金相顯微鏡及掃描電鏡在鋁行業中的應用

鋁廣泛應用于建筑、包裝、交通運輸、電力、航空航天等領域，是國民經濟建設、戰略性新興產業和國防科技工業發展不可缺少的重要基礎原材料。
       “十二五”是我國全面建設小康社會的關鍵時期，工業化、城鎮化、信息化深入發展，內需進一步擴大。交通、能源、保障性住房、 城鎮基礎設施和新農村建設等重大工程繼續實施，為有鋁工業發展帶來了更大市場空間。
       由于鋁具有儲量大，開采冶煉多，密度小，高的導電性、導熱性、抗蝕性能，其鑄造性、切削性、加工硬化等手段可以顯著提高鋁合金的強韌性，并使它們具有較高的比強度，因而它們的應用極為廣泛，如高鐵、汽車等交通輕量化用鋁合金，集成電路用電子鋁箔等；鋁工業十二五規劃中提出要大力發展精深加工，以輕質、高強、大規格、耐高溫、耐腐蝕為產品發展方向，發展高性能鋁合金及其深加工產品和工藝。加快開展航空用高抗損傷容限合金、高強度鋁合金品種開發，以及鋁合金薄板、厚板、型材和鍛件的工程化技術開發，滿足航空及國防科技工業對高性能鋁合金材料的要求。開發具有自主知識產權的軌道交通用大型型材用鋁合金新材料、具有較好成形性能的汽車車身用6016類及6022類合金，以及液化天然氣船（LNG）用合金板材生產技術。鼓勵加工企業進一步延伸產業鏈，向鋁部件制造方向發展，為下游制造業提供加工部件及服務。隨著對鋁材料技術的要求，各類新型鋁合金及其鋁合金制備技術也在不斷出現，對鋁合金的分析檢驗也提出了新的要求。
       在鋁工業行業中，對于顯微鏡及掃描電鏡的應用主要分為三個方面，一是鋁工業礦產資源勘查、開發與綜合利用方面；二是鋁產品加工過程中的金相組織檢驗及表面形貌觀察；三是鋁產品使用后的失效分析。
下面我將對顯微鏡及掃描電鏡在這三個方面的應用分別作以闡述：
一、    顯微鏡及掃描電鏡在鋁工業礦產資源勘探開發綜合利用方面的應用
1、    鋁礦產資源勘探開發方面的應用
在鋁礦產資源勘探的過程中開展礦床地質研究，借助偏光顯微鏡及掃描電子顯微鏡對巖石組構，礦物成分，礦物、巖石和礦石的成因特征等進行詳細的觀察和研究是必不可少的方法手段。對偏光顯微鏡及掃描電鏡的性能、指標、功能都有較高的要求。例如作為研究需要，對礦物的顯微結構，特別是礦物內部結構要求觀察清晰、光學參數測定準確性都要求很高。蔡司的偏光顯微鏡結構緊湊、觀察方式齊全、使用方便，非常適合巖、礦石薄片分析領域的研究及檢驗使用。為提高巖石、礦石鑒定和研究水平，需要快速、、、的顯微鏡設備。蔡司的掃描電鏡作為電子光學的領導企業，具有分辨率高，升級空間大，對巖石和礦物的表面形貌分析提供了可靠的依據。
2、    鋁資源開發綜合利用方面----高鋁粉煤灰資源開發
粉煤灰是燃煤電廠排放的主要廢棄物。由于粉煤灰顆粒小，很容易成為塵埃，污染空氣。另一方面，粉煤灰富含氧化鋁、氧化鐵、二氧化硅和其它多種金屬，具有一定的資源價值。因此，綜合治理和利用粉煤灰具有重大的經濟效益和環保意義。為此，我國有色金屬工業十二五規劃中，提出加強內蒙，山西等地區高鋁粉煤灰資源的開發與利用。
采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡，能譜儀等儀器可以研究粉煤灰在提鋁工藝過程中的微觀形貌和組成變化，從而指導其應采取的提鋁工藝，提高鋁粉煤灰中鋁的提取率。所了解，內蒙古地區在國家有色金屬“十二五”政策的支持下，設立專業的科研平臺---大唐國際高鋁煤炭研發中心，據悉該中心近期購買了多臺蔡司的光學顯微鏡來進行粉煤灰的微觀結構研究，響應我國節能環保的發展理念。
3、    鋁資源綜合利用方面----微細球形鋁粉
微細球形鋁粉是國家科技部重點推行的新產品。產品廣泛應用于次金屬顏料，耐火材料，機電，航天，軍工等行業。
對微細球形鋁粉產品特性要求為：1、粒度均勻，分布區間窄，振實密度高。2、球形度高、雜質含量少，活性鋁98%以上。3、外觀呈銀灰色，無外來夾雜物和結團。
采用顯微鏡及掃描電鏡可以對粉末的產品的表面形貌觀察來判斷粉末的球形度，粒度均勻性，從而判斷產品的優良性，針對優良性指導生產工藝，達到市場上對微細球形球形度的要求。

直徑10微米的納米微球形貌

二、鋁產品加工過程中的金相組織檢驗及表面形貌觀察
      對于鋁及鋁合金的分析檢測zui主要的手段為金相組織檢驗及產品表面形貌檢驗，國家500強企業南山鋁業，中國的zui大鋁鎂合金生產基地東北輕合金有限公司，國內鋁合金車輪行業*家上市公司保定立中車輪有限公司，中鋁瑞閩鋁板帶有限公司、廣西南南鋁加工有限公司，魏橋鋁電有限公司都陸續引進了金相顯微鏡及掃描電鏡來武裝公司對產品檢測技術的能力。
1、使用光學顯微鏡進行金相檢驗
     鋁及鋁合金金相檢驗的重要內容是檢驗鋁合金在加工過程中形成的不良組織，如鑄造鋁硅合金中的針狀共晶硅、鑄造鋁合金中的針孔及各類宏觀缺陷，加工鋁合金中加工缺陷、鑄造機形變鋁合金熱處理過程中產生的過熱過燒組織等。這些不良組織會顯著惡化鋁合金的性能，必須通過金相檢驗來判斷鋁合金制品的質量，探討各種缺陷的形成原因，從而改進工藝，提高制品的質量。因而金相檢驗是鋁合金制品質量控制的重要手段。
例如鑄造鋁合金中鋁硅合金系列，鋁硅共晶體中的Si一般呈粗大針狀分布，會降低合金的力學性能。為此采用變質處理來提高該合金系列的綜合性能，經過良好變質處理后，共晶硅得到細化。

圖1 亞共晶鋁硅合金356-F變質處理，兩樣品都用0.5%HF酸侵蝕，100x下觀察。（a）在未經變質處理的鋁硅共晶合金的枝晶間，硅顆粒呈網狀分布；（b）添加0.025%的Na進行變質處理后，硅顆粒變得更小而且邊角更圓。
對于鑄造鋁合金的金相檢驗內容有：鑄造鋁硅合金的變質效果的評定，鑄造鋁硅合金熱處理過燒組織的評定，鑄造鋁銅合金晶粒度的評定。
對于變形鋁及鋁合金制品的金相檢驗內容有：鑄錠的顯微組織檢驗、加工制品淬火及退火試樣檢驗、高溫氧化、包覆層、銅擴散以及晶粒度檢驗。以及鋁合金中的各種組成相和金屬間化合物。

蔡司光學顯微鏡下退火鋁，200x 

2、使用掃描電鏡進行表面形貌檢驗

       采用掃描電鏡及能譜儀研究對鋁材經過一些變形加工工藝處理后的表面形貌檢驗，微觀組織結構，尤其是夾雜物、雜質相等的存在形態、組成及其微觀組織結構的變化規律，對于進一步闡明鋁材冶金品質的改善，對提高性能，尤其是塑性變形性能的關鍵性作用，以保證產品的zui終品質與性能等都具有重要的意義。如中鋁瑞閩鋁板帶有限公司采用了蔡司的掃描電鏡進行了鋁板帶產品的微觀組織構分析，改進了加工工藝，從而提高了鋁板帶產品的質量，提高了產品的力學性能。

三、鋁產品的失效分析
       采用掃描電鏡及能譜儀可以對有色金屬板材進行失效分析，包括斷口分析，腐蝕分析等。如采用掃描電鏡及能譜儀對防銹鋁板表面發生大面積腐蝕進行分析，得出分析結果證明，5052鋁板縫隙腐蝕是導致防銹鋁板表面發生失效的主要原因；對飛機的鋁合金零件在熱帶海洋氣候環境服役條件下所發生的腐蝕問題進行了分析探討。通過鋁合金零件發生腐蝕的微觀形貌和腐蝕產物成分等的分析，結合飛機所處環境條件，給出了鋁合金零件的腐蝕類型和發生剝蝕的過程及原因，并分析了其發生剝蝕的機理等。