銅是一種柔軟且延展性強(qiáng)的金屬,具有高導(dǎo)電性、良好的耐腐蝕性和一定的強(qiáng)度。
銅合金使用可以追溯到古代,包括各種黃銅、青銅以及其它銅合金。
大多數(shù)銅合金會(huì)進(jìn)行退火或冷加工處理,保持延展性的同時(shí)增加硬度。還有一些合金,如鈹銅和黃銅,使用時(shí)效硬化處理到高強(qiáng)度水平。
銅具有面心立方晶體結(jié)構(gòu),金相學(xué)家通常會(huì)遇到紫銅,它是通過電解或化學(xué)精煉的,含有少量的銀或砷添加物。
其他常見有無氧高導(dǎo)電銅以及磷脫氧銅,其中可能含有砷或碲的添加物。
本文介紹了傳統(tǒng)的銅試樣制備方法,這些方法可以減少制備時(shí)間,更有效地制備微觀結(jié)構(gòu)。
試樣制備
一般來說,制備銅和銅合金試樣并不困難,至少可以看到真實(shí)結(jié)構(gòu)。
但是,去除所有的劃痕可能比較困難,冷加工試樣的結(jié)構(gòu)不容易清晰地呈現(xiàn)。特別是退火試樣的晶粒結(jié)構(gòu)很難通過腐蝕顯示出來。
許多銅基合金含有少量的元素,如鉛和碲,以提高可加工性,但在試樣中保留這些沉淀物也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
同樣,保留紫銅中存在的氧化亞銅也不是一件容易的事。
電解拋光是一個(gè)選擇,但它往往會(huì)破壞這些相。
最常見的腐蝕劑是等量的氫氧化銨、過氧化氫(3%濃度)和水的混合物。雖然有點(diǎn)臭,但通過擦拭效果很好,但使用壽命很短,每次都需要重新調(diào)配。
許多不同的腐蝕劑是基于氯化鐵、鹽酸、水或乙醇的混合物,還有一些是基于過硫酸銨等。這些可以在標(biāo)準(zhǔn)中找到。
彩色腐蝕技術(shù)對(duì)銅及其合金非常有效,但成功的應(yīng)用主要取決于能否去除細(xì)小的劃痕。
拋光后的表面在蝕刻之前可能看起來很好,但是通過著色腐蝕會(huì)發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)劃痕。
彩色腐蝕劑可以顯示晶粒結(jié)構(gòu),任何的偏析及變形。
傳統(tǒng)技術(shù)
表1顯示了久經(jīng)考驗(yàn)的“傳統(tǒng)”試樣制備方法。這種做法在一定程度上是有效的,但對(duì)于去除存在的細(xì)小劃痕并不真正有效。
表1 - 手動(dòng)或自動(dòng)的傳統(tǒng)制備程序
為了獲得“良好”的彩色蝕刻結(jié)果,在蝕刻失敗后必須重復(fù)最后一步制備步驟,再重新蝕刻試樣,反復(fù)進(jìn)行才能得到較好的結(jié)果。
為了改善結(jié)果,可在最終拋光液中添加了一種侵蝕劑。
例如,已發(fā)現(xiàn)1%硝酸鐵水溶液有一定效果。但樣品表面的浮凸嚴(yán)重,是反復(fù)腐蝕-拋光的結(jié)果。如果劃痕最終得到控制,但浮凸會(huì)很嚴(yán)重。
圖1顯示了一個(gè)退火的彈殼的H70,使用重復(fù)的蝕刻-拋光手動(dòng)制備,并在二氧化硅懸浮液中加入硝酸鐵。效果尚可,但并不好。
圖1 - 這種退火彈殼黃銅H70是使用傳統(tǒng)方法制備的,該過程包括多個(gè)腐蝕-拋光循環(huán)(Klemm的I試劑,100X)。
由于標(biāo)準(zhǔn)程序無法使真正的結(jié)構(gòu)
達(dá)到彩色腐蝕所要求的標(biāo)準(zhǔn)程度
因此需要研究新的方法
在過去的十年中
金相制備的方法不斷發(fā)展
產(chǎn)生了更為精簡(jiǎn)的程序
當(dāng)代方法
圖2.- 采用當(dāng)代方法制備的退火和冷拉砷、磷脫氧銅(Klemm’s I 試劑,50X,交叉偏振光加敏感色調(diào))。
表2顯示了當(dāng)前的方法,通常在使用二氧化硅懸浮液再進(jìn)行一到兩小時(shí)的振動(dòng)拋光,但不加入腐蝕劑。
表2 - 當(dāng)代制備的五步
圖4顯示在371°C下退火30分鐘后部分再結(jié)晶、冷加工的α晶粒結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。大的細(xì)長(zhǎng)晶粒是未再結(jié)晶的晶粒,而背景是大量非常細(xì)小的新再結(jié)晶的晶粒。
圖3-通過傳統(tǒng)方法制備的冷加工彈殼黃銅H70,顯示出嚴(yán)重的滑移變形(Klemm I試劑)100X,近交叉偏振光,帶有敏感的色調(diào)。 | 圖4 – 通過當(dāng)代方法制備的部分再結(jié)晶的冷加工彈殼黃銅(Klemm III試劑,100X,近交叉偏振 光)。 |
圖5顯示了在704°C退火30分鐘后晶粒生長(zhǎng)的再結(jié)晶晶粒結(jié)構(gòu)。這與圖1所示的試樣相同,但是在偏振光下觀察腐蝕后的形貌可以采集到更多的信息。
圖5- 退火彈殼銅(與圖 1 相同的樣品), 采用現(xiàn)代方法制備(Beraha PbS 試劑,50X,交叉偏振光加敏感色調(diào)) | 圖6 - 這張顯微照片顯示了用當(dāng)代方法(Kl emm的I試劑,500X,明場(chǎng))制備的冷鑄錫青銅Cu-10Sn的樹枝狀鑄造微觀結(jié)構(gòu)。 |
接下來的幾個(gè)例子顯示了鑄態(tài)銅合金。圖6顯示了冷鑄Cu-10Sn青銅試樣中的樹枝狀晶內(nèi)偏析。高放大倍率視圖顯示了由于錫和銅含量的變化而導(dǎo)致的枝晶內(nèi)的顏色變化。
圖7顯示了正常鑄造Cu-4.5P的微觀結(jié)構(gòu),這是一種非商業(yè)合金。著色蝕刻后呈明顯偏析的α相樹枝狀結(jié)晶,黑色部分為含磷較高的α相。圖7是在明場(chǎng)照明下拍攝的。
圖7. 通過當(dāng)代方法制備的Cu-4.5P的枝晶微觀結(jié)構(gòu)。(Klemm ll試劑,200X,明場(chǎng)) | 圖8. 通過當(dāng)代方法制備的Cu-10.5P(Klemm ll試劑,500X,明場(chǎng)) |
圖8顯示了另一種非商業(yè)合金鑄造Cu-10.5P的微觀結(jié)構(gòu)?;w為呈放射狀的(α+Cu3P)共晶組織,白色塊狀為α相。
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