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Buehler Literature - 金属組織学的埋込

金属組織学的埋込

金属組織学的埋込

金属組織学的な試料埋込の第一の目的は、金属組織学的な準備と検査を行う後続ステップで、形状や大きさが不揃いな試料を扱いやすくすることです。二番目の目的は、金属組織学的準備において、極端なエッジや表面欠陥を保護し保存することです。埋込方法は、試験片の微細構造を傷つけるようなものであってはいけません。有害作用の原因は、ほとんどが圧力と熱です。

1928年、封入試験片用に熱間埋込のフェノール樹脂が金属組織学に導入されました。それまでは、試料の埋込をしないまま、あるいは硫黄粉末、ワックス、ウッド合金などの低融点合金に埋込んで準備していました。これらの「埋込化合物」には、問題がない訳ではありませんでした。ポリマーの導入は、これまでの方法にとって大きな進歩でした。市場に出回り始めると、埋込化合物として使用できるかどうかの検査が、多くのポリマーで実施されました。1950年代にキャスタブル樹脂が開発され、金属組織学者の工具箱に新しい樹脂として加わりました。プレス不要で埋込が簡単な上、硬化温度が低いキャスタブル樹脂は、魅力的な代替品となりました。

クランプ埋込

長年、薄板試験片の横断面の埋込にはクランプが使われてきました。複数の試料をサンドイッチ状に固定でき、薄板試験片の埋込には早くて便利な方法です。

適切に実行すれば、エッジ保存に優れ、試験片間の隙間から出る液体の浸潤は起きません。外側のクランプエッジに斜角をつけ、研磨布への損傷を最小限に抑えます。クランプが正しく使用されず試験片間に隙間があると、液体と研磨材が滲んでエッジが不明瞭になり、二次汚染の原因になります。クランプを適切に締めることでこの問題を最小限に抑えることができます。試験片の間にプラスチックスペーサーを用いるか、締める前に試験片の表面をエポキシでコーティングする方法があります。

圧縮埋込

最も一般的な金属組織学的埋込方法で、圧力と熱を使い熱硬化性または熱可塑性の埋込材料で試料を封入します。熱硬化性化合物には、フェノール性(PhenoCure)、フタル酸ジアリル、エポキシ(EpoMet)などがあり、熱可塑性埋込化合物で一番よく使われるのがメタクリル酸メチル(TransOptic)です。表2.1 圧縮埋込化合物の特徴。
表2.1: 圧縮埋込の特徴
材料 汎用 最良のエッジ保存;
非常に少ないひけ;
微細粒子径;
最小隙間充填
最良のエッジ保存;
非常に低い縮小率
ゼロに近い電気抵抗
SEM - EDS/WDS
クリア
セラミック PhenoCure EpoMet F EpoMet G ProbeMet TransOptic
スチール PhenoCure EpoMet F EpoMet G ProbeMet TransOptic
めっき層 PhenoCure EpoMet F EpoMet G ProbeMet TransOptic
アルミニウム PhenoCure     ProbeMet TransOptic
銅/真ちゅう PhenoCure     ProbeMet TransOptic
黒、赤または緑 透過
温度 300°F[150&#degC] 300°F[150&#degC] 300°F[150&#degC] 300°F[150&#degC] 350°F[177&#degC]
圧力 4200 psi[ 290bar] 4200 psi[ 290bar] 4200 psi[ 290bar] 4200 psi[ 290bar] 2100 psi[ 145bar]
熱硬化性材料も熱可塑性材料も、埋込には熱と圧力を必要とします。しかし、硬化後、熱可塑性混合物で作ったマウントは加圧状態で冷却し(少なくとも158°F [70°C] まで)、熱を下げなければなりません。一方、熱硬化性材料のマウントは、形成温度が高いうちに型から取り出すことができます。しかし、熱硬化性化合物を取り出す前に加圧状態で室温まで冷却すると、ひけによる隙間の形成が大幅に削減されます。

Figure 2.1 Edge retention of this improperly carburized 8620 alloy steel was degraded by a shrinkage gap between the specimen and the phenolic mount - a: 500X b: 1000X(2% nital).
熱硬化性マウントを形成温度で取り出した後、水で急冷してはいけません。金属がマウント化合物から引きはさされ、収縮して隙間ができ、エッジ保存がうまくいかなくなります(図2.1参照)。熱収縮率が異なるからです。

熱硬化性エポキシのEpoMetは、これらの化合物の中でも最良のエッジ保存を提供し(図2.2参照)、実質的に熱して沸騰する腐食液の影響を受けません。一方、フェノールは激しく損傷します。

Figure 2.2 Excellent edge retention of a borided 42CrM04 alloy steel specimen mounted in EpoMet resin (1000X 2% nital).
マウントプレスは、ヒーターとモールド部品のシンプルなラボ用ジャッキから、試験片が扱えるタイミングでプロセスを止めるSmartCool インテリジェント冷却装置付きの自動機まで、多様なタイプがあります(図2.3参照)。

圧縮マウントの利点は、予測通りの便利なサイズと形状のマウントが作れることです。さらに、相当量の情報を裏面に刻むことができます。埋込なしの試験片で同じことをするのは困難です。無理なく試験片を支えられるので、マニュアルや手動でも研磨作業が簡易化されます。

さらに、半自動・全自動で研削と研磨をする際に必要な、ホルダー内の埋込試験片への番号付けが、標準マウントでは、埋込なしの試験片に比べ簡単です。埋込試験片は、埋込なしの試験片に比べ、研削・研磨表面に与るストレスが少なくてすみます。
Figure 2.3 SimpliMet 4000 Automatic Mounting Press

キャスタブル埋込システム

大半のキャスタブル埋込システムは、圧力も外部熱も必要としないため、熱や圧力に敏感な試験片の埋込に向いています。アクリル系システムのVariDur や SamplKwickは、低価格で硬化時間が短いことから、キャスタブルシステムに最も広く使われています。しかし、アクリル系には収縮の問題があります。アクリル系に比べ高価格ですが、エポキシシステムも広く使用されています。エポキシが物理的に試験片に接着し収縮が少ないこと、クラックと孔、特に真空含浸房へ引き寄せられることから採用されており、EpoThin 2のような低粘度エポキシが使われています。

Figure 2.4 Vacuum Impregnation Equipment
エポキシはもろくて砕けやすい試験片及び腐食試験片や酸化した試験片の埋込に適しています。溶射コート試験片などの多孔質試験片の研究用に、エポキシに染料や蛍光剤を加えることができます。ほとんどのエポキシは室温で硬化し、硬化時間は1時間から9時間まで幅があります。わずかに温度を上げて硬化時間を短縮することもできますが、高温が試験片に悪影響を与えない場合に限ります。表2.1 キャスタブルシステムの特徴。
Figure 6.2 Deformed, elongated grain structure of extruded 6061-F aluminum after shearing revealed by anodizing with Barkers reagent (polarized light, 100X)
表2.1: 圧縮埋込化合物の特徴
名称 タイプ ピーク時間 Shore D 硬化硬さ* 時間 推奨モールド コメント
EpoThin 2 エポキシ <149°F [65°C] 78 9時間 いずれでも クリア、非常に低い粘性、少ない収縮、真空含浸に最適
EpoxiCure 2 エポキシ <104°F [40°C] 80 6時間 いずれでも クリア、汎用エポキシシステム、少ない収縮
EpoKwick FC エポキシ <250°F [121°C] 82 2時間 いずれでも クリア、速硬化エポキシシステム、少ない収縮、非常に低い粘性
EpoHeat CLR エポキシ <324°F [162°C] 82 1時間 いずれでも クリアエポキシシステム、可使時間が長く大容量での混合が可能
VeriDur 3003 アクリル系 <252°F [122°C] 90 15〜30分 いずれでも 硬度が高く非常に少ない収縮
SamplKwick アクリル系 <179°F [81°C] 85 5〜8分 いずれでも 半透明、汎用システム、やや収縮あり
VewriKleer アクリル系 <212°F [100°C] 84 5〜15分 SamplKlup クリア、汎用アクリルシステム、クリアマウントに圧力容器が必要、最小限の収縮 完全に透明な試料にするには、再利用可能シリコンまたはEPDMモールドを使ってはいけません。
VariDur 10 アクリル系 <212°F [100°C] 80 8分 いずれでも 半透明、低いオーダー(oder)システム、 少ない収縮、高い粘性
VariDur 200 アクリル系 <212°F [100°C] 85 5〜8分 いずれでも ダークブルー、低いオーダー(oder)システム、少ない収縮、高い粘性
*硬さの差異はごく少量ですが、耐摩耗性は、エッジの円形化に有意な効果があります。
キャスト・エポキシ・システムは、キャスト・アクリル・システムより優れたエッジ保存を実現します。試験片に対し、エポキシの方が接着性が高く収縮が少ないことが主な理由です。通常、アクリルは試験片と結合せず、VariDur 3003は例外として、試験片とマウントの間に隙間が形成されることがあります。収縮で隙間が生じると、優れたエッジ保存は期待できなくなります。キャスタブルマウントでエッジ保存を改善するには、試験片を無電解ニッケルでめっきするか、フラット・エッジ・フィラー粒子をシステムに加えます。電気伝導性を得るには、粘性は強まりますが、伝導性フィラー粒子をキャスタブルシステムに加えることができます。

キャスタブル樹脂マウント、特にマニュアルの「ハンド」方式でエポキシマウントを準備する際、マウントとワーク面の間の表面張力が、圧縮マウントより遥かに大きくなることに、金属組織学者は気づくでしょう。これは、マウントの固定をさらに難しくします。自動機を使用すると、金属組織学者には「おしゃべり」やノイズが聞こえてきます。これは、粗研削の間、表面張力がさらに大きくなっていることが原因です。おしゃべりのような音はコントラ・モード(ヘッドとプラテンが反対方向に回転)へ変更することで軽減するか止めることができます。

アクリルと一部のエポキシは、硬化時間に相当な熱を発しますが、これは使用する成形技術に大きく影響されます。ネルソンは、アクリルシステムの重合が発する熱を、一つはガラス板(絶縁性)上のガラスモールド、もう一つはアルミニウム板(誘電性)上のアルミニウムモールドを使って測定しました。

重合による発熱は、絶縁では270°F(132°C)まで上がりましたが、誘電ではわずか108°F(42°C)でした。270°F(132°C)は、圧縮マウントを使用した場合の 302°F(150°C)に比べ、ずっと低い値であることにご留意ください。ネルソンは、厚紙を土台としたフェノール環形状でエポキシシステムが硬化する際の発熱も測定しました。これは絶縁法ですが、重合中の最高温度はわずか 45°F(7°C)で、アクリルに比べ大幅に改善しました。

ネルソンの実験は、アクリルと一定の条件下で形成されたエポキシ樹脂に応用できます。彼が使ったエポキシの発熱は低い結果が出ましたが、全てのエポキシシステムが重合でこのような低い発熱になることを示唆するものではありません。短時間で硬化するエポキシシステムは、もっと高い熱を発し、アクリルシステムを超えることもあります。エポキシシステムの硬化速度に加え、その他の要因が、重合時の発熱値に影響しています。マウント内のエポキシの質量が大きいほど、速度が増し、発熱も大きくなります。非常に大きなマウントが、広範囲なクラックを作るに足る熱を発することは確かです。システムを熱すると粘性が落ち硬化が加速するため、重合中の発熱がさらに大きくなります。型材も硬化時間と温度に影響します。

Figure 2.5 Example a: poor edge visibility due to a lack of contrast between the protective nickel plating and the salt bath nitrided surface (arrow) of 1215 free-machining carbon steel; and b: good contrast and visibility btween EpoMet resin adn nitrided surface (arrow) plus excellent edge retention (1000X 2% nital).
例えば、EpoxiCure 2 は SamplKup プラスチックモールドの場合に最速で硬化し、環形状では遅くなり、再利用可能なEPDM成形カップではさらに遅くなります。つまり、発熱は SamplKup タイプ型を使った時に最も大きくなり、DPDM形成カップを使った時に最も小さくなります。発熱を最小限に抑えたい場合、これらの要因を全て考慮してください。

エッジ保存

エッジ保存の問題はよく知られており、エッジの平坦性を向上させる多くの「トリック」が奨励されてきました(ほとんどは埋込に関するものですが、研削・研磨に関するものもあります)。これらの方法には、マウントに補助材料を使用する、埋込前に表面をコーティングする、埋込システムにフィルター材料を加える、などがあります。表面を保護するため、混合可能な金属をめっきします(無電解ニッケルが広く使われます)。この方法が最も効果的だとされています。しかし、試験片と無電解ニッケルののインターフェイス画像のコントラストが、特定の評価には不十分になることがあります。

図2.5は、塩浴窒化した 1215 快削鋼の試験片の表面を示しています。ひとつの試験片を無電解ニッケルでめっきし、両方を EpoMet G に埋め込みました。窒化層がめっきした試験片のどこで止まるかを判断するのは困難です。図2.5a は、ニッケルと窒化表面間の画像コントラストが不十分であることを示しています。この問題は、めっきしていない試験片では起こりません。図2.5b

Figure 2.6 Stqaining (thin arrows) due to etchant bleed out from a shrinkage gap (wide arrows) between the phnolic mount adn the M2 high speed steel specimen (500X Vilellas reagent).
新技術の導入でエッジ保存の問題はかなり改善されました。試験片とマウントメデイア間に形成される隙間は、図2.1が示すように、エッジの円形化に大きく影響します。収縮による隙間の染みも、図2.6で分かるように問題になります。

手動での準備ではなく、半自動や自動研削・研磨機を使うことで、表面の平坦性とエッジ保存が改善されます。しかし、最高の結果を出すには、試験片ホルダーの位置、プラテンとの関係性を調整し、特に直径8in(203mm)のプラテンでは、研削・研磨中に試験片ホルダーの外縁がプラテン表面のエッジの上を回転するようにします。ダイヤモンド研磨材を使った研磨には、(帆布、ビリヤードクロス、フェルトなどの柔らかいものではなく)より硬い織布や不織布、表面にけばのないものを使い、平坦性を維持します。仕上げに、けばの少ない布で短時間研磨すると、けばの多い軟らかい布を使った場合に比べ、わずかに円形化されます。

この手順は、熱硬化性と熱可塑性の埋込化合物で、さらに優れたエッジ保存を生み出します。しかしながら、埋め込みに使用する重合材料の中には、まだ違いが存在します。熱可塑性化合物は、熱可塑性化合物より優れたエッジ保存をもたらします。

Figure 2.7 Poor edge retention (arrows) at the salt bath nitride surface of 1215 free-machining carbon steel mounted in a: phenolic resin and in b: methacrylate and polished in the same holder as those shown in Figure 2.5 (1000X 2% nital).
熱硬化性化合物のフタル酸ジアリルは、ずっと安価なフェノール成分と比べ、ほとんど改善は見られません。最良の結果が得られるのは、フィルター材料を含有した熱硬化性化合物のエポキシ、EpoMet G か EpoMet F の場合です。

図2.7で、フェノールに埋込んだ窒化 1215 試験片(図2.7a)と、メタクリル酸メチルに埋込んだもの(図2.7b)の顕微鏡写真を比較しています(1000X)。これらの試験片は、図2.5が示すように、同じ試験片ホルダーで準備されましたが、1000Xでいずれも好ましいエッジ保存にはなっていません。図2.8は、図2.5にもある通り、完全なエッジ保存を示しています。

Figure 2.8 Excelent edge retention for a: complex coated (arrow) sintered carbide insert (1000X Murakamis reagent) and for b: iron nitride (arrow points to a white iron nitride layer; an embedded shot blasting particle is to the left of the arrow) H13 hot work die steel specimen (1000X 2% nital). Epomet was used in both cases.
エッジ保存を改善するため、微細な酸化アルミニウム球体をキャスタブルエポキシシステムに加えていますが、これは、満足できる本来の回答ではありません。粒子が非常に硬く(〜2000 HV)、それらの研削・研磨の特性は、マウント内にあるより軟らかい金属と混合性がないからです。しかし、軟らかいセラミックショット(〜775 HV)を使用した研削・研磨の特性は、マウント内の金属製試験片と混合性があります。

図2.9は、エポキシシステム内のフラット・エッジ・フィラーのソフトセラミックショットによるエッジ保存の例を示しています。

    以下は、可能な限り最良のエッジ保存を得るための一般的なガイドラインです。これらの要因は、それぞれ重要性が異なりますが、全体的な成功に寄与する性質のものです。
  • 適切に埋め込まれた試験片は、埋込なしの試験片よりも優れたエッジ保存を生み出します。不可能な場合は、自由縁を保護するための円形化が困難です。圧縮埋込は、キャスタブルシステムよりも優れたエッジ保存を生み出します。
  • Figure 2.9 Flat edge Filler shot was added to EpoxiCure 2 resin to improve the edge retention of this annealed H13 hot work die steel specimen (500X 4% picral).
  • 対象物の表面を電解質または無電解ニッケルでめっきすると、優れたエッジ保存が得られます。圧縮埋込で重合後、急速に冷却すると、試験片からめっきが剥がれ、隙間が残ることがあります。これが起こると、めっきはエッジ保存の効果がありません。
  • 熱可塑性圧縮埋込化合物は、熱硬化性化合物よりも効果が薄くなります。エッジ保存に最適な熱硬化性化合物は、硬質な充填材を含んだエポキシ樹脂のEpoMet G です。
  • 重合後、熱硬化性化合物を熱いまま取り出したり、室温まで急冷(水の中で冷却するなど)してはいけません。熱収縮率が異なるため、試験片とマウントの間に隙間が形成されるからです。全自動埋込マウントプレスは、埋込試験片を、加圧状態で室温近くまで冷却し、収縮による隙間の形成を最小限に留めます。
  • 自動研削・研磨機は、手動に比べ、より平坦な試験片を作ります。
  • 自動研削・研磨機の中心力モード(定義はテキストの後半で)を使用します。この方法で、単体の圧力モード(定義はテキストの後半で)よりも優れた平坦性が得られます。
  • 直径が小さい試験片ホルダーを回転させながら、その外線が直径の大きいプラテンの外線と若干重なるように、位置を合わせます。
  • プラテン上では、通常の裏打ち紙ではなく、SiC研磨紙 (SiCが適用される場合)と周辺押下リングを、また伸縮性の布ではなく、感圧接着剤装着タイプやマグネット研磨布を使います。
  • Apex DGD と UltraPrep ダイヤモンド研削ディスクは、多様な材料に対応し優れた平坦面を作ります。
  • 粗研削(仕上げの研磨ステップになるまで)には、TexMet C、UltraPol、UltraPadなど、けばのない布と、TriDent のような精密研磨布を「ハンド」で使います。仕上げのステップには、準備する材料により、けばのない、けばの少ない、けばが少しある布を使い分け、研磨時間を短く保ちます。
  • Apex Hercules H や S などの堅固な研削ディスクは、優れた平坦性とエッジ保存を生み出しますので、可能な限り使用します。

埋込に役立つヒント

エポキシは、物理的に試験片に接着する唯一の樹脂です。粘性が弱い場合、エポキシを真空含浸で孔やクラックに誘導できます。アクリルは、硬化時間が短く概して粘性が強いため、真空含浸に向きません。

キャスタブル樹脂は、保存期間に注意が必要です。入手したら容器に日付を書くとよいでしょう。
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