铝及铝合金的金相制备

应用说明铝及铝合金的金相制备- 用最细的碳化硅砂纸进行粗磨 - 金刚砂抛光和/或最终抛光的时间必须足够长，以去除所有嵌入的颗粒- 用二氧化硅悬浮液进行最终抛光- 用Barker试剂进行电解抛光金相制备的难点- 纯铝非常软，并且很容易发生机械变形和划伤- 碳化硅和金刚石颗粒可能会被压入到试样表面中（图1）- 大量变形后的锻造合金难以显示组织结构图1：3微米抛光后，金刚砂嵌入纯铝中，放大200x图2：铝压模铸件表面的氧化物解决方案铝-硅铸件，钼酸浸蚀与铁、铜等其他历史悠久的金属不同，铝是一种相对比较年轻的金属，直至19世纪初才为人们所知。1886年，人们发明了一种至今仍在使用的铝生产法：霍尔-赫劳尔特电解炼铝法。铝呈银白色，比重很轻，以纯金属或合金的形式应用广泛。只要很少量的合金化元素就能够提高强度；由于其低密度，铝合金特别适用于航空和航天工业。同时，为减轻重量，铝合金还大量用于汽车工业。铝的表面有一层牢固结合的氧化铝钝化膜，从而使其具有很高的耐腐蚀性。当表面被损坏时，此氧化膜能够自然恢复。因此，铝特别适用于抛光和涂刷表面，以及各种颜色的阳极氧化处理，这样，铝又成为建筑业所青睐的材料。铝的其他特性还包括良好导热性和易成形性，像铸造、冷热加工和机加工等。铝无毒无味，因此成为食品和包装，例如罐头、锡箔、烤面包机、饮料泵等使用材料的首选。最新的Al-Li和Ti-Al等合金采用粉末冶金工艺制造，另外，铝还被用作复合材料的基体金属。作为一种多功能材料，铝在将来的应用领域会更广泛。在质量控制领域，铝的金相分析主要用于晶粒度的确定以及抛光和浸蚀后试样的显微结构缺陷判断。另外，还将检查样品中的杂质，例如氧化物或铝化锆等（图2）。铸造材料将评估其不同相的形貌和分布，以及可能存在的疏松。对于可锻材料，将检查轧制和挤压过程中造成的缺陷，以及测量镀层厚度。铝生产过程简图铝是地壳中含量最高的金属之一。它不是以纯铝的形式被发现，而总是与其他元素组成化合物。唯一经济的提取方式是从铝土矿中提取，其中含有60％氢氧化物形态的氧化铝（Al2O3 + H2O），其余为金属氧化物（Fe203, Si02, Ti02）。生产过程比较复杂，并且消耗大量的能量，主要分两个步骤，如下文所述。从铝土矿中提取纯矾土(氧化铝，Al2O3)首先粉碎并磨细铝土矿，用氢氧化钠在高压下加热。在此过程中，形成可溶性铝酸钠，以及沉淀分离下来的不可溶性的铁、钛和硅残余物，称为“赤泥”。在高度稀释的铝酸钠溶液中再加入新生的氢氧化铝“晶核”，以激发和加速纯氢氧化铝（Al(OH)3）的初始结晶过程。通过1200oC条件下的焙烧，除去氢氧化铝中的水，留下纯无水矾土（氧化铝）。 霍尔-赫劳尔特过程：矾土转化为铝纯矾土的化学反应需要通过电化学过程从氧化物中提取出铝。氧化铝的熔点非常高，达2050oC，与冰晶石混合后熔点可降至950oC。另外，冰晶石还提高了导电率，从而也提高了电解能力。电解在一个很大的碳或石墨衬里钢制容器中进行，此容器中安装有钢棒，以导电。碳衬里炉壁和炉底构成阴极，氧化铝-冰晶石熔融物是电解液。石墨块吊在熔融物上方，作为阳极。在电解过程中，阳极碳与矾土中的氧发生反应，并在二次反应中，形成金属铝和二氧化碳：2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3 CO2熔融铝比电解液-熔融物的密度高，沉淀在容器的底部。每天开炉一次，铸成铝锭。此过程可以获得纯度为99.0〜99.9％的铝，其中绝大部分用来制造铝合金。铝土矿铝提取矾土霍尔－赫劳尔特过程初级铝（原生铝）轧机半成品浇铸铸件最终产品消费者二次熔化渣料边角料边角料废料纯混杂再生铝合金含量约2%合金含量15%矾土+冰晶石石墨电极电解液/熔融物熔融铝碳阴极汇流条5Volt150kA铝矾土壳一氧化碳+二氧化碳CO+CO2采用电解炼铝法制造纯铝简图通过二次电解，半成品铝的纯度可以提高到99.98％，铸铝锭可以达到99.99％。纯铝具有很高的耐腐蚀性，特别适用于电解抛光。它用于光亮产品，例如装饰条、反射镜、电解容器的箔材，以及化学和食品工业中的管材。当然纯度越高，成本也越高，所以应根据具体应用的要求选材。图中所示是铝的生产过程。主要产品是半成品的变形铝合金，含有少于2％的合金化元素，铸造铝合金含有少于15％的合金化元素。大部分铝合金可归类为变形合金和铸造合金。这两类合金通过是否可以进行热处理来分别。与纯铝的机械性能相比，这些合金添加极少量的合金元素即可提高抗拉强度、屈服强度和硬度。最重要的合金化元素是硅、镁、铜、锌和锰。合金元素与铝或其他物质（Mg2Si、Al2Cu、MgZn2和Al-Fe-Si）化合物的合成将影响其可加工性。这些共晶化合物必须先采用热加工工艺均匀细化分布，然后再进行冷加工。铝的生产和应用提高铝合金机械性能的最重要的工艺是时效硬化。此工艺需要形成随着温度降低，合金元素溶解度也降低的固溶体，例如AlCuMg和AlMgSi。自然时效硬化（例如AlCuMg）固溶退火之后，工件立即进行淬火，这样固溶体中Al2Cu的析出受到抑制。然后，工件在环境温度下时效处理。在此过程中，铝晶格从过饱和溶液中析出铜。这样，铝晶格产生的应变使强度和硬度增加。自然时效大约需要5〜8天。人工时效硬化动力学过程同上文所述。但是，时效在较高的温度下进行。例如，对于AlMgSi合金，在固溶退火和淬火之后，在120〜175oC条件下时效4〜48小时。Mg2Si相的析出在铝晶格中产生内部应变，从而使强度和硬度增加。变形合金轧制板料和压制合金锭采用连续铸造工艺生产。在很多时候，铸造后接着进行退火，以实现均匀化。铸造结构通过热轧、挤拔或锻造工艺转化为锻造结构。只有经过热成形将易碎的共晶晶粒和晶界破碎，才能进行变形合金随后的冷加工（图3〜5）。使用高抛光铝制造反射镜的灯具图4：如图3，均匀化，未浸蚀，放大200x。图3：铝合金2024，铸造，晶界上发生共晶析出，未浸蚀，放大200x。图5：如图4，热轧，未浸蚀，放大200x。电镀板，芯：铝合金3503，电镀：铝合金4104，未浸蚀，放大100x。电镀板，芯：铝合金2024，电镀：99.5％铝，Dix和Keller浸蚀，放大50x。变形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能，根据要求的纯度和应用不同，既可以作为合金化元素也可以成为杂质。例如，变形合金可以用于机械工程和模具结构中的板材，薄板和带材等轧制产品，以及散热器和热交换器等电镀产品。电镀板材必须集特定的机械性能与高耐腐蚀性于一身，安装铝合金制芯板，这些芯板的两侧覆盖纯铝，并进行轧制。这些电镀薄板用于飞机结构的某些半成品，或者装饰用途，例如汽车装饰件和反射镜等。高强度变形铝合金用于机械工程、输送和电镀应用，以及运动休闲产品，例如滑雪板捆扎件、滑雪杖，以及山地自行车的齿轮等。非硬化合金通过冷加工硬化主要合金元素序列号合金实例纯度高于99%, 含微量Cu, Fe, Si 1xxx Al 99,0; Al 99,5; Al 99,85 Mn 3xxx Al-Mn; Al-Cu-Mn-Mg Mg 5xxx AlMg3; Al-Mg-Mn-Cr 其他元素 8xxx Al-Fe-Si; Al-Li-Mg-Cu采用自然和人工时效工艺硬化的合金Cu 2xxx Al-Cu-Si-Mg Si 4xxx Al-Si-Mg Mg, Si 6xxx Al-Mg-Si Zn 7xxx Al-Zn-Mg-Cu铝越来越多地用作复合材料的基底金属，特别是航空与航天工业所用的纤维增强铝。 α-AlFeSiMnß-AlFeSiMnAl2CuSi铸造合金铝铸件进行合金化的主要目的是提高机械性能，主要合金元素包括硅、镁和铜。超过饱和固溶度的合金元素以纯金属的形式析出，例如硅，或者以共晶和金属间相的形式存在。硅可以提高铝的可铸造性，在共晶合金中，例如AlSi12，在铸造之前添加了少量的钠以细化共晶体。在此细化过程中，硅不是呈粗针状或片状析出（图7），而是与α固溶体形成非常细的共晶体（图8）。在这些合金中，硬化作用是非常低的，因此添加了镁，以便获得时效硬化效果。 铸造合金采用砂型、激冷或压铸等方法铸造。具有特殊性能的合金用来制造各类不同产品，例如活塞座、滑动轴承、机械零件、汽缸盖、闸瓦等。下表列出了部分重要的铸造合金及其性能：AlSi10Mg 时效硬化，抗振，耐腐蚀AlSi5Cu1 时效硬化，良好的可铸造性，用于焊接，用于薄截面铸件AlMg3 耐海水腐蚀AlSi25+ Cu Ni 时效硬化，特种合金，用于活塞，含硅量高，因此耐磨损AlMgSiPb 适用于机加工AlSi9Cu3 可铸造性良好的通用合金，最重要的压力铸造合金图7：铝-硅铸件，未变质处理，放大500x。图8：铝-硅铸件，变质处理，放大500x。图9：铝-硅铸件，用3微米金刚石抛光后，仍可看到细小划痕，放大200x。图10：组织如图9所示，但是用OP-U悬浮液进行精抛光。基底金属精抛后，共晶体具有更高的对比度，放大200x。图6：AlSi6Cu4铸件，可以通过典型颜色分辨各相。随着纯度提高，铝变得更软，并且更易于发生机械变形和划伤。因此，研磨可能会加剧高纯度铝的变形。研磨和抛光剂可能会压入表面。随着合金元素含量增加，铝的硬度也增加，因此铸铝会变得比较容易制备。但是仍然需要强调：铝基底必须仔细抛光，以避免组织分析出错（图9和图10）。铝和铝合金试样制备过程中的难点使用碳化硅砂轮进行铝的切割，这种砂轮广泛适用于有色金属。对于镶样树脂，在大多数情况下，酚醛树脂已足够。薄板、箔和电解抛光试样最好镶嵌在缓慢固化的环氧树脂中，另外，样品应该从镶嵌物后面显露出，作为电解抛光时的触点。 机械研磨和抛光建议用最细的砂粒进行平面研磨，以避免产生过大的机械变形。必须考虑硬度、尺寸和样品数目，但是对于粗磨，即使尺寸较大的纯铝样品，500#砂纸也已足够。较大的铝合金铸件可以用220#或320#砂纸进行研磨。另外很重要的是，研磨时压力要小，以避免产生深层变形，降低砂纸和样品表面之间的摩擦力，对于纯铝，尤为重要。随后必须用金刚石抛光去除研磨产生的所有深划痕。如果不清楚样品的水溶性，那么推荐用无水金刚石悬浮液和润滑剂进行抛光。如果在抛光过程中，金刚石颗粒压入到表面中，那么后面的二氧化硅悬浮液精抛光的时间可适当延长（参见图1）。在很多时候，可以用肉眼看到试样表面的明亮和阴暗区域。这表明精抛光还不足够。需要指出的是：嵌入的颗粒可能会导致组织分析的错误。铝和铝合金试样制备的建议铸铝机械部件的截面图11：铝-硅铸件用OP-S悬浮液抛光过长，硅析出物出现明显浮雕，放大100x。图12：电镀薄板，阳极氧化，晶粒区域清楚可见，适用于自动图像分析，λ1/4-板偏振光，放大100x。图14：纯铝，阳极氧化，轧制造成结构严重变形，不适用于自动图像分析，λ1/4-板偏振光，放大100x。图13：压制件，宏观浸蚀，出现初始析出物和异种析出物，对最终产品的表面造成负面影响。纯铝研磨步骤PGFG1FG2FG3表面碳化硅砂纸碳化硅砂纸碳化硅砂纸碳化硅砂纸砂粒/悬浮液*320 或 50080012004000润滑剂水水水水转速300300300300力(牛)150150150150时间直到磨平30秒30秒30秒抛光步骤DPOP表面MD-Mol**OP-Chem悬浮液DiaPro MolOP-U 或OP-S转速150150力(牛)15090时间4分钟2-5分钟*为避免产生粗糙的划痕，可以用蜡摩擦碳化硅砂纸，然后再研磨。**或者采用MD-Dac纯铝，备选方法研磨步骤PGFG表面碳化硅砂纸DP-Pan砂粒/悬浮液*32015 µm润滑剂水红色(油基)转速300150力(牛)150150时间磨平为止5分钟抛光步骤DPOP表面DP-Dac或 DP/DurOP-Chem砂粒/悬浮液3 µmOP-U或OP-S转速150150力(牛)15090时间4分钟2-5分钟*为避免产生粗糙的划痕，可以用蜡