ماشین آلات برش، منبت و سنگ زنی متالوگرافیک

ماشین های برش متالوگرافی، ماشین های خاتم کاری و ماشین های سنگ زنی و پرداخت سه قطعه متوالی از تجهیزات هستند که یک گردش کار آماده سازی نمونه متالوگرافی کامل را تشکیل می دهند. - و کیفیت هر تحلیل ریزساختار پایین دستی به طور مستقیم به نحوه اجرای هر مرحله بستگی دارد. به طور خلاصه: دستگاه برش نمونه را از مواد حجیم بدون آسیب حرارتی یا مکانیکی جدا می کند. دستگاه Inlay نمونه را در رزین برای جابجایی ایمن و حفظ لبه محصور می کند. و دستگاه سنگ زنی و صیقل به تدریج مواد سطح را حذف می کند تا سطح آینه ای بدون خش و بدون تغییر شکل آماده برای بررسی میکروسکوپی و حکاکی شود. انتخاب و کارکرد صحیح هر دستگاه یک اولویت نیست - تعیین می کند که آیا ویژگی های ریزساختاری آشکار شده در زیر میکروسکوپ وضعیت واقعی مواد را منعکس می کند یا مصنوعات آماده سازی ضعیف هستند.

فرآیند آماده سازی نمونه متالوگرافی سه مرحله ای

تجزیه و تحلیل متالوگرافی - بررسی ریزساختار فلز برای ارزیابی اندازه دانه، توزیع فاز، محتوای گنجاندن، پاسخ عملیات حرارتی، کیفیت جوش و مورفولوژی عیب - به سطح نمونه با صافی استثنایی و عاری از مصنوعات آماده‌سازی نیاز دارد. دستیابی به این امر مستلزم یک ترتیب آماده سازی سه مرحله ای منظم است که در هر مرحله به منابع خاصی از آسیب سطحی که در مرحله قبل معرفی شده بود رسیدگی می شود.

• مرحله 1 - بخش بندی: یک دستگاه برش متالوگرافی یک بخش معرف از نمونه فله را با حداقل تولید گرما و تغییر شکل مکانیکی استخراج می کند.
• مرحله 2 - نصب (Inlay): یک دستگاه خاتم متالوگرافی، نمونه برش را در یک رزین مونتاژ - یا فشرده سازی گرم یا رزین سرد - محصور می کند تا یک پوک استاندارد و قابل کنترل ایجاد کند که از لبه ها محافظت می کند و آسیاب و صیقل خودکار را امکان پذیر می کند.
• مرحله 3 - سنگ زنی و پرداخت: یک دستگاه سنگ زنی و پرداخت متالوگرافی، لایه تغییر شکل یافته را از برش و نصب حذف می کند و از طریق کاغذهای ساینده و مراحل پرداخت الماس/سیلیس تعلیق برای تولید سطح آینه نهایی پیش می رود.

خطاها در هر مرحله به جلو گسترش می یابند - سطح برش آسیب دیده حرارتی را نمی توان به تنهایی با پرداخت به طور کامل اصلاح کرد، و نمونه ای که به درستی نصب شده است در طول سنگ زنی تکان می خورد و سطحی محدب (به نام "گرد کردن") ایجاد می کند که ویژگی های لبه را غیرقابل بررسی می کند. به همین دلیل است که انتخاب تجهیزات و پارامترهای عملیاتی در هر مرحله مورد توجه جدی مهندسی در آزمایشگاه‌های مواد و بخش‌های کنترل کیفیت در سراسر جهان قرار می‌گیرد.

دستگاه برش متالوگرافی : برش دقیق بدون آسیب

دستگاه برش متالوگرافی - که به آن دستگاه برش متالوگرافی یا برش ساینده نیز گفته می شود - از یک چرخ ساینده دوار نازک برای برش یک نمونه فلزی از مواد حجیم استفاده می کند. بر خلاف ابزارهای برش صنعتی، یک برش متالوگرافی به طور خاص برای به حداقل رساندن عمق ناحیه آسیب دیده مکانیکی و حرارتی ("ناحیه آسیب") وارد شده در سطح برش مهندسی شده است، زیرا این ناحیه آسیب باید بعداً با سنگ زنی از بین برود. هرچه ناحیه آسیب نازک تر و کم عمق تر باشد، به آسیاب کمتری نیاز است و چرخه آماده سازی کل سریعتر می شود.

انواع دستگاه های برش متالوگرافی

• برش چرخ ساینده (برش دقیق): از چرخ‌های ساینده متصل به رزین - معمولاً اکسید آلومینیوم (Al2O3) برای مواد آهنی یا کاربید سیلیکون (SiC) برای غیر آهنی و سرامیک‌ها - استفاده کنید. 3000 تا 5000 دور در دقیقه . سیل مداوم مایع خنک کننده مبتنی بر آب برای جلوگیری از آسیب حرارتی ضروری است. برش های ساینده دقیق می توانند نمونه هایی با عمق آسیب کمتر از آن را برش دهند 50 میکرومتر تحت پارامترهای صحیح
• اره سیم الماس: از یک سیم متحرک پیوسته آغشته به ساینده الماس استفاده کنید که به جای ضربه، با ساییدگی بریده می شود. عملاً هیچ گرمایی تولید نمی کند و مناطق آسیبی به نازکی ایجاد می کند 5 تا 20 میکرومتر . برای مواد شکننده (سرامیک ها، نیمه هادی ها، قطعات الکترونیکی) و نمونه های گرانبها یا غیرقابل تعویض که در آنها تلفات مواد باید به حداقل برسد استفاده می شود.
• اره های دقیق کم سرعت: از یک تیغه الماس نصب شده در توپی استفاده کنید که با سرعت بسیار کم می چرخد (معمولا 300 تا 1000 دور در دقیقه ) با حداقل نیروی اعمالی. کمترین آسیب را نسبت به هر روش برشی ایجاد کنید، اما آهسته است - برای نمونه‌های کوچک، ظریف یا با ارزش که کیفیت آماده‌سازی بیشتر از توان عملیاتی است، مناسب است.

مشخصات کلیدی برای ارزیابی هنگام انتخاب ماشین برش

کنترل نیروی خنک کننده و تغذیه

جریان خنک کننده تنها مهمترین پارامتر عملیاتی در برش چرخ ساینده است. خنک کننده ناکافی اجازه می دهد تا دمای سطح برش بالاتر از دمای حرارت مواد باشد - برای فولاد سخت شده، به اندازه پایین 150 تا 200 درجه سانتی گراد - ایجاد تغییرات ریزساختاری (تمپر کردن، آستنیته کردن مجدد، یا تبدیل مارتنزیت) که باعث می شود سطح برش نماینده توده نباشد. برش های متالوگرافی با کیفیت، نرخ جریان مایع خنک کننده را فراهم می کنند 3 تا 8 لیتر در دقیقه دقیقاً به رابط چرخ-نمونه هدایت می شود.

کنترل نیروی تغذیه خودکار - جایی که دستگاه مقاومت برش را حس می کند و نرخ تغذیه را برای حفظ نیروی ثابت تنظیم می کند - از اعمال فشار بیش از حد اپراتور که باعث گرم شدن بیش از حد چرخ و نمونه می شود جلوگیری می کند. ماشین های با کنترل نیروی قابل برنامه ریزی (معمولا محدوده قابل تنظیم 10 تا 300 نیوتن ) به طور مداوم سطوح برش بهتری نسبت به واحدهای تغذیه دستی تولید می کنند، به ویژه برای محیط های آزمایشگاهی با توان عملیاتی بالا.

دستگاه خاتم متالوگرافی : نصب برای دقت و حفظ لبه

پس از برش، بیشتر نمونه ها باید قبل از سنگ زنی و صیقل دادن - در یک پاکت رزین محصور شوند. نصب چندین عملکرد حیاتی را انجام می دهد: هندسه استاندارد، مسطح و موازی را ارائه می دهد که متناسب با سرهای سنگ زنی خودکار است. از نمونه های شکننده یا متخلخل پشتیبانی می کند و از شکستگی لبه ها جلوگیری می کند. از لبه ها و ویژگی های نزدیک به سطح (پوشش ها، لایه های سخت شده، مناطق نیترید شده) در برابر گرد شدن در حین پرداخت محافظت می کند. و امکان جابجایی ایمن با نمونه های لبه تیز و قطعات کوچکی را فراهم می کند که در غیر این صورت گرفتن مداوم آنها غیرممکن است.

نصب فشرده سازی داغ

دستگاه منبت متالوگرافی فشرده سازی داغ (پرس نصب) نمونه و پودر رزین را در یک سیلندر گرم شده قرار می دهد، فشار هیدرولیک و گرما را برای پخت رزین در اطراف نمونه اعمال می کند، سپس مونت تکمیل شده را خارج می کند. کل چرخه طول می کشد 8 تا 15 دقیقه بسته به نوع رزین و قطر پایه قطر پایه پایه 25 میلی متر، 30 میلی متر، 32 میلی متر و 40 میلی متر است.

رزین های معمول نصب گرم عبارتند از:

• رزین فنولیک (باکلیت): پرکاربردترین رزین نصب گرم. دمای چرخه 150 تا 180 درجه سانتی گراد ، فشار 200 تا 300 بار . پایه های سخت و پایدار از نظر ابعاد را با حفظ لبه های خوب تولید می کند. برای نمونه های حساس به دما (لحیم کاری نرم، آلیاژهای کم ذوب، پلیمرها) مناسب نیست.
• رزین رسانا (گرافیت یا پر از مس): برای بررسی SEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی) که در آن پایه باید رسانای الکتریکی باشد تا از تجمع بار جلوگیری شود. سختی کمی کمتر از فنلی است اما برای اکثر توالی های آسیاب کافی است.
• رزین دی آلیل فتالات (DAP): دمای پخت کمتر (120 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد) نسبت به فنلی، مناسب برای نمونه های کمی حساس تر به دما. پایه‌های شفاف تولید می‌کند که اجازه می‌دهد جهت نمونه به صورت بصری تأیید شود.

نصب سرد

در نصب سرد از سیستم های رزین مایع دو جزئی (اپوکسی، اکریلیک یا پلی استر) استفاده می شود که دور نمونه در قالبی در دمای اتاق بدون پرس ریخته می شود. هیچ دستگاه خاتم تخصصی مورد نیاز نیست - نصب در قالب‌های یکبار مصرف یا قابل استفاده مجدد انجام می‌شود - نصب سرد را به انتخاب ارجح برای نمونه‌های حساس به دما، مواد متخلخل (که در آن آغشته‌سازی خلاء برای پر کردن فضاهای خالی قبل از نصب نیاز است) و آزمایشگاه‌های بدون پرس داغ تبدیل می‌کند.

پایه های سرد اپوکسی بهترین حفظ لبه و کمترین انقباض را برای مواد نصب سرد ارائه می دهد، اما نیاز به زمان پخت دارد 8 تا 24 ساعت در دمای اتاق (با حرارت ملایم به 40 تا 60 درجه سانتیگراد به 1 تا 4 ساعت کاهش می یابد). پایه های سرد اکریلیک درمان می شوند 10 تا 20 دقیقه اما در حین پخت، گرمای گرمازا قابل توجهی تولید می کند - گاهی اوقات برای تغییر ریزساختارهای عملیات حرارتی در نمونه های کوچک یا نازک کافی است - و انقباض بیشتری را نشان می دهد که منجر به تشکیل شکاف بین رزین و لبه نمونه می شود.

واحدهای اشباع خلاء

اشباع خلاء یک روش تخصصی نصب سرد است که برای نمونه‌های متخلخل - فلزات متخلخل، پوشش‌های اسپری حرارتی، چدن‌ها با گرافیت، مواد خورده شده یا نمونه‌های زمین‌شناسی استفاده می‌شود. نمونه در یک محفظه قرار می گیرد، خلاء برای تخلیه هوا از منافذ اعمال می شود، اپوکسی مایع در خلاء وارد می شود و سپس فشار اتمسفر بازیابی می شود تا رزین قبل از پخت به داخل منافذ هدایت شود. این همه تخلخل ها را با رزین پر می کند و از بیرون آمدن منافذ در حین پرداخت جلوگیری می کند - که در غیر این صورت به عنوان "سوراخ" مصنوعی در ریزساختار ظاهر می شود. برخی از ماشین‌های خاتم متالوگرافی یک عملکرد آغشته‌سازی خلاء یکپارچه را در داخل سیلندر پرس برای این منظور ترکیب می‌کنند.

دستگاه سنگ زنی و پولیش متالوگرافی : دستیابی به سطح آینه

ماشین سنگ زنی و پرداخت متالوگرافی جایی است که آماده سازی سطح واقعی تکمیل می شود. با شروع از سطح ناهموار باقی مانده از برش و نصب، دستگاه به تدریج مواد را از طریق یک سری کاهش اندازه ساینده حذف می کند - هر مرحله خراش های مرحله قبل را از بین می برد - تا زمانی که سطح بدون تغییر شکل قابل مشاهده در زیر میکروسکوپ باشد. یک سطح متالوگرافی به درستی آماده شده دارای عمق خراش کمتر از 0.02 میکرومتر (20 نانومتر) و یک لایه زیرسطحی تغییر شکل یافته به اندازه کافی کم عمق است که با پرداخت نهایی سبک حذف شود.

انواع دستگاه: دستی، نیمه اتوماتیک و تمام اتوماتیک

• ماشین آلات سنگ زنی و پرداخت دستی: یک صفحه چرخان (چرخ) که اپراتور به صورت دستی نمونه ها را روی آن نگه داشته و جابجا می کند. ساده و کم هزینه اما بسیار وابسته به اپراتور - نتایج با نیروی اعمال شده، جهت گیری نمونه و سازگاری اپراتور متفاوت است. مناسب برای آزمایشگاه های کم حجم یا آموزشی.
• ماشین های نیمه اتوماتیک: یک سر نگهدارنده نمونه موتوری، نیروی رو به پایین کنترل شده را روی گروهی از نمونه ها (معمولاً 3 تا 6 پایه) در حالی که صفحه می چرخد، اعمال می کند. اپراتور نمونه ها را بارگیری می کند، نیرو و زمان را تنظیم می کند و دستگاه به طور خودکار مرحله را اجرا می کند. به طور چشمگیری تکرارپذیری را نسبت به آماده سازی دستی بهبود می بخشد.
• ماشین های تمام اتوماتیک: جابجایی نمونه رباتیک، تعویض خودکار کاغذ یا دیسک ساینده، توزیع خودکار سوسپانسیون های سنگ زنی و پرداخت، و توالی های چند مرحله ای قابل برنامه ریزی. قادر به تهیه 6 تا 9 نمونه در هر چرخه با قابلیت تکرار کامل در آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت تولید با توان بالا و امکانات تحقیقاتی استفاده می‌شود، جایی که سازگاری آماده‌سازی بین اپراتورها و شیفت‌ها حیاتی است.

توالی سنگ زنی و پرداخت

یک ترتیب آماده سازی استاندارد برای فولاد با سختی متوسط (به عنوان مثال، 45 HRC) شامل مراحل زیر است:

1. سنگ زنی هواپیما: کاغذ ساینده SiC، گریت P120 تا P320، یا یک دیسک سنگ زنی ثابت ساینده. لایه آسیب را از برش حذف می کند و یک سطح مسطح و موازی را در تمام نمونه ها در نگهدارنده ایجاد می کند. به طور معمول برای اجرا کنید 1 تا 3 دقیقه در 150-300 دور در دقیقه با نیروی 20-30 نیوتن در هر نمونه.
2. آسیاب ریز: کاغذهای SiC P600، P800، P1200 (یا دیسک های سنگ زنی الماس معادل). هر مرحله خراش های اندازه شن قبلی را از بین می برد. کاغذ SiC روغن کاری شده با آب رایج ترین مواد مصرفی است. دیسک های سنگ زنی الماس سریع تر و سازگارتر هستند اما هزینه هر مرحله بیشتر است.
3. پرداخت الماس: صفحات پوشیده از پارچه با سوسپانسیون یا خمیر الماس - معمولا 9μm، سپس 3μm، سپس 1μm الماس خراش های ریز خرد شده را از بین می برد و سطحی با انعکاس بالا با حداقل تغییر شکل ایجاد می کند. انتخاب روان کننده (بر پایه آب، بر پایه الکل یا روغن) با مواد در حال آماده سازی مطابقت دارد.
4. پرداخت نهایی (پالیش اکسیدی): سوسپانسیون سیلیس کلوئیدی (OPS، معمولاً اندازه ذرات 0.04 میکرومتر) روی یک پارچه چرت کوتاه. سایش مکانیکی ظریف را با فعالیت شیمیایی ملایم ترکیب می کند که آخرین لایه تغییر شکل باقیمانده را حذف می کند و سطح آینه ای بدون خش را ایجاد می کند که برای تجزیه و تحلیل EBSD و اچ با وضوح بالا لازم است.

پارامترهای حیاتی ماشین: نیرو، سرعت و حالت چرخش

سه پارامتر ماشین بیشترین تأثیر را بر کیفیت و کارایی آماده سازی دارند:

• نیروی اعمالی در هر نمونه: نیروی خیلی کم باعث حذف آهسته مواد و لبه های گرد می شود. بیش از حد باعث خراش و تغییر شکل بیش از حد می شود. اکثر ماشین های مدرن امکان تنظیم نیرو را در محدوده 5 تا 50 نیوتن در هر نمونه با مواد مختلف که به نیروهای بهینه متفاوت نیاز دارند (فلزات نرم مانند آلومینیوم در 10-15N، فولادهای سخت شده در 20-30N).
• سرعت صفحه: به طور معمول 150 تا 300 دور در دقیقه برای آسیاب کردن، 100 تا 150 دور در دقیقه برای پولیش سرعت های بالاتر سرعت حذف مواد را افزایش می دهد، اما تولید گرما و سایش نگهدارنده نمونه را نیز افزایش می دهد. مراحل پولیش از سرعت کمتری بهره می برند که به تعلیق پولیش اجازه می دهد در سطح نمونه فعال بماند.
• چرخش مخالف (حالت مخالف): در این حالت، سر نگهدارنده نمونه در جهت مخالف به صفحه این تضمین می کند که هر نمونه در سراسر سطح کامل ساینده نوردهی یکسانی دریافت می کند و جهت خراش ها را حذف می کند و باعث حذف یکنواخت تر مواد در یک دسته از نمونه ها می شود. چرخش مخالف حالت استاندارد برای ماشین های نیمه اتوماتیک و اتوماتیک است که در متالوگرافی تولید استفاده می شود.

انتخاب تجهیزات برای نیازهای مختلف آزمایشگاهی

نقص های رایج آماده سازی و علل ریشه ای آنها

درک اینکه چه چیزی ممکن است در هر مرحله اشتباه پیش بیاید - و اینکه کدام پارامتر ماشین یا فرآیند باعث آن شده است - برای عیب یابی کیفیت آماده سازی در یک آزمایشگاه کار ضروری است:

• آسیب حرارتی در سطح برش (علامت سوختگی، لایه سفید، مناطق سکوریت): ناشی از جریان ناکافی مایع خنک کننده یا نیروی تغذیه بیش از حد در طول برش است. راه حل: افزایش سرعت جریان مایع خنک کننده. کاهش نیروی خوراک؛ چرخ برش فرسوده را جایگزین کنید
• گرد کردن لبه (از دست دادن ویژگی های نزدیک به سطح): ناشی از عدم تطابق سختی رزین (رزین خیلی نرم نسبت به نمونه)، چسبندگی ناکافی نصب، یا نیروی پولیش نادرست. راه حل: از رزین نصب سخت تر (فنولیک بر اکریلیک) استفاده کنید. برای افزایش سختی، پرکننده رسانا را اضافه کنید. کاهش نیروی پولیش در مراحل پایانی
• خراش های باقی مانده پس از پرداخت (دم دنباله دار): ناشی از آلودگی سایشی ناشی از مرحله سنگ ریزه قبلی که به مرحله پرداخت ریزتر منتقل شده است. راه حل: تمیز کردن بین مرحله ای دقیق (تمیز کردن اولتراسونیک یا شستشوی کامل) را انجام دهید. در هر اندازه الماس از پارچه های پولیش جداگانه استفاده کنید.
• سوراخ کردن یا بیرون کشیدن ذرات فاز دوم: ناشی از زمان پرداخت بیش از حد نهایی با سیلیس کلوئیدی بر روی ماتریس های نرم، یا PH نادرست سوسپانسیون پرداخت. راه حل: کاهش زمان پرداخت OPS. بررسی کنید که pH تعلیق برای سیستم مواد مناسب است.
• سطح غیر مسطح (محدب یا گوه ای شکل): ناشی از نشستن غیر موازی نمونه به نگهدارنده در سر سنگ زنی یا ارتفاع ناهماهنگ نمونه در نگهدارنده دسته ای. راه حل: اطمینان حاصل کنید که پایه ها قبل از بارگیری در محدوده تحمل ارتفاع ± 0.05 میلی متر هستند. از یک مرحله پیش آسیاب برای یکسان کردن ارتفاع نمونه استفاده کنید.

تعمیر و نگهداری و مدیریت مواد مصرفی برای تجهیزات متالوگرافی

هزینه عملیاتی یک تنظیم آماده سازی متالوگرافی نه با استهلاک ماشین، بلکه با هزینه های مصرفی - چرخ های برش، رزین های نصب، کاغذهای ساینده، پارچه های پولیش، و تعلیق های الماسی تسلط دارد. مدیریت صحیح این مواد مصرفی به اندازه انتخاب تجهیزات مناسب مهم است:

• تعویض چرخ برش: هنگامی که قطر چرخ بیش از بیش از آن کاهش یافته است، چرخ های ساینده باید تعویض شوند 30 درصد از جدید ، یا هنگام سوختن یا بارگیری (لکه شدن فلز روی صفحه چرخ) مشاهده می شود. استفاده از چرخ فرسوده باعث افزایش آسیب حرارتی به نمونه ها حتی با مایع خنک کننده کافی می شود.
• فرکانس تغییر کاغذ ساینده: کاغذ SiC با گریت P320 معمولاً برای آن مؤثر است 3 تا 5 نمونه در هر ورق هنگامی که با قطر پایه 30 میلی متر استفاده می شود. ادامه دادن فراتر از این نرخ‌های حذف متناقض و زمان‌های گام طولانی‌تر را تولید می‌کند که صرفه‌جویی در هزینه استفاده مجدد از کاغذ را خنثی می‌کند.
• تعمیر و نگهداری مایع خنک کننده برای دستگاه های برش: خنک کننده های برش مبتنی بر آب با گذشت زمان باعث ایجاد آلودگی باکتریایی و تغییر pH می شوند که منجر به خوردگی سطوح نمونه تازه بریده شده می شود. خنک کننده را هر بار به طور کامل تعویض کنید 2 تا 4 هفته در استفاده منظم؛ پایش PH (هدف 8.5 تا 9.5 ) و در صورت نیاز بیوسید را اضافه کنید.
• نگهداری سیلندر پرس داغ: سیلندر نصب باید بعد از هر بار از باقی مانده رزین تمیز شود 20 تا 50 سیکل و حلقه های اورینگ پیستون از نظر سایش بررسی شدند. اورینگ فرسوده اجازه می دهد تا رزین پشت پیستون چشمک بزند و نیروی بیرون را افزایش دهد و در نهایت فشار را مسدود کند.