金相试样电解抛光方法

------（征求意见稿）；当下：YB/T 4377-2014  金属试样的电解抛光方法

 

 

 

 

 

 

前  言

 

本标准等同采用ASTM E1558-99（Reapproved 2004）《金相试样电解抛光方法》（英文版）。

本标准根据ASTM E1558-99（Reapproved 2004）翻译起草。本标准对ASTM E1558-99（Reapproved 2004）作了如下修改：

——增加了本标准目次和前言；

——“规范性引用文件”中增加相近的国家标准；

——调整了ASTME1558-99（Reapproved 2004）标准中部分章节、条目的设置；

——将“华氏温度°F”统一转换为“摄氏温度℃”表示；

——删除ASTME1558-99（Reapproved 2004）标准中8 "关键词"章节，删除了“参考文献”章节；

——增加了本标准中8“试验报告”内容。

——增加了附录NA《本标准与ASTM E1558-99（Reapproved 2004）的差异及其原因》。

木标准的附录A、附录B、附录C和附录NA 为资料性附录。

本标准由中国钢铁工业协会提出。

本标准由全国钢标准化技术委员会归口。

本标准起草单位：首钢总公司、冶金工业信息标准研究院、钢铁研究总院。

本标准主要起草人：

 

 

金相试样电解抛光方法

 

1范围

1.1  本标准规定了用电解抛光法制备金相样品的试验方法。本标准将多种金属的电解抛光液配方分成八种类型，分别描述了各类型的安全防护措施，并提供了相应的电解抛光液配方和使用条件、电解抛光装置的使用及规定、电解抛光常见问题及改进方法等。

1.2  本标准仅作为推荐性试验方法，不对任何材料验收合格级别范围进行规定。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准。然而，鼓励根据本标准达成协议的各方可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

ASTM E7         金相学相关术语

ASTM E407       金属和合金的微观侵蚀试验方法

GB/T13298       金属显微组织检验方法

3术语和定义

ASTM E7中确立的以及下列术语和定义适用于本标准。

电解抛光：将金属作阳极插在电解槽中，其表面因电解反应而发生选择性腐蚀，从而使其表面被抛光的一种方法。

4特点及应用

4.1 电解抛光优点

4.1.1  对一些金属，通过电解抛光可以得到和机械抛光同等或比机械抛光更高质量的抛光面。

4.1.2  一旦试验程序确立，就可很快得到具有重复性的满意结果。

4.1.3  同材质的多个样品可连续抛光，可有效节省时间。

4.1.4  一块相对较大的部件可进行无破坏选区腐蚀，即无需对样品进行切割制样。

4.1.5  软的单相金属机械抛光很困难，但用电解抛光很容易。

4.1.6  利用电解抛光可去除样品表面由于机械磨抛而产生的假象（如金属嵌入、划痕和机械孪晶等）从而得到样品表面的真实形貌。这对低载荷硬度测试、X-射线衍射测试及电镜观察都非常重要，更高的分辨率特别要求样品表面真实可信。

电解抛光结束后，一般可在低电压下（通常为抛光电压的1/10）进行短时间侵蚀。

4.2 电解抛光缺点

4.2.1  若未正确使用，用于电解抛光的多种化学溶液是有毒的或者危险的（见第5部分）。其危害性与混合或使用腐蚀剂时存在的危险性相似（见E407的测试方法）。

4.2.2  在多相合金中，由于每相的电解率不同，抛光面可能会不平。

4.2.3  电解抛光的平面可能是微波浪形，而非完美的平面，因此不能满足所有放大倍数的观察需要。

4.2.4  在靠近不均匀组织处，如非金属夹杂物和气孔的附近，其电解速率比周围基体大得多，夸大了夹杂物和气孔的尺寸。

4.2.5  韧窝、腐蚀坑及波纹限制了电解抛光在表面、涂层、界面和裂纹等方面的应用。边界易优先腐蚀从而导致圆化。

4.2.6  电解抛光法可能会产生人为产物。

4.2.7  样品镶嵌材料可能会与电解抛光液发生反应。

4.2.8  某些材料的电解抛光面可能会钝化，难于侵蚀。

4.2.9  通常电解抛光去除表面金属速度较慢，大约每分钟去掉1μm。如果只磨过600#的SiC粗砂纸后就直接抛光或抛光时间较短，很可能就不能消除由于切割和磨抛过程中引起的损伤。

4.2.10 实验室会遇到很多种类的金属。对不同的金属其电解抛光需要的电解液往往也不同。因此开发出一种新合金的电解抛光程序需要大量时间。

5常规安全预防措施

5.1  使用或混合任何化学药品之前，应当阅读并理解其所涉及的危害和应该遵守的安全防护措施方面的产品标识及相关的现行材料安全知识。使用者必须清楚的认识到所使用各种化学药品的危害性。这些危害可能是短期的或长期的、可见的或不可见的，以及有气味的或无味的。

5.1.1  参照产品标识和材料安全知识选择合适的劳保用品。

5.1.2  所有化学药品都有一定的危害性。因此操作人员在使用电解抛光液时，应该对所用的化学药品的特性完全了解，并熟悉掌握所用化学药品的正确取放、混合及处理程序。

5.2 电解液及其配液的使用和处理的一些基本建议：

5.2.1  在倒出、混合或使用电解液时，应穿戴合适的劳保用品（如眼罩、手套、围裙等）。

5.2.2  称重、测量、混合、存放及储存溶液时，应使用合适的的容器（玻璃或塑料的）。

5.2.3  在混合电解液时，如无特殊规定，通常应将试剂加到溶剂内。

5.2.4  使用电解液时，应避免身体直接接触电解液和样品。应使用钳子或其他间接方法处理样品。

5.2.5  一般情况，电解应该在设计合理的通风橱内操作。对那些散发出有害气味和有毒气体的电解液则必须在通风厨内操作。

5.2.6  甲醇是具有累积性的有毒的危险药品，应该在设计合理的通风橱内使用。当酒精或甲醇都可以做溶剂时，应该优先选择酒精。

5.2.7  溅出的电解液，哪怕只有很少量，都要正确清洗和处理。

5.2.8  所有没有成分和浓度标记的溶液都必须正确处置。

5.2.9  所有化学药品都应该根据制造商的建议进行存储、使用和处置。遵守试剂瓶上的警告说明。

5.2.10 有关化学药品、溶剂、酸和碱等的毒害性及使用预防措施方面的信息（如材料安全知识），应确保随时可以查阅。

5.3  若不小心，下列许多电解液都是相当危险的。混合或使用任何电解液之前，都应阅读其有关的安全防护措施。

5.4  高氯酸和无水醋酸在混合时很危险，并且其混合而成的电解液在使用时也有很多不可预见性。许多工厂和实验室禁止使用这种混合电解液。一些城市的法令也禁止使用这种有潜在爆炸性的混合溶液。鉴于上述事实，建议不要使用这种混合电解液。

5.5  混合易氧化有机化合物和强氧化物一般都很危险。一些电解液经几次使用后充满被抛光的金属离子。这些离子可能会影响后序的电解或加快电解液分解。这种情况下电解液必须根据相关的规定进行处置。

5.6  大多数的电解液（少数除外）应在干净的玻璃容器中混合或存放，绝不能接触外部物质或有机化合物。含氟化物和强碱的电解液应在聚乙烯或其它适当材质的容器中混合或存放。电解液应避免蒸发，以免浓度升高。所有过期电解液都应马上处置。

5.7  用铋或含铋金属镶嵌的样品不能在高氯酸溶液中电解，因为用于镶嵌的铋与电解液反应很剧烈。同样，铋或含铋的合金不能在含高氯酸的溶液中电解抛光。用有机化合物（如酚醛塑料）镶嵌的试样也不能在含高氯酸的电解液中抛光，因为有机化合物与高氯酸可能发生爆炸性的反应。

5.8 针对各类电解抛光液的具体预防措施如下：

5.8.1 推荐使用的电解抛光液分为8组。它们的化学组成按照混合的顺序被列于附录A表中。这种混合顺序可以防止可能的有害反应。除非给出特别说明，电解液一般在18～27℃的温度范围内使用。为确保在该温度范围内使用，有时需要冷却。

5.8.2 第一类：高氯酸及含或不含有有机添加剂的电解液

5.8.2.1按照下列安全预防措施执行，混合或使用这些电解液是安全的。只有少数电解液应在带玻璃盖的瓶子中混合和满量存储。任何带挥发性溶剂的电解液应满量存放。用过或失效的电解抛光液应按相关规定快速处理掉。电解液应远离热源或火源。

5.8.3 第二类：高氯酸和冰醋酸组成的电解液

5.8.3.1  高氯酸和冰醋酸混合时产生的热量很少。混合时应将高氯酸伴随搅拌加入醋酸中。如果小心操作，这类混合液的混合或使用通常都是安全的。使用温度禁止超过29.4℃。这类混合电解液易燃，必须注意防火以及酸的蒸发。塑料部分如果与这类混合电解液接触会很快被分解。

5.8.4 第三类：磷酸与水或有机溶剂组成的电解液

5.8.4.1  这种混合液制备通常很简单。混合时，即按照无机酸操作，将酸缓慢加入到水或溶剂中，且不断搅拌以防止酸液在容器底部沉积。一些固态磷酸和水混合时反应很剧烈，二者混合时应高度小心。

5.8.5 第四类：硫酸与水或有机溶剂组成的电解液

5.8.5.1  硫酸和水会发生放热反应。应将硫酸缓慢加到水中，必须不断搅拌并冷却。小心操作以防液体飞溅。即使是稀硫酸也会强烈灼伤皮肤或或衣物。这类溶液吸湿性特别强，并对塑料有很强的腐蚀性。硫酸和其它无机酸的混合物通常是更为有用的电解液。

5.8.6 第五类：三氧化铬和水组成的电解液

5.8.6.1  三氧化铬晶粒添加到水中的反应很简单，反应中产生的热量很少。形成的铬酸溶液是强氧化剂。在特定的条件下，它会释放出相当多的氧气。过氧化物通常危险并且易燃。这类溶液和大多数有机溶液（如酒精或甘油）混合都不安全。它能和某些饱和有机酸安全混合，但不能跟醋酸混合。铬酸溶液在使用时不能与塑料制品接触，否则塑料制品会逐渐被腐蚀。操作应小心，以防皮肤接触这些溶液。如果皮肤反复与铬酸或铬酸盐接触，即使铬酸是稀释过的，也会对皮肤造成溃疡且很难治愈。三氧化铬是一种剧毒和致癌物质。

5.8.7 第六类：酸（盐）与水或有机溶剂组成的电解液

5.8.7.1  如果操作得当，这类电解液的混合或使用是安全的。必须牢记，酸应该缓慢加入到溶剂中并不断搅拌。如果电解液里有硫酸，则硫酸必须最后添加并且要特别小心。如果电解液里有氢氟酸或氟化物，应使用聚乙烯或其他类似的耐氢氟酸腐蚀的容器。使用氢氟酸时应特别小心，避免皮肤直接与其接触。使用含无水氯化铝的电解液时也应特别小心，这种化合物与水之间的反应易爆炸。铬酸盐、重铬酸盐和大多数的有机溶剂都不能相互混合，但可以和饱和有机酸混合，应小心避免皮肤接触这些溶液。

5.8.8 第七类：碱性电解液

5.8.8.1  这组电解液可以分成两类：含氰化物和不含氰化物的电解液。

a） 未经过培训以及对氰化物不熟悉的人员禁止使用氰化物。氰化物是实验室所遇到的反应最迅速和最烈性的化学药品之一。氰化物反应如此迅速和致命以至于解毒剂通常都无效。必须采取严密的措施防止误食氰化物或其溶液。

b） 碱性氢氧化物溶液适合抛光某些有酸碱两性金属。这些溶液对皮肤的伤害很剧烈，使用时必须特别小心。碱性氢氧化物如NaOH在水中溶解时会放出大量热量。每次要少量添加并不断搅拌，直至达到所需溶液浓度。如果溶液温度过高应使其冷却至室温后再添加更多氢氧化物。

5.8.9 第八类：甲醇和硝酸的混合溶液

5.8.9.1 硝酸和甲醇可以安全混合（在混合液中，硝酸比例低于33%时可以安全存放），这类混合液在配置时应将酸添加到醇中并小心搅拌。硝酸不能与比甲醇更高的醇混合或存放，除非是很稀的溶液（例如，不能存储高于3%的硝酸酒精溶液）。在特定的条件下，硝酸醇溶液中能生成特别不稳定或易爆炸的硝基化合物、叠氮化物或雷酸盐。这种混合物的自发分解也可能会被夹杂或热所催化。这类混合液一旦使用结束就应立即处理掉。由于其危险性大，应尽量避免使用这类溶液。

6试验设备

6.1 为了实现金属样品在适当电解液中的电解抛光，需要合适的电解装置和可控的电源。如图1所示，简单的实验室装置就能实现这一功能。

 

电解抛光示意图

 

6.2 对大面积的表面进行抛光时，在获得足够电流密度的同时，保持样品和电解液冷却是个难题。一般应加入足够的电解抛光液以防止局部过热。有时可能会需要辅助的冷却装置。通常，应尽量避免对大于1cm2的面积进行电解抛光，因为这会增加操作难度。但电解抛光大面积表面也是可行的。

6.3 电解单元设计时可以调整许多参数。电流密度很关键，因此为获得最佳的电解效果应预先估计抛光面积的大小。电流密度的大小可通过类似在工业设备中使用简易固定罩、或者使用绝缘涂料或胶带涂在样品不电解的部位形成防护层去调节。

6.3.1 防护材质的选择很重要，因为电解液可能与防护材料反应，甚至引起爆炸（见电解液Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ类）。

6.4  电池、整流电源或直流发电机都可以用作电解抛光装置的电源。在电解抛光一些金属时电压高达150V时，所以必须采取预防措施避免触电。最理想的电源是具有可控电压的直流电源装置。当使用交流电转化为直流电时，电解抛光需要的电压和电流可以只通过电阻控制。获得这种直流电源的最好办法之一是将可变电压的变压器的输出进行整流。当使用单相、全波或桥式整流电路时，如果不通过滤波器将脉动电压降到一定值，输出电流将不能满足所有的电解抛光条件。这是因为在电解单元中，一定的离子化水平必须被保持在很窄的范围内。小的节流器和电容器可以保证对小范围的电源滤波。当需要大电流时，则需要用三相、全波和桥式整流器组成电源。

6.5  某些电解液在抛光电流关闭后，对金属有很强的侵蚀。因此，样品必须快速插入或取出。

6.6  电解液流速可能是重要的变量之一。某些电解液大流速时抛光效果很好，而另一些电解液则可能在微搅拌或完全不搅拌时抛光效果最好。当电解液需要大流速时应该使用专门的电解单元。在这种使用泵抽取溶液的电解单元中，必须按照制造商的指示调节流速。

6.7  阴极材料在电解液中应是惰性的。为了得到最好的抛光效果，阴极材料应比被抛光的金属或合金稳定。如没有特殊说明，不锈钢都可用作表1中电解液的阴极。铜、镍、石墨和铂也是比较常用的阴极材料。阴极表面应比阳极（样品待抛光区域）表面大很多。

6.8  金相试样的电解抛光装置还有一些较好的附加功能，如下所述：

6.8.1  将电源和控制单元与抛光单元分开，以防止腐蚀性气体和溶液对其腐蚀。

6.8.2  可安装仪表连续记录电压和电流。

6.8.3  可通过计时器控制抛光周期。

6.8.4  应安装合适的通风橱将抛光时产生的气体排出。

6.8.5  电解液应易于更换，电解装置应易于清洗和干燥。

6.9  与电解液接触的部位应使用耐腐蚀部件。

7试验程序

7.1  当电解抛光以前未遇到过的金属或合金时，需要参考金相学，可以遵循以下几条基本原则：与已有试验经验方法比较；将主要组成与元素周期表中同族元素进行比较；研究相图，预测可能出现的相以及各相的特性。单相合金通常比多相合金容易电解抛光。微合金元素可能会影响材料在给定的电解液里的抛光效果。

7.2  一种金属在给定的电解液里最佳电解抛光条件可以通过电流密度随电压变化的曲线确定。电流随电压变化的曲线主要有两种形式，见图2。曲线1为一类典型电解液的抛光曲线，这类电解液可能会在很宽的范围里电解抛光或者根本就不能电解抛光。曲线2为形成离子薄膜的电解液的特征曲线。曲线的虚线部分来自某些公开出版的数据。抛光层的形成需要一定的时间。抛光一般在B点和C点之间发生，通常在靠近C点之前的位置抛光效果最好。

 

确定电解抛光条件的典型曲线图

7.3  确定电解抛光范围后，其他条件如制样、电解液流速和抛光时间由实验确定。在多数情况下，样品表面机械磨到600的粗砂纸就够了，但对一些合金，还需机械抛光。电解抛光每分钟约能去除1μm厚的金属层。为消除预磨过程中造成的损伤，在磨过600#的粗砂纸后应该粗抛一下或延长电解抛光时间，但有时候延长电解抛光时间不太可行。需要电解抛光的表面应彻底清洗干净以利于电解均匀。

7.4  小样品可进行冷镶或热镶以利于试样制备时可把持。镶嵌材料通常不能与电解液反应（见5.7）。对镶嵌样品进行电解抛光时，可在镶嵌样的背部钻孔来通电。

对新金属或合金材料选择或开发新电解液时，必须考虑以下几个因素；

电解液应有些粘性。

在电解条件下，电解液必须能很好的溶解阳极。沉积在样品表面的未溶的物质可能会阻止抛光继续进行。

不通电流时，电解液最好对金属不腐蚀。

电解液中常常需要一个或多个大半径离子，例如（PO4）3-、（ClO4）-或（SO4）2-离子，偶尔也会需要一些大的有机分子。

电解液应易于混合、保持稳定及便于安全处理。

电解液最好能在室温下工作并对温度变化不敏感。如果电解抛光连续进行，应将电解单元放在有进、出水的冷却槽中对电解液进行冷却。

阴极的材质、大小、阳-阴极间的间距和取向都是重要的参数。阴极材料须比阳极材料（待抛光的表面）稳定，且阴极表面应比阳极抛光表面大很多。通常，阴极和阳极应平行排列，保持10～20mm的间距。

抛光时，样品浸入电解液的深度也会影响抛光效果。要得到好的效果，在抛光区域以上必须有充足的电解液。

8试验报告

试验报告推荐包括以下内容：

a） 试样名称、数量及规格；

b） 所使用电解抛光液的配方、抛光电压和时间等参数；

c） 所使用的电解抛光装置；

d） 试验人员、日期及环境条件；

e） 试验结果。