メタログラフィー・エッチング

メタログラフィー・エッチングと光学的コントラスト法

微細構造が偏光下（感度の高いティントプレートを光路上に置いた状態）で見えるかどうかは、分析対象となる材料の相に大きく依存します。この点では、材料のブラベ格子のタイプが非常に重要である。鋼、アルミニウム、銅、クロムなどのBCCおよびFCC金属は、微細構造を見るためにエッチングする必要がありますが、αチタン、コバルト、ハフニウム、亜鉛合金、斜方晶ビスマスなどのHCP金属および合金は、研磨された状態で微細構造を示します。

光学的コントラストには様々な手法があります。例えば、複屈折結晶（ポリアミドや高密度ポリエチレンなどの部分結晶ポリマーの球晶など）は、位相差法で可視化することができます。また、蛍光顕微鏡や暗視野顕微鏡も故障解析のための重要なコントラスト法です。しかし、これらは通常、マイクロクラック、ポア、または同様の材料の不均一性を可視化するために適用されます。

しかし、多くの場合、顕微鏡からの入射光は極めて均一に反射されます。そのため、光学的評価を可能にするためには、金属組織のエッチングなど、別の方法でコントラストを発生させる必要があります。

メタログラフィーにおけるケミカルエッチング

ケミカルエッチプロセスは、メタログラフィにおいて最も一般的なプロセスです。コストパフォーマンスに優れ、簡単に使用できることから人気があります。ほとんどの場合、エッチングは浸漬法で行われます。エッチングされるサンプルの表面を媒体に完全に浸し、移動させます。また、綿棒を使った方法もあります。綿棒や非常に柔らかいティッシュにエッチング液を含ませ、サンプルの表面を拭いていきます。この方法は、材料がエッチング液に弱いために、技術的に浸漬できない場合に適用されます。用意した表面に傷をつけないように注意しなければならない。ほとんどの場合、化学エッチングは選択的な腐食や酸化を行います。これをストラクチャー・エッチングと呼ぶ。

酸化的なエッチングの場合は、媒体の成分（H+/H2）と固体（金属）の間で酸化還元反応が起こる。この反応は、結晶学的な配向（粒界エッチングの場合）や結晶の歪み（粒界エッチングの場合）に応じて、より高い反応速度で起こる。また、相の組成によって電気化学的な電位が異なり、その結果、酸化速度も異なる。これにより、レリーフが形成され、顕微鏡で見ると濃淡のコントラストが見られます。

Kalling 2」試薬のようないくつかのシステムでは、エッチングされたサンプルに還元された金属や塩が付着します。これらは、コットンで取り除くことができます。そうして初めて、エッチングされた微細構造が見えるようになります。純粋な構造のエッチングプロセスの情報価値は限られています。なぜなら、前述のメカニズムは重複しており、結晶粒の配向に関する情報はあまり得られないからです。主な目的はむしろ、特定の材料の粒度分布や相組成の決定に関連しています。

そのため、結晶粒の配向を自動的に決定するような微視的な方法の開発はほとんど不可能です。同じことが、ある程度、不均一性にも当てはまります。注意すべきは、非金属の介在物は純粋な構造的プロセスで確実に表現できるということです。

このことは、低合金鋼を例にとるとよくわかる。フェライトは、析出したセメンタイトやグラファイトよりも電位が低いため、相の酸化が速くなります。歪んだ粒界はよりゆっくりと除去され、この場合は突出した部分を形成します。パーライトのラメラ構造により、この相は粒内に均一なレリーフ状のエッチングをもたらし、これはダークグレーのストライプで認識することができます。研削面に対する砥粒の向きによって、この縞模様がはっきりと見えたり見えなかったりします。この場合、NitalまたはV2Aエッチング液が典型的な試薬となります。

さまざまなメタログラフィ用エッチング液を使用すれば、いわゆるカラーエッチングや析出物エッチングが可能です。この技術では、より多くの微細構造情報が得られますが、再現性のある方法で行うことははるかに困難です。

媒質の相・方位選択的な攻撃に加えて、酸化還元系に属する層が析出します。この層は、局所的な反応速度に応じて異なる厚さになる。これにより、入射光の干渉現象が起こり、結晶粒の表面が方位に強く依存して変色し、それが偏光下で見えるようになる。試料が過剰にエッチングされると、層の厚さが過剰になるため、干渉現象はなくなります。

低合金鋼に適用される有名な金属組織カラーエッチング技術は、Klemmによるものです。鋼には、硫化膜の陽極形成に基づくさまざまなカラー試薬が適用されます。BeharaとLePeraの試薬は、添加剤と使用する亜硫酸塩のキャリアが異なります。これらの試薬は、分析対象の合金系に応じて選択されます。

カラーエッチングプロセスは、セメントクリンカーなどの無機・非金属分野でもごく一般的に行われている。これらのプロセスの多くは、そのメカニズムがまだ完全には解明されていない。しかし、相を定量化する際には、多くの場合、確実に機能している。

_{AlFe10、Fcc FeAl3のニードルを持つアルミニウムマトリックス、バーカーズ試薬で電解エッチングされたもの}

_{7％NaOH水溶液でエッチングされたAlMg4.5}

_{オーステナイト系V2A鋼、Beraha 2エッチング液でエッチング。}

_{10％フェリニット酸水溶液でエッチングされたαおよびβ真鍮}

メタログラフィにおける電解エッチング

電解エッチングは、化学的プロセスと同様に、研磨されたサンプルの表面に多数のガルバニック素子が形成されることに基づいています。この場合、目的の酸化還元反応を起こさせるためには、試料に外部電圧を印加する必要がある。

上記の要因に加えて、局所的に変化する電気伝導度と電解セルの設定電圧または電流が除去率に影響します。自動金属組織エッチング装置を使用する場合は、流量やセルの形状も表示される微細構造に影響を与えます。電解法は通常、化学的方法よりも高い除去率を示すため、金属組織の研磨プロセスとしても使用できます。このプロセスの最大の利点は、金属組織の研磨工程を代替することで、他では不可能な、完全に変形のない表面を作り、真の微細構造を明らかにすることができることです。


電解研磨プロセスとエッチングプロセスの間の移行は、主に印加される電流密度によって決まります。電解エッチングプロセスは、メタログラフィーの分野ではほぼ独占的なものです。このプロセスは自動的に制御されるため、純粋に化学的なプロセスよりも高い再現性が得られます。しかし、これらのプロセスは手動で行われるため、高度な経験が必要となります。メタログラフィーにおける電解は、金属の陽極酸化とも言えます。一般的には、より高貴な、あるいは少なくとも同等の金属を陰極として接続し、試料は陽極として機能します。