金相显微镜及扫描电镜在铝行业中的应用

铝广泛应用于建筑、包装、交通运输、电力、航空航天等领域，是国民经济建设、战略性新兴产业和国防科技工业发展不可缺少的重要基础原材料。
       “十二五”是我国全面建设小康社会的关键时期，工业化、城镇化、信息化深入发展，内需进一步扩大。交通、能源、保障性住房、 城镇基础设施和新农村建设等重大工程继续实施，为有铝工业发展带来了更大市场空间。
       由于铝具有储量大，开采冶炼多，密度小，高的导电性、导热性、抗蚀性能，其铸造性、切削性、加工硬化等手段可以显著提高铝合金的强韧性，并使它们具有较高的比强度，因而它们的应用极为广泛，如高铁、汽车等交通轻量化用铝合金，集成电路用电子铝箔等；铝工业十二五规划中提出要大力发展精深加工，以轻质、高强、大规格、耐高温、耐腐蚀为产品发展方向，发展高性能铝合金及其深加工产品和工艺。加快开展航空用高抗损伤容限合金、高强度铝合金品种开发，以及铝合金薄板、厚板、型材和锻件的工程化技术开发，满足航空及国防科技工业对高性能铝合金材料的要求。开发具有自主知识产权的轨道交通用大型型材用铝合金新材料、具有较好成形性能的汽车车身用6016类及6022类合金，以及液化天然气船（LNG）用合金板材生产技术。鼓励加工企业进一步延伸产业链，向铝部件制造方向发展，为下游制造业提供加工部件及服务。随着对铝材料技术的要求，各类新型铝合金及其铝合金制备技术也在不断出现，对铝合金的分析检验也提出了新的要求。
       在铝工业行业中，对于显微镜及扫描电镜的应用主要分为三个方面，一是铝工业矿产资源勘查、开发与综合利用方面；二是铝产品加工过程中的金相组织检验及表面形貌观察；三是铝产品使用后的失效分析。
下面我将对显微镜及扫描电镜在这三个方面的应用分别作以阐述：
一、    显微镜及扫描电镜在铝工业矿产资源勘探开发综合利用方面的应用
1、    铝矿产资源勘探开发方面的应用
在铝矿产资源勘探的过程中开展高端矿床地质研究，借助偏光显微镜及扫描电子显微镜对岩石组构，矿物成分，矿物、岩石和矿石的成因特征等进行详细的观察和研究是必不可少的方法手段。对偏光显微镜及扫描电镜的性能、指标、功能都有较高的要求。例如作为研究需要，对矿物的显微结构，特别是矿物内部结构要求观察清晰、光学参数测定准确性都要求很高。蔡司的偏光显微镜结构紧凑、观察方式齐全、使用方便，非常适合岩、矿石薄片分析领域的研究及检验使用。为提高岩石、矿石鉴定和研究水平，需要快速、高效、精准、高端的显微镜设备。蔡司的扫描电镜作为电子光学的领导企业，具有分辨率高，升级空间大，对岩石和矿物的表面形貌分析提供了可靠的依据。
2、    铝资源开发综合利用方面----高铝粉煤灰资源开发
粉煤灰是燃煤电厂排放的主要废弃物。由于粉煤灰颗粒小，很容易成为尘埃，污染空气。另一方面，粉煤灰富含氧化铝、氧化铁、二氧化硅和其它多种金属，具有一定的资源价值。因此，综合治理和利用粉煤灰具有重大的经济效益和环保意义。为此，我国有色金属工业十二五规划中，提出加强内蒙，山西等地区高铝粉煤灰资源的开发与利用。
采用光学显微镜、扫描电子显微镜，能谱仪等仪器可以研究粉煤灰在提铝工艺过程中的微观形貌和组成变化，从而指导其应采取的提铝工艺，提高铝粉煤灰中铝的提取率。所了解，内蒙古地区在国家有色金属“十二五”政策的支持下，设立专业的科研平台---大唐国际高铝煤炭研发中心，据悉该中心近期购买了多台蔡司的光学显微镜来进行粉煤灰的微观结构研究，响应我国节能环保的发展理念。
3、    铝资源综合利用方面----微细球形铝粉
微细球形铝粉是国家科技部重点推行的新产品。产品广泛应用于高档次金属颜料，耐火材料，机电，航天，军工等行业。
对微细球形铝粉产品特性要求为：1、粒度均匀，分布区间窄，振实密度高。2、球形度高、杂质含量少，活性铝98%以上。3、外观呈银灰色，无外来夹杂物和结团。
采用显微镜及扫描电镜可以对粉末的产品的表面形貌观察来判断粉末的球形度，粒度均匀性，从而判断产品的优良性，针对优良性指导生产工艺，达到市场上对微细球形球形度的要求。

直径10微米的纳米微球形貌

二、铝产品加工过程中的金相组织检验及表面形貌观察
      对于铝及铝合金的分析检测zui主要的手段为金相组织检验及产品表面形貌检验，国家500强企业南山铝业，中国的zui大铝镁合金生产基地东北轻合金有限公司，国内铝合金车轮行业*家上市公司保定立中车轮有限公司，中铝瑞闽铝板带有限公司、广西南南铝加工有限公司，魏桥铝电有限公司都陆续引进了金相显微镜及扫描电镜来武装公司对产品检测技术的能力。
1、使用光学显微镜进行金相检验
     铝及铝合金金相检验的重要内容是检验铝合金在加工过程中形成的不良组织，如铸造铝硅合金中的针状共晶硅、铸造铝合金中的针孔及各类宏观缺陷，加工铝合金中加工缺陷、铸造机形变铝合金热处理过程中产生的过热过烧组织等。这些不良组织会显著恶化铝合金的性能，必须通过金相检验来判断铝合金制品的质量，探讨各种缺陷的形成原因，从而改进工艺，提高制品的质量。因而金相检验是铝合金制品质量控制的重要手段。
例如铸造铝合金中铝硅合金系列，铝硅共晶体中的Si一般呈粗大针状分布，会降低合金的力学性能。为此采用变质处理来提高该合金系列的综合性能，经过良好变质处理后，共晶硅得到细化。

图1 亚共晶铝硅合金356-F变质处理，两样品都用0.5%HF酸侵蚀，100x下观察。（a）在未经变质处理的铝硅共晶合金的枝晶间，硅颗粒呈网状分布；（b）添加0.025%的Na进行变质处理后，硅颗粒变得更小而且边角更圆。
对于铸造铝合金的金相检验内容有：铸造铝硅合金的变质效果的评定，铸造铝硅合金热处理过烧组织的评定，铸造铝铜合金晶粒度的评定。
对于变形铝及铝合金制品的金相检验内容有：铸锭的显微组织检验、加工制品淬火及退火试样检验、高温氧化、包覆层、铜扩散以及晶粒度检验。以及铝合金中的各种组成相和金属间化合物。

蔡司光学显微镜下退火铝，200x 

2、使用扫描电镜进行表面形貌检验

       采用扫描电镜及能谱仪研究对铝材经过一些变形加工工艺处理后的表面形貌检验，微观组织结构，尤其是夹杂物、杂质相等的存在形态、组成及其微观组织结构的变化规律，对于进一步阐明铝材冶金品质的改善，对提高性能，尤其是塑性变形性能的关键性作用，以保证产品的zui终品质与性能等都具有重要的意义。如中铝瑞闽铝板带有限公司采用了蔡司的扫描电镜进行了铝板带产品的微观组织构分析，改进了加工工艺，从而提高了铝板带产品的质量，提高了产品的力学性能。

三、铝产品的失效分析
       采用扫描电镜及能谱仪可以对有色金属板材进行失效分析，包括断口分析，腐蚀分析等。如采用扫描电镜及能谱仪对防锈铝板表面发生大面积腐蚀进行分析，得出分析结果证明，5052铝板缝隙腐蚀是导致防锈铝板表面发生失效的主要原因；对飞机的铝合金零件在热带海洋气候环境服役条件下所发生的腐蚀问题进行了分析探讨。通过铝合金零件发生腐蚀的微观形貌和腐蚀产物成分等的分析，结合飞机所处环境条件，给出了铝合金零件的腐蚀类型和发生剥蚀的过程及原因，并分析了其发生剥蚀的机理等。