铸铁的显微组织及分析

第一篇：铸铁的显微组织及分析

铸铁的显微组织及分析

铸铁的显微组织及分析

1、前言

铸铁是一种铁碳合金，在机械制造业应用很广泛。工业常用铸铁的成分范围是：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si，0.5~1.4%Mn，0.01~0.50%P，0.02~0.20%S，除此之外，有时会含有一定量的合金元素，如Cr、Mo、V、Cu、Al等。最然铸铁的强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造，但却具有一系列优良性能，如良好的铸造性、减磨性和切削加工性等，而且它的生产设备和工艺简单，加个低廉，因此铸铁在机械制造上得到了广泛的应用。

2、实验目的及设备

目的：识了解灰口铸铁、磨口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁的显微组织特征。设备与材料：光学显微镜，普通灰口铸铁样品，变质灰口铸铁样品，可锻铸铁样品，球墨铸铁样品，麻口铸铁样品。

3、铸铁的石墨化

铸铁组织中石墨的形成叫做“石墨化”过程。

在铁碳合金中，碳可能以两种形式存在，即化合状态的渗碳体（Fe3C）和游离状态的石墨（常用G表示）石墨的晶格形式为简单六方，如图所示：

其面间距较大，结合力弱，故其结晶形态常易发展成为片状，且强度、塑性和韧性极低，接近于零。

在铁碳合金中，在高温下进行长时间加热时，其中的渗碳体便会分解为铁和石墨。可见，碳呈化和状态存在的渗碳体并不是一种稳定的相，它不过是一种亚稳定的状态。而碳呈现游离状态存在的石墨则是一种稳定的相。

如果全部按照Fe-C相图进行结晶，则铸铁（2.5~4.0%C）的石墨化过程可分为三个阶段：

第一阶段：即在1154℃时通过共晶反应而形成石墨：LC’→AE’+G 第二阶段：即在1154~738℃范围内冷却过程中，自奥氏体中不断析出二

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次石墨GⅡ。

第三阶段：即在738℃时通过共晶反应而形成石墨：AS’→AP’+G

铁碳合金相图如左图所示。

4、各类铸铁的性能及显微组织分析

4.1白口铸铁

白口铸铁其中碳除少量溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体的形式存在于铸铁中。白口铸铁的特点是硬而脆，很难加工。为了提高白口铸铁的韧性及耐磨性，常加入一些合金元素如铬、钼、镍、钒、硼和稀土等。在实际生产中，可利用白口铸铁硬度高的特点，制造一些高耐磨性的零件和工具。另外还可铸成具有一定深度的白口表面层，而心部则为灰口组织的“冷硬铸铁件”普通白口铸铁的化学成分一般为：2.8%~3.6%C，0.5%~1.3%Si，0.4%~0.9%Mn，这样成分的白口铸铁被认为是白口铸铁发展中的第一代。1928年研制成功的镍硬铸铁，是白口铸铁发展中的第二代：由于镍铬合金化的作用，得到马氏体基体和大约50%游离渗碳体的组织，由于硬度增高，抗磨性有很大的改善，但这种铸铁仍呈现其固有的脆性。

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4.2 灰口铸铁

灰口铸铁的组织特点是具有片状的石墨，其基体组织则分为三种类型：铁素体、珠光体及铁素体+珠光体，如下图所示：

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图（1）珠光体基灰口铸铁 图（2）珠光体+铁素体基灰口铸铁 图（3）铁素体基灰口铸

灰口铸铁的化学成分主要是C、Si、Mn、S、P等。灰口铸铁内的基本组织

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主要有三种，即铁素体(F)、铁素体+珠光体(F+P)和珠光体(P)，它在显微镜下的结构如上图所示。从组织可以看出活口铸铁中的碳大部或全部以片状石墨形式存在，这些结构相当于钢基体上加上片状石墨。

灰口铸铁中片状石墨的存在相当于基体中许多小的裂纹。而石墨与钢的基体相比，其力学性能几乎可以看做为“0”，这就意味着石墨的存在不仅破坏基体的连续性，减少基体受力的有效面积，而且很容易在石墨片的尖端形成应力集中，是材料形成脆性断裂，所以灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比钢低得多。石墨虽然降低了铸铁的力学性能，但使铸铁获得了许多钢没有的优良性能。主 要有以下几点：良好的切削加工性，良好的铸造性能，良好的减磨性，较低的缺口敏感性。

影响灰口铸铁组织和性能的因素主要有铸铁成分和冷却速度。4.3 可锻铸铁：

可锻铸铁又称展性铸铁，是一种强度和韧性都较高的铸铁，由白口铸铁经石墨化退货后制成，其中碳以团絮状石墨形式存在。可锻铸铁分白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种。

制造白心可锻铸铁时将铸成的白口铸件放置到退火箱中围以氧化介质，密封后放在炉内加热退火。加热的目的在于使铸铁中的碳扩散到铸件表面，借碳在铸件表面的氧化将铸铁中的碳大部分脱除，使得铸件的组织和含碳量与钢相近，其断口呈白色。生产时，为使铸铁中大部分碳脱除，需要在退火时加热到较高的温度（980~1050℃），同时保温时间要相当长（3～5天），因而这种生产方法只适用于薄件。

制造黑心可锻铸铁时将铸成的白口铸铁置于箱中围以中性介质，密封后放在炉内加热退火。退火的目的在于使铸件中的渗碳体发生分解、形成团絮状石墨。这种可锻铸件，在折断后，断口的心部呈暗黑色，断口的边缘因那里的碳被脱除而呈灰白色。生产时，只要求渗碳体发生分解，在铸铁内部形成石墨。因此，加热温度可以稍低（870～950℃），加热时间也较短。这种生产方法适用于壁厚较大一点的铸件。且黑心可锻铸铁比白心可锻铸铁应用较广。

由于团絮状石墨对金属基体连续性的破坏比片状石墨的轻，因而可锻铸铁的强度和范性的配合视基体组织而定。铁素体可锻铸铁的强度虽然不高，但是

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范性和韧性比较好。而珠光体可锻铸铁虽然在范性和韧性方面不如铁素体可锻铸铁，但是它的强度和硬度比较高，耐磨性好。由于团絮状石墨的缺口效应不像片状石墨那样严重，因此不同于灰口铸铁。可锻铸铁的范性与韧性能够随着基体中珠光体相对量减少而增大。若要求高强度时仍像灰口铸铁那样尽量使基体成为珠光体，而在主要要求高范性和韧性时，尽量使基体成铁素体。

图（4）铁素体基可锻铸铁 图（5）铁素体+珠光体基可锻铸铁

4.4 球墨铸铁

球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。

铸铁的显微组织及分析

球墨铸铁中应用最广泛的是铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁，其显微组织如下图所示：

图（6）珠光体基球墨铸铁图（7）铁素体+珠光体基球墨铸铁图（8）铁素体基球墨铸铁

球墨铸铁在浇铸前向铁水中加入一定量的球化剂（如镁、钙或稀土元素等）进行球化处理，并加入少量孕育剂（硅铁或硅钙合金），以促进石墨化，在浇铸后即可直接获得具有石墨结晶的铸铁，即球墨铸铁。

球墨铸铁不仅具有远远超过灰口铸铁的机械性能，而且同样也具有灰口铸铁的一系列优点，如良好的铸造性、减震性、切削加工性及低的缺口敏感性等；甚至在某些性能方面与可锻钢媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面表面淬火钢等。

5、总结

铸铁的强度和韧性较差，不能进行锻造，但它却具有一系列优良的性能，如良好的段造性、减磨性和切削加工性,而且它的生产设备和工艺简单，价格低廉，因此铸铁在机械制造业上得到了广泛的应用。铸铁含碳量高，接近于共晶合金成分，使得它的熔点低，、流动性好以外，而且还因为它的含碳量和含硅量较高，使得它其中的碳大部分不再以化和状态（Fe3C）而以游离的石墨形式存在。铸铁组织的一个特点就是其中含有石墨，而石墨本身具有润滑作用，因而是铸铁具有良好的减磨性和切削加工性。

本次试验鉴于铸铁的优良性能，我们就不同石墨类型的显微组织进行了观察分析，对不同种类的铸铁进行了了解。学习了其内部结构和成分对其性能和外观的一系列影响。通过此次实验，对铸铁的性能及组织结构做了系统性的学

铸铁的显微组织及分析

习，受益匪浅。

铸铁的显微组织及分析

【参考文献】

[1] 李长龙、赵忠魁、王洁岱编著，《铸铁》，化学工业出版社，北京，2007.3 [2]宋维锡编著，《金属学》（修订版），高等教育出版社，北京，2006.5 [3] 任怀亮主编，《金相实验技术》，冶金工业出版社，北京1986.5 [4]周飞、贾秀颖主编，《金属材料与热处理》，电子工业出版社，北京，2007.8

第二篇：显微分析实验心得体会

显微分析实验心得体会

十天的显微分析实验很快接近了尾声，在指导老师辛燕和侯世香的指导下我们接触了材料科学与工程专业的最基本的实验操作——显微镜的使用和显微组织的分析。实验内容十分丰富，在金相显微镜的帮助下，一幅幅清晰的微观画面呈现在我们面前，让我们对金属的微观组织结构有了更深一步的认识。实验第一天，我们学习了金相显微镜的使用，开始的时候的必须要闭上一只眼睛才能通过目镜看清显微组织，但是经过一段时间的适应，慢慢的可以睁开双眼也能看清显微试样，这点小小的进步可能会使我今后的显微观察轻松不少。接下来我们观察了不同碳含量的铁碳合金，认识并且了解了其在微观状态下的显微组织。

实验中期，我们学习了钢铁金相试样的制备和显微组织分析。我从没有想过自己也可以像工地里施工的师傅一样手握着砂轮切割机切削着金属材料，嗡嗡的切割声和火花四射的场面使得整个实验室都变得喧闹起来，同学们相互合作完美的切割出了合适的金属试样。接下来的预磨是比较枯燥的，从200的砂纸到1000的砂纸，固定的姿势，但是手里的工业纯铁就是参差不齐有着许多面儿。也许是力道的问题，在不停地调整之后，试样终于有了光滑的平面。抛光过程是我最喜欢的，因为金属试样经过金刚石膏的打磨后变得像镜子一样锃光瓦亮。腐蚀过程用的是低浓度的硝酸酒精溶液，总是担心腐蚀多头不敢多涂一些腐蚀溶液，最后晶界出现的不是很明显，但是对于第一次接触的我来说，我已经很满意了。照相和标尺的添加就显得很轻松了。

试验后期，我们依照之前学过的方法分别打磨了20钢，45钢，T10钢并且照相加标尺，这一流程很顺利，一个下午就搞定了，而且实验效果非常明显。在最后的晶粒度的确定时，遇到些许麻烦，在运用截线法时，晶界交点的读取很费眼睛，但是我还是坚持下来采取了10组样本推测出了金属的晶粒度。短暂的实习过去的很快，短短的几天我们掌握了材料学科的基本技能，受益匪浅。

实习时间：2014/6/30-----2014/7/10 指导老师：辛燕、侯世香

学员：材料1202 王帅 1121130224

第三篇：一建常用材料-铸铁

铸铁的分类和应用

铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这些合金中，碳含量超过了在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中的量，工业和生活用铸铁含碳量常在2.5%--4.0%。铸铁是由新生铁、废钢铁、回炉铁、铁合金等各种金属炉料进行合理搭配熔制出的。铸铁的组分主要是铁，此外还含有少量的碳、硅、锰、磷、硫，也可根据需要含有其他合金元素。

铸铁的分类方法较多，主要有：

（1）按铸铁的断口特征分类为：灰口铸铁（灰铸铁）、白口铸铁、麻口铸铁。（2）按铸铁的石墨形态分类为：灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁。（3）按铸铁的化学成分分类为：普通铸铁、合金铸铁。

（4）按铸铁的共晶度分类为：亚共晶铸铁、共晶铸铁、过共晶铸铁。

（5）按铸铁的特殊性能分类为：耐磨铸铁、抗磨铸铁、耐蚀铸铁、耐热铸铁、无磁性铸铁等。

此外，还可按铸铁的基体组织分类（如铁素体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁、贝氏体球墨铸铁等）；按铸铁的制取工艺分类（如孕育铸铁、冷硬铸铁等）；按铸铁的合金成分分类（如铝铸铁、镍铸铁、铬铸铁、钨铸铁、硼铸铁等）。

灰铸铁（灰口铸铁）：碳分主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色，基体形式为：铁素体、珠光体、珠光体加铁素体。

灰铸铁的化学成分一般为：C2.7%--3.8% Si1.1--2.7%，Mn0.5%--1.4%，P＜0.3%，S＜0.15%。

由于灰铸铁具有一定的强度和良好的减震性、耐磨性，以及优良的切削加工性和铸造工艺性，并且生产简便、成本低，因此在工业生产和民用生活中得到最广泛的应用。孕育铸铁：仍属灰铸铁范畴，是铁液经孕育处理后，获得的亚共晶灰铸铁。孕育铸铁的碳主要以细片状石墨形式出现，基体形式为珠光体、铁素体。

孕育前的铁液（原铁水）成分一般选择在位于铸件组织图上的麻口区内或白口区域的边缘地带，通常控制为：C2.8%--3.3%，Si0.6%--1.4%，Mn0.8%--1.4%，P＜0.15%，S＜0.12%。经孕育处理后的孕育铸铁，Si常被调整到1.2%--1.8%，共晶团被显著地细化，石墨的尺寸及分布得到改善，从而提高了强度，因此孕育铸铁又常称为高强度灰铸铁。

孕育铸铁的抗拉强度可达200--400Mpa，抗弯强度可达450--600Mpa，但延伸率和冲击韧性仍较低，故常用于动载荷较小，静力强度要求较高的重要铸件，如机床床身、发动机缸体等。球墨铸铁：是铁液经过球化剂处理而不是经过热处理，使石墨大部或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。但球墨铸铁经过一定的热处理却可改变基体的形式，球墨铸铁的基体形式为：铁素体、珠光体、铁素体加珠光体、贝氏体、奥氏体加贝氏体。

球化前的铁液（原铁水）成分一般选择在共晶点附近，以不出现石墨漂浮为前提，通常希望为高碳、低硅、低磷硫，亦即C3.5%--3.9%，Si1.0%--2.0%，Mn0.3--0.9%，P＜0.1%，S＜0.08%。

经球化处理后的铁液还需要进行孕育处理，以消除球化元素所造成的白口倾向，并同时细化石墨球，球化孕育处理后的球墨铸铁，Si常被调整到1.8%--3.3%，镁残余量（Mg残）控制在0.03%--0.08%，稀土氧化物残余量（RE残）控制在0.02%--0.04%，都不希望太高。球墨铸铁是二十世纪40年代末发展起来的一种新型结构材料，除有类似于灰铸铁的良好减震性、耐磨性、切削加工性和铸造工艺性外，还具有比普通灰铸铁高得多的强度、塑性和韧性，抗拉强度可达1200--1450Mpa，延伸率可达17%，冲击值可达60J/cm2，因此已用于生产受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件，如汽车、拖拉机、内燃机等的曲轴、凸轮轴，还有通用机械的中压阀门等。

蠕墨铸铁：是铁液经过蠕化处理，大部分石墨为蠕虫状石墨的铸铁。蠕墨铸铁的基体形式为：铁素体、珠光体、铁素体加珠光体。

蠕化前的铁液（原铁水）成分的选择与球墨铸铁的原铁液成分的选择相似，碳当量一般控制在4.3%--4.6%，同样希望为高碳、低硅、低磷硫，亦即C3.5%--3.9%，Si1.1%--2.0%，Mn0.4%--0.8%，P＜0.1%，S＜0.1%。

经蠕化处理后的铁液也需要进行孕育处理，主要是消除蠕化元素所引起的白口组织，并细化石墨，使共晶团数量增多。蠕化孕育处理后的蠕墨铸铁，Si常被调整到2.0%--3.0%，加镁钛蠕化剂时，镁残余量（Mg残）控制在0.015%--0.03%，钛残余量（Ti残）控制在0.08%--0.1%；加稀土镁钛蠕化剂时，稀土氧化物残余量（RE残）控制在0.001%--0.002%，镁残余量控制在0.015%--0.035%，钛残余量（Ti残）控制在 0.06%---0.13%。蠕墨铸铁是二十世纪60年代开发的一种新型铸铁材料，抗拉强度可达500Mpa，比灰铸铁强度高，且比球墨铸铁铸造性能好，此外还有良好的导热性等，因此已用于生产柴油机缸盖、电动机外壳、驱动箱箱体、制动器鼓轮、液压件阀体、冶金钢锭模等。

可锻铸铁（又称马铁、玛钢、韧铁）：是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分，而获得的有较高韧性的铸铁。可锻铸铁由于处理工艺的不同又可分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁。黑心可锻铸铁是白口铸铁在中性气氛中热处理，使碳化铁分解成絮状石墨与铁素体，正常断口呈黑绒状并带有灰色外圈的可锻铸铁，其中：基体主要为珠光体的黑心可锻铸铁称为可锻铸铁，基体主要为铁素体的黑心可锻铸铁称为铁素体可锻铸铁；白心可锻铸铁是白口铸铁在氧化气氛中退火，产生几乎是全部脱碳的可锻铸铁。

可锻铸铁的原铁液（原铁水）成分一般选择在亚共晶范围，以保证铸坯获得纯白口组织且不析出初生石墨又有良好铸造性能为前提，在选择时要综合考虑碳硅含量和锰硫含量的配合关系，通常希望： C+Si=3.6%--4.6%，Mn=（2.5-3.5）S，对于黑心可锻铸铁：C2.3%-2.8%，Si1.1%--2.2%，Mn0.4%--1.2%，P≤0.20%，S≤0.25%；对于白心可锻铸铁：C2.8%--3.4%，Si0.3%--1.0%，Mn0.2%--0.8%，P≤0.20%，S≤0.25%。

可锻铸铁的原铁液通常要进行孕育处理，普遍采用的孕育剂有：铝、铋、铝铋、硼铋、硼铋铝等，用纯铝孕育时，加铝0.005%---0.012%，用纯铋孕育时，加铋0.006%---0.01%，用铝铋复合孕育时，加铝 0.005%---0.0015%，加铋0.01%--0.02%；用硼铋复合孕育时，加硼0.0015%-0.0025%，加铋0.01%--0.02%，用硼铋铝复合孕育时，加硼0.001%--0.0025%，加铋0.006%--0.01%，加铝0.008%--0.012%。

可锻铸铁经热处理后，抗拉强度可达300--700Mpa，延伸率可达2%---16%，强度高于灰铸铁，韧性接近铸钢，铸造性能又优于铸钢，因此已广泛用于汽车、拖拉机、农业机具及铁道零件，还用于电力线路工具、管路连接件、五金工具及家庭用具等。

耐磨铸铁：是在润滑条件下而不易磨损的铸铁。主要通过加入某些合金元素在铸铁中形成一定数量的硬化相。通常：

用于机床件和通用件的耐磨铸铁有：磷系耐磨铸铁、钒钛系耐磨铸铁、铬钼铜系耐磨铸铁、稀土系耐磨铸铁、锑系耐磨铸铁、硼系耐磨铸铁等。用于活塞环的耐磨铸铁有：钨系耐磨铸铁、钼铜系耐磨铸铁、镍铬系耐磨铸铁、磷系耐磨铸铁等。用于汽缸套的耐磨铸铁有：磷系耐磨铸铁、铬钼铜系耐磨铸铁等。

抗磨铸铁：是在摩擦条件下而不易磨损的铸铁。通常有：普通白口铸铁、合金白口铸铁、中锰球墨铸铁等。

普通白口铸铁主要用于农用犁铧、粉碎机锤片、磨粉机磨片等。合金白口铸铁主要用于杂质泵叶轮和泵体、抛丸机滑板和叶片。中锰球墨铸铁主要用于球磨机磨球、农机耙片和犁铧等。

冷硬铸铁（激冷铸铁）：是铸件某些部分通过激冷凝固速度较快，全部或大部碳呈化合态的铸铁，冷硬铸铁的组织是由外层的白口组织和心部的灰口组织（片状石墨或球状石墨）共生组成。

冷硬铸铁的制取，一方面是通过控制化学成分造成较大的激冷性，另一方面是在工艺上采取激冷的措施。

冷硬铸铁常用于轧辊，特别是冶金轧辊，此外，还用于柴油机挺杆、拖拉机带轮、碾砂机走轮等。

耐热铸铁：是在高温下其氧化或变形符合使用要求的铸铁。可在铸铁中加入某些合金元素以提高铸铁在高温时的抗氧化性和抗生长性。

通常，耐热铸铁按加入合金元素不同可分为三类：含硅耐热铸铁、含铝耐热铸铁、含铬耐热铸铁，主要用于烧结机台车、石油炼炉管板、电炉炉门、锅炉炉篦、烟道挡板、换热器等。耐蚀铸铁：是有一定抗腐蚀能力的铸铁。如高硅耐酸铸铁、高硅钼抗氯铸铁、铝铸铁、高铬铸铁、镍铸铁、抗碱铸铁等，主要用于石油、化工、化肥等设备中的许多零件。无磁性铸铁：是具有低导磁率的铸铁。基体组织为奥氏体，常称为奥氏体铸铁，可分为片状石墨奥氏体铸铁和球状石墨奥氏体铸铁，主要用于油开关盖、变压器尾箱、电机夹圈、磁铁支架、潜水艇零件等。

第四篇：集成电路(IC)封装的截面显微组织检验方法

集成电路(IC)封装的截面显微组织检验方法

引言

电子学是工程学的一个重要分支, 它是一门关于为了有用的目的而对电子进行控制的学科。运用物理学的知识得知, 电子的流动可以在真空、气体、或液体中进行，也可以在固体中受限制地流动（半导体）、接近不受限制地流动（导体）、或完全不受限制地流动（超导体）。

当今, 电子产品正变得越来越复杂，工程技术人员总是力图将许多部件放在一个小小的“黑匣子”中。制造商总是想把大部分资金用在改善其生产设施，而只愿意留下很少一部分资金用于质量控制。最坏的情况是，大多数公司宁愿把他们的质量控制资金用于基本设备投资，例如购买新型扫描电子显微镜、透射电子显微镜，或是厄歇谱仪，只剩下很少一部分钱用来购买试样制备设备和消耗器材。一个众所周知的现象就是人们对试样制备的重要性一直不够重视。另一方面, 毫无疑问，最终产品的质量和可靠性取决于每个部件的性能。然而，这也总是电子工业的一个令人头痛的问题。对电子产品的截面进行金相检验是一种众所周知并通常广为接受的检验方法。

然而，大多数电子产品的金相技术人员可能面临的一个问题就是他们需要进行磨光和抛光的材料比预期的复杂和困难。他们也许从来没有学习过如何去处理多层基体材料，而他们在大学学习时只学过如何恰当地制备均匀的材料，例如钢、铜合金或铝合金。此外，他们还须面对设备很差的金相实验室，消耗器材的品种也很有限，并且使用所谓的“传统或常规方法”来制备先进的电子产品试样。

一般情况下，常规试样制备方法是从240#碳化硅砂纸开始，先进行磨成平面工序，接着使用600#、1200#砂纸，然后用0.3 µm 氧化铝进行粗抛光，以及0.05 µm 氧化铝在长绒毛织物上进行最终抛光，这样可获得光亮的表面。制备方法还可能因地而异，甚至还取决于实验室有哪些现成的消耗器材。当今，这种制备方法已经不适于用来制备先进材料。此外，他们也没有想到他们的试样是否好到足以和先进的显微镜或扫描电子显微镜相匹配。

在本文中，我们试图给出各种集成电路（IC）封装、引线连接，以及其它部件的试样制备方法。

比较好的试样制备方法

我们的出发点是避免产生更多的损伤。截面显微组织检验对于电子工业的质量控制和失效分析是一个有用的手段。但是在试样制备过程中，有时不可避免地会对试样施加应力、振动，或使之受热。当我们使试样增加某些额外的损伤时，要区分它是原始缺陷还是试样制备过程中带来的将是困难的。切割

在切割样品以前，我们应当明确地知道，哪个目标区域是我们所要检验的，以及切割方向或取向。电子封装包括铜引线支架、复合成型材料、硅线夹、金导线、钎料。有些材料相当脆，使用高速切割机可能会带来更大的损伤。因此，使用 Buehler 公司的 ISOMETTM 型低速切割机可以使切割损伤减至最小。

除了切割机外，切割片的选用也非常重要。一般情况下，低浓度金刚石切割片(用 LC 表示)适于切割硬而脆的材料，例如陶瓷、电子封装、半导体等，这是由于为了达到合理的切割速率，需要单颗金刚石磨料承受高负载。

图 1 示出不同金刚石切割片中金刚石磨料的相对尺寸。图 2 示出硅晶片切割表面的明视场显微组织照片。由图 2c 可以看出，使用 5LC 金刚石切割片可以获得最佳切割效果，但是在有些情况下，使用较细的磨料可能会使切割时间显著增长。为了切割 IC 封装，10LC 系列切割片在合理的切割时间内能给出满意的结果（请参看 Scott Holt 撰写的文章，刊登于 Buehler 公司的技术评论（Tech-Note），第 3 卷，第 1 期）。

镶嵌

在电子产品试样制备中，镶嵌材料的选用也是一个重要的课题。毫无疑问，热镶嵌方法不适于电子产品试样。如果试样中含有某些脆性材料，例如硅线夹或陶瓷电容等，当受到压力和热时就会开裂；另外，当试样受到重压力时产生分层现象也并非不常见。另一方面，当我们选用冷镶嵌材料时，以下几点准则对我们会有帮助：

（1）低峰值温度---为了避免引起热损伤。通常情况下，由于大多数电子产品试样对于受热相当敏感，因此我们不推荐使用峰值温度超过 90°C 的镶嵌材料。另一方面，当我们将树脂与固化剂混合时，放热反应就开始了。热就会通过“连锁反应”连续产生。即使混合比例正确，如果二者的混合量太多，过热也会产生，它的粘度也会显著增加，镶嵌物将转为黄色并产生大量气泡。因此，镶嵌树脂混合物的体积不应超过150 毫升。

（2）低收缩（或劈裂）---冷镶嵌材料固化时会产生收缩。这时在镶嵌材料与试样之间会产生缝隙，在试样进行磨光时，一些磨料（例如砂纸上的碳化硅颗粒）就可能会嵌入此缝隙中，在下一道工序中，这些磨料颗粒又会被拖出而在试样表面上产生一条深划痕；另一种情况，如果镶嵌材料与 IC 封装成型材料之间的粘合是如此地好，以至于 IC 封装的成型材料会被拉出而在成型材料与硅晶片之间产生缝隙。这一情况有点看起来似乎有点不寻常，但是对于“薄”的 IC 封装(例如 BGA 或TSOP)，还是有可能产生的。如果这种情况的确发生，我们就无法断定它是原有的缺陷还是试样制备缺陷(参看图 3)（3）低粘度---它有助于填充细孔、孔隙、或凹进区域。

（4）透明---操作者可以透过镶嵌树脂看到试样目标区域的准确位置。但是对于一些染色的或半透明镶嵌材料, 操作者必须估计应该磨到多深。对于关键试样, 例如用于失效分析的独一无二试样, 如果操作者磨光时超过目标点, 他们就会遇到很大的麻烦。

（5）低磨耗因子---这一术语相当不常见, 它的单位是每分钟去除的(镶嵌)材料, 用微米/分钟表示, 它在一定程度上与硬度有关。数值高意味着磨光或抛光时能去除更多的材料, 反之亦然。众所周知, 电子产品试样中既含有硬材料, 也含有软材料。在硬材料中有像陶瓷填料那样硬的材料，在软材料中有像钎料球那样软的材料。如果使用具有高磨耗因子的镶嵌材料，经过抛光后，在软材料外边缘周围将会出现过度的浮凸，这些区域在显微镜下将难于清晰聚焦。以下推荐三种用于电子产品试样的冷镶嵌材料：

磨光和抛光

这是试样制备过程中最困难的部分。切割后在截面上可以看到一些划痕。但是磨光和抛光不仅是为了去除切割划痕，同时还要去除隐藏的损伤和变形。变形机制一般说来，切割后产生的损伤有两种：

(1)塑性变形---产生于延性材料，例如铜、铝、锡锑合金。情况类似于硬度试验时产生的压痕，所不同的是，硬度压痕是点状缺陷，而划痕是线状缺陷。压痕附近区域也受到变形和应力的作用。这一隐藏的缺陷区不能代表材料的真实组织，因此应当通过磨光和抛光将其去除(参看图 4a)(2)脆性破坏---产生于脆性材料，例如陶瓷、硅晶片等。其表面形成一些凹坑和裂纹。对于陶瓷封装，出现凹坑是一种良好的征兆，表示我们可以进行到下一道工序。如果凹坑的尺寸变得越来越小，表明我们正在去除损伤层。由于陶瓷封装是用烧结方法生产的，孔隙和孔洞就是原始组织的一部分。如果孔隙或凹坑的尺寸在重复同一工序数次后仍旧不变，这就意味着损伤层已经去除，我们就可以进行下一道工序了(参看图 4b)

有趣的分类方法

PGA(栅格阵列接脚), C-DIP(双列直插式陶瓷封装), LCC(无引线芯片架),TSOP(薄小外型封装), QFP(四方扁平封装), BGA(球栅阵列接脚)… 诸如此类为数众多的缩写术语和封装类型往往会使外行人感到迷惑。但是对于电子产品试样制备方法来说，我们只有两种类型：薄封装和厚封装。

薄封装意味着在集成电路（IC）中使用的成型材料不太多，通常其体积分数小于 30%。如果成型材料的体积分数超过 30%，这种 IC 封装就称为厚封装。铜引线支架、硅晶片、晶片连接材料、钎料等的磨光并不太困难。但是成型材料总是会给我们带来困难，这种材料中 包含环氧树脂基体、氧化铝或氧化硅填料，这些填料是硬而脆的。试样磨光时，成型材料将在几分钟内把碳化硅砂纸磨耗掉。破碎的磨料不再具有尖锐的棱角，失去了去除材料的能力；更有甚者，过度的磨光还会使环氧树脂基体松弛，造成填料颗粒脱落并在试样与 SiC 砂纸之间滚动，造成一些“点状”划痕。

更坏的情况是，破碎的磨料颗粒具有负迎角，遇到延性材料时很快就会变钝，不能起切割的作用，反而会与试样表面产生“磨蹭”，使试样表面变得光亮。不内行的人看起来，可能会误认为试样表面的磨光有了进展。实际上，总的残余损伤、变形、和应力反而增加了，我们将要看到的组织不再是正确的。由于大多数人对于成型材料的质量并不感兴趣，但是它的确会对质量检验过程带来麻烦。

在讨论集成电路封装的磨光和抛光以前。首先应当明确以下两点：

（1）不要期望能够将所有的划痕去除在高度不均匀的封装材料中，当硬材料中的划痕去除后，软材料中又会形成少量划痕，去除这些划痕是非常困难的。即使绝大部分区域都制备得相当完美，在金引线上还会有少量细划痕，可以在高放大倍数的显微镜下看到。

（2）不要期望能得到一个完美的平坦表面封装材料的硬度范围非常宽广，可以从 50HV 直到数百 HV。软材料去除得较快，但是硬材料的去除速率却相当慢，因此不可避免地会产生一定的浮凸。

厚封装的制备方法

半自动磨光/抛光机可用来制备 IC 封装试样，磨光和抛光参数可以输入到机器中。使用上述方法开始时，可以用 600# SiC 砂纸将试样磨到接近目标区。尽管我们曾经提到过，SiC 砂纸对于去除成型材料并不那么有效，但是如果我们在切割试样时，距离目标区能够准确到 2 mm，所需去除的材料就不太多了，一般情况下，一张 600# SiC 砂纸足以完成此项任务。对于厚封装，经过 600#砂纸工序后，由于成型材料的体积分数较高，如果使用 800/1200 号的 SiC 砂纸继续磨光，成型材料中的氧化硅或氧化铝填料就会迅速将砂纸磨耗掉。这时就可以使用一种叫做 Texmet 的多孔性磨光织物，它具有比较硬的表面并含有许多小孔，与之配合使用的是 15µm 金刚石悬浮液，可以非常有效地去除硅晶片上的“碎裂损伤”并足以有效地磨去成型材料中的陶瓷填料。目前尚不清楚这种磨光织物工作的详细机制，但是从它的结构，我们可以设想金刚石磨料的颗粒可以从一个孔隙滚向另一个孔隙，当它从织物表面滚过时，会对试样产生直接的切割作用（参看图 5）。这可能就是划痕的形貌从“碎裂损伤”转为“线性划痕”的原因。经过了 15µm 工序，可以使用 Texmet 2500 型织物, 与之配合的是 9µm 金刚石悬浮液，这种织物与 Texmet 1500 型织物类似，具有优异的保持夹杂物的能力，但是前者更硬一些，因此可以避免过早产生浮凸。

最终抛光阶段可以使用 Mastertex 型织物，这是一种短绒毛织物。长绒毛织物容易产生严重的浮凸，试样与织物表面的摩擦力也较高，因此夹杂脱落的机率也较高，尽管使用它可以获得比较光亮的表面。至于抛光悬浮液，二氧化硅要比氧化铝粉末（悬浮液）的效果好。当大多数人声称，氧化铝是最好的最终抛光介质，他们似乎忘记了，我们所使用的磨料应当比试样本身硬。成型材料中的填料、硅晶片的硬度高于氧化铝颗粒的硬度，操作者必须花费更长的时间来去除前一道工序的划痕，但是与此同时却造成了严重的浮凸。

“厚”封装的导线连接

薄封装的制备方法

与厚 IC 封装试样的制备方法相比较，只有很少的变化。在 600# SiC 砂纸后，使用 800#和 1200#号 SiC 砂纸，这是由于薄封装试样中的成型材料对磨光效率的影响不太大，因此可以使用粒度较细的 SiC 砂纸，以获得良好的平整性并且可以将前一道工序的绝大部分划痕去除。磨光/抛光机

大多数有经验的金相技术人员声称，他们用双手可以比半自动机器制备出质量更好的试样。这是一个可以争论十天的议题，即用哪一种方法制备试样更好。然而，没有多少金相技术人员可以告诉你，用手可以对试样施加多少牛顿的力，也许他们会说，大约有 13 牛顿。如果你用大拇指按一下弹簧秤，你就会发现 13 牛顿的力并不如你所想象的那样轻。不同的金相技术人员对试样施加的压力不尽相同，即使是同一位金相技术人员，对于相同试样的同一道工序，他（或她）对试样施加的压力每天也不会相同。因此，半自动机器的一个很大的优点就是每一道工序的压力都可以精确地进行调整。

另一方面，不同的试样需要磨去多深并不相同，因此电子产品试样应当采用单独加载方式，这种加载方式具有灵活性，可以从试样夹持器中取出其中任意一块试样而不会影响其它试样。所有的工程师和金相技术人员都知道，当电动机工作时，它不仅在转动，还会产生振动。我们用电动机来驱动磨光/抛光机的转盘。当我们在制备试样时，除了有转盘的转动动作外，振动还会使试样受到一个随机向上的力，这时试样中的夹杂产生脱落的机会就会大得多。因此，比较重的机器可以提高其稳定性并有助于降低振动的振幅。

此外，电动机与转盘之间可以采用皮带轮或齿轮箱连接。多数人认为，皮带轮是一种老式设计，齿轮箱则更先进。但是他们忘记了，来自电动机的振动可以通过齿轮箱传递到转盘，特别是当齿轮受到磨损、丧失其精度时。因此，尽管皮带轮看起来不那么先进，它的使用性能却优于齿轮箱。自动抛光头的设计也会影响试样制备结果。对它的要求和对抛光机机座的要求相似，即良好的稳定性并没有抖动。使用强度高的钢支架来制造抛光头可以获得良好的稳定性，气动制动器可以用来将抛光头与基座锁定以避免产生抖动。

它看起来应当是什么样子？

当我们将试样制备完毕后，我们对自己提出的问题首先是，这是真实组织吗？多数人认为，金属间化合物层应当具有完美的外形、非常平行、没有空洞、没有间隙。金属间化合物层的任何缺失和不连续都是由于试样制备技术不好造成的，或者是由于半自动机器功率太大，使得一部分金属间化合物脱落，因此机器并不能取代有经验金相技术人员的工作，技艺要比机器更为重要。

如果人们看一下图 7a 和图 7b, 他(她)可能会得出结论，即金属间化合物层呈不连续状。但是如果我们使用与薄封装试样的类似方法来制备另一块 BGA 试样，如图 8a 至 8d 所示，你将会发现，认为这是试样制备不好造成的结论下得过早。

从图 8a 导线连接的外边缘可以看出,此处轮廓看不到金属间化合物层。图 8b中，另一试样的导线连接更向内部分，可以看到一层厚度非常均匀的金属间化合物层，其形状相当完整。到了图 8c，如果再往深磨下去，金属间化合物层就不再象图 8b 所示的那样完整，有些区域呈不连续状，厚度也不那么均匀。有人可能会认为金属间化合物产生了塑性流变并脱落，使其厚度不均匀。然而，根据从一点得出结论认为试样制备不好也不公平。我们是用相同的方法在同一台设备上制备从图 8a 至图 8c 所示的试样，如果的确发生了塑性流变，那么图 8b 中的试样也应当会发生，其厚度就不会象我们所看到的那样均匀。

此外，象图 7a 和图 7b 所示的导线连接分别是图 6e 左侧和右侧的导线连接。这两个导线连接彼此相邻，并且使用相同的导线连接设备来制作这个 IC，如果发生了塑性流变和脱落，至少金属间化合物层的形状应当是相似的。然而，二者的形状却很不相同。从这一事实我们可以推测，金属间化合物层的厚度和形状对于不同的连接和不同的轮廓都是不相同的。

此外，为了试验我们是否能“制造”某些塑性流变，将图 8c 中的试样用手工方法向使用中等压力向上重新抛光。从图 8d 可以看出，层的形状没有变化，也观察不到发生过塑性流变，除了由于金导线太软，上面有一些脏东西（也许是嵌入的）。另一方面，还发现更值得注意的事情。抛光后，在导线连接的上部只能看到很少量的划痕，而且在光学显微镜下很难看到。因此，使用扫描电子显微镜（SEM）来观察，如图 9（注：原文中没有此图）所示，其中的小草图示出无划痕层的形状。从这一间接现象，我们可以认为这一层的硬度要高于金导线上部的硬度*。

如果我们更仔细地研究导线连接过程，我们又获得一个证据来证明无划痕区域是由于超声能和压力造成的加工硬化作用。(*注: 这一加工硬化层的厚度只有大约 10 微米。由于金本身是如此地软，在测定其硬度时，即使使用最小的试验力，也几乎不可能使压痕对角线长小于 10 微米)

检测截面显微组织的作用

检测截面显微组织对于常规质量控制和失效分析都是一项强有力的手段。通常情况下，在检测截面显微组织以前，先要进行无损检测。使用 X-射线、超声扫描、红外显微镜等手段可以在不破坏产品的条件下找出失效的部位。但是如果我们要深入探究失效的准确机制和根本原因，就需要检测截面显微组织。因此，通常把检测截面显微组织看作是失效分析的最后手段。

显微组织照片图集

结论

由于人们低估了显微试样制备对于电子工业产品的重要性，因而限制了它的发展和应用。本文的内容主要集中在显微试样制备的定性应用，以后我们还要探讨它在定量基础上的应用。

第五篇：铸铁机试生产方案

铸铁机试生产方案

为保证本次铸铁机达产达效，保证炼铁铁水分配、铁水罐回罐及时，炼钢铁水供应及时等各阶段工作的顺利进行，特制定以下试生产方案。

一、试生产前应具备的基本条件

1水、电、风、气、润滑等系统正常运行，所有的公辅配套设施能正常运行。2通讯系统、照明系统正常。

3所需的生产原料、设备易损件、工具工装等准备齐全到位。

4试生产组织机构、管理制度健全，分工明确，责任到人。

二、试生产的目的通过本次试生产过程，确定工艺是否合理，设备是否正常运转，人员分工是否明确到位。

三、试生产作业制度会议制度

试生产例会包括班前会、班后会和专题会三种。

参加人员：铸铁机试生产小组成员、当班值班长、当班组员。

A、班前会议题：

（1）各工序负责人汇报本工序工作准备情况，提出需要解决的问题。

（2）试生产小组协调解决各专业、各工序提出的问题，同时布置当天的生产任务及注意事项。

B、班后会议题

（1）各工序汇报当天生产情况，提出需整改或解决的问题。

（2）试生产小组总结当天生产情况，明确各工序、各专业应做的准备工作。

C、专题会议：

根据生产中发生的问题，针对性的召集相关人员解决专题问题生产作业制度

实行三班两运转，试生产小组相关人员跟班作业，发现问题，协调解决问题。每个班都要把本班发生的问题记录、分析清楚，与下班交接清楚，并向车间主管人员汇报备案。