Metalografik Kesme, Kakma ve Taşlama Parlatma Makineleri

Metalografik kesme makineleri, kakma makineleri ve taşlama ve cilalama makineleri, eksiksiz bir metalografik numune hazırlama iş akışını oluşturan ardışık üç ekipman parçasıdır. — ve her alt mikro yapı analizinin kalitesi, doğrudan her aşamanın ne kadar iyi yürütüldüğüne bağlıdır. Özetle: kesme makinesi, numuneyi dökme malzemeden termal veya mekanik hasar olmadan keser; kakma makinesi, güvenli kullanım ve kenar tutma için numuneyi reçine içinde kapsüller; ve taşlama ve cilalama makinesi, mikroskobik inceleme ve gravür için hazır, çiziksiz, deformasyonsuz bir ayna yüzeyi üretmek üzere yüzey malzemesini aşamalı olarak kaldırır. Her makinenin doğru seçilmesi ve çalıştırılması bir tercih meselesi değildir; mikroskop altında ortaya çıkan mikroyapısal özelliklerin gerçek malzeme durumunu mu yansıttığını yoksa kötü hazırlıktan mı kaynaklandığını belirler.

Üç Aşamalı Metalografik Numune Hazırlama Süreci

Metalografik analiz (bir metalin mikro yapısının tane boyutunu, faz dağılımını, kalıntı içeriğini, ısıl işlem tepkisini, kaynak kalitesini ve kusur morfolojisini değerlendirmek için incelenmesi), olağanüstü düzlüğe sahip ve hazırlık kusurlarından arınmış bir numune yüzeyi gerektirir. Bunu başarmak, her aşamada bir önceki adımın neden olduğu belirli yüzey hasarı kaynaklarını ele alan, üç aşamalı disiplinli bir hazırlık dizisi gerektirir.

• Aşama 1 - Bölümleme: Metalografik bir kesme makinesi, minimum ısı üretimi ve mekanik deformasyonla toplu numuneden temsili bir kesit çıkarır.
• Aşama 2 – Montaj (Kakma): Metalografik bir kakma makinesi, kenarları koruyan ve otomatik taşlama ve cilalamayı mümkün kılan standartlaştırılmış, işlenebilir bir disk oluşturmak için kesilen numuneyi bir montaj reçinesi (sıcak sıkıştırma veya soğuk reçine) içinde kapsüller.
• Aşama 3 – Taşlama ve Parlatma: Metalografik taşlama ve cilalama makinesi, deforme olmuş tabakayı kesme ve montajdan uzaklaştırır, zımpara kağıtları ve elmas/silika süspansiyonlu cilalama adımlarından geçerek nihai ayna yüzeyini oluşturur.

Herhangi bir aşamadaki hatalar ileriye doğru yayılır; termal olarak hasar görmüş bir kesim yüzeyi tek başına cilalamayla tamamen düzeltilemez ve yanlış monte edilmiş bir numune taşlama sırasında sallanarak kenar özelliklerini incelenemez hale getiren ("yuvarlama" adı verilen) dışbükey bir yüzey üretecektir. Bu nedenle, her aşamadaki ekipman seçimi ve çalışma parametreleri, dünya çapındaki malzeme laboratuvarlarında ve kalite kontrol departmanlarında mühendislik açısından ciddi ilgi görmektedir.

Metalografik Kesme Makinası : Hasarsız Hassas Kesim

Metalografik kesme makinesi (aynı zamanda metalografik kesme makinesi veya aşındırıcı kesici olarak da adlandırılır), metal bir numuneyi dökme malzemeden kesmek için ince, dönen bir aşındırıcı tekerlek kullanır. Endüstriyel kesme aletlerinin aksine, metalografik bir kesici, kesim yüzeyinde oluşan mekanik ve termal olarak etkilenen bölgenin ("hasar bölgesi") derinliğini en aza indirecek şekilde özel olarak tasarlanmıştır, çünkü bu hasar bölgesinin daha sonra taşlama yoluyla çıkarılması gerekir. Hasar bölgesi ne kadar ince ve sığ olursa, o kadar az taşlama gerekir ve toplam hazırlık döngüsü o kadar hızlı olur.

Metalografik Kesme Makinası Çeşitleri

• Aşındırıcı tekerlek kesiciler (hassas kesiciler): Demir içeren malzemeler için genellikle alüminyum oksit (Al₂O₃) veya demir dışı malzemeler ve seramikler için silisyum karbür (SiC) içeren reçine bağlı aşındırıcı diskler kullanın; 3.000 - 5.000 dev/dak . Termal hasarı önlemek için sürekli su bazlı soğutma sıvısı akışı çok önemlidir. Hassas aşındırıcı kesiciler, numuneleri hasar derinliğinden daha az olan şekilde kesebilir. 50μm Doğru parametreler altında.
• Elmas tel testereler: Darbe yerine aşınmayla kesen, elmas aşındırıcı emdirilmiş sürekli hareket eden bir tel kullanın. Neredeyse hiç ısı üretmez ve çok ince hasar bölgeleri oluşturur. 5 ila 20 µm . Malzeme kaybının en aza indirilmesi gereken kırılgan malzemeler (seramik, yarı iletkenler, elektronik bileşenler) ve değerli veya yeri doldurulamaz numuneler için kullanılır.
• Yavaş hızlı hassas testereler: Çok düşük hızda dönen göbek monteli bir elmas bıçak kullanın (tipik olarak 300 - 1.000 dev/dak ) minimum uygulanan kuvvetle. Tüm kesme yöntemleri arasında en az hasarı üretir ancak yavaştır; hazırlama kalitesinin üretimden daha ağır bastığı küçük, hassas veya yüksek değerli numuneler için uygundur.

Kesim Makinesi Seçerken Değerlendirilmesi Gereken Temel Özellikler

Soğutma Sıvısı ve İlerleme Kuvveti Kontrolü

Soğutma sıvısı akışı, aşındırıcı disk kesmede en önemli çalışma parametresidir. Yetersiz soğutma sıvısı, kesilen yüzey sıcaklığının malzemenin tavlama sıcaklığının üzerine çıkmasına neden olur; sertleştirilmiş çelik için bu sıcaklık, 150°C ila 200°C — Kesilen yüzeyi kütleyi temsil etmeyecek hale getiren mikroyapısal değişikliklere (temperleme, yeniden östenitleştirme veya martenzit dönüşümü) neden olmak. Kaliteli metalografik kesiciler soğutma sıvısı akış hızlarını sağlar Dakikada 3 ila 8 litre tam olarak tekerlek-numune arayüzüne yönlendirilmiştir.

Makinenin kesme direncini algıladığı ve sabit kuvveti korumak için ilerleme hızını ayarladığı otomatik besleme kuvveti kontrolü, operatörün tekerleği ve numuneyi aşırı ısıtacak aşırı basınç uygulamasını önler. Programlanabilir kuvvet kontrolüne sahip makineler (tipik olarak 10N ila 300N ayarlanabilir aralık ) özellikle yüksek verimli laboratuvar ortamlarında, elle beslenen ünitelere göre sürekli olarak daha iyi kesim yüzeyleri üretir.

Metalografik Kakma Makinesi : Hassasiyet ve Kenar Tutma için Montaj

Kesitlere ayrıldıktan sonra çoğu numunenin taşlama ve cilalama öncesinde monte edilmesi (bir reçine diski içine kapsüllenmesi) gerekir. Montaj birkaç kritik fonksiyona hizmet eder: otomatik taşlama kafalarına uyan standartlaştırılmış, düz, paralel bir geometri sağlar; kırılgan veya gözenekli numuneleri destekler ve kenarların kırılmasını önler; kenarları ve yüzeye yakın özellikleri (kaplamalar, yüzey sertleştirilmiş katmanlar, nitrürlenmiş bölgeler) cilalama sırasında yuvarlamadan korur; ve keskin kenarlı numunelerin ve normalde tutarlı bir şekilde tutulması imkansız olan küçük parçaların güvenli bir şekilde tutulmasını sağlar.

Sıcak Sıkıştırma Montajı

Sıcak sıkıştırmalı metalografik kakma makinesi (montaj presi), numuneyi ve reçine tozunu ısıtılmış bir silindire yerleştirir, numunenin etrafındaki reçineyi sertleştirmek için hidrolik basınç ve ısı uygular, ardından tamamlanmış montajı çıkarır. Tüm döngü sürer 8 ila 15 dakika reçine tipine ve montaj çapına bağlı olarak. Standart montaj çapları 25 mm, 30 mm, 32 mm ve 40 mm'dir.

Yaygın sıcak montaj reçineleri şunları içerir:

• Fenolik reçine (Bakalit): En yaygın kullanılan sıcak montaj reçinesidir. Döngü sıcaklığı 150°C ila 180°C , basınç 200 ila 300 bar . İyi kenar tutuşuna sahip sert, boyutsal olarak stabil montaj parçaları üretir. Sıcaklığa duyarlı numuneler (yumuşak lehimler, düşük erime noktalı alaşımlar, polimerler) için uygun değildir.
• İletken reçine (grafit veya bakır dolgulu): Şarj oluşumunu önlemek için montajın elektriksel olarak iletken olması gereken SEM (taramalı elektron mikroskobu) incelemesi için gereklidir. Fenoliklerden biraz daha düşük sertlik ancak çoğu öğütme işlemi için yeterlidir.
• Diallil ftalat (DAP) reçinesi: Fenolik kürleme sıcaklığına göre daha düşük kürleme sıcaklığı (120°C ila 150°C), sıcaklığa biraz daha duyarlı numuneler için uygundur. Numune yöneliminin görsel olarak doğrulanmasına olanak tanıyan şeffaf montaj parçaları üretir.

Soğuk Montaj

Soğuk montajda, numunenin etrafına oda sıcaklığında pres olmadan dökülen iki bileşenli sıvı reçine sistemleri (epoksi, akrilik veya polyester) kullanılır. Özel bir kakma makinesine gerek yoktur - montaj tek kullanımlık veya yeniden kullanılabilir kalıplarda gerçekleştirilir - bu da sıcaklığa duyarlı numuneler, gözenekli malzemeler (montajdan önce boşlukları doldurmak için vakumlu emdirmenin gerekli olduğu durumlarda) ve sıcak pres olmayan laboratuvarlar için soğuk montajı tercih edilen seçenek haline getirir.

Epoksi soğuk montajlar Soğuk montaj malzemelerinde en iyi kenar tutuşunu ve en düşük büzülmeyi sunar, ancak sertleşme süreleri gerektirir 8 ila 24 saat oda sıcaklığında (40°C ila 60°C'ye hafif ısıtmayla 1 ila 4 saate düşürülür). Akrilik soğuk montajlar kürlenir 10 ila 20 dakika ancak sertleşme sırasında önemli miktarda ekzotermik ısı üretirler (bazen küçük veya ince numunelerde ısıl işlem görmüş mikro yapıları değiştirmeye yetecek kadar) ve daha yüksek büzülme sergileyerek reçine ile numune kenarı arasında boşluk oluşumuna yol açarlar.

Vakumlu Emdirme Üniteleri

Vakumlu emprenye, sinterlenmiş metaller, termal sprey kaplamalar, grafitli dökme demirler, aşınmış malzemeler veya jeolojik numuneler gibi gözenekli numuneler için kullanılan özel bir soğuk montaj tekniğidir. Numune bir odaya yerleştirilir, gözeneklerdeki havayı boşaltmak için vakum uygulanır, vakum altında sıvı epoksi kabul edilir ve daha sonra sertleşmeden önce reçineyi gözeneklere sürmek için atmosferik basınç yeniden sağlanır. Bu, tüm gözenekliliği reçineyle doldurarak cilalama sırasında gözeneklerin çıkmasını önler; aksi takdirde mikro yapıda yapay "delikler" olarak görünür. Bazı metalografik kakma makinelerinde bu amaç için pres silindiri içerisinde entegre bir vakumlu emprenye fonksiyonu bulunur.

Metalografik Taşlama ve Parlatma Makinesi : Ayna Yüzeyine Ulaşmak

Metalografik taşlama ve cilalama makinesi, gerçek yüzey hazırlığının tamamlandığı yerdir. Makine, kesme ve montaj sırasında kalan pürüzlü yüzeyden başlayarak, yüzey mikroskop altında gözle görülür deformasyondan arınıncaya kadar, her adımda bir önceki adımdaki çizikleri ortadan kaldıran bir dizi azalan aşındırıcı boyutuyla malzemeyi aşamalı olarak kaldırır. Düzgün hazırlanmış bir metalografik yüzeyin çizik derinliği 0,02μm (20nm) ve hafif son cilalamayla giderilebilecek kadar sığ, deforme olmuş bir yüzey altı katmanı.

Makine Tipleri: Manuel, Yarı Otomatik ve Tam Otomatik

• Manuel taşlama ve parlatma makineleri: Operatörün numuneleri manuel olarak tuttuğu ve hareket ettirdiği tek bir döner plaka (tekerlek). Basit ve düşük maliyetli ancak operatöre oldukça bağımlıdır; sonuçlar uygulanan kuvvete, numune yönüne ve operatörün tutarlılığına göre değişir. Düşük hacimli veya eğitim laboratuvarları için uygundur.
• Yarı otomatik makineler: Motorlu bir numune tutucu kafası, plaka dönerken bir grup numuneye (tipik olarak 3 ila 6 montaj) kontrollü aşağı doğru kuvvet uygular. Operatör numuneleri yükler, kuvveti ve zamanı ayarlar ve makine bu adımı otomatik olarak yürütür. Manuel hazırlamaya göre tekrarlanabilirliği önemli ölçüde artırır.
• Tam otomatik makineler: Robotik numune işleme, otomatik zımpara kağıdı veya disk değiştirme, taşlama ve cilalama süspansiyonlarının otomatik dağıtımı ve programlanabilir çok adımlı sekanslar. Hazırlama yeteneğine sahip Döngü başına 6 ila 9 örnek tam tekrarlanabilirlik ile. Operatörler ve vardiyalar arasında hazırlık tutarlılığının kritik olduğu yüksek verimli üretim kalite kontrol laboratuvarlarında ve araştırma tesislerinde kullanılır.

Taşlama ve Parlatma Sırası

Orta sertlikte bir çelik (örn. 45 HRC) için standart bir hazırlama sırası aşağıdaki aşamaları içerir:

1. Düzlem taşlama: SiC zımpara kağıdı, P120 ila P320 tanecik veya sabit aşındırıcı taşlama diski. Hasar katmanını kesme işleminden çıkarır ve tutucudaki tüm numuneler boyunca düz, paralel bir yüzey oluşturur. Genellikle şunun için çalıştırılır: 1 ila 3 dakika Numune başına 20–30N kuvvetle 150–300 rpm'de.
2. İnce öğütme: SiC kağıtları P600, P800, P1200 (veya eşdeğer elmas taşlama diskleri). Her adımda bir önceki tane boyutunda çizikler giderilir. Suyla yağlanan SiC kağıdı en yaygın sarf malzemesidir; elmas taşlama diskleri daha hızlı ve daha tutarlıdır ancak adım başına maliyeti daha yüksektir.
3. Elmas parlatma: Elmas süspansiyonlu veya macunlu kumaş kaplı merdaneler - tipik olarak 9 µm, sonra 3 µm, sonra 1 µm elmas. İnce taşlama çiziklerini giderir ve minimum deformasyonla yüksek yansıtmalı bir yüzey üretir. Yağlayıcı seçimi (su bazlı, alkol bazlı veya yağ bazlı) hazırlanan malzemeye göre seçilir.
4. Son parlatma (oksit parlatma): Kısa şekerlemeli bir bez üzerinde koloidal silika süspansiyonu (OPS, tipik olarak 0,04 µm parçacık boyutu). İnce mekanik aşınmayı, son kalan deformasyon katmanını ortadan kaldıran hafif kimyasal aktiviteyle birleştirerek, EBSD analizi ve yüksek çözünürlüklü dağlama için gereken çizilmez ayna yüzeyini üretir.

Kritik Makine Parametreleri: Kuvvet, Hız ve Dönüş Modu

Üç makine parametresi hazırlama kalitesi ve verimliliği üzerinde en büyük etkiye sahiptir:

• Numune başına uygulanan kuvvet: Çok az kuvvet, malzemenin yavaş çıkarılmasına ve kenarların yuvarlanmasına neden olur; fazlası aşırı çizilmeye ve deformasyona neden olur. Çoğu modern makine, aşağıdaki aralıkta kuvvet ayarına izin verir: Numune başına 5N ila 50N , farklı optimum kuvvetler gerektiren farklı malzemelerle (10–15N'de alüminyum gibi yumuşak metaller, 20–30N'de sertleştirilmiş çelikler).
• Merdane hızı: Tipik olarak 150 ila 300 rpm taşlama için, 100 ila 150 rpm parlatma için. Daha yüksek hızlar malzeme kaldırma oranını artırır ancak aynı zamanda ısı oluşumunu ve numune tutucunun aşınmasını da artırır; parlatma adımları, parlatma süspansiyonunun numune yüzeyinde aktif kalmasına izin veren daha düşük hızlardan yararlanır.
• Ters dönüş (karşı mod): Bu modda, numune tutucu kafası şu yönde döner: ters yön plakaya. Bu, her bir numunenin tüm aşındırıcı yüzey boyunca eşit şekilde maruz kalmasını sağlar ve çiziklerin yönelimini ortadan kaldırarak bir numune grubu boyunca daha düzgün malzeme kaldırma işlemi sağlar. Ters dönüş, üretim metalografisinde kullanılan yarı otomatik ve otomatik makineler için standart moddur.

Farklı Laboratuvar İhtiyaçlarına Yönelik Ekipman Seçimi

Yaygın Hazırlama Kusurları ve Kök Nedenleri

Her aşamada neyin yanlış gidebileceğini ve buna hangi makine veya proses parametresinin neden olduğunu anlamak, çalışan bir laboratuvarda hazırlama kalitesiyle ilgili sorunları gidermek için çok önemlidir:

• Kesilen yüzeydeki termal hasar (yanık izleri, beyaz tabaka, temperlenmiş bölgeler): Kesme sırasında yetersiz soğutma sıvısı akışı veya aşırı ilerleme kuvvetinden kaynaklanır. Çözüm: soğutma sıvısı akış hızını artırın; besleme kuvvetini azaltın; aşınmış kesme diskini değiştirin.
• Kenar yuvarlama (yüzeye yakın özelliklerin kaybı): Reçine sertliği uyumsuzluğundan (numuneye göre reçine çok yumuşak), yetersiz montaj kürlenmesinden veya yanlış cilalama kuvvetinden kaynaklanır. Çözüm: Daha sert montaj reçinesi kullanın (akrilik yerine fenolik); sertliği artırmak için iletken dolgu maddesi ekleyin; Son aşamalarda parlatma kuvvetini azaltın.
• Parlatma işleminden sonra kalan çizikler (kuyruklu yıldız kuyrukları): Önceki kumlama adımından daha ince bir cilalama adımına taşınan aşındırıcı kirlenmeden kaynaklanır. Çözüm: adımlar arası temizliği sıkı bir şekilde uygulayın (ultrasonik temizleme veya kapsamlı durulama); elmas boyutuna göre ayrı parlatma bezleri kullanın.
• İkinci faz parçacıklarının çukurlaşması veya çekilmesi: Yumuşak matrislerde koloidal silika ile aşırı son cilalama süresinden veya cilalama süspansiyonunun yanlış pH'ından kaynaklanır. Çözüm: OPS cilalama süresini azaltın; Süspansiyon pH'ının malzeme sistemi için uygun olduğunu doğrulayın.
• Düzlemsel olmayan (dışbükey veya kama şeklinde) yüzey: Öğütme kafasındaki numune ile tutucu arasındaki paralel olmayan oturma veya parti tutucu içindeki numune yüksekliğinin tutarsız olmasından kaynaklanır. Çözüm: yüklemeden önce montaj parçalarının ±0,05 mm yükseklik toleransı dahilinde olduğundan emin olun; numune yüksekliklerini eşitlemek için bir ön öğütme adımı kullanın.

Metalografik Ekipman için Bakım ve Sarf Malzemesi Yönetimi

Metalografik hazırlık kurulumunun operasyonel maliyetine makine amortismanı değil, kesme diskleri, montaj reçineleri, aşındırıcı kağıtlar, parlatma bezleri ve elmas süspansiyonlar gibi sarf malzemesi harcamaları hakimdir. Bu sarf malzemelerini doğru şekilde yönetmek, doğru ekipmanı seçmek kadar önemlidir:

• Kesme diskinin değiştirilmesi: Aşındırıcı diskler, disk çapının 30'dan fazla azalması durumunda değiştirilmelidir. Yeniden %30 veya yanarken veya yüklenirken (tekerlek yüzeyinde metal lekelenmesi) gözlemlenir. Aşınmış bir tekerleğin kullanılması, yeterli soğutma sıvısına sahip olsa bile numunelerde termal hasarı artırır.
• Zımpara kağıdı değiştirme sıklığı: P320 kumlu SiC kağıdı tipik olarak aşağıdakiler için etkili kalır: Yaprak başına 3 ila 5 numune 30 mm montaj çapıyla kullanıldığında. Bunun ötesine geçmek, tutarsız çıkarma oranlarına ve daha uzun adım sürelerine neden olur ve bu da kağıdın yeniden kullanımından kaynaklanan maliyet tasarruflarını boşa çıkarır.
• Kesme makineleri için soğutma sıvısı bakımı: Su bazlı kesme soğutucuları zamanla bakteriyel kontaminasyon ve pH kayması geliştirerek yeni kesilmiş numune yüzeylerinin korozyonuna yol açar. Soğutma sıvısını her seferinde tamamen değiştirin. 2 ila 4 hafta düzenli kullanımda; pH'ı izleyin (hedef 8,5 ila 9,5 ) ve gerektiği kadar biyosit ekleyin.
• Sıcak pres silindiri bakımı: Montaj silindiri her kullanımdan sonra reçine kalıntılarından temizlenmelidir. 20 ila 50 döngü ve piston halka contalarının aşınma açısından kontrol edilmesi. Aşınmış bir halka conta, reçinenin pistonun arkasında parlamasını sağlayarak, çıkarma kuvvetini arttırır ve sonunda presin sıkışmasına neden olur.