金相组织电解液、钴的腐蚀方法及其金相组织显示方法

摘要

一种金相组织电解液、钴或钴合金的腐蚀方法及其金相组织的显示方法，所述钴或钴合金金相组织的显示方法包括：提供钴或钴合金靶材；对所述钴或钴合金靶材进行打磨；对打磨后的钴或钴合金靶材进行机械抛光；将机械抛光后的钴或钴合金靶材在金相组织电解液中进行电解抛光，所述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液。采用乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸配制成的金相组织电解液对钴或钴合金具有良好的腐蚀效果，提高了钴或钴合金金相组织的晶界显示效果和减小了金相组织电解液的安全隐患，同时原材料不受国家安全管控的限制。

说明书

技术领域

本发明涉及金相组织电解液、钴或钴合金的腐蚀方法及其金相组织的显 示方法。

背景技术

金属材料的内部组织结构与硬度、强度、延展性等材料性能有着直接和 密切的联系，而金相观察则是研究金属材料内部组织结构最为直接有效的方 法。采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测 量和计算来确定试样的金相组织的三维空间形貌，从而建立组成成分、组织 和性能间的定量关系。金相是指金属或合金的化学成分以及各种成分在金属 或合金内部的物理状态和化学状态。

要进行金相观察首先要使金属的晶界组织显示出来，然后用金相显微镜 观察金属的金相组织。晶界是结构相同而取向不同晶体之间的界面，也就 是晶粒与晶粒之间的接触面。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另 一个取向，故晶界处的原子排列处于过渡状态。

以用作靶材的钴或钴合金的金相观察为例，在现有技术中，一般的方法 为：从钴或钴合金靶材中切取一部分作为试样；对所述试样作表面化处理， 去除表面的氧化物；将所述试样置于由盐酸和氢氟酸构成的浸蚀液中进行腐 蚀处理；取出所述试样，清洗并烘干，利用金相显微镜对所述试样的金相组 织进行观察，另外，有关金属或其合金金相组织的显示方法，可以参阅公开 号CN1167839A的中国专利申请文件的相关技术内容。

若采用的是含盐酸和氢氟酸的一种浸蚀液对所述钴或钴合金的试样进行 腐蚀处理，一方面钴或钴合金腐蚀速度太快，腐蚀时间难以控制，成功率较 低，晶界显示效果差强人意，远远不能满足工业生产要求，另一个方面，含 有盐酸和氢氟酸的混合液的高氧化性、高腐蚀性和在混合液与靶材试样进行 反应时会生成氯气等有毒气体对环境和人身存在很大的安全隐患，而且盐酸 又是制造冰毒的原材料，受到国家的安全管控。

因此，如何对钴或钴合金靶材进行腐蚀，如何选择合适的腐蚀液，使得 钴或钴合金的腐蚀效果和晶界显示效果良好，并且能够减小金相组织电解液 的安全隐患就显得十分必要。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种金相组织电解液、钴或钴合金的腐蚀方法 及其金相组织的显示方法，以提高钴或钴合金金相组织的晶界显示效果和减 小金相组织电解液的安全隐患，同时原材料不在国家安全管控的范围内。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种金相组织电解液，所述金相组 织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液。

可选的，所述金相组织电解液中乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的体 积比为66∶11∶33∶(10～15)∶(10～15)。

为解决上述问题，本发明实施例还提供一种钴或钴合金的腐蚀方法，包 括：

提供钴或钴合金靶材；

将所述钴或钴合金靶材在金相组织电解液中进行电解抛光，所述金相组 织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液。

可选的，所述金相组织电解液中乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的体 积比为66∶11∶33∶(10～15)∶(10～15)。

可选的，所述电解抛光的时间为10s～20s。

可选的，所述电解抛光的电压为28V～35V。

为解决上述问题，本发明实施例还提供一种钴或钴合金金相组织的显示 方法，包括：

提供钴或钴合金靶材；

对所述钴或钴合金靶材进行打磨；

对打磨后的钴或钴合金靶材进行机械抛光；

将机械抛光后的钴或钴合金靶材在金相组织电解液中进行电解抛光，所 述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液。

可选的，所述金相组织电解液中乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的体 积比为66∶11∶33∶(10～15)∶(10～15)。

可选的，所述电解抛光的时间为10s～20s。

可选的，所述电解抛光的电压为28V～35V。

可选的，所述机械抛光过程中使用金刚石研磨膏对所述钴或钴合金靶材 进行机械抛光。

可选的，所述机械抛光的润湿剂为无水乙醇。

可选的，所述机械抛光的砂轮机转速为400r/min～600r/min。

可选的，所述机械抛光的时间为2min～3min。

与现有技术相比，本发明实施例采用乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸 的混合溶液为金相组织电解液，并将钴或钴合金在此金相组织电解液中电解 抛光，本发明实施例中的方法对钴或钴合金具有良好的腐蚀效果和显示效果， 并且与现有的氢氟酸和硝酸作为腐蚀剂对钴或钴合金靶材进行化学腐蚀的方 法相比，用上述金相组织电解液对钴或钴合金靶材进行机械抛光对作业人员 的健康危害和环境污染比较小，而且原材料不受到国家的安全管控，供应更 便利。

附图说明

图1是本发明一个实施例钴或钴合金的腐蚀方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例钴或钴合金金相组织的显示方法的流程示意图；

图3是本发明的另一实施例钴或钴合金金相组织的显示方法的流程示意 图。

具体实施方式

本发明首先提供一个金相组织电解液的一个实施例，上述金相组织电解 液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液，所述金相组织电解液中 乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的体积比为66∶11∶33∶(10～15)∶(10～15)。 所述乙醇的质量百分比浓度为99.7％；所述正丁醇的质量百分比浓度为96％； 所述氢氟酸的质量百分比浓度为39％～41％；所述硝酸的质量百分比浓度为 63％～65％。将钴或钴合金在此金相组织电解液中电解抛光具有良好的腐蚀效 果，可以使钴或钴合金的金相组织的晶界显示效果良好，并且对作业人员的 健康危害和环境污染也较小。

金属和合金都是多晶体，也就是说，它们都由晶粒组成。使用金相组织 电解液对金属和合金进行腐蚀，可以使金属和合金晶粒的晶界显现出来。

本发明还提供一个钴或钴合金的腐蚀方法的实施例如图1所示，包括：

步骤S11，提供钴或钴合金靶材；

步骤S12，将所述钴或钴合金靶材在金相组织电解液中进行电解抛光，所 述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液。

所述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液， 所述金相组织电解液中乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的体积比为66∶11∶ 33∶(10～15)∶(10～15)，所述乙醇的质量百分比浓度为99.7％；所述正丁醇 的质量百分比浓度为96％；所述氢氟酸的质量百分比浓度为39％～41％；所述 硝酸的质量百分比浓度为63％～65％，所述电解抛光的时间为10s～20s，所述 电解抛光的电压为28V～35V。

具体的操作过程可以参考本发明下面的钴或钴合金金相组织的显示方法 中的实施例的腐蚀步骤。

对金属或合金进行金相观察用来分析样本的微观结构，其主要是通过金相 显微镜观察金属或合金样本来研究其组织结构，例如晶粒的大小、形状和取 向等。

在实际工业应用中，对金属或合金进行金相观察前，需要先对金属或合 金样本进行打磨、抛光和腐蚀处理，以使其金相组织即晶界能清楚显示出来。 本发明实施例的钴或钴合金金相组织的显示方法如图2所示，包括：

步骤S21，提供钴或钴合金靶材；

步骤S22，从所述靶材中切取一部分作为试样；

步骤S23，对所述钴或钴合金试样进行打磨；

步骤S24，对打磨后的钴或钴合金试样进行机械抛光；

步骤S25，将机械抛光后的钴或钴合金试样在金相组织电解液中进行电解 抛光，所述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液；

步骤S26，清洗所述试样；

步骤S27，利用金相显微镜对所述试样进行观察。

下面以6N钴或钴合金金相组织的显示方法为例，结合附图2对上述本发 明的实施例进行详细说明。

首先执行步骤S21，提供钴或钴合金靶材。

本实施例中，所述靶材的材料可以是纯度为99.9％或以上的钴或钴合金。 例如为3N5(99.95％)、4N5(99.995％)或5N(99.999％)。所述靶材的形 状可以根据应用环境、溅射设备的实际要求，例如为矩形、圆形、环形、圆 锥形或其他类似形状(包括规则形状和不规则形状)中的任一种。

接着执行步骤S22，从所述靶材中切取一部分作为试样。

在本实施例中，可以采用例如手锯、锯床或切割机床等方式从靶材中切 取一部分作为试样。所述试样的尺寸面积为100mm²，厚度为10mm。另外， 无论采用何种切取方法，均应注意所述试样的温度条件，必要时用水冷却， 以避免所述试样因过热而改变其组织。

接着执行步骤S23，对所述钴或钴合金试样进行打磨。

对钴或钴合金试样进行打磨的目的是去除钴或钴合金试样表面的氧化 层，使需要进行金相观察的钴或钴合金试样表面平整光亮，以保证后续的腐 蚀效果。

本实施例中，对钴或钴合金试样进行打磨主要是用由粗到细的水性砂纸 依次对所述钴或钴合金试样进行打磨，打磨时以水做润湿剂。

对所述靶材进行打磨处理。所述打磨处理具体包括：以水作为润湿剂， 首先使用粗砂纸(本实施例为400#水性砂纸)打磨钴或钴合金试样的表面(需 要观察的表面)，打磨时间一般可以为5min～10min；然后使用略粗的砂纸(本 实施例为800#水性砂纸)打磨钴或钴合金试样的表面(需要观察的表面)，打 磨时间一般可以为5min～10min；最后使用细砂纸(本实施例为1500#水性砂 纸)继续打磨钴或钴合金试样的表面(需要观察的表面)，打磨时间一般可以 为5min～10min，这样可以得到平整光亮的磨面。

在打磨时，水性砂纸由砂轮机带动，砂轮机上方有水不停地流到砂纸上 进行润湿，按住钴或钴合金试样(以需要进行观察的表面朝向砂纸)在砂纸 上磨。每次换砂纸后将所述靶材转动90度，直到把上一道工序的划痕磨掉， 新的划痕方向一致，且每次换砂纸前须用水将所述靶材清洗干净，以除去砂 粒。

在其他实施例中，也可以用酒精作为打磨处理的润湿剂。

然后执行步骤S24，对打磨后的钴或钴合金试样进行机械抛光。

对钴或钴合金试样进行机械抛光的目的是去除打磨钴或钴合金试样产生 的磨痕，使需要进行金相观察的钴或钴合金试样表面更光滑，进一步确保后 续的腐蚀效果。

本实施例中，对钴或钴合金靶材进行抛光主要是用金刚石研磨膏对所述 钴或钴合金靶材进行机械抛光，机械抛光时以无水乙醇(酒精)做润湿剂。

具体来说，将金刚石研磨膏涂抹在绒布上，绒布由砂轮机带动，砂轮机 上方有无水乙醇不停地流到绒布上进行润湿，按住钴或钴合金试样(以需要 进行观察的表面朝向绒布)在绒布上抛光。本实施例中，砂轮机转速可以为 400r/min～600r/min，机械抛光的时间一般为2min～3min。如果机械抛光的时间 小于2min，则抛光后的试样不够光亮清晰，影响金相组织的显示方法和观察 结果，机械抛光的时间越长，试样表面的光洁度越好，但是考虑到机械抛光 的工作效率，本实施例对所述试样的机械抛光时间不超过3min为宜。机械抛 光后，用大量的水将钴或钴合金试样冲洗干净。

需要说明的是，传统的钴或钴合金试样的机械抛光通常用水做润湿剂， 但发明人发现，用无水乙醇(酒精)则可以降低钴或钴合金试样的表面张力， 使得无水乙醇(酒精)可以均匀分布在钴或钴合金试样的表面，因而提高了 钴或钴合金试样表面的抛光效果。因此，本实施例中优选无水乙醇(酒精) 作为润湿剂。

通过上述步骤S23和S24的表面处理，去除所述试样表面的氧化物，形 成至少一个抛光面。

接着执行步骤S25，将机械抛光后的钴或钴合金试样在金相组织电解液中 进行电解抛光，所述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的 混合溶液，其中乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的体积比为66∶11∶33∶ (10～15)∶(10～15)。

金相组织电解液对金属的腐蚀通常发生在晶界，即各晶粒的交界处，因 此可以将各个晶粒区分开来。上述金相组织电解液中，硝酸和氢氟酸对钴或 钴合金等金属有强烈的腐蚀性，可以与钴或钴合金反应；金相组织电解液中 含有乙醇、正丁醇的腐蚀性和氧化性要低。

具体来说，所述金相组织电解液中，乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸 的体积比为66∶11∶33∶(10～15)∶(10～15)。所述乙醇、正丁醇为分析纯溶 液，即所述乙醇的质量百分比浓度为99.7％；所述正丁醇的质量百分比浓度为 96％；所述硝酸的质量百分比浓度为63％～65％，所述氢氟酸的质量百分比浓 度为39％～41％，将配制好的金相组织电解液装入电解抛光机上，然后将钴或 钴合金试样在常温下进行电解抛光。

本实施例中，电解抛光是以钴或钴合金试样为阳极，不溶于金相组织 电解液的金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选 择性的阳极溶解。

具体为电解抛光时，通电时钴或钴合金试样表面会产生电阻率高的稠 性黏膜，其厚度在钴或钴合金试样表面不均匀。表面微观凸出部分较薄， 电流密度较大，金属溶解较快；表面微观下凹处较厚，电流密度较小，金 属溶解较慢。由于稠性黏膜和电流密度分布的不均匀性，微观凸起部分尺 寸减少较快，微观下凹处尺寸减少较慢，使钴或钴合金试样表面粗糙度降 低，从而达到阳极溶解的目的。

本实施例中，在常温下进行电解抛光操作，所述电解抛光的时间即腐蚀 时间通常为10s～20s，较佳为10s。如果电解抛光的时间小于10s，则钴或钴合 金试样腐蚀不足，就无法显示出晶界；如果电解抛光的时间大于20s，则钴或 钴合金试样会腐蚀过度，钴或钴合金试样的晶界和晶粒都会被破坏，而且靶 材容易被氧化。

本实施例中所述电解抛光的电压为28V～35V，较佳为30V。如果电解抛 光的电压小于28V，则电解抛光的电流太小，电解抛光的速度太慢，容易造 成钴或钴合金试样腐蚀不足，无法显示出晶界；如果电解抛光的电压大于35V， 则电解抛光的电流太大，电解抛光的速度太快，容易造成钴或钴合金试样表 面会凹凸不平，而且腐蚀过度，相应的钴或钴合金试样的晶界和晶粒都会被 破坏。

接着执行步骤S26，清洗所述试样。

腐蚀后，在本实施例中，取出钴或钴合金试样立即用清水对腐蚀面进行 清洗、清洗时间为1min～2min。需要说明的是，本实施例可以对钴或钴合金试 样的所有面进行清洗，也可以对钴或钴合金试样需要进行观察的表面进行清 洗。

然后吹干清洗后的所述试样。

步骤S27，利用金相显微镜对所述试样进行观察。

在本实施例中，由于通过上述各步骤，特别是步骤S25中的腐蚀处理可 以使得所述试样的金相组织具有良好的显示效果，再利用金相显微镜就能很 好地进行观察，有利于对所述试样的金相组织进行正确的分析。

下面对本发明的另一个实施例进行说明。上一个实施例是将钴或钴合金 靶材切去一部分作为试样，进行打磨、抛光、腐蚀、清洗和观察处理，整个 的处理过程是对钴或钴合金靶材的小样进行处理的。本发明的另一个实施例 与上一个例的区别是对钴或钴合金靶材大样进行处理，即对大型的钴或钴合 金靶材的金相组织进行显示。图3为本发明另一个实施例的钴或钴合金的金 相组织显示方法，具体如图3所示，包括：

步骤S31，提供钴或钴合金靶材；

步骤S32，对所述钴或钴合金靶材进行打磨；

步骤S33，对打磨后的钴或钴合金靶材进行机械抛光；

步骤S34，将机械抛光后的钴或钴合金靶材在金相组织电解液中进行电解 抛光，所述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的混合溶液；

步骤S35，清洗所述靶材；

步骤S36，利用金相显微镜对所述靶材进行观察。

首先执行步骤S31，提供钴或钴合金靶材。本实施例中，具体可以参考上 一个实施例。

接着执行步骤S32，对所述钴或钴合金靶材进行打磨。

对钴或钴合金靶材进行打磨的目的是去除钴或钴合金靶材表面的氧化 层，使需要进行金相观察的钴或钴合金靶材表面平整光亮，以保证后续的腐 蚀效果。

本实施例中，对钴或钴合金靶材进行打磨主要是用由粗到细的水性砂纸 依次对所述钴或钴合金靶材进行打磨，打磨时以水做润湿剂。

在对大型钴或钴合金打磨时采用手动打磨的方法，用便携式砂轮机对钴 或钴合金靶材(以需要进行观察的表面朝向砂纸)进行打磨。打磨过程中可 以用水或者酒精作为打磨处理的润湿剂。具体操作可以参考上一个实施例。

然后执行步骤S33，对打磨后的钴或钴合金靶材进行机械抛光。

对钴或钴合金靶材进行机械抛光的目的是去除打磨钴或钴合金靶材产生 的磨痕，使需要进行金相观察的钴或钴合金靶材表面更光滑，进一步确保后 续的腐蚀效果。具体操作过程可以参考上一个实施例。

通过上述步骤S32和S33的表面处理，去除所述靶材表面的氧化物，形 成至少一抛光面。

接着执行步骤S34，将机械抛光后的钴或钴合金靶材在金相组织电解液中 进行电解抛光，所述金相组织电解液为乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的 混合溶液。

在对大型钴或钴合金靶材进行电解抛光时采用便携式电解抛光机对钴或 钴合金靶材表面(需要进行观察的表面)进行电解抛光。金相组织电解液和 电解抛光具体可以参考上一个实施例。

接着执行步骤S35，清洗所述靶材。

电解抛光后，在本实施例中，取出钴或钴合金靶材立即用清水对腐蚀面 进行清洗，具体操作可以参考上一个实施例。

需要说明的是，本实施例可以对钴或钴合金靶材的所有面进行清洗，也 可以对钴或钴合金靶材需要进行观察的表面进行清洗。

然后吹干清洗后的所述靶材。

接着执行步骤S36，利用金相显微镜对所述靶材进行观察。

在本实施例中，由于通过上述各步骤，特别是步骤S34中的电解抛光处 理可以使得所述靶材的金相组织具有良好的显示效果，再利用金相显微镜就 能很好地进行观察，有利于对所述靶材的金相组织进行正确的分析。

综上所述，上述技术方案采用乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸配制成 金相组织电解液，所述乙醇、正丁醇、水、硝酸和氢氟酸的体积比为66∶11∶ 33∶(10～15)∶(10～15)，所述硝酸的质量百分比浓度为63％～65％；所述氢氟 酸的质量百分比浓度为39％～41％；所述的乙醇、正丁醇为分析纯浓度，即所 述乙醇的质量百分比浓度为99.7％；所述正丁醇的质量百分比浓度为96％， 其对钴或钴合金具有良好的腐蚀效果，对作业人员的健康危害和环境污染也 较小，同时，氢氟酸和硝酸等原材料不在国家安全管控的范围内。

另外，上述技术方案在对钴或钴合金靶材进行机械抛光时，用无水乙醇 做润湿剂可以改善靶材表面的抛光效果；在对钴或钴合金靶材进行金相腐蚀 时，采用电解抛光的方法，电解抛光的时间和电解抛光的电压适中，可以改 善靶材表面的腐蚀效果。因此，上述技术方案具有工艺稳定，可控性强，不 易腐蚀过度或不足等优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上 的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动 和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术 方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等 同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。