铝及铝合金的金相制备
与铝及其合金相关的金相挑战变化很大，这取决于金属的纯度。在这里，您可以学习如何快速有效地准备任何铝产品进行金相检验。
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铝及其合金的主要特性
铝是一种多面材料，有多种用途，包括作为复合材料的基体金属。它具有银白色的外观，可用作纯金属或合金。它非常轻，只需少量的合金元素就可以增加它的强度。它还具有很高的耐腐蚀性。这是由于氧化铝的被动膜与表面紧密相连，并且在表面受损时能够自发更新。
铝的其他重要特性包括它的高导热性和易成型性——无论是通过铸造、热加工或冷加工或机械加工——以及它的中性味道和无毒。
铝或其合金的常用用途:
- 高强度/低重量应用于飞机，航空航天和汽车工业
- 抛光和拉丝表面，以及阳极化的颜色，在建筑行业
- 食品行业的无毒/无味包装和机械
图0:铝硅铸件，用钼酸蚀刻，Mag 200x
铝的生产
经济的铝提取只能从铝土矿中进行。生产过程包括两个基本步骤。纯氧化铝的提取
氧化铝回收开始于粉碎和细磨铝土矿，并在压力下用氢氧化钠加热。在这一过程中，水溶性铝酸钠与未溶解的铁、钛和硅残留物一起形成。加入新鲜氢氧化铝的“种子晶体”，以启动纯氢氧化铝(Al(OH)3)的沉淀。通过1200°C的煅烧，然后除去水，剩下纯无水氧化铝(氧化铝)。
将氧化铝转化为铝(霍尔-赫罗特法)
纯氧化铝的反应化学需要一个电化学过程来从其氧化物中提取铝。由于氧化铝的熔点很高(2050°C)，与冰晶石混合以降低熔点。
电解是在一个大的碳或石墨内衬钢容器中进行的，容器中含有导电的钢棒和作为阳极的碳块。在电解过程中，阳极的碳与氧化铝的氧反应，在二次反应中，金属铝生成，形成二氧化碳:2Al2O3.+ 3C→4Al + 3CO2．
这种工艺生产纯度为99- 99.9%的铝。其中大部分用于制造铝合金。
铝合金
与纯铝相比，在铝中添加极少量的合金元素可以提高拉伸强度、屈服强度和硬度。最重要的合金元素是Si、Mg、Cu、Zn和Mn。这些主要共晶化合物必须通过热加工工艺精细分散，然后才能进行冷加工。铝合金的老化
许多铝合金经过时效硬化以提高机械性能。这可以是自然的，也可以是人为的。
- 自然时效硬化(例如AlCuMg)。在固溶退火后，工件被淬火，从而抑制了Al2Cu在固溶体中的析出。然后，工件在环境温度下老化。在这个过程中，铝晶格从过饱和溶液中析出铜。在铝晶格中产生的合成应变导致强度和硬度的增加。整个过程需要5-8天。
- 在人工时效硬化中，时效发生在高温下，这减少了工艺时间。以AlMgSi合金为例，在120-175°C的溶液退火和淬火后，在4-48小时内发生老化。Mg2Si相的析出在铝晶格中产生内部应变，从而导致强度和硬度的增加。
变形铝合金的主要合金元素是铜、镁、锌和锰。硅和铁影响机械性能和耐腐蚀性，可以是杂质或合金元素，这取决于所要求的纯度和应用。
变形铝合金的常用用途:
- 机械工程中的板材和轧制产品的模具结构，如薄板和带材，以及散热器和热交换器等电镀产品爱游戏北京赛车
- 用于飞机制造或装饰应用(如装饰和反射器)的特定半成品的镀板爱游戏北京赛车
- 机械工程，输送和电子技术应用，以及高强度运动和休闲产品，如滑雪板绑定和山地自行车齿轮爱游戏北京赛车
- 纤维增强铝在飞机和航空航天工业
图1:铝合金2024铸造，显示晶界共晶析出，未蚀刻，200x
图2:如图1所示，均质，未蚀刻，200x
图3:如图2，热轧，未蚀刻，200x
铸造铝合金
铝铸件主要是用合金来提高金属的机械性能，并根据其主要合金元素——硅、镁和铜来区分。超过固溶饱和的合金含量沉淀为纯金属，如硅，或共晶和金属间相。
硅可增加铝的浇注性。在共晶合金中，如AlSi12，在铸造前加入少量的钠以细化共晶。在这个精炼过程中，硅并没有以粗针状或板状析出(图4)，而是与α-固溶体形成了非常细的共晶(图5)。这些合金的硬化效果非常低，因此添加了镁，使其能够进行时效硬化。
具有特定性能的铸造合金用于各种产品组，包括制造活塞，滑动轴承，机械工程零件，缸盖和制动蹄。
| 一些比较重要的铸造合金及其性能 | |
| 硅铝合金10毫克 | 年龄硬化。耐振动、耐腐蚀 |
| 硅铝合金5铜1 | 年龄硬化。焊接和薄截面浇注性好 |
| AlMg3. | 耐海水 |
| 硅铝合金25+ CuNi | 年龄硬化。活塞专用合金;由于其含硅量高，耐磨 |
| AlMgSiPb | 适合加工 |
| 硅铝合金9铜3. | 可铸造通用合金，也是压铸最重要的合金 |
图4:铝硅铸件，未经精炼，500倍
图5:铝硅铸件，精炼，500倍
铝及其合金的金相学
铝的金相学用于质量控制，以确定晶粒尺寸，并确定抛光和蚀刻试样上的微观组织缺陷。此外，试样经常检查杂质，如氧化物或锆铝化物。
铸造铝合金的形状，相分布和可能的孔隙率进行了评估。在变形材料中，研究了轧制和挤压过程中的缺陷，并测量了镀层厚度。
图6:铝压铸件表面的氧化物，50倍
铝及其合金金相学的挑战
与铝和铝合金相关的金相挑战随着金属纯度的变化而变化。- 随着纯度的增加，铝变得更软，更容易受到机械变形和划痕的影响。在高纯铝中，研磨会引起深度变形，而研磨和抛光磨料，如碳化硅和金刚石颗粒，可以压入表面。
- 随着合金含量的增加，铝变硬。铸造合金相对容易制备。但是，铝基体必须经过良好的抛光处理，以避免结构解释上的错误。
| 概述金相学面临的挑战和解决方案 | |
| 挑战: | 解决方案: |
| 纯铝非常柔软，容易发生机械变形和划伤 | 平面研磨与最好的碳化硅箔或纸 |
| 碳化硅和金刚石颗粒可以压入试样表面 | 钻石抛光和/或最终抛光需要足够长的时间来去除所有嵌入的颗粒 |
| 严重加工和变形的合金难以对比，使结构解释困难 | -最后用胶体二氧化硅悬浮抛光 -巴克试剂阳极氧化 |
进一步阅读详细的方法描述如何制备铝及其合金的金相分析快速和准确。
图7:用3 μm抛光后的纯铝中镶嵌金刚石颗粒，直径200倍
铝及其合金的制备:机械研磨和金刚石抛光
当处理铝及其合金时，我们建议机械研磨，然后钻石抛光．对于许多纯铝和锻合金试样，电解质的抛光也是推荐的。机械研磨
平面磨削应使用尽可能细的砂砾进行，以避免过度的机械变形。- 应考虑试样的硬度、尺寸和数量。但是，即使是用大的纯铝试样，平面磨削也用不上500#碳化硅箔或纸通常是足够的。
- 大型铝合金铸件可以用220 #原文如此或320#碳化硅箔．为了避免深部变形和减少磨削间的摩擦，磨削力要小，这一点很重要SiC箔或纸和标本的表面。
钻石抛光
钻石抛光应进行，直到所有深划痕的研磨已被清除。如果必须确定水溶性成分，我们建议使用无水金刚石悬浮液和润滑剂进行抛光。纯铝和铝合金的最终抛光:抛光/检查顺序
- 开始抛光。用后1分钟打磨OP-U悬挂，在显微镜下检查标本。
- 如有必要，再抛光一分钟，再检查试样。
- 继续这一抛光/检查顺序，直到达到所需的质量。
- 如果钻石颗粒在抛光过程中被压入表面，它们可能导致对结构的错误解释。因此，润色/检查序列可能需要相对较长的时间。继续这一序列，直到你用肉眼再也看不到标本表面的亮区和暗区。
- 在抛光结束前约30秒，将水倒在抛光布上冲洗试样和布。
- 最后，再用清水冲洗标本，然后晾干。
*另外,MD-Dac
*为避免粗糙划痕，请使用SiC箔或纸研磨前可先用蜡摩擦。
* *另外,MD-Dac
*为避免粗糙划痕，请使用SiC箔或纸磨之前可以先用蜡擦一下。”
图9:铝硅铸件，经3 μm金刚石抛光后仍可见小划痕，200x
图10:结构与图9所示，但用OP-U悬挂．基体被很好地抛光，共晶有更多的对比度，200倍
图11:铝硅铸造抛光时间过长OP-S悬挂，硅沉淀物呈凸出状，100倍
电解抛光
铝的电解抛光留下无划痕的表面，经常用于质量控制，因为它提供快速和可重复的结果。然而，由于铸造合金中有许多不同的相，不建议对许多铸造合金试样进行这种试验。纯铝和锻造合金
电解抛光特别适用于纯铝和变形合金。
如果在抛光后用巴克试剂对试样进行阳极氧化，就会产生特别适合用于粒度评估的颜色对比。为了获得颜色效果，在偏振光下用λ1 / 4敏感色板观察标本。
图12:镀板，阳极化，颗粒区域清晰可见，适合自动图像分析，偏振光为λ1 / 4-plate, 100倍
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图13:铝压制部分，宏观蚀刻，一次和非均相析出
铝及其合金的蚀刻
当处理铝及其合金时，宏观蚀刻剂用于晶粒尺寸评估，也用于显示挤压产生的流线和显示焊缝。在蚀刻之前，试样必须被研磨1200#碳化硅箔或2400# SiC箔．由于铝有多种合金化的可能性，在一些多组分合金中，不同的相总是不能清楚地识别出来。然而，共晶相有时可以通过其共晶的典型形状来识别。
一些著名的相位具有以下特征颜色:
- Si:灰色
- 毫克2Si:抛光过程中被染成深蓝色(铸型:汉字)
- 艾尔2铜:粉棕色，铜色
- 艾尔6Mn:浅灰色
图14:AlSi6铜4铸造时，各个阶段可以通过其典型的颜色，500x来识别
锻造合金晶粒尺寸的手工测定
某些规格的变形合金需要“手动”粒度测定，因为图像分析不够精确。此外，具有严重变形结构的变形合金，如箔或非常薄的薄片，很难与化学蚀刻剂形成对比。这使得自动图像分析变得困难。建议用巴克试剂对标本进行阳极氧化，然后在显微镜下“手动”评估结构。
蚀刻的解决方案
在使用化学品时，必须遵守标准的安全预防措施。
| 宏观腐蚀 | |
| 对于纯铝 | 90毫升水 |
| 15毫升盐酸 | |
| 10毫升氢氟酸 | |
| 深层刻蚀显示初级树突结构 | |
| 100毫升水 | |
| 10-25克氢氧化钠 | |
| 微蚀刻 | |
| 电影试剂:大多数铝和合金的晶界蚀刻 | |
| 90-100毫升水 | |
| 0.1- 10ml氢氟酸 | |
| 迪氏凯勒试剂:晶粒区蚀刻适用于含铜铝合金，也适用于纯铝 | |
| 190毫升水 | |
| 5毫升硝酸 | |
| 10毫升盐酸 | |
| 2毫升氢氟酸 | |
| 颜色蚀刻剂: | 钼酸溶液 Klemm或Weck |
图15:未蚀刻的含6% Si和10%铜的实验铝合金
图16:与图15相同，但用1g钼酸在200ml水中+ 6g氯化铵蚀刻30秒。硅是深蓝色的，与灰色的CuAl相区别2
总结
其低密度、高强度和耐腐蚀性使铝及其合金成为汽车、飞机、航空航天、包装和其他行业许多应用的首选材料。铝及其合金的金相学用于质量控制，用于晶粒尺寸的测定，以及相、杂质和机械缺陷的评估。
纯铝很容易变形，因此不应该用粗砂砾进行磨削。使用二氧化硅悬浮液进行非常彻底的最终抛光是必要的，以确保嵌入的金刚石颗粒完全从样品表面去除。
铝铸造合金相对容易抛光。对于晶粒尺寸的评价，巴克试剂阳极氧化比化学蚀刻具有更好的对比度。铸造合金中的不同相既可以通过其特征颜色来识别，也可以通过优先攻击某些相的特定溶液蚀刻来识别。
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所有图片由中国应用与实验室经理蒋秀平提供
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