2. Методи і реактиви поверхневого травлення

Поверхневе травлення використовують для виявлення відносно великої пористості (наприклад, у зварних деталях) та інших дефектів на поверхні металу (сегрегацію фосфору, дефекти, що утворюються при кристалізації та пластичній деформації). Проте вони не замінюють реактиви глибокого травлення.

Для поверхневого травлення часто використовують реактиви Гейна, Обергоффера, Стеда.

Реактив Гейна складається з солей: Купруму хлорид (CuCl₂) – 85 г, амонію хлорид (NH₄Cl) – 53 г і H₂O – 1000 мл; травити при 20 ºС упродовж 0,5...1 хв.

До складу реактиву Обергоффера входять: HCl – 3 мл, CuCl₂ – 0,2 г, Феруму хлорид (FeCl₂) – 3 г, Стануму хлорид (SnCl₂) – 0,1 г, H₂O – 100 мл, етиловий спирт (C₂H₅OH) – 10 мл; травити при 20 ºС упродовж 2 хв.

Реактив Стеда має такий склад: HCl – 5 мл, CuCl₂ – 25 г, Магнію хлорид (MgCl₂) – 20 г, C₂H₅OH – 500 мл, H₂O – 100 мл; травити при 20 ºС упродовж 2 хв.

Найчастіше використовують реактив Гейна — 10...12 % водний розчин двох солей (CuCl₂ та NH₄Cl). Під час занурення макрошліфа в реактив відбувається обмінна реакція: Ферум витісняє Купрум з реактиву і Купрум осідає на поверхню шліфа. На ділянках поверхні макрошліфа, де атоми Феруму прикриті атомами домішок і де зустрічаються дефекти у вигляді дрібних пор, тріщин, обмінна реакція відбувається менш інтенсивно, тобто на цих ділянках осідає менше Купруму. Відповідно вказані ділянки менш захищені шаром Купруму; він є більш пухкішим і має меншу товщину, тому такі ділянки поверхні шліфа сильніше протравлюються реактивом. Через 30...60 с макрошліф виймають з реактиву і шар осілого Купруму забирають ватою під струменем проточної води. Відразу ж шліф протирають і висушують, щоб запобігти швидкому окисленню його на повітрі. Ділянки шліфа з дефектами і збагачені домішками мають темніший колір (рис. 1.7.).

Реактивом Гейна виявляють границі зерен металу, цементовані шари, волокнисту будову металу після термомеханічної обробки і будову зварних з’єднань.

Цементований шар металу можна виявити за допомогою реактиву такого складу: CuCl₂ – 2 г, HCl – 1 мл, C₂H₅OH – 10 мл. Травити при 20 ºС упродовж 1...2 хв. Цементований шар не змінить кольору, а нецементована поверхня вкриється шаром Купруму.

Дендритну структуру литої сталі виявляють 15 % розчином персульфату амонію (NH₄)₂S₂O₈; травити при 80...90 ºС упродовж 5...10 хв.

а	б
в
г

а – фрагмент зварного шва мостової балки (електродугове зварювання під шаром флюсу, 1986 р.); б – фрагмент зварного шва мостової балки (електродугове зварювання в середовищі СО₂ , 2002 р.); в – фрагмент швелера з моста забудови 1931 р.;

г – фрагмент клепаного з’єднання з моста забудови 1908 р.

Рис. 1.7. Макроструктура зразків, виявлена реактивом Гейна

3. Метод відбитків

Метод відбитків є різновидом методу поверхневого травлення. Цей метод від двох попередніх відрізняється тим, що макроструктуру металу вивчають не безпосередньо на поверхні макрошліфа, а за його відбитком на фотопапері чи фотоплівці. Метод дає змогу виявити в сплавах наявність і розподіл Карбону, шкідливих домішок (Сульфуру та Фосфору), неметалевих включень (оксидів) та інших елементів (наприклад, Плюмбуму).

Для виявлення Сульфуру та Фосфору, які у залізовуглецевих сплавах утворюють відповідно сульфіди MnS та FeS і фосфід Fe₃P₂ використовують метод відбитків, який ще називають методом Баумана. Засвічений фотографічний бромистосрібний глянцевий папір замочують на світлі упродовж 5...10 хв у 5 % водному розчині сульфатної кислоти (H₂SO₄). Виймають його і між аркушами фільтрувального паперу видаляють зайвий розчин. Після цього макрошліф шліфованою поверхнею прикладають до емульсійного шару фотопаперу і обережно, не допускаючи його зміщення, притискають і розгладжують пальцями для вилучення тих повітряних бульбашок, які залишилися між папером і макрошліфом, оскільки пухирці залишають білі плями і маскують результати аналізу. Фотопапір витримують на макрошліфі 2...3 хв. Знімають його зі шліфа і швидко промивають під струменем проточної води, фіксують 20...30 хв у розчині тіосульфату Натрію, після чого знову промивають у воді упродовж 10 хв і просушують.

Сірчисті включення — FеS, МnS, які є в приповерхневих шарах металу, реагують з кислотою, що залишилася на фотопапері, за реакціями:

МnS + Н₂S0₄ = МnS0₄ + Н₂S; (1.1)

FеS + Н₂S0₄ = FеS0₄ + Н₂S. (1.2)

Сірководень, що утворився, реагує з кристаликами бромистого срібла фотоемульсії за реакцією:

Н₂S + 2АgВr = Аg₂S + 2НВr. (1.3)

Темні ділянки сульфіду Арґентуму, що утворилися на фотопапері, показують форму і характер розподілу сульфідів Феруму або Мангану (рис. 1.8.). Отримані результати досліджень і аналіз відбитків вказують на більшу забрудненість домішками Сульфуру сталей мостів старої забудови (рис. 1.8., в).

Якщо в сталі або чавуні міститься підвищена кількість Фосфору, то на ділянках значної його ліквації також можуть відбуватися реакції з утворенням фосфідів Арґентуму темного кольору:

Fe₃P₂ + 3Н₂S0₄ = 3FeS0₄ + 2PН₃; (1.4)

PH₃ + 3AgBr = Ag₃P + 3HBr. (1.5)

Методом відбитків виявляють також наявність у металі оксидів. Для цього фіксують засвічений фотопапір у реактиві такого складу: Натрію тіосульфат кристалічний (Na₂S₂O₃·5H₂O) – 250 г, Калію метабісульфіт (K₂S₂O₅) – 20 г, H₂O – 1000 мл. Потім його замочують у підкисленому розчині кухонної солі (наприклад, 50 г HCl на 1000 мл H₂O). Фотопапір виймають з розчину, просушують між аркушами фільтрувального паперу і притискають до шліфа, витримуючи упродовж 1...2 хв. Після цієї процедури папір знімають і проявляють його упродовж 5...10 хв у 0,2 % водному розчині Калію гексаціаноферат — червоної кров’яної солі {K₃[Fe(CN)₆]}. Оксиди зафарбовуються в синій колір.

а	б
в
г

а – фрагмент зварного шва мостової балки (електродугове зварювання під шаром флюсу, 1986 р.); б – фрагмент зварного шва мостової балки (електродугове зварювання в середовищі СО₂ , 2002 р.); в – фрагмент швелера з моста забудови 1931 р.;

г – фрагмент клепаного з’єднання з моста забудови 1908 р.

Рис. 1.8. Макроструктура зразків, виявлена за методом Баумана

Наявність і розподіл Плюмбуму у сталях визначають методом відбитків за Вреггом. Підготований макрошліф знежирюють і змочують 10 % водним розчином надсірчанокислого амонію (NH₄)₂S₂O₈ і витримують до одержання сірого забарвлення. Сірий наліт змивають проточною водою і просушують. Бромистосрібний фотопапір у темряві обробляють розчином Натрію тіосульфату кристалічного (250 г на 1000 мл H₂O) з витримкою 7...10 хв. Виймають його з розчину, промивають у проточній воді і просушують. Потім фотопапір 5...7 хв замочують у 5 % водному розчині Натрію їдкого (NaOH), просушують фільтрувальним папером і емульсійним боком прикладають до макрошліфа, витримуючи 5...10 хв. Знімають фотопапір із шліфа і на 10...15 с занурюють його у 5 % водний розчин Натрію сірчистого (Na₂S). Отриманий відбиток промивають і висушують. Ступінь потемніння фотопаперу (світло–коричневе забарвлення з темними плямами в місцях ліквації) вказує на наявність і відносну кількість домішок Плюмбуму в сталі.