Metallographisches Polieren für verformungs- und kratzerfreie Oberflächen

Metallographisches Polieren, wie auch metallographisches Schleifen, ist der letzte Arbeitsschritt in der Probenvorbereitung von Metallen für die anschließende Analyse. Das Polieren beseitigt dabei die Verformung der Probe durch vorherige Arbeitsgänge (Trennen und Teilen). Die folgende Einführung in das metallographische Polieren beinhaltet eine allgemeine Betrachtung sowie Tipps und Tricks.

Metallographisches Polieren geschieht stufenweise, wobei in jeder neuen Stufe ein feineres metallographisches Poliermittel eingesetzt wird. Allgemein wird zwischen Vorpolieren, Zwischenpolieren und Endpolieren unterschieden.

Ziel des Polierens ist eine verformungs- und kratzerfreie Oberfläche, die das Mikrogefüge der Probe sichtbar werden lässt. Für gute Ergebnisse ist dabei die Auswahl der entsprechenden Verbrauchsmaterialen, der Einsatz einer guten Poliermaschine sowie eine für das Material optimierte Präparationsmethode erforderlich, die Geräteeinstellungen, Polierdauer etc. umfasst.

QATM ist ein führender Hersteller innovativer metallographischer Poliermaschinen, von manuellen bis vollautomatisierten Modellen, sowie Anbieter entsprechenden Verbrauchsmaterials. Jahrzehnte Erfahrung in der Präparation materialographischer Proben sowie diversester Materialien aus unterschiedlichsten Branchenbereichen in den QATM Anwendungslaboren haben uns zum Experten auf diesem Gebiet werden lassen. Gerne beraten wir auch Sie zu Ihrer Applikation.

Metallographisches Polieren mit Diamantpoliermittel

Beim metallographischen Polieren unterscheidet man die Diamantpoliermittel nach der Diamantform. Es gibt poly- und monokristalline Diamanten. Diamantsuspensionen mit polykristallinen Diamanten haben gegenüber den Suspensionen mit monokristallinen Diamanten deutliche Vorteile. Der polykristalline Diamant hat eine möglichst gleichmäßige Kornform und viele scharfe Kanten. Die Abtragsleistung von Diamantpoliermitteln ist abhängig von Anzahl und Größe der gleichzeitig arbeitenden Schneidkanten der Diamanten. Für die richtige Wahl des Diamant-Polier- oder Schleifmittels (also ob mono- oder polykristallin!) ist es wichtig vorher seinen Anspruch zu bestimmen. Grundsätzlich kann auch mit dem preiswerteren monokristallinen Diamanten ein gutes Ergebnis erzielt werden, eventuell ist der Weg dorthin aufwändiger.

Diamantpoliermittel unterscheiden sich auch in der Art ihres Trägerstoffes. Welcher der drei üblichen Trägerstoffe gewählt wird, hängt von den Gegebenheiten ab.  

Diamantpaste: Hohe Konzentration auf dem Poliertuch, immer ein zusätzliches Schmiermittel nötig

Diamantsuspension: Gute, gleichmäßige Verteilung auf dem Poliertuch, Entmischung bei längerem Stehen beachten!

Diamantspray: Gute, gleichmäßige Verteilung auf dem Poliertuch, immer ein zusätzliches Schmiermittel erforderlich, durch Dosierung höherer Verbrauch

Metallographisches Polieren mit Oxidpoliermittel

In der Metallographie werden Oxidpoliermittel ausschließlich für das Endpolieren eingesetzt.

Es wird zwischen Siliziumdioxid- und Aluminiumoxidsuspensionen unterschieden. Beide liegen gebrauchsfertig als wässrige oder alkoholische Lösung vor. Die Korngrößen liegen zwischen 0,1 und 0,06 µm.

Die Anwendung der Suspensionen kennt keine absolute Regelung. Suspensionen auf alkoholischer Basis sollten bei korrosionsanfälligen Proben eingesetzt werden.

Siliziumdioxidalle: austenitischen Stähle, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Edelmetalllegierungen

Aluminiumoxid: Messinge, niedrig bis unlegierte Stähle, Grauguss-Sorten 

Mit dem Einsatz der Oxidpoliermittel kann ein mechanischer oder chemisch-mechanischer Abtrag erreicht werden, der die eventuell vom bisherigen metallographischen Polieren noch vorhandenen Schmier- und Verformungsschichten gut bis sehr gut abbaut. Durch den ‚zweifachen‘ Angriff ergeben sich auch kurze Polierzeiten. Ein weiterer Vorteil gegenüber den Diamantpoliermitteln sind die deutlich niedrigeren Materialkosten.

Metallographische Poliertücher und Polierscheiben

Poliertücher für das metallographische Polieren sind mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen bzw. Materialien erhältlich (z.B. Seide, Kunstseide, Wollgewebe, geflockte und geschäumte Kunststoffe).

Auch speziell entwickelte Polierscheiben mit intergierten Diamanten befinden sich auf dem Markt.

Das metallographische Vorpolieren wird meist auf wenig elastischen (harten) Tüchern unter Verwendung von Schmiermittel durchgeführt (geringe Stoßelastizität ist wichtig zum Erhalt der Kantenschärfe). Werden Kanten durch zu weiche Tücher abgerundet, hat dies einen negativen Einfluss auf die Auswertung dünner Schichten.

Beim Endpolieren wird zu eher elastischen Tüchern mit längerem Flor und zu höherer Schmiermittelviskosität gewechselt.

Die Tücher zum Zwischenpolieren liegen in ihrer Elastizität zwischen den beiden eben beschriebenen Extremen.

Metallographisches Polieren und Schleifen: Tipps und Tricks

Das Schleifen und Polieren stellt eine Standardtechnik für die metallographische Probenpräparation dar. Für fast alle Materialien liegen Erfahrungen in der Bearbeitung vor. Es existiert aber doch eine Reihe von möglichen Fehlerquellen. Diese müssen bei der Suche nach der geeigneten Vorgehensweise berücksichtigt werden. Das Verfahren ist durch den mehrstufigen Ablauf, besonders bei manueller Bearbeitung, sehr zeitaufwändig. Bei Automatisierung wiederum (bei großem Probenaufkommen) ist mit größeren Investitionen zu rechnen.

Folgende weitere Risiken sind im Einzelfall zu bedenken:

• Durch die Verwendung von Schleifmaterialien für das metallographische Polieren können die Probenoberflächen zerkratzen, vor allem, wenn der Werkstoff Phasen mit verschiedenen Härten enthält. Bei Verbundwerkstoffen ist dies niemals auszuschließen.
• Kanten und Korngrenzen können verwischt werden.
• Kühl- und Schmiermittel dürfen nicht mit dem Werkstoff reagieren, sonst würden organische Materialien wie z. B. Papiere oder Fasern aufquellen. Ähnliches gilt beim Schleifen von Kunststoffen, Reibungswärme würde eine thermische Schädigung hervorrufen.

Die Vorteile des Schleifens und Polierens liegen in der vielfältigen und individuell nutzbaren Gerätetechnik. Je nach Anwendung und Kapazität sind einfache halbmanuelle bis hin zu vollautomatischen Schleif- und Poliersysteme verfügbar. Auch das breite Anwendungsspektrum spricht für sich. Bei sorgsam abgestimmten Schleif- und Poliermaterialien und ‚Bearbeitungsrezepten‘ lassen sich bei fast allen Werkstoffen hervorragende Ergebnisse erzielen. Vor allem bei Keramiken, Verbundwerkstoffen sowie gefüllten und verstärkten Kunststoffen bildet die Schlifftechnik überhaupt die einzige Möglichkeit.

Um dem Anwender eine Hilfestellung zu geben, sind im Folgenden einig Tipps und Tricks für das Schleifen und Polieren aufgeführt. 

2. Kometenschweif

4. Einlagerung von metallographischen Schleif- und Poliermitteln

Schleif- und Poliermittel, wie z.B. Siliziumkarbidpartikel vom Schleifpapier, Diamanten von Diamantpoliermitteln oder Oxide aus den oxidischen Endpoliermitteln können sich bei der metallographischen Probenpräparation in die Oberfläche eindrücken.

In folgenden Situationen ist dies möglich:

• Beim metallographischen Trockenschleifen von Verbundwerkstoffen, bestehend aus sehr harten und sehr weichen Materialien
• Bei zu hohem Schleif- oder Polierdruck bei der Präparation von sehr weichen Materialien bzw. Verbundwerkstoffen mit Anteilen von weichen und harten Phasen
• Bei zu hoher Konzentration der Abrasivstoffe in Kombination mit zu hohem Druck
• Bei falscher Wahl der Korngröße des Schleif- und Poliermittels
• Beim Abreißen des Schmierfilms beim Polieren. Bei zu geringer Zugabe des Schmiermittels können sich die Proben stark erwärmen
• Bei der Verwendung von Schmiermittel mit zu niedriger Viskosität
• Bei falscher Wahl der Schleif- oder Polierunterlage (zu hart oder zu weich), Stoßelastizität beachten
• Bei zu einseitiger Probenbewegung