Способ выявления структуры графита

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при исследовании структурного состояния графита в сплавах, например сером чугуне, и полимерных композициях, содержащих графит, например в графитопластах, содержащих терморасширенный графит. Исследуемую поверхность механически заторцовывают круговыми движениями на шлифовальной сетке с ячейками, заполненными мелкозернистым графитом и/или отходами продуктов заторцовывания. После этого шлифуют алмазной пастой круговыми движениями на гладкой поверхности листа бумаги, образуя постоянную дорожку, смазанную продуктами шлифования, и полируют. Затем шлиф травят в травителе, содержащем, вес.%: йод - 0,5-1,5; ацетон в качестве растворителя - остальное, в течение 2-6 секунд с выявлением микро- и макроструктуры, осуществляя непрерывные с ускорением круговые движения ватного тампона до испарения растворителя. В процессе травления происходит полировка и очистка поверхности шлифа от продуктов травления. Изобретение позволяет повысить достоверность картины структурного состояния графита за счет повышения качества предварительной обработки. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к выявлению структурных составляющих графита, и может быть использовано при исследовании структурного состояния графита в сплавах, например сером чугуне, и полимерных композиций, содержащих графит, например в графитопластах, содержащих терморасширенный графит, и т.д.

Известен способ выявления графита в чугунах, включающий предварительную подготовку исследуемой поверхности (заторцовывание, шлифование, полирование) и последующее ее травление (Л.В.Баранова, Э.Л.Демина. Металлографическое травление металлов и сплавов. Справочник. - М.: Металлургия, 1986. - с.9, 25, 91, 99, 100, 211).

Способ осуществляется следующим образом. Поверхность образца заторцовывают на наждачном круге, после чего шлифуют на наждачной бумаге, начиная с грубой №60 и до №0. Шлифуют в направлении, перпендикулярном рискам, оставшимся на поверхности шлифа после шлифования на шкурке предыдущего номера, пока риски не будут выведены. После шлифования образец (шлиф) промывают для удаления частиц абразивного материала и полируют. Шлиф полируют до получения зеркальной поверхности на полировальном станке с плоским кругом, обтянутым фетром или сукном, который смачивают водой с мельчайшим порошком окиси металлов или смазывают специальными абразивными пастами. Затем шлиф протирают ваткой, смоченной спиртом. Так как графит при полировании чугуна выкрашивается, полирование проводят в одном направлении на ткани с низким ворсом.

Для выявления микроструктуры графита в чугуне его травят в 50-100 мл насыщенного водного раствора хромпика и 10 мл серной кислоты. Травление проводят в горячем реактиве в течение 1-2 мин.

Для выявления макроструктуры графита в чугуне его травят в реактиве - 20 г хромового ангидрида, 2 г хлористого алюминия, 4 г медь-аммония хлористого, 1 мл азотной кислоты, 100 мл воды. Образец погружают в раствор на несколько минут.

Шлифование и полировка в известном способе трудоемки и рассчитаны на прочные, твердые, монолитные или малопористые, поверхности исследуемого материала (сталь, сплавы). Для выявления же структуры углерода высокопористых или мягких материалов, мажущих поверхность шлифовальных и полировальных приспособлений, особенно таких, как термораширенный графит или композиции с использованием термораширенного графита, известный способ не приемлем, так как усилия, прилагаемые к исследуемой поверхности при шлифовании и полировании, приводят к изменению морфологии поверхности, искажая истинную картину структуры графита. Последующее за этим действие - травление выявляет уже искаженную картину, как самих структурных образований, так и взаимосвязи между ними.

Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ выявления структуры графита, заключающийся в предварительной механической заторцовке исследуемой поверхности, шлифовке, полировке, травлении шлифа в травителе и очистке поверхности от продуктов травления.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ выявления структурных составляющих полимерной композиции, содержащей графит (B.C.Коваленко. Металлографические реактивы. Справочник, М., Металлургия, 1981, с.30). Способ включает предварительную подготовку исследуемой поверхности (заторцовывание, шлифование, полирование) и последующее ее травление. Поверхность образца заторцовывают путем выравнивания поверхности механическим способом (напильником), затем шлифуют крупнозернистой шкуркой, мелкозернистой и нулевой при перемещении шлифуемой поверхности в перпендикулярном направлении относительно ранее производимого направления шлифования до исчезновения рисок. Затем проводят полирование на мягкой ткани с использованием паст (алмазной, Гойя и т.д.) до получения гладкой блестящей поверхности. Затем шлиф травят с выявлением структурных составляющих исследуемого материала (стали, чугуна и т.д.), для чего используют травитель следующего состава: йод и этиловый спирт. Травление проводят в холодном 2-6%-ном спиртовом растворе йода в течение 10 с.

Предварительная обработка поверхности исследуемого материала в этом способе рассчитана на прочные, твердые, монолитные или малопористые, поверхности исследуемого материала (сталь, сплавы). Выявление структуры графита или композиций с использованием терморасширенного графита, обладающего повышенной пористостью, известным способом приводят к изменению морфологии поверхности, искажая истинную картину структуры графита, из-за значительных сдвиговых усилий, прилагаемых перпендикулярно к исследуемой поверхности при шлифовании и полировании. И последующее за этим действие - травление выявляет уже искаженную картину, как самих структурных образований, так и взаимосвязи между ними.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - способ выявления структуры графита, заключающийся в предварительной механической заторцовке исследуемой поверхности, шлифовке, полировке, травлении шлифа в травителе, содержащем йод в растворителе, и очистке поверхности от продуктов травления.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение достоверности картины структурного состояния графита, в том числе терморасширенного, и полимерных композиций, содержащих графит, за счет повышения качества предварительной обработки и травления исследуемой поверхности изделий.

Задача была решена за счет того, что в известном способе выявления структуры графита, заключающемся в предварительной механической заторцовке исследуемой поверхности, ее шлифовке, полировке, травлении шлифа в травителе, содержащем йод в растворителе, и очистке поверхности шлифа от продуктов травления, исследуемую поверхность заторцовывают круговыми движениями на шлифовальной сетке с ячейками, заполненными мелкозернистым графитом и/или отходами продуктов заторцовывания, шлифуют алмазной пастой круговыми движениями на гладкой поверхности листа бумаги, образуя постоянную дорожку, покрытую продуктами шлифования, после чего поверхность шлифа травят травителем, содержащем в качестве растворителя ацетон, при следующем соотношении компонентов, в вес.%:

йод - 0,5-1,5

ацетон - остальное,

в течение 2-6 секунд с выявлением микро- и макроструктуры, травление осуществляют непрерывными с ускорением круговыми движениями ватного тампона до испарения растворителя, при этом травление сопровождается полировкой и очисткой поверхности шлифа от продуктов травления.

Признаки заявляемого изобретения, отличительные от прототипа, - исследуемую поверхность заторцовывают круговыми движениями на шлифовальной сетке с ячейками, заполненными мелкозернистым графитом и/или отходами продуктов заторцовывания, шлифуют алмазной пастой круговыми движениями на гладкой поверхности листа бумаги, образуя постоянную дорожку, покрытую продуктами шлифования, после чего поверхность шлифа травят травителем, содержащем в качестве растворителя ацетон, при следующем соотношении компонентов, в вес.%:

йод - 0,5-1,5

ацетон - остальное,

в течение 2-6 секунд с выявлением микро- и макроструктуры, травление осуществляют непрерывными с ускорением круговыми движениями ватного тампона до испарения растворителя, при этом травление сопровождается полировкой и очисткой поверхности шлифа от продуктов травления.

Механическую заторцовку поверхности шлифа осуществляют круговыми движениями образца, прикладывая усилия к образцу в основном параллельно поверхности шлифовальной сетки. Наличие в ячейках шлифовальной сетки измельченного графита и/или отходов продуктов заторцовывания способствует отслоению свободных структурных элементов с поверхности образца, выравниванию и получению поверхности без рисок, что значительно упрощает операцию шлифования.

Шлифуют образец на гладкой поверхности бумаги, на которую предварительно наносят алмазную пасту. Шлифуют круговыми движениями по одной и той же дорожке без усилия к поверхности листа бумаги. При этом происходит постепенное нанесение продуктов шлифования на дорожку с алмазной пастой и образуется слой, который позволит эффективно удалить риски, образующиеся в начале шлифования, и обеспечит эффективное выглаживание поверхности шлифа.

После шлифования поверхность исследуемого образца подвергают травлению раствором, содержащим йод в ацетоне. Травление осуществляют круговыми движениями ватного тампона по травленой поверхности шлифа с ускорением и увеличением усилия на поверхность шлифа до появления блестящей поверхности, усиливающей контраст выявленных структурных элементов и их взаимосвязь. Одновременно с травлением происходит полирование и очистка поверхности от продуктов травления.

Заторцовывание поверхности образца, шлифование и травление осуществляют круговыми движениями по кругу с радиусом: при заторцовывании и шлифовании - близким к радиусу исследуемой поверхности образца, при травлении и осветлении - равным радиусу исследуемой поверхности образца.

Использование ацетона в составе травителя позволяет ускорить процесс травления (из-за большой испаряющей способности ацетона). Ацетон мгновенно обезжиривает поверхность, очищая ее от смеси графита с алмазной пастой. Использование ацетона в качестве растворителя йода позволяет получить более качественную картину структурного состояния исследуемого образца, а также позволяет осветлить поверхность образца. В зависимости от времени травления и соотношения компонентов травителя выявляют микро- или макроструктуру исследуемого образца.

Примеры конкретного выполнения способа.

Пример 1.

Выявляли макроструктуру композита, содержащего графит (наполнитель) и кремнеорганический полимер (связующее). Для этого было изготовлено изделие из композита в виде цилиндра высотой 10 мм и диаметром 10 мм. Для исследования структурного состояния композита вначале заторцовывали торец изделия. В качестве абразивного материала брали шлифовальную сетку с ячейками ⌀ 1 мм, на перемычках которой нанесен абразивный материал - карбид кремния SiC. Ячейки сетки заполняли этим же составом композита. Заполнение проводили до верха ячеек сетки, так как композит служит смазкой и позволяет избежать появления грубых рисок на поверхности готовящегося шлифа исследуемого изделия. Поверхность заторцовывали круговыми движениями с малой скоростью (1 об/с) до получения ровной поверхности. После заторцовывания исследуемую поверхность шлифовали на листе бумаги с минимальной шероховатостью (бумага для ксерокса), на которую предварительно нанесли алмазную пасту (АСМ 2/1 НОМГ, ГОСТ 25.993-83) с содержанием алмазного порошка 2% (5ct). Шлифовали исследуемую поверхность также круговыми движениями по одной и той же дорожке. При этом натирали на шлифовальную дорожку мягкий пластичный графит, создавая таким образом дополнительно условия, обеспечивающие получение гладкой без рисок поверхности. Шлиф подвергали кратковременному, в течение 3 секунд, травлению раствором, содержащим йод кристаллический 0,5 вес.% в ацетоне. Травление осуществляли ватным тампоном, смоченным в травителе, круговыми движениями по травленой поверхности с ускорением от 1 об/с до 4 об/с до получения сухой, блестящей поверхности. Выявленную макроструктуру исследовали на оптическом микроскопе при увеличении в 30 раз.

Пример 2.

Выявление микроструктуры терморасширенного графита (ТРГ).

Выявление микроструктуры проводили после заторцовывания поверхности изделия из спрессованного терморасширенного графита, шлифования ее и травления аналогично примеру 1. Травили поверхность в течение 5 секунд раствором: 1 вес.% йода в ацетоне. Для получения более качественных снимков микроструктуры дополнительно проводили осветление исследуемой поверхности ацетоном. При этом выявили более четкую картину взаимосвязи элементов и самих элементов. После этого выявленную микроструктуру терморасширенного графита в изделии наблюдали в оптическом микроскопе при увеличении 100 раз.

Пример 3.

Выявление свободного шаровидного графита в сером чугуне.

Для выявления микроструктуры чугуна и графитовых включений в нем готовили образец серого чугуна цилиндрической формы (25×25 мм²).

Исследуемую поверхность образца заторцовывали и шлифовали аналогично примеру 1. Затем шлифованную поверхность травили в 1,5%-ном растворе йода в ацетоне в течение 6 секунд. Затем отмывали поверхность ацетоном от продуктов травления и вновь травили в течение 6 секунд с последующим отмыванием ацетоном продуктов травления. Травление и отмывку продуктов травления повторяли до тех пор, пока не стала видна четкая картина микроструктуры, взаимосвязь элементов, пористость системы, структура графитовых включений. После этого выявленную микроструктуру чугуна в изделии наблюдали в оптическом микроскопе при увеличении 100 раз.

Также были проведены исследования и при других соотношениях ингредиентов травителя. Примеры и результаты исследований отражены в таблице.

Из таблицы видно, что при содержании йода в ацетоне более 1,5 вес.% травитель растравливает полимерную составляющую композита. При этом происходит разрушение шлифа. При содержании йода в ацетоне менее 0,5 вес.% травитель слабо выявляет структуру графита и требуется длительное воздействие травителя на поверхность шлифа, что часто разрушающе действует на шлиф (например, растворяется полимерная составляющая в графитопластах, уменьшается взаимосвязь между элементами графита). Время взаимодействия травителя составляет 2-6 секунд и зависит от задачи выявления макро- или микроструктуры графита. Время контакта шлифа с травителем менее 2 секунд не позволяет осуществить травление с получением четкой картины макроструктуры и тем более микроструктуры графита, а время контакта более 6 секунд приводит к разрушению шлифа.

Предлагаемый способ позволяет повысить качество выявления макро- и микроструктуры графита любой формы в одном и том же составе травителя, что упрощает, удешевляет способ и делает его более технологичным.

№ п/п	Материал	Травление	Результат выявления структур графита
Состав травителя, вес.%	Время травления, с
1	2	3	4	5
1	Композит (графит-ТРГ с	Иод - 0,5	3	Макроструктура композита
	кремнеорганическим полимером)	Ацетон - остальное		и частиц графита
2	Композит (графит-ТРГ с	Иод - 1,0	4	Микроструктура частиц
	кремнеорганическим полимером)	Ацетон - остальное		графита
3	Терморасширенный	Иод - 0,5	2	Макроструктура частиц
	спрессованный графит	Ацетон - остальное		графита
4	Терморасширенный	Иод - 1,0	5	Микроструктура частиц
	спрессованный графит	Ацетон - остальное		графита
5	Терморасширенный	Иод - 1,5	5	Микроструктура частиц
	спрессованный графит	Ацетон - остальное		частиц, взаимосвязь частиц
6	Серый чугун	Иод - 1,0	4	Макроструктура
		Ацетон - остальное		шаровидного графита в сплаве
7	Серый чугун	Иод - 1,5	6	Микроструктура шаровидного графита в сплаве
		Ацетон - остальное

Способ выявления структуры графита, заключающийся в предварительной механической заторцовке исследуемой поверхности, ее шлифовке, полировке, травлении шлифа в травителе, содержащем йод в растворителе, и очистке поверхности шлифа от продуктов травления, отличающийся тем, что исследуемую поверхность заторцовывают круговыми движениями на шлифовальной сетке с ячейками, заполненными мелкозернистым графитом и/или отходами продуктов заторцовывания, шлифуют алмазной пастой круговыми движениями на гладкой поверхности листа бумаги, образуя постоянную дорожку, покрытую продуктами шлифования, после этого поверхность шлифа травят травителем, содержащим в качестве растворителя ацетон, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

йод	0,5-1,5
ацетон	остальное

в течение 2-6 с с выявлением микро- и макроструктуры, травление осуществляют непрерывными с ускорением круговыми движениями ватного тампона до испарения растворителя, при этом травление сопровождается полировкой и очисткой поверхности шлифа от продуктов травления.