【學海拾“金” 】特殊類型的冷鑲嵌

弗爾德每周知識小百科旨在分享材料科學領域的科普知識，探索未知，激發(fā)熱情。每周一小步，材料科學發(fā)展一大步。

特殊類型的冷鑲嵌

雖然冷鑲嵌的影響因素較多，但下面這些實用技巧將會有效地幫助您制備出完 美的冷鑲樣品。

1、光固化冷鑲嵌。光固化鑲嵌樹脂也由丙烯酸樹脂組成。不同的是，它們只包含一種組分，并在紫外光下固化。這需要一個特殊的設備，透明的（!）鑲嵌模具放在其中。固化溫度大約為90°C，但可以通過合適的輻照類型降低。固化時間約為1至15分鐘，取決于輻照類型。使用這種方法，哪怕是熱敏材料也可進行鑲嵌。這些單組分材料的一個主要缺點是相對較高的收縮率以及高材料去除率。其原因在于該材料不包含任何惰性填料，而是由100%的聚合物前體和引發(fā)劑組成。陰影區(qū)和縫隙的固化也不均勻。為能夠實現(xiàn)完全固化，有時會添加熱固化劑成分，這樣下游非常有必要進行回火步驟（例如60°C）。

2、真空浸漬。多孔材料（例如陶瓷、燒結材料或噴涂涂層）必須在真空下鑲嵌。只有這樣，鑲樣材料才能填入所有表面的孔隙。由于蒸汽壓力和粘度均足夠低，因此使用環(huán)氧樹脂的話是可以實現(xiàn)這一點的。不過真空必須限制在0.8巴以下的壓力，否則環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的低沸點成分則會釋放氣體或開始沸騰。該工藝可用于加固和保護敏感材料。不想要的制備效果，如破損、裂縫和過度的孔隙可以降至最 低限度。然而，這主要適用于開孔材料；而對于較為密集的燒結陶瓷部件來說，盡管其孔隙率比較明顯（例如5%），卻不能得到適當浸漬。由于熱或壓力所造成的損壞不可預期，這是多孔材料的這一程序不可避免的另一原因。

3、超壓冷鑲嵌。只有在使用丙烯酸酯時，在壓力下進行冷鑲樣才有意義。這需要一臺簡單的壓力裝置/壓力鍋（連接的壓縮空氣為5-6巴）。使用未填充的甲基丙烯酸酯可以達到更好的透明度。施加2至2.5巴的超壓來增加鑲嵌化合物的沸點，并抑 制聚合過程中氣泡的形成。這使得如水晶般清晰的嵌入樣品成為可能。壓力并不能取代真空，原因在于不能將氣量完全從孔隙中排出。因此，開孔仍有部分未被填充，進而形成制備假象。

弗爾德每周知識小百科旨在分享材料科學領域的科普知識，探索未知，激發(fā)熱情。每周一小步，材料科學發(fā)展一大步。

QATM

熱鑲嵌工藝要點及熱鑲嵌化合物選擇

當談及選擇鑲樣方法時，反對熱鑲樣的頭條理由總是購買熱鑲樣機時投資成本較高。然而，應該記住的是如果每天要對較大數(shù)量的樣品進行冷鑲樣，還必須投資一個通風櫥。從耗材的成本來看，熱鑲樣顯然更有利。

熱鑲樣在所謂的熱鑲樣機中進行，該過程通常在150°C至200°C的溫度下進行。壓力取決于壓模直徑，不過大多數(shù)情況下是在100至300巴之間。在插入樣品后，加入鑲嵌化合物。隨后，利用熱量和壓力進行鑲樣。鑲嵌化合物有兩種不同類型：

• 熱固性塑料，在溫度升高會發(fā)生交聯(lián)。

• 熱塑性塑料，在溫度升高時軟化或融化，僅在冷卻階段才會發(fā)生固化。
  

原則上，熱固化鑲嵌的樣品在較高的溫度下可以從鑲樣機中取出。然而，最 好是讓樣品在壓力下冷卻。這對鑲樣塊的收縮行為、平面平行度和圓度有積極的影響，同時可以使鑲樣材料和樣品之間保持良好的粘性。

常見熱鑲嵌化合物及其屬性

弗爾德每周知識小百科旨在分享材料科學領域的科普知識，探索未知，激發(fā)熱情。每周一小步，材料科學發(fā)展一大步。

Q  如何選擇合適的切割輪？

A  作為一個經(jīng)驗法則，以下原理有助于選擇正確的材料: 

• 硬質材料建議采用軟質粘接的切割輪

• 中硬度材料建議采用中硬度粘接的切割

• 軟材料建議采用硬粘接切割輪

大多數(shù)制造商為其切割輪指定一個制造日期或最 佳使用日期。由于結合劑的環(huán)氧樹脂具有吸濕性，也就是說，它們會吸收水分，因此必須遵守上述日期。結合劑中的水分在數(shù)月或數(shù)年后可能會導致切割輪脆化。在這種情況下，切割輪仍可使用，但其磨損會顯著增加，同時碎裂的風險也會大大增加。

對于延展性很高的材料, 如鈦或塑料，通常使用以碳化硅為磨料顆粒的切割輪（同樣為樹脂粘接）。金剛石切割輪適用于非常硬的材料（陶瓷、玻璃纖維增強塑料、礦物、玻璃等）。共有兩種不同的粘接劑類型可供選擇：金屬粘接切割輪，其中金剛石通常嵌入青銅粘接劑當中；或者那些合成樹脂粘接劑。后者特別適用于切割非常脆的材料。 

與鋸片相比，切割輪產(chǎn)生更為光滑和更少變形的表面以及進出樣品位置的突變接觸，這大大減少了必須通過后續(xù)金相研磨去除的變形層的厚度。

每周知識小百科

Weekly Share

弗爾德每周知識小百科旨在分享材料科學領域的科普知識，探索未知，激發(fā)熱情。每周一小步，材料科學發(fā)展一大步。

QATM

脆性等離子噴涂涂層的熱鑲樣

熱鑲樣一般來說對多孔層或材料至關重要。圖所示為等離子噴涂涂層，熱鑲樣后在這其中還可以看到未填充的孔隙和可能還有碎屑。

熱鑲樣后的等離子噴涂涂層

冷鑲樣后的等離子噴涂涂層

用戶必須意識到在熱鑲樣過程中并不能完全浸漬多孔涂層——相應的鑲嵌化合物不允許這樣做。它們當中大多數(shù)含有粗填料。此外，浸漬時間比傳統(tǒng)的冷鑲嵌化合物要大大縮短。只有使用適當?shù)睦滂偳痘衔铮ɡ绲驼扯拳h(huán)氧樹脂）進行真空浸漬才能保證合理填充孔隙、裂紋、縫隙等。另一優(yōu)勢為：這些均可著色（例如使用熒光染料）。這樣即可對當前的開口氣孔或裂紋進行最理想的定量評估。此外，值得注意的是，多孔層也可能因鑲樣過程中的高壓力而被壓縮；這些層的真實氣孔不再可見。

弗爾德每周知識小百科旨在分享材料科學領域的科普知識，探索未知，激發(fā)熱情。每周一小步，材料科學發(fā)展一大步。

濕式砂輪切割正確取樣來避免假象

切割脆性表面涂層時必須考慮以下幾點：

• 須正確選擇切割輪

• 正確夾持待切割樣品。要切割的涂鍍層不得朝下夾在切割輪的出口區(qū)域，這將導致切割輪在退出時使脆性層脫離基材

• 過高的進給速率（壓力）會導致層中出現(xiàn)裂紋

• 冷卻不足會導致層產(chǎn)生碎裂從而模擬出假孔隙。

脆性等離子噴吐涂層的碎裂和裂紋形成如圖1所示。這種情況下并未使用精密切割機，并且樣品定位不正確。在使用正確機器和并且定位理 想的情況下處理相同樣品則會給出圖2所示結果。

選擇不合適的切割方法（圖1）

使用精密切割機切割后（圖2）

 程序：將待檢查的表面涂層夾緊在夾具中，其中涂層本身位于頂部。這樣切割輪可以從上方穿透涂鍍層。該層或樣品在沒有任何碎裂的情況下被切割；可在顯微鏡下進行評估并且沒有任何問題。

弗爾德每周知識小百科旨在分享材料科學領域的科普知識，探索未知，激發(fā)熱情。每周一小步，材料科學發(fā)展一大步。

濕式砂輪切割正確取樣來避免假象

用戶在濕式砂輪切割過程中必須避免的主要錯誤是由于冷卻不足而產(chǎn)生的過多熱量。在這種情況下，產(chǎn)生的熱量會導致材料顯微結構以不容許的方式發(fā)生不可預測的變化——它不再代表原始的材料組織結構。

制備后通過表面硬化區(qū)域顯得更暗這一事實即可清楚識別出損傷的樣品。它是由于切割不當而受到熱損傷的一種情形。正確樣品不受切割過程的影響。通過在兩個樣品滲碳區(qū)域進行小載荷硬度測試來作出進一步的比較，結果發(fā)現(xiàn)硬度有明顯差異。

不正確切割樣品的顯微組織

正確切割樣品的顯微組織

采用不正確方式切割：570 HV1

采用正確方式切割：740 HV1

這意味著未充分冷卻的樣品因摩擦熱而回火。顯微組織變?yōu)檩^少馬氏體的組織解釋了硬度值降低的原因。如果實驗室技術人員沒有立即注意到有缺陷的樣品，情況則會惡化。切割后兩件樣品均嵌入不透明的熱鑲嵌化合物中，這樣從外面就看不到缺陷。因此很可能進行不正確的評估。通過選擇正確的切割輪、正確設置冷卻劑流量和適合零件尺寸的切割進給速率即可防止這些假象。