彩色金相探索与实践

中国北车集团西安车辆厂中心试验室  蒋  新  徐远清

彩色金相和其它彩色图象一样，随着现代科学技术的飞跃发展，有目益普及的趋势。彩色金相的突出优点不仅是色彩艳丽，更重要的是彩色金相对组织的分辨能力较黑白金相高出了许多，这就为彩色金相在实际生产中的应用提供了广阔前景。正是在这种趋势的推动下，促使我们对彩色金相的原理、试样的制备及摄影作了一些初步尝试和研究并取得了一定效果。

1 彩色金相的原理

一般金属及合金组织中的相，对光的反射能力都比较强，且不具有明显的选择吸收性，所以看不到彩色，而彩色金相技术就是用化学或物理的方法，在金属表面形成一层很薄的干涉膜，利用光的干涉效应使金属的微观组织显示出不同的颜色。

1.1 干涉膜的产生一化学沉积膜的应用

获得彩色的关键是在试样的表面形成一层干涉膜，而利用金属与化学试剂的电化学反应可使金属试样在发生腐蚀时，在试样表面选择性地沉积一些不溶性的化合物，使试样表面形成一层不等厚膜，在光的干涉作用下，不同相反射光谱中相干波长不同，各相呈现出各自相干波长的补色。

1.2 彩色金相浸蚀剂

随着彩色金相技术的发展，用于对试样进行浸蚀的试剂种类很多，归纳起来有以下三类：

a.阳极系列--在试样的微阳极上沉淀出一层薄膜，即微阳极组份被着色。

b.阴极系列--使试样的微阴极组份着色。

c.复合系列--薄膜的沉淀是一种复杂的反应。

通过对各种侵蚀试剂进行综合分析、比较，结合试验室实际条件我们从众多的试剂中选择了以下两类。

1.2.1 以焦亚硫酸盐一硫代硫酸盐溶液为基的浸蚀剂

这种试剂的主要成分是焦亚硫酸根离子S₂0₅^-2，焦亚硫酸盐溶解于有金属存在的水溶液中，放出S0₂、H₂S和H₂气，H₂S提供的S^-2和试样的离子(Fe、Ni)形成亚硫酸盐薄膜的阳极沉淀。该试剂可以通过加入不同量的盐酸来控制成膜速度，盐酸量越多则成膜速度越快，这一点从铸钢中低碳马氏体被迅速着色(5～8秒)内可获说明。而在其它成分不变的情况下，焦亚硫酸盐的含量决定着色效果，量大则沉积膜过厚颜色发黑，沉积膜易损坏和剥落。.

1.2.2 以钼酸盐溶液为基的浸蚀试剂

在钼酸盐离子(Mo0₄^-2)中Mo为+6价，还原性化合物可使Mo⁺⁶部分地还原成+4价，在酸性介质中，由于局部还原而得到钼酸(H₂Mo0₄)产生一种蓝色的胶体即钼蓝，其颜色取决于Mo⁺⁶与Mo⁺⁴价离子的比例。例如强还原性试剂如SnCl₂产生蓝色，而较缓和的还原性试剂如FeS0₂产生棕色，钼酸盐溶液的还原作用在微阴极沉积一层复杂的钼酸盐薄膜。它的颜色取决于阴极显微组分的还原能力以及膜的厚度，并且是时间的函数，在用于奥氏体一贝氏体斜铁等温淬火试样的浸蚀时，将钼酸钠溶液用硝酸酸化至PH值在2.5～3.5范围内，并可用硝酸酒精进行预浸蚀。

2 实验

2.1 实验设备及用品

a.NEOPHOT2型卧式金相显微镜及135专用照像机。

b.P-2型金相试样预磨、抛光机。

c.架盘式小天平、各种玻璃制品及滴瓶。

d.各种化学药品等。

2.2 样品的制作

2.2.1 样品的抛光

试样经8OO#金相砂纸精磨后抛光，粗抛采用粒度为m5的A1₂0₃水溶液，粗抛后，用清水在丝绒织物上再抛1～2分钟。抛光过程中，一方面要将磨痕尽可能地去掉，同时还要避免产生表面变形层。表面变形层的存在会掩盖金属的真实组织，降低分辨率，容易造成错误的判断。实践证明在抛光过程中采用1～2次轻度中间浸蚀可以消除或减轻变形层的影响。抛光之后，试样必须细心地用酒精清洗并进行长时间的干燥，可避免在试样表面形成斑点或园环。

2.2.2 样品的腐蚀与着色

着色时，首先要掌握好腐蚀时间，时间短则着色效果不好，色彩衬度不足；时间太长则沉积膜较厚，着色太深影响光学效果，使组织分辨率降低。一般来说着色时间控制在3O～6O秒左右。其次在着色过程中必须仔细观察试样表面颜色的变化，一但样品表面出现紫色时，应立即停止着色，此时在试样表面可获得较丰富的色彩。

3 实验结果与分析

3.1 奥一贝斜铁试样着色分析

图1为奥一贝斜铁等温淬火的金相组织，其中黑色团状物为石墨，制样时石墨已脱落，石墨球周围的针、片状组成物为下贝氏体它被着成绿至紫红色，而马氏体及残余奥氏体呈黄白色。从彩色图片上可以看出其衬度及分辨率均优于黑白金相。

图1  奥一贝斜铁等温淬火组织  钼酸钠水溶液着色  5O0×

3.2 可锻铸铁试样着色分析

图2为可锻铸铁的金相组织，铁素体晶粒被着成多种色彩图中为赭黄至天蓝色，其中富磷的颗粒影响着色的过程，从而显示出铁素体晶粒处的成分偏析，这是黑白金相所无法观察到的。片层状渗碳体仍为白色，团絮状黑色物为石墨，图中石墨有部分已脱落。

图2  可锻铸铁石墨化退火组织  焦亚硫酸钾溶液着色  500×

3.3 铸钢中板条马氏体试样着色分析

图3为铸钢经高温淬火后的金相组织，从图可见明显的板条马氏体束，它因晶体位关系的不同而分别被着成蓝一紫红色，而且原奥氏体晶界清晰可辨，且马氏体组织的层次感较强，这是黑白金相无法达到的。

图3  含碳O.23％铸钢93O℃高温淬火组织  焦亚硫酸钾、盐酸水溶液着色  50O×

3.4  工具钢试样着色分析

图4为T7钢退火状态的组织，图中不同位向的片层状珠光体组织清晰可辩，其珠光体晶团的界面组织比较粗大，其中渗碳体(Fe₃C)呈黄白色，而铁素体基体被者成多种色彩，图中为绿一黄褐色。沿晶界分布的不规则块状物为游离态铁素体，从照片可以看到其分辨率较高。

图4  T7工具钢退火组织  焦亚硫酸钾溶液着色  640×

4 彩色金相中几个问题的探讨

4.1色彩重复性问题

从试验中我们发现，同一试样用相同试剂分别作不同次数的浸蚀，所着色彩不同。也就是说某一相要想得到固定的色彩是很难办到的，其原因是多方面的，一一方面干涉膜的形成是一种极复杂的化学及电化学反应，另一方面又受溶液温度与浸蚀时间以及溶液中微量成分的变化影响。因此在一般情况下，不能仅凭颜色去鉴定相，还要看相的分布形貌等特征，必要时还得借助于其它分析方法。

4.2 摄影中色温问题

实践中我们发现用普通低压钨丝灯拍摄的彩色照片，无论曝光时间以及光圈做如何调整所拍摄的照片色彩偏红，分辨率较差。而用高压氙弧灯拍摄的照片当曝光时间及光圈适当时，能得到较好的色彩衬度。为使被摄对象的色彩得到正确的再现，必需注意光源的色温问题，所谓色温主要是指光源中红、兰两色光的互变度，而与它的实际温度无关，兰色成分多，则其色温高，红色成分多，则其色温低。摄影时我们采用的是日光型富士胶卷，其色温在54OOK左右，与我们NEOPHOT2型显微镜氙弧灯光源色温56OOK相接近，因此在实践中获得了较好色彩。

5 结束语

彩色金相作为一种更先进的技术手段，可提供更多的信息，如板条马氏体的晶体学位向等。通过化学沉积膜法，我们可获得较满意的颜色衬度，明显优于黑白金相，并可显示黑白金相不易区分的组织。但彩色金相本身也有其局限性，还有许多问题需要解决，如实验技术比较复杂，成本比较高，而且在显示细微组织时色彩效果不理想等，所以彩色金相不是万能的，只有在黑自金相难以胜任而彩色显示又能弥补其不足时，才能取得最佳效果，这也是我们今后探索和努力的方向。