ماشین آلات برش متالوگرافی: انواع، انتخاب و راهنما

a چیست دستگاه برش متالوگرافی ?

دستگاه برش متالوگرافی - که به آن دستگاه برش متالوگرافی، دستگاه برش متالوگرافی یا برش متالوگرافی نیز گفته می شود - ابزار دقیقی است که برای برش نمونه های فلزی، سرامیکی، کامپوزیت یا معدنی در آماده سازی برای بررسی میکروسکوپی استفاده می شود. الزام تعیین کننده ای که تجهیزات برش متالوگرافی را از اره های فلزکاری عمومی جدا می کند این است حداقل آسیب به ریزساختار نمونه در سطح برش و مجاور آن : بدون منطقه متاثر از حرارت، بدون تغییر شکل مکانیکی، بدون لکه گیری فازهای نرم و بدون ترک خوردگی در فازهای شکننده.

آماده سازی نمونه متالوگرافی با برش دادن آغاز می شود. همه چیزهایی که در ادامه می آیند - نصب، سنگ زنی، پرداخت، اچ کردن و بررسی میکروسکوپی - کاملاً به کیفیت برش اولیه بستگی دارد. بخشی که با گرما یا فشار بیش از حد تولید می شود، مصنوعاتی را معرفی می کند که از عیوب واقعی مواد در زیر میکروسکوپ قابل تشخیص نیستند و تجزیه و تحلیل را باطل می کند. بنابراین، انتخاب و راه اندازی تجهیزات برش متالوگرافی مناسب برای هر کلاس مواد، مهارت اساسی آماده سازی نمونه آزمایشگاهی است.

بازار کاتر متالوگرافی به دو نوع ابزار اصلی تقسیم می شود - دستگاه های برش ساینده و اره های کم سرعت دقیق - هر کدام برای دسته بندی مواد مختلف و الزامات کیفیت بهینه شده اند. درک قابلیت ها و محدودیت های هر نوع برای هر آزمایشگاهی که تجهیزات آماده سازی نمونه فلزی را مشخص می کند ضروری است.

انواع تجهیزات برش متالوگرافی

برش ساینده متالوگرافی (دستگاه برش)

برش ساینده متالوگرافی - همچنین به عنوان اره برش متالوگرافی، تجهیزات برش متالورژیکی یا اره برش آماده سازی نمونه شناخته می شود - از چرخ ساینده نازک و چرخشی به جای اره کردن، با سنگ زنی استفاده می کند. چرخ یک دیسک ساینده متصل (اکسید آلومینیوم برای مواد آهنی، کاربید سیلیکون برای غیر آهنی و سرامیک) است که مواد را با ساییدگی در امتداد صفحه برش جدا می کند. قطر چرخ ها معمولاً بین 150 میلی متر تا 400 میلی متر و سرعت دوک از 2000 تا 5000 دور در دقیقه بسته به اندازه و جنس دستگاه متغیر است.

متغیر مهم در عملکرد دستگاه برش ساینده است تولید گرما در رابط برش . برش ساینده ذاتا گرمای اصطکاک ایجاد می کند. اگر کنترل نشود، این گرما دمای نمونه را بالاتر از آستانه تبدیل فاز یا تمپرینگ افزایش می‌دهد - ریزساختاری را که برش در نظر گرفته شده برای تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد، تغییر می‌دهد. دستگاه های برش متالوگرافی مدرن این موضوع را برطرف می کنند سیستم های خنک کننده سیل که سیال برش را مستقیماً به رابط چرخ-نمونه در سراسر برش می رساند و دمای نمونه را زیر 50 تا 60 درجه سانتی گراد حتی در برش های طولانی از طریق فولادهای آلیاژی متراکم حفظ می کند.

برش های ساینده متالوگرافیک بر اساس مکانیسم تغذیه خود تقسیم می شوند:

• دستگاه های برش دستی: اپراتور نیروی تغذیه را با دست از طریق بازوی چرخان اعمال می کند. مناسب برای مواد با سختی نرم تا متوسط ​​و توان متوسط. هزینه سرمایه کمتر، اما قوام نیروی تغذیه به مهارت اپراتور بستگی دارد.
• دستگاه های قطع کننده اتوماتیک: نیروی تغذیه توسط یک محرک موتوری (الکترومکانیکی یا پنوماتیکی) با نرخ تغذیه و پارامترهای نیرو قابل برنامه ریزی اعمال می شود. ماشین‌های برش خودکار کیفیت برش ثابت‌تری را ارائه می‌کنند، عملیات بدون مراقبت را برای برش‌بندی دسته‌ای امکان‌پذیر می‌کنند و برای نمونه‌های سخت، شکننده یا با ارزش بالا که تغذیه ناسازگار باعث بارگیری چرخ یا شکستن نمونه می‌شود، ضروری هستند.

اره متالوگرافیک با سرعت پایین (دستگاه برش دقیق)

اره متالوگرافیک با سرعت پایین - که به آن ماشین برش دقیق، اره برش متالوگرافی یا ماشین آماده سازی نمونه متالوگرافی برای نمونه های ظریف نیز گفته می شود - با سرعت چرخ بسیار پایین تر (100 تا 500 دور در دقیقه) با استفاده از تیغه ویفر الماسی به جای چرخ ساینده کار می کند. ترکیبی از سرعت کم برش و لبه بسیار نازک یک تیغه الماس ( 0.1-0.5 میلی متر در مقابل 0.5-1.5 میلی متر برای چرخ های ساینده ) گرمای ناچیزی ایجاد می کند و عملاً هیچ تغییر شکل مکانیکی در نمونه ایجاد نمی کند.

اره کم سرعت بار را از طریق مکانیزم تغذیه با وزن مرده یا فنر به جای محرک های برقی اعمال می کند و به نیروهای بسیار سبک و کنترل شده اجازه می دهد که حتی شکننده ترین ویژگی های ریزساختاری را حفظ می کند. این باعث می شود که ابزار انتخابی برای:

• قطعات الکترونیکی و برد مدار - اتصالات لحیم کاری نازک، لایه های بین فلزی و آثار مسی نیاز به برش بدون آسیب برای بررسی مقاطع عرضی بدون لکه گیری یا ترک دارند.
• مواد شکننده و متخلخل - سرامیک ها، پوشش های اسپری حرارتی، کاربیدهای متخلخل و نمونه های زمین شناسی که تحت نیروهای برش ساینده شکسته می شوند.
• نمونه های بیولوژیکی و کانی شناسی - استخوان، مینای دندان، مقاطع معدنی برای پتروگرافی و مواد ناهمگن مشابه
• مقاطع نازک برای آماده سازی نمونه TEM - جایی که برش شروع باید تا حد امکان نزدیک به منطقه هدف با حداقل لایه آسیب زیرسطحی ممکن انجام شود
• فلزات و پوشش های نرم - آلیاژهای طلا، ایندیم، قلع و لحیم نرم که تحت شرایط چرخ ساینده به طرز فاجعه باری لکه دار می شوند.

معاوضه برای این دقت، توان عملیاتی است: یک اره با سرعت کم ممکن است به 15 تا 60 دقیقه نیاز داشته باشد تا برشی را تکمیل کند که یک برش ساینده در کمتر از دو دقیقه آن را تمام کند. برای نمونه‌های با ارزش یا غیرقابل تعویض، این هزینه زمانی کاملاً موجه است. برای برش معمولی میله فولادی در کنترل کیفیت تولید، اینطور نیست.

چرخ ها و تیغه های برش: قلب تجهیزات برش متالوگرافی

انتخاب چرخ و تیغه حیاتی ترین تصمیم مصرفی در برش متالوگرافی است. چرخ نادرست برای مواد برش داده شده بدون در نظر گرفتن کیفیت دستگاه، گرمای بیش از حد، سایش سریع چرخ و کیفیت پایین برش ایجاد می کند. چرخ مناسب برای مواد، بخش تمیز، خنک و بدون مصنوعات را با عمر چرخ و سرعت برش قابل قبول ایجاد می کند.

چرخ های برش ساینده

چرخ های برش ساینده بر اساس نوع ساینده، سختی باند و ساختار (تخلخل) مشخص می شوند. قوانین کلی انتخاب عبارتند از:

• چرخ های اکسید آلومینیوم (Al2O3). - برای مواد آهنی: فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی، فولادهای ضد زنگ، فولادهای ابزار و چدن. اکسید آلومینیوم سخت تر از آهن است و برش کارآمدی را بدون سایش بیش از حد چرخ در این مواد فراهم می کند.
• چرخ های کاربید سیلیکون (SiC). - برای مواد غیر آهنی (آلومینیوم، مس، برنج، برنز، تیتانیوم، آلیاژهای منیزیم)، سرامیک ها و مواد نسوز. کاربید سیلیکون تیزتر است و با تولید گرمای کمتر در آلیاژهای غیر آهنی نرم تر و حساس تر به حرارت برش می دهد.
• سختی باند: چرخ های با پیوند نرم (در اکثر سیستم ها با درجه B یا C) استفاده می شود مواد سخت - چسب دانه های ساینده را به سرعت آزاد می کند، لبه های برش تازه را در معرض دید قرار می دهد و از لعاب چرخ ها جلوگیری می کند. چرخ‌های با پیوند سخت (درجه E-H) برای آن استفاده می‌شود مواد نرم - پیوند قوی‌تر، دانه‌های ساینده را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کند و از سایش سریع چرخ در مواد کم‌مقاومت جلوگیری می‌کند.
• تقویت شده در مقابل غیر تقویت شده: چرخ‌های برش متالوگرافی آزمایشگاهی برای ایمنی در سرعت‌های چرخشی بالای ماشین‌های برش، با الیاف شیشه تقویت شده‌اند. چرخ های غیر تقویت شده هرگز نباید در تجهیزات قطع موتوری استفاده شوند.

تیغه های ویفر الماس برای اره های کم سرعت

تیغه های ویفر الماس برای دستگاه های برش دقیق بر اساس غلظت الماس، نوع پیوند (پیوند فلزی، پیوند رزین) و ضخامت تیغه مشخص می شوند. غلظت الماس بالاتر طول عمر تیغه را با هزینه بیشتر می دهد. تیغه های باند رزین تهاجمی تر و برش سریع تر هستند. تیغه های اتصال فلزی دوام بیشتری دارند و برای مواد سخت و متراکم مانند کاربیدهای سیمانی و سرامیک های پیشرفته مناسب ترند. انتخاب ضخامت تیغه بر پهنای پوسته و از دست دادن مواد نظارت می کند - برای نمونه های با ارزش بالا یا زمانی که مکان مشخصه دقیق مورد نیاز است، تیغه های نازک تر مواد حذف شده در هر برش را به حداقل می رساند.

مشخصات کلیدی هنگام انتخاب دستگاه های برش متالوگرافی

تعیین تجهیزات آماده سازی نمونه فلزی مستلزم تطبیق پارامترهای عملکرد دستگاه با اندازه نمونه، انواع مواد، الزامات توان عملیاتی و استانداردهای کیفیت آزمایشگاه است. پارامترهای زیر مهمترین معیارهای ارزیابی هستند:

حداکثر اندازه نمونه و ظرفیت بستن

جاذب نمونه یا سیستم گیره حداکثر سطح مقطعی را که می توان به طور ایمن برای برش نگه داشت را تعیین می کند. برش های ساینده متالوگرافی آزمایشگاهی معمولاً برش های نمونه را از چند میلی متر تا قطر 60-80 میلی متر برای مدل های رومیزی و تا 150 میلی متر یا بزرگتر برای تجهیزات برش در مقیاس تولیدی روی زمین. سیستم گیره باید نمونه را به طور صلب و بدون اجازه حرکت در طول برش نگه دارد - هر حرکت جانبی نمونه در حالی که چرخ در تماس است یک سطح برش منحنی ایجاد می کند و می تواند چرخ ساینده را به طرز فاجعه باری بشکند.

سرعت چرخ یا تیغه و کنترل سرعت متغیر

ماشین های برش ساینده معمولاً در سرعت های دوک ثابت در محدوده 2800-3500 RPM برای قطر چرخ های استاندارد کار می کنند. کنترل سرعت متغیر برای آزمایشگاه‌هایی که انواع مواد مختلف را برش می‌دهند مفید است - سرعت پایین‌تر تولید گرما را در آلیاژهای غیرآهنی حساس به حرارت کاهش می‌دهد، در حالی که حداکثر سرعت ممکن است برای برش کارآمد مقاطع فولادی با قطر بزرگ مورد نیاز باشد. اره های کم سرعت با سرعت متغیر پیوسته (معمولاً 1-500 RPM) حداکثر انعطاف پذیری را برای تطبیق پارامترهای برش با هر ماده و مشخصات تیغه فراهم می کند.

کنترل و اتوماسیون نیروی تغذیه

ماشین‌های برش متالوگرافی خودکار نیروی تغذیه را از طریق موتور سروو یا سیستم‌های محرک پنوماتیک، با تنظیمات نیرو و نرخ تغذیه قابل برنامه‌ریزی توسط کاربر، کنترل می‌کنند. خوراک تحت کنترل اجباری - در جایی که ماشین بدون توجه به مقاومت ماده، نیروی تماس ثابتی را حفظ می کند - نسبت به خوراک کنترل شده با سرعت برای نمونه های ناهمگن برتری دارد (به عنوان مثال، کامپوزیت ها یا نمونه های جوشی که از مناطق مختلف مواد عبور می کنند)، زیرا به طور خودکار با سختی مواد محلی سازگار می شود و از اضافه بار چرخ در فازهای سخت جلوگیری می کند. بهترین ماشین‌های آماده‌سازی نمونه متالورژی خودکار، پروفیل‌های نیروی قابل برنامه‌ریزی را با تشخیص شروع نرم و پایان برش ترکیب می‌کنند تا سایش چرخ و آسیب نمونه را در طول چرخه برش به حداقل برسانند.

طراحی سیستم خنک کننده

تحویل مایع خنک کننده به طور مستقیم دمای نمونه را در طول برش ساینده تعیین می کند. سیستم های خنک کننده موثر در تجهیزات قطع متالوگرافی ارائه می شود 3-10 لیتر در دقیقه مایع برش از طریق نازل های قرار گرفته در هر دو طرف چرخ در محل برش، تضمین می کند که کل ناحیه کرف در سراسر برش غرق شده است. سیستم های خنک کننده چرخشی با مخازن ته نشینی و فیلتراسیون عمر خنک کننده را افزایش می دهد و از تجمع ضایعات در ناحیه برش جلوگیری می کند. برای آزمایشگاه‌هایی که نگران آلودگی نمونه‌ها با مایع خنک‌کننده هستند (برای تجزیه و تحلیل شیمیایی بعدی مهم است)، سیستم‌های خنک‌کننده آب تمیز یا برش‌های خشک با چرخ‌های مخصوص فرمولاسیون کم حرارت جایگزین هستند.

لرزش و سختی

سفتی ماشین - مقاومت قاب، دوک و سیستم گیره در برابر انحراف تحت نیروهای برش - مستقیماً بر صافی و موازی بودن سطح برش تأثیر می گذارد. ارتعاش در حین برش موجی را به سطح برش وارد می کند که باید با مراحل آسیاب اضافی، هدر رفتن مواد نمونه و زمان آماده سازی حذف شود. قاب‌های ماشین‌های چدنی یا فولادی جوش داده شده، یاتاقان‌های دوکی دقیق با تحمل‌های خروجی مشخص، و پایه‌های پایه ضد لرزش، تجهیزات برش متالوگرافی با کیفیت بالا را مشخص می‌کنند. منتشر شده مشخصات خروجی دوک از ≤0.01 میلی متر TIR ابزار دقیق را از ماشین های برش درجه تولید متمایز می کند.

بهترین روش ها برای برش نمونه متالوگرافی: اجتناب از خطاهای رایج

حتی با انتخاب صحیح ماشین و چرخ، عملکرد ضعیف، مصنوعاتی را معرفی می کند که تجزیه و تحلیل متالوگرافی را به خطر می اندازد. اقدامات زیر منعکس کننده تجربیات آزمایشگاهی انباشته در سراسر آماده سازی نمونه متالورژیکی است:

• هرگز با چرخ های ساینده خشک نکنید. یک برش خشک - حتی کوتاه - می تواند دمای سطح فولاد را به بالای 200 درجه سانتیگراد افزایش دهد و باعث تلطیف ساختارهای مارتنزیتی و ایجاد یک لایه اچینگ سفید قابل تشخیص در میکروسکوپ نوری شود. همیشه قبل از شروع برش جریان مایع خنک کننده را بررسی کنید.
• نمونه های شکننده یا متخلخل را قبل از برش سوار کنید. پوشش های اسپری حرارتی، مواد فوم و مواد فشرده متخلخل متخلخل باید قبل از برش با رزین اپوکسی آغشته به خلاء شوند تا از بیرون آمدن و فروریختن منافذ در حین برش جلوگیری شود. رزین از ریزساختار در تمام مراحل آماده سازی بعدی پشتیبانی می کند.
• فاصله کافی از ویژگی های مورد علاقه را در نظر بگیرید. خود صورت بریده شده دارای درجاتی از آسیب است - حتی با بهترین روش برش. حداقل 1-2 میلی متر از یک ویژگی حیاتی (خط جوشکاری، رابط پوشش، نوک ترک) فاصله داشته باشید و قبل از اینکه مشخصه برای بررسی در معرض دید قرار گیرد، لایه آسیب را با آسیاب بردارید.
• از نیروی تغذیه مناسب برای مواد استفاده کنید. نیروی تغذیه بیش از حد در برش های ساینده - به ویژه در مواد سخت و شکننده - باعث انحراف چرخ، برش های منحنی و میخ های حرارتی می شود. با حداقل نیرویی که به پیشرفت برش ثابت می رسد شروع کنید و تنها در صورت مشاهده لعاب چرخ (از دست دادن عمل برش) افزایش دهید.
• چرخ های ساینده را به طور منظم بپوشانید. یک چرخ ساینده لعاب دار یا بارگذاری شده به آرامی برش می دهد، گرمای اضافی تولید می کند و می تواند در اثر افزایش نیروی تغذیه شکسته شود. با مشاهده اولین علائم کاهش راندمان برش، چرخ را با یک کمد الماس تک نقطه ای یا چوب پانسمان بپوشانید.
• پارامترهای برش را برای هر نمونه ثبت کنید. در تحلیل خرابی و زمینه‌های تحقیق، مستندسازی نوع ماشین، مشخصات چرخ، نوع خنک‌کننده، نیروی تغذیه و مدت زمان برش برای هر نمونه، یک مسیر ممیزی ایجاد می‌کند که به هر مصنوع برش اجازه می‌دهد در مرحله گزارش‌دهی شناسایی و از عیوب مواد واقعی متمایز شود.

تجهیزات برش متالوگرافی در زمینه: گردش کار آماده سازی نمونه کامل

تجهیزات برش متالوگرافی اولین مرحله در یک دنباله آماده سازی تعریف شده است. درک اینکه کجا برش در جریان کار گسترده تر قرار می گیرد، روشن می کند که چرا کیفیت برش چنین تأثیر نامتناسبی بر نتایج تحلیلی نهایی دارد.

1. بخش بندی - دستگاه برش متالوگرافی یا اره با سرعت کم بخش اولیه را تولید می کند. کیفیت برش تعیین می کند که چه مقدار ماده باید در آسیاب بعدی حذف شود تا به سطح آسیب نخورده برسد.
2. نصب - این بخش در رزین گرما سخت یا سخت‌گیر (اپوکسی، فنولیک، اکریلیک) محصور شده است تا یک پوک استاندارد و قابل کنترل برای مراحل بعدی ایجاد کند و از لبه‌های نمونه و ویژگی‌های شکننده در هنگام پرداخت پشتیبانی کند.
3. سنگ زنی - عبورهای متوالی روی کاغذهای آسیاب (SiC یا باند الماسی) با اندازه شن کاهش لایه آسیب را از برش جدا می کند و یک سطح صاف و مسطح ایجاد می کند. عمق سنگ زنی مورد نیاز مستقیماً با شدت آسیب برش متناسب است - برش با کیفیت بالا زمان سنگ زنی را 30 تا 50 درصد در مقایسه با برش با کنترل ضعیف کاهش می دهد.
4. جلا دادن - سوسپانسیون الماسی یا پولیش سیلیس کلوئیدی روی لبه های پارچه، خراش های باقیمانده آسیاب را از بین می برد تا یک روکش آینه بدون تغییر شکل ایجاد کند. زبری سطح نهایی در نمونه های متالوگرافی جلا داده شده معمولاً Ra<0.01 میکرومتر است.
5. حکاکی کردن - اچ شیمیایی یا الکترولیتی مرزهای دانه، مرز فاز و ویژگی‌های ریزساختاری را با حمله انتخابی به فازها و جهت‌های مختلف نشان می‌دهد. متداول‌ترین ماده اچ‌کننده برای فولادهای کربنی و کم آلیاژ 2 تا 4 درصد نیتال (اسید نیتریک در اتانول) است. فولادهای زنگ نزن آستنیتی از معرف Kalling یا اچ الکترولیتی در اسید اگزالیک استفاده می کنند.
6. معاینه - میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش الکترونی پس پراکنده (EBSD)، طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS) و تست سختی بر روی سطح آماده‌شده برای مشخص کردن ریزساختار، ترکیب فاز، اندازه دانه، محتوای گنجاندن، ضخامت پوشش، و ضخامت پوشش و نقص انجام می‌شود.

سرمایه گذاری در تجهیزات برش متالوگرافی با کیفیت بالا و انتخاب صحیح چرخ، بازده ترکیبی را در هر مرحله آماده سازی بعدی به همراه دارد - کاهش زمان سنگ زنی، حفظ هندسه نمونه، محافظت از ویژگی های شکننده، و اطمینان از اینکه ریزساختار مشاهده شده در زیر میکروسکوپ ریزساختار واقعی مواد است، نه یک مصنوع آماده سازی..