使用冷却液,可以避免在切割过程中过热现象的发生从而
减小损伤。虽然Mg及其合金的熔点相对较低,而且固溶处理
和时效处理的温度也很低,仍然可以使用热压力镶嵌。
但是,固溶状态而没经过时效处理的样品,则要使用环氧类
的冷镶嵌树脂,树脂聚合时产生的热量很小。热压力镶嵌会
导致高纯Mg中产生机械孪晶。
而且氧化铝抛光剂粒度可以小到0.05mm。也可采购氧化铝粉
或者已经配制好的抛光液,但是它是水基的。也可以使用水
基的氧化铝抛光液添加一点肥皂和酒精或乙二醇。我曾经使
用过二氧化硅抛光液,对于纯Mg是可以的,但是对于Mg合金
有腐蚀作用。在每步磨光步骤之间必须用水清洗样品,但是
在最终抛光步骤不要使用水清洗样品,要使用酒精或其他溶
剂。
样品制备试验
在实验室我们已经开发了许多种关于Mg及其合金样品的机械
抛光的方法。这些方法可以广泛的适用于铸造和锻造样品的
制备,从一开始的纯Mg的样品制备延伸至常用Mg合金的样品
制备。首先, 尝试使用一、二步的 SiC 砂纸 然后使用一系
列9, 3 and 1mm金刚石抛光剂(人造多晶金刚石)。 使用无绒
毛的TexMet® 抛光布可以得到很好效果,有绒毛的抛光布会
导致严重的浮凸和像脱落或拖尾现象产生,所以避免使用有
绒毛的抛光布。使用水基的金刚石抛光剂可以得到很好的结
果,如果在抛光过程中避免使用水而采用油基的金刚石抛光
液(人造单晶金刚石)效果更佳。目前还没有证据显示使用
水基的金刚石抛光液会对显微组织产生腐蚀。若是使用油基
抛光液和抛光润滑剂样品
面更好,划痕更少且更浅。
经过试验评价,最终抛光步骤使用绒毛长度中等的人工合成
的MicroCloth®抛光布和无绒毛的人工合成聚氨酯ChemoMet®
抛光布都是可以的,较软的MicroCloth®抛光布控制划痕更好
些,使用ChemoMet®抛光布控制样品表面平整度(浮凸)更
图 3. 精炼Mg合金 6% Al – 0.92% Zn – 0.3% Mn 显微组织(纵向
截面) 侵蚀剂:苦味酸溶液 偏振光+灵敏色片; (标尺长度为:
100μm)
现在已经有许多关于Mg及其合金的样品的制备方法。传统的
方法是,首先使用 SiC 防水砂纸进行湿磨,从粗到细砂纸逐
步磨削,从 240 到600 grit(P280 到 P1200), 甚至磨到更
细的砂纸。一些金相操作员在砂纸上涂抹固体石蜡,减小砂
纸颗粒嵌入样品的现象。这种方法简单可行。 嵌入的SiC颗
粒一般不会观察到,似乎在砂纸上没有必要涂抹固体石蜡。
水可以冲走磨掉的SiC颗粒并减小SiC砂纸与样品摩擦产生的
热量,接下来几个粗抛光和细抛光步骤,使用2种或更多种粒
度的金刚石抛光剂,在这些过程中必须使用水溶性或酒精基
的冷却液。
在样品制备过程中,最终抛光总是存在问
,使用MgO抛光剂
很难得到高质量的样品表面,MgO抛光剂的粒度是1μm,对于
最终抛光有点粗。 MgO可以与水混合成悬浮抛光剂,但是最
好避免使用水。氧化铝可以作为最终抛光剂使用,
图 4. AZ91D 采用 1μm 金刚石抛光步骤后 (抛光态) 显示许多空
洞(标尺长度 200μm。)
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好些。但是,如果不存在浮凸问题两种抛光布都行,使用
ChemoMet® 抛光布效果会稍好点。这是因为二氧化硅抛光液
对于Mg合金有腐蚀作用(对于纯Mg较好),其他抛光液也
可以,图1 所示:精炼纯Mg (99.8% Mg)中的机械孪晶,最
终抛光液使用MasterMet®二氧化硅抛光液,样品没有受到
高pH值的二氧化硅抛光液的侵蚀。氧化铝通常要经过煅烧
过程,但是在这些氧化铝的颗粒中包含一定程度的结晶的
颗粒。最近已经开发了细颗粒的凝胶态的氧化铝抛光液。
MasterPrep™是凝胶态的氧化铝抛光液,其颗粒平均尺寸为
0.05μm,这种产品的抛光效果不错。另外一种抛光液的专利
产品MasterPolish® 也很好,这是一种胶状的氧化铝、二氧
化硅、水、石油蒸馏物和丙二醇的混合液, 其效果也很好。
图 5a 和 b. AM60 (上图) 和AZ91D (下图) 合金抛光表面,最终抛
光步骤使用MasterPrep™ 氧化铝抛光液(标尺长度分别为:20μm 和
100μm。)
图 6a 和 b. AM60 (上图) 和 AZ91D (下图) 合金的抛光表面,最
终抛光步骤使用MasterPolish® 氧化铝和氧化硅的混合抛光液。(标
尺长度 100mm)。
本文TECH-NOTE 将主要讨论两种常用压铸Mg合金 AM60 (6%
Al –0.15% Mn) 和 AZ91D (9% Al – 0.7% Zn – 0.15%
Mn)。 对于薄壁的 AZ91D HP (高压) 模铸件, 两种具有轻微
的腐蚀作用抛光液抛光3分钟,不需要侵蚀就可以观察AM60零
件,对于较厚AZ91D零件只需轻微侵蚀。制备方法参见表 1。
使用油基的金刚石抛光液后一定要用酒精或者其他的稳定溶
剂清洗样品(使用自动抛光机的样品卡持器也要清洗)在使
用每道金刚石抛光步骤之后,要用酒精棉球擦拭样品表面,用
水快速清洗,然后向样品表面喷洒酒精,最后用热风干燥样
品。使用水清洗样品时间要尽可能短。最后抛光后也需要使
用这种方法进行清洗或使用丙三醇酒精溶液清洗样品。不使
用水的清洗过程非常不方便,但是把样品用水冲一秒钟,然
后清洗会更容易些,而且也不会伤害到显微组织。当擦拭侵
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蚀时可以使用化妆用棉球。如果必要的话,最终抛光步骤之
后再采用短时的振动抛光。时间过长样品将被腐蚀。
图8a 和 b. AM60 (上图) 和 AZ91D (下图) 合金侵蚀后的显微组
织,侵蚀剂:乙二醇(标尺长度:10μm)。
图 7a 和 b. 所示:AM60合金中的机械孪晶(上图) 和AZ91D合金最
终抛光步骤使用MasterPrep™ 氧化铝抛光液(下图),侵蚀剂:醋
酸+苦味酸溶液(标尺长度分别为: 10μm 和 20μm)。
各种常用的侵蚀剂列于表2 。所有的侵蚀剂都用于沉浸侵
蚀。HF酸的水溶液应该被储存在聚乙烯的烧杯里,否则玻璃
可能被腐蚀。
对于稀土Mg合金和Mg-Th合金使用乙二醇侵蚀剂最好。用偏
振光+灵敏色片观察时,醋酸——苦味酸酒精溶液(在不同
文献中有点差异)作为着色剂。而对于经过固溶退火处理的
样品,使用磷酸——苦味酸酒精溶液显示未溶解的第二相颗
粒最好。使用这种方法可以使黑色的基体与未侵蚀的第二相
有较高的对比度。乙二醇侵蚀剂和醋酸——乙二醇侵蚀剂可
以达到相似的结果,但是后者只能轻微显示晶粒边界。醋
酸——苦味酸酒精侵蚀剂也可以略微显示晶粒边界。这三种
侵蚀剂都能显示块状的Mg17Al12 相边界。HF水溶液作为侵
蚀剂可以优先侵蚀大的块状相组分使其变黑。
在Mg合金中可以观测到孔洞存在,其形成有以下几种原因。
压铸合金由于在铸造过程中带入空气而形成一定数量的气
孔,采用真空铸造可以减少气孔。铸造合金中的空洞是由
于在凝固过程中气体的析出和熔化的合金不能及时补充而
造成的缩孔。固溶退火过程中可能会发生共晶熔化。在这
种情况下,通常观察在孔洞周围的块状Mg17Al12组织,而不
是观察样品的其他位置。这些块状相是否具有不同的形态,
这取决于合金中是否含有Zn元素。如果合金中不含Zn元素,
这些块状相与Mg形成共晶体。但是如果合金中含有Zn元素,
就可以在基体组织上观察到分散分布的颗粒状的离异共晶
体。更进一步,这些块状相以连续和不连续两种方式沉淀析
出。时效温度大约在200 °C 时,这些块状相的沉淀析出以
Widmanstätten模式连续析出。当时效温度较低,在晶界上
Al的含量较高的相将以不连续的板条的形式优先析出。
Mg-Al-Zn 合金中, 块状相被认为是Mg32(Al,Zn)49。 10%
HF 水溶液可以使一般的块状相变黑,但是对于以Zn为主的
块状相却不行。稀土(RE)元素在Mg中的溶解度较低,而且
容易在晶界处析出。图 2a 和 b 所示 2.5% RE – 2.11%
Zn – 0.64% Zr 合金的铸态显微组织,侵蚀剂:醋酸-乙二
醇试剂和醋酸-苦味酸试剂。注意:前者显示晶界处的薄片
状RE比后者要好。基体上的氧化膜也被显示出来。这些氧化
膜是在凝固过程中形成的,随后被保留在基体组织中。
图 9a 和 b. AM60 (上图) 和 AZ91D (下图) 合金侵蚀后的显微组
织,侵蚀剂:乙酸--乙二醇(标尺长度:10μm)。
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图 4 所示为 AZ91D HP 合金压铸样品在1μm金刚石抛光步骤
后的情况。气孔(大的圆洞)和缩孔(不规则的狭长孔洞)
通常在铸件上会看到。1μm 金刚石抛光步骤后, 其表面非常
平坦; 没有任何样品制备缺陷, 如彗星拖尾、脱落和塑性流
变现象。与同向旋转相比反向旋转材料去除率更大,对于硬
图 10a 和 b. AM60 (上图) 和 AZ91D (下图)合金的显微组织,侵
蚀剂:醋酸-苦味酸试剂 (标尺长度:10μm)
图 11a 和 b. AM60 (上图) 和 AZ91D (下图)合金的显微组织,侵
蚀剂:磷酸-苦味酸酒精溶液(标尺长度:10μm)。
质颗粒更容易产生彗星拖尾和严重的浮凸现象,如果上述现
象出现,使用同向旋转重复最后一步,可以消除这种现象,
在最后抛光之后仅仅有几道非常细的划痕存在。
图 5 和6 所示AZ91D 和 AM60 HP合金压铸件样品的最终抛
光后的表面状态,抛光液使用的是 MasterPrep™ 氧化铝和
MasterPolish®抛光液,样品未侵蚀。能清晰的显示孔洞,没
有任何缺陷,仅仅有几条浅划痕存在。观察整个样品,有几
个小孔洞呈线性排列,但是这种情况并不多。图7所示,样品
上的机械孪晶,使用乙酸-苦味酸酒精溶液作为侵蚀剂最好。
图8 到12所示,两种合金使用表2 中的五种侵蚀剂,侵蚀后
的显微组织。这些照片清晰的显示AZ91D合金含量高其显微组
织更复杂。由于AZ91D合金中Al含量高,所以比AM60合金其成
分偏析更严重并包含更多的块状Mg17Al12 相,而且会有更多
更细小的沉淀析出相。
图 12a 和 b. AM60 (上图) 和 AZ91D(下图) 合金侵蚀后的显微组
织,侵蚀剂:10% HF 试剂(标尺长度: 10μm)。
结论:
Mg合金的金相样品制备非常难,若想显示真实的显微组织,
制备过程的每个步骤都必须认真对待。 切割过程一定不能
产生过大的损伤层,磨光过程尽可能磨到最细的SiC砂纸,
这样可以在合理的时间内去除切割产生的损伤层。油基的金
刚石抛光液比水基的抛光效果稍好。二氧化硅抛光液可用于
纯Mg的最终抛光,但是对于Mg合金有腐蚀作用。最终抛光使
用MasterPrep™ 氧化铝悬浮抛光液和MasterPolish® 抛光液
(氧化铝和二氧化硅混合抛光液)能得到令人满意的效果。
几种常用的侵蚀剂可以显示不同的显微组织。但是仅使用其
中的一种侵蚀剂 (乙二醇、乙酸-乙二醇或者乙酸-苦味酸酒
精侵蚀剂)可能是不够的。
Tech-Notes Volume4, Issue2 《Mg及其合金的金相》
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