Egy kis metallográfia

Egyik látogatóm, Végh Balázs, levelében említette szokatlan, szakmájától elég távol álló hobbiját. Szabadidejében metallográfiával foglalkozik. Egy rövid lexikon-címszóban nálam is megtalálható, de levele alapján kedvet kaptam hozzá, hogy egy kicsit részletesebben is foglalkozzam a témával. Megkönnyíti a helyzetemet, hogy segítséget is kaptam tőle.

Persze nem vagyok ebben (sem) szakember, de honlapom nem is szakembereknek szól. Remélhetően akadnak majd olyan "átlagember" érdeklődők a látogatóim között, akik szeretnének némi ismeretet felszedni ebben a témakörben is.

A metallográfia a fémek és fémötvözetek fizikai, kémiai tulajdonságait kutatja, a fémek síkcsiszolatainak készítésével és elemzésével foglalkozik.
Rendkívül fontos szakterület, hiszen számtalan fémet és ötvözetet használunk a mindennapi életben és sok esetben "életbevágó" fontosságú ezek kristályszerkezetének, fázisainak, zárványainak, szemcseeloszlásának ismerete. Ezek határozzák meg a tulajdonágaikat és a belőlük készült eszközök, alkatrészek használhatóságát.

A metallográfia módszereivel felderíthetők az anyaghibák (repedések, zárványok, dúsulások, inhomogenitások, korrózió , stb.) is.

Metallográfiai módszerekkel vizsgálhatók kerámiák, polimerek, kompozit és más anyagok is.

Nézzük meg mit is csinál a metallográfia. Persze csak röviden, mert egyébként nyilván köteteket írtak róla.

Mintavétel

Az első lényeges lépés, a mintavétel. Ennek során, a vizsgálni kívánt anyag tulajdonságainak figyelembe vételével olyan mintát vesznek, ami lehetőleg minél jellemzőbb a vizsgálandó anyagra és lehetőleg tartalmazza az anyaghibás részeket is.
Lényeges, hogy a minta a vágás, darabolás során változatlan maradjon. Ne érjék a vizsgálati eredményt befolyásoló szövet- vagy kristályszerkezet-változások.
A mintavételhez speciális, hűtéssel ellátott vágógépeket alkalmaznak. (Egy ilyen látható a képen.) Az ezekben használt vágótárcsákat és azok fordulatszámát, előtolási sebességét a minta anyagának, keménységének, méretének megfelelően választják meg.
A vágótárcsák általában megfelelő kötőanyagba ágyazott korund, szilícium-karbid, vagy gyémántszemcsékből áll.
A megfelelő mintavétel csökkenti a csiszolási igényt.
A mintaméret a további vizsgálatoktól (makroszkópos vagy mikroszkópos) függ.

Mintabefogás és beágyazás

A kicsi nehezen kezelhető darabokat megfelelő tartóba befogják, vagy műanyagokba, alacsony olvadáspontú fémekbe, illetve ötvözetekbe beágyazzák. Általában műgyantát (pl. epoxigyanta) alkalmaznak erre a célra.
A beágyazás történhet hidegen vagy melegen.
A meleg eljárás gyorsabb, néhány percet igényel, a hideg több órát vesz igénybe.
Mindegyikhez vannak megfelelő eszközök.
A beágyazó anyagot a vizsgált anyag kopási jellemzőinek megfelelően kell kiválasztani.

melegbeágyazó berendezés	hidegbeágyazó berendezés

Csiszolás

A beágyazott minták felületének durva előkészítése csiszolással történik.
Több lépésben, egyre finomabb szemcseméretű csiszolókorongokat és speciális csiszológépeket alkalmaznak.
A csiszolókorongok általában szilícium-karbid, cirkónium-oxid, króm-oxid vagy gyémántszemcséket tartalmaznak.
A csiszoláshoz megfelelő folyadékot adagolnak a gépben.

Automata csiszoló/polírozógép

Polírozás

Ebben a fázisban a minta tükörsima felületet kap.
A polírozás végezhető mechanikus-, kémiai- és elektrolitos módszerrel.
A mechanikus polírozás hasonló a csiszoláshoz, itt azonban a korong anyaga filc, bársony, vászon, vagy más, finom tapintású anyag. A polírozó anyag általában desztillált vízben szuszpendált nagyon finom alumínium-oxid, magnézium-oxid por vagy gyémántpaszta.
A polírozás végezhető kézzel, vagy géppel.
A polírozás után a mintáról a polírozó anyag maradványait desztillált vízzel lemossák, majd alkohollal leöblítik és meleg levegővel foltmentesen megszárítják.
A megfelelő polírozás után a minta felülete teljesen sima, tükörfényes.

Maratás

A maratás a polírozott mintafelület oldó vagy színező hatású oldattal történő kezelése. A minta anyagától függően eltérő marató vegyszereket használnak.
A maratószerek a kevésbé nemes kristályszemcséket oldják, a nemesebbiket kevésbé vagy egyáltalán nem.
Az ilyen anyagokban a nem maródott és a maródott részek jól megkülönböztethetőek (mikroszkóppal nézve világosabb, ill. sötétebb részek láthatóak).
Ha a kristályszerkezete homogén, akkor a kristályok egyforma mértékben maródnak, s csak a kristályok határvonala oldódik, ami éles vonalként jelenik meg a mikroszkópikus képen. (Ez látható a képen egy termokémiai módszerrel maratott kerámiamintán.)

A színes maratási technika több információ ad. Egyre több festő maratószert fejlesztenek ki, amelyek a minta felületén stabil, színes filmet képeznek oxid, szulfid, kromát vagy valamilyen komplex formájában.
A kémiailag ellenálló anyagok (nemesfém ötvözetek, erősen sav - és hőálló ötvözetek) maratását elektrolitos úton végzik.
Maratás után a mintát bő vízzel, majd alkohollal lemossák, és meleg levegőáramban megszárítják.
Elsősorban kerámiák esetében léteznek termikus és termokémiai (pl. sóolvadékban történő) maratások. Létezik olyan színes maratás is, amikor hőfuttatás hatására jön létre a filmréteg.
Kísérleteznek újabb reagensekkel a kémiai maratásoknál a gyártástechnológia fejlődése és újonnan megjelenő ötvözetek miatt. Például a nagyon alacsony szén- és szennyező tartalmú acéloknál, mivel ezeknél jóval nehezebb kimutatni a karbid- és szennyezőanyag dúsulásokat.

Mikroszkópos vizsgálat

A csiszolatok vizsgálatára általában fénymikroszkópokat és elektronmikroszkópokat használnak.
Megkülönböztetők normál és inverz mikroszkópok. A normál mikroszkópnál a tárgyasztal a mintával az objektív alatt, az inverznél a minta a tárgyasztalon, az objektív felett helyezkedik el.
Az inverz mikroszkóp egyik nagy előnye, hogy a minta vizsgált felületének nem kell párhuzamos síkúnak lennie az ellentétes oldallal, míg normál mikroszkópnál a látótér teljes képélessége miatt ez követelmény. Másik előnye a mikroszkóp mérete: az inverz mikroszkóp magassága kisebb, mint a normál mikroszkópé. Ezért általában Le Chatelier rendszerű, inverz mikroszkópot használnak.

normál sztereo mikroszkóp	inverz mikroszkóp

Fénymikroszkópok esetében vizsgálat visszavert fénnyel történik, mivel a fémek és ötvözeteik nem átlátszóak. A mikroszkópban a megvilágító fény lencséken és prizmákon áthaladva vetül a vizsgálandó tárgy felszínére, onnan pedig visszaverődik az objektívre.
A világos vagy sötét látóterű. A mikroszkópok többsége világos látótérrel rendelkezik, azaz az objektív optikai tengelyére merőleges síkok világosnak látszanak, míg a szöget bezáró síkok (a vetett árnyékuk miatt) sötéteknek. A sötét látóterű megvilágításnál fordított a kép.

A pásztázó elektronmikroszkópok lényegesen nagyobb felbontóképességet biztosítanak. Ezeknél a vizsgálandó tárgyat nagy sebességű elektronsugarak pásztázzák, majd arról visszaverődve megfelelő észlelőernyőre kerülnek. A vizsgált minta elektromosan vezető kell legyen, hogy a becsapódó elektronok ne halmozódhassanak fel. Az elektromosan nem vezető minták vizsgálatakor a minta felületét valamilyen jól vezető anyaggal (pl. aranyréteggel) vonják be. A képalkotás jellege miatt nem követelmény a sík minta, görbült felületek és töretminták is jól vizsgálhatók.

Metallográfiai célra is használható pásztázó elektronmikroszkóp

A mikroszkópok segítségével a minta szövetének alkotóelemei számszerűen is kifejezhetők, pl. megállapíthatók a repedések, az anyaghibák és a kristályszemcsék valóságos mérete (szemcsenagysága), alakja, a szövetelemek mennyiséget és eloszlása.

Egyes anyagoknál még mikroszkóppal is nehéz megkülönböztetni bizonyos fázisokat (pl. acél esetében a martenzitet a perlittől és a bainittől). Ilyen esetben mikroszkóppal és CCD kamerával felszerelt mikro-keménységmérő berendezések segíthetnek.

Az eredmények kiértékeléséhez nagy segítséget nyújtanak a mikroszkópokhoz illeszthető digitális kamerák, és a kiértékelő szoftverrendszer is.

Néhány "erdményfotó":

vasötvözet szövetképe a ferrit fehér, a perlit fekete	gyengén ötvözött betétedzett acél szövetképe a martenzit fekete, a maradék ausztenit fehér

öntött vas szövetképe a perlit sötét, a cementit fehér	nikkelötvözet hegesztési varrata

interkrisztallin (szemcsehatárokon létrejött) törés	ónbronz dendrites szerkezete

szívós töret pásztázó elektronmikroszkópos képe	kobalt-szamárium-réz ötvözet pásztázó elektronmikroszkópos képe

Felhasznált irodalom