【学海拾“金”】脆性表面涂层（如等离子喷涂涂层）的切割

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湿式砂轮切割正确取样来避免假象

切割脆性表面涂层时必须考虑以下几点：

• 须正确选择切割轮

• 正确夹持待切割样品。要切割的涂镀层不得朝下夹在切割轮的出口区域，这将导致切割轮在退出时使脆性层脱离基材

• 过高的进给速率（压力）会导致层中出现裂纹

• 冷却不足会导致层产生碎裂从而模拟出假孔隙。

脆性等离子喷吐涂层的碎裂和裂纹形成如图1所示。这种情况下并未使用精密切割机，并且样品定位不正确。在使用正确机器和并且定位理 想的情况下处理相同样品则会给出图2所示结果。

选择不合适的切割方法（图1）

使用精密切割机切割后（图2）

 程序：将待检查的表面涂层夹紧在夹具中，其中涂层本身位于顶部。这样切割轮可以从上方穿透涂镀层。该层或样品在没有任何碎裂的情况下被切割；可在显微镜下进行评估并且没有任何问题。

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脆性等离子喷涂涂层的热镶样

热镶样一般来说对多孔层或材料至关重要。图所示为等离子喷涂涂层，热镶样后在这其中还可以看到未填充的孔隙和可能还有碎屑。

热镶样后的等离子喷涂涂层

冷镶样后的等离子喷涂涂层

用户必须意识到在热镶样过程中并不能完全浸渍多孔涂层——相应的镶嵌化合物不允许这样做。它们当中大多数含有粗填料。此外，浸渍时间比传统的冷镶嵌化合物要大大缩短。只有使用适当的冷镶嵌化合物（例如低粘度环氧树脂）进行真空浸渍才能保证合理填充孔隙、裂纹、缝隙等。另一优势为：这些均可着色（例如使用荧光染料）。这样即可对当前的开口气孔或裂纹进行最理想的定量评估。此外，值得注意的是，多孔层也可能因镶样过程中的高压力而被压缩；这些层的真实气孔不再可见。

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Q  如何选择合适的切割轮？

A  作为一个经验法则，以下原理有助于选择正确的材料: 

• 硬质材料建议采用软质粘接的切割轮

• 中硬度材料建议采用中硬度粘接的切割

• 软材料建议采用硬粘接切割轮

大多数制造商为其切割轮指定一个制造日期或最 佳使用日期。由于结合剂的环氧树脂具有吸湿性，也就是说，它们会吸收水分，因此必须遵守上述日期。结合剂中的水分在数月或数年后可能会导致切割轮脆化。在这种情况下，切割轮仍可使用，但其磨损会显著增加，同时碎裂的风险也会大大增加。

对于延展性很高的材料, 如钛或塑料，通常使用以碳化硅为磨料颗粒的切割轮（同样为树脂粘接）。金刚石切割轮适用于非常硬的材料（陶瓷、玻璃纤维增强塑料、矿物、玻璃等）。共有两种不同的粘接剂类型可供选择：金属粘接切割轮，其中金刚石通常嵌入青铜粘接剂当中；或者那些合成树脂粘接剂。后者特别适用于切割非常脆的材料。 

与锯片相比，切割轮产生更为光滑和更少变形的表面以及进出样品位置的突变接触，这大大减少了必须通过后续金相研磨去除的变形层的厚度。

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特殊类型的冷镶嵌

虽然冷镶嵌的影响因素较多，但下面这些实用技巧将会有效地帮助您制备出完 美的冷镶样品。

1、光固化冷镶嵌。光固化镶嵌树脂也由丙烯酸树脂组成。不同的是，它们只包含一种组分，并在紫外光下固化。这需要一个特殊的设备，透明的（!）镶嵌模具放在其中。固化温度大约为90°C，但可以通过合适的辐照类型降低。固化时间约为1至15分钟，取决于辐照类型。使用这种方法，哪怕是热敏材料也可进行镶嵌。这些单组分材料的一个主要缺点是相对较高的收缩率以及高材料去除率。其原因在于该材料不包含任何惰性填料，而是由100%的聚合物前体和引发剂组成。阴影区和缝隙的固化也不均匀。为能够实现完全固化，有时会添加热固化剂成分，这样下游非常有必要进行回火步骤（例如60°C）。

2、真空浸渍。多孔材料（例如陶瓷、烧结材料或喷涂涂层）必须在真空下镶嵌。只有这样，镶样材料才能填入所有表面的孔隙。由于蒸汽压力和粘度均足够低，因此使用环氧树脂的话是可以实现这一点的。不过真空必须限制在0.8巴以下的压力，否则环氧树脂系统的低沸点成分则会释放气体或开始沸腾。该工艺可用于加固和保护敏感材料。不想要的制备效果，如破损、裂缝和过度的孔隙可以降至最 低限度。然而，这主要适用于开孔材料；而对于较为密集的烧结陶瓷部件来说，尽管其孔隙率比较明显（例如5%），却不能得到适当浸渍。由于热或压力所造成的损坏不可预期，这是多孔材料的这一程序不可避免的另一原因。

3、超压冷镶嵌。只有在使用丙烯酸酯时，在压力下进行冷镶样才有意义。这需要一台简单的压力装置/压力锅（连接的压缩空气为5-6巴）。使用未填充的甲基丙烯酸酯可以达到更好的透明度。施加2至2.5巴的超压来增加镶嵌化合物的沸点，并抑 制聚合过程中气泡的形成。这使得如水晶般清晰的嵌入样品成为可能。压力并不能取代真空，原因在于不能将气量完全从孔隙中排出。因此，开孔仍有部分未被填充，进而形成制备假象。

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湿式砂轮切割正确取样来避免假象

用户在湿式砂轮切割过程中必须避免的主要错误是由于冷却不足而产生的过多热量。在这种情况下，产生的热量会导致材料显微结构以不容许的方式发生不可预测的变化——它不再代表原始的材料组织结构。

制备后通过表面硬化区域显得更暗这一事实即可清楚识别出损伤的样品。它是由于切割不当而受到热损伤的一种情形。正确样品不受切割过程的影响。通过在两个样品渗碳区域进行小载荷硬度测试来作出进一步的比较，结果发现硬度有明显差异。

不正确切割样品的显微组织

正确切割样品的显微组织

采用不正确方式切割：570 HV1

采用正确方式切割：740 HV1

这意味着未充分冷却的样品因摩擦热而回火。显微组织变为较少马氏体的组织解释了硬度值降低的原因。如果实验室技术人员没有立即注意到有缺陷的样品，情况则会恶化。切割后两件样品均嵌入不透明的热镶嵌化合物中，这样从外面就看不到缺陷。因此很可能进行不正确的评估。通过选择正确的切割轮、正确设置冷却剂流量和适合零件尺寸的切割进给速率即可防止这些假象。

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热镶嵌工艺要点及热镶嵌化合物选择

当谈及选择镶样方法时，反对热镶样的头条理由总是购买热镶样机时投资成本较高。然而，应该记住的是如果每天要对较大数量的样品进行冷镶样，还必须投资一个通风橱。从耗材的成本来看，热镶样显然更有利。

热镶样在所谓的热镶样机中进行，该过程通常在150°C至200°C的温度下进行。压力取决于压模直径，不过大多数情况下是在100至300巴之间。在插入样品后，加入镶嵌化合物。随后，利用热量和压力进行镶样。镶嵌化合物有两种不同类型：

• 热固性塑料，在温度升高会发生交联。

• 热塑性塑料，在温度升高时软化或融化，仅在冷却阶段才会发生固化。
  

原则上，热固化镶嵌的样品在较高的温度下可以从镶样机中取出。然而，最 好是让样品在压力下冷却。这对镶样块的收缩行为、平面平行度和圆度有积极的影响，同时可以使镶样材料和样品之间保持良好的粘性。

常见热镶嵌化合物及其属性

用于涂层所有的工业材料、金属、玻璃、陶瓷

等离子聚合反应

单体被导入等离子反应腔。等离子使气体原子化并使其沉积在工艺部件的表面。

应用

．疏水层的沉积

．亲水层的沉积

．保护或绝缘层的沉积

．防扩散层

适用部件

．精密驱动件

．洗碗机

．医疗器械

．车大灯反射镜

．摄像头

．以及其他部件

应用领域

．生物芯片制造

．精密机械制造

．洗碗机制造

．医疗器械制造

．传感器工程

．纺织业

．钟表制造业

．以及其他应用领域