鋳鉄の金属組織学試料作製
鋳鉄は特に自動車と技術産業における多くの用途で使用されており、金属組織学は生産工程における品質管理の重要な一部となっています。 再現可能な結果を伴う鋳鉄の正確な金属組織学分析の実施方法をご覧ください。
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鋳鉄の主要特性
最も多様な金属の一つである鉄は、駅から屋根つき市場、事務所、住居まで、多くの建築物で数世紀にわたって使用されている重要な建築材料です。
炭素とその他の元素との鉄合金は、並外れた多様性を提供します。 鋳鉄という語は、2.5-4 %の炭素と通常1-3 %のシリコンを含有した鉄-炭素-シリコン合金を指します。 炭素はねずみ鋳鉄中では黒鉛として、白鋳鉄中では炭化鉄と合金炭化物の形態で存在しています。
鋳鉄は適度な機械的特性に加え、良好な可鍛性と機械加工性を備えています。 鋳鉄は、経済的利点から自動車、金属産業の製造と加工における多くの用途で使用されています。 それに加えて、海水ポンプ筐体、回転ローラーミル、土木機械では特定の鋳鉄が最適です。
図1: オーステンパー処理ダクタイル鋳鉄、ベラハカラーエッチング (倍率: 500x、DIC)
鋳鉄に対する金属組織学品質管理工程
黒鉛の形態は鋳鉄の機械的特性に大きく影響するため、ねずみ鋳鉄の金属組織学品質管理は鋳鉄生産工程に不可欠な一部となっています。鋳鉄に対する基本的な金属組織学品質管理は、以下の通りです:
- 標準的基準比較表と画像分析を使用して、エッチングされていない研磨済みの試料上で黒鉛の形態、サイズ、分布が特定されます。
- その後、仕様に応じて基地の構造を確認するために試料がエッチングされます。
図2: 鋳鉄 GGG60、エッチングなし (倍率: 200x)
図3: 鋳鉄GGG60、3 %ナイタルでエッチング (倍率: 200x)
鋳鉄の金属組織学試料における課題
鋳鉄の試料作製時の主要な課題は、鋳鉄の微細構造の正しい描写を可能にするために元の形状とサイズで黒鉛を保持することです。
図4: 片状黒鉛を含むねずみ鋳鉄、研磨不十分 (倍率: 200x)
図5: 片状黒鉛を含むねずみ鋳鉄、正しい研磨 (倍率: 200x)
黒鉛の画像は、顕微鏡内で2次元的に表示されます。 しかしながら、実際の画像は3次元です。 このことは、黒鉛の一定の割合が研磨と琢磨時に非常に浅く切断され、基地内で軟弱な状態で保持されていることを意味します。 そのため、特に非常に大型の薄片や薄片の凝集の場合、完全には黒鉛を保持できない可能性があります。 その結果として、黒鉛相が必ずしも十分に保持または研磨されない可能性があります。
可鍛鋳鉄中の黒鉛は、ローゼットまたは軟化炭素の形態で存在しています。 これは金属組織学試料作製時に保持が困難な黒鉛の砕けやすい形態です。
試料作製の良くある間違いは、黒鉛の実際の形状とサイズを曖昧にする可能性がある研磨で生じるスミアリングした基材金属の不十分な除去です。 このことは、特に変形と引っかき疵が発生しやすいフェライトとオーステナイトの各鋳鉄で一般的です。 これらの材料の場合、徹底的なダイヤモンド研磨と仕上げ研磨が非常に重要です。
鋳鉄の最も標準的な顕微鏡検査は、黒鉛が黒く見える100倍の倍率で行われます。 しかしながら、十分に研磨された黒鉛は灰色になるため、炭素が完全に保持されているかを確認するには、より高い倍率が必要です。
図6: 研磨が不十分なため、汚れた金属で覆われた黒鉛団塊が残る、3 %ナイタルでエッチング (倍率: 200x)
図7: 正しい研磨によって残された検査に適した形状とサイズの黒鉛団塊、3 %ナイタルでエッチング (倍率: 200x)
図8: 十分に研磨された片状黒鉛 (倍率: 500x)
時間的制約の克服
鋳鉄の金属組織学試料作製と微細構造分析に手動の方法を使用した場合、時間的制約によって一貫した試料作製結果を維持することが困難になります。 しかしながら、試験片の形状によって、自動試料作製が必ずしも可能とは限りません。 その解決法は、自動システムに合うように特定の試験片を設計することです。鋳鉄の切断と埋込みに対する推奨事項
切断
- 合金化された白鋳鉄は非常に硬質(HV 600)なため、特に大きな切断面の切断が困難な可能性があります。 それにも関わらず、ダイヤモンド切断ホイールは白鋳鉄の切断に適していません。 その代わりとして、立方晶窒化ホウ素ホイールが推奨されています。
- 大きな切断面の場合、自動切断が手動切断よりも効果的です。
- 黒鉛を含む鋳鉄の切断の場合、鋳鉄の硬さに応じて酸化アルミニウムのホイールを選択することが推奨されています。
- 通常、品質管理の試料は埋込みされていない状態で作製されます。
- 不具合分析の場合、熱間圧縮埋込みの使用が最適です。
- 軟質から中程度に硬質な鋳鉄の場合、フェノール樹脂(マルチファスト)が推奨されています。最適な端部保持のためには、レボファスト(鉱物とガラス充填剤を含むメラミン樹脂)を使用してください。
- より硬質な鋳鉄の場合、強化樹脂(デュロファスト)が適しています。
鋳鉄の研磨と琢磨に対する推奨事項
黒鉛を含む白鋳鉄と鋳鉄に対する完全な段階的試料作製方法を以下で参照してください。- 剛体円板上のダイヤモンドは非常に平坦に試料を維持し、黒鉛を浮き上がった状態にしないため、ほとんどの鋳鉄の精研磨に推奨されています。
- 硬質な白鋳鉄とオーステンパー処理ダクタイル鉄は、ダイヤモンド(MD-ピアノ220)で平面研磨し、MD-アレグロのダイヤモンド上で精研磨できます。
- フェライト、オーステナイト、パーライトの基材を含む軟質及び中程度に硬質な鋳鉄は、炭化ケイ素のフォイル/ペーパーで平面研磨し、MD-ラルゴのダイヤモンドで精研磨する必要があります。
- 研磨時に腐食する傾向がある鋳鉄の場合、無水ダイヤモンド懸濁液(DP-A)と黄色潤滑剤が推奨されています。
表1: 白鋳鉄の試料作製方法。
または、ダイヤプロダイヤモンド懸濁液をそれぞれDP-懸濁液 P、9 μm、3 μm、1 μmで置き換え、DP-ルーブリカント青色を使用できます。
表2: 黒鉛を含む鋳鉄の試料作製方法。
*黒鉛の保持が非常に困難な場合、MD-プランクロスで精研磨してみることも可能です。
**この手順は任意です
または、ダイヤプロダイヤモンド懸濁液をそれぞれDP-懸濁液P、9 μm、3 μm、1 μmで置き換え、DP-ルーブリカント青色を使用できます
図9: 炭化ケイ素のフォイル/ペーパーによる精研磨によって試料作製されたねずみ鋳鉄、依然として研磨疵があります。
図10: 良好な端部保持を示す、硬質円板MD-ラルゴのダイヤモンドを使用して精研磨されたねずみ鋳鉄
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鋳鉄の洗浄に対する推奨事項
- 多くの鋳鉄には腐食する傾向があるため、洗浄は迅速でなければならず、常に冷水を使用する必要があります。 ただし、試料を水と接触させた状態で放置しないでください。
- エタノールによる徹底的な洗い流しと強力な温風による迅速な乾燥が推奨されています。 腐食が依然として発生する場合、無水アルコールのみで洗浄し、洗い流してください。
鋳鉄のエッチングに対する推奨事項
- 黒鉛の形状、サイズ、分布、鋳造物の多孔性を評価するために、最初に鋳鉄試料はエッチングされない状態で顕微鏡検査されます。 この最初の微細構造の評価後、微細構造確認のために試料を1-3 %ナイタルでエッチングできます。
- 黒鉛は電解液で洗い流されてしまうため、黒鉛を含む鋳鉄は電解研磨に適していません。 ただし、基材の微細構造の迅速な特定のみが必要な場合、電解研磨とエッチングを使用できます。
以下のベラハ試薬をカラーエッチングに使用でき、合金に応じて変更できます:
1000 ml水
200 ml塩酸
24 gフッ化水素アンモニウム
この100 mlの貯蔵液に1 gのメタ重亜硫酸カリウムを添加します
図11: オーステンパー処理ダクタイル鉄、3 %ナイタルでエッチング、偏光 (倍率: 200x)
概要
鋳鉄は主に2.5-4 %の炭素と1-3 %のシリコンを含有する鉄合金です。 鋳鉄の金属組織学試料作製における主要な課題は、薄片、団塊、焼戻しされた各形態における黒鉛の実際の形状、サイズを保持することです。 特に軟質なフェライト基材を含む鋳鉄には、スミアリング、変形、研磨疵が発生しやすい傾向があります。
研磨時、基材は黒鉛上でスミアリングされ、その後に非常に徹底的なダイヤモンド研磨が行われない限り、黒鉛が実際の形状で表示されません。 そのため、炭化ケイ素のフォイル/ペーパーによる平面研磨、その後ダイヤモンドによる精研磨と琢磨が推奨されています。 コロイドシリカによる短時間の仕上げ研磨は、任意です。
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