QATM 奧德鎂 | 一文了解鋁及鋁合金的金相制備全要素

閱讀：46 發布時間：2026-7-21

關于鋁及鋁合金

鋁及其合金是最為常見的有色金屬品類之一，其應用幾乎遍及經濟和現代工業和生活的各個領域。據最新統計，全球（初級）鋁產量在過去十年中幾乎翻了一番——這是工業材料領域發展，這一切可歸功于鋁及鋁合金低比重、耐腐蝕、出色的導電性和高導熱性、無毒以及適用于廣泛的制造方式如鑄造、成型、擠壓、鍛造等突出優勢。

純鋁（純度超過99%的鋁，通常被稱為1xxx系列）是一種輕質金屬，具有明亮的銀白色外觀，晶體結構為面心立方結構，熔點為660°C。純鋁以其出色的延展性、熱/電導性以及由于表面有一層薄薄的氧化層而具有的天然抗腐蝕性而著稱。然而，純鋁相對較軟且強度較低，因此在實際應用中通常會與其他元素結合形成鋁合金。常見的合金元素包括銅、鎂、硅、鋅和錳，每種元素都能形成具有不同特性的合金。例如：

• 2xxx（鋁-銅）：高強度，用于航空航天領域

• 6xxx（鋁-鎂-硅）：中等強度，可塑性強

• 7xxx（鋁-鋅-鎂）：高強度，用于航空航天和運輸領域

鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金又可分為不可熱處理強化型鋁合金和可熱處理強化型鋁合金兩種。按鋁基體中主加元素種類的不同，鑄造鋁合金可分為Al-Si系，Al-Cu系，Al-Mg系金和Al-Zn系等，其中Al-Si合金應用廣泛。

鋁及鋁合金在典型行業的金相制備應用舉例

鋁及其合金的金相制備需求貫穿研發、工藝優化、質量控制及失效分析各個階段，在許多關鍵行業發揮著重要的作用。

01航空航天領域

02汽車交通

鋁合金廣泛應用于發動機、氣缸蓋、變速箱殼體、車輪和結構框架中，以減輕重量。這些部件的微觀結構非常重要：對壓鑄鋁發動機缸體的金屬組織橫截面進行觀察，可發現可能造成部件失效的孔隙或縮松缺陷；可檢查Al-Si合金中的硅顆粒是否細小且分布均勻（通常通過在鑄造過程中添加鍶等變質劑來實現）。對于電動汽車和軌道交通（如高速列車）而言，由于采用鋁合金實現輕量化結構，金相分析可確保擠壓材和鑄件具有均勻一致的質量。

Al-Si合金的拋光表面, 200X

03增材制造

由于快速凝固作用，3D打印的鋁制部件（通常使用AlSi10Mg等合金粉末）可呈現出非常細小的蜂窩狀晶粒和明顯的熔池邊界等獨特微觀結構。金相學在這一新興領域中發揮著關鍵作用，通過分析打印鋁件的層間結合、孔隙率及微觀組織特征來評估其性能。

增材制造AlSi10Mg合金的水平方向組織

（Kroll 腐蝕，100x）

鋁及鋁合金的金相制備難點及應對要點

考慮到鋁及鋁合金的柔軟性和延展性，金相制備時需要更精細的研磨步驟和輕柔的拋光步驟以避免引入諸如劃痕、涂抹或變形等制樣假象。此外，鋁會立即形成氧化層，這會使腐蝕過程變得復雜。

01切割取樣要點

由于硬度低，純鋁及其合金的切割是一項挑戰。為了確保切割精確且無損傷，使用冷卻能力充分的金相切割機至關重要。建議采用較低的切割速度以減少機械損傷和熱損傷。硬粘結的碳化硅專用切割輪能提供最佳效果。這是因為相對于氧化鋁磨料顆粒，碳化硅的硬度更低。

QATM QPREP碳化硅切割輪NF-A對有色金屬和韌性金屬的切削性能進行了優化，尤其適用于切割軟質（例如銅、鋁）和中等硬度有色金屬和合金，具有切割變形小、使用壽命長、損耗低的特點。

02鑲嵌注意事項

鋁樣品可以通過熱鑲嵌、冷鑲嵌或紫外線光固化技術進行鑲嵌。對于那些對溫度或壓力敏感的涂漆、薄型或涂層類樣品，建議采用冷鑲嵌或光固化方法，以避免可能造成的損壞。實踐中如果邊緣保持并非關鍵要求，光固化則是最為快捷的鑲嵌方法，最短1分鐘即可完成鑲嵌。

03研磨與拋光

純鋁及鋁合金較軟，磨拋的過程中容易產生磨粒的嵌入、材料的擠壓變形流和難以去除的磨痕。為了應對這些困難，可將砂紙適量涂蠟、少用金剛石作為磨削材料，減小磨拋時的壓力和轉速。某些情況下可考慮將金剛石懸浮液改成金剛石拋光膏，這樣將有效減少嵌入。此外，鋁合金會隨成分的不同含有不同的強化相顆粒，制備時應在保留顆粒的同時盡力減小浮凸。

在各種研磨耗材中，碳化硅（SiC）砂紙是制備鋁類樣品的優先選擇。由于鋁樣品本身質地較軟，在樣品制備過程中極易變形。使用諸如金剛石磨盤之類的強效耗材可能會引入制備缺陷，并破壞樣品的微觀結構完整性。只要切割操作得當，初始研磨可使用P320或P600 粒度的 SiC 砂紙進行。隨后進行下一步研磨，使用P1200粒度的SiC砂紙；研磨約1~2分鐘后，樣品即可進入拋光階段。

鋁樣品的拋光建議使用軟質拋光布以減少表面變形。QATM SIGMA軟質羊毛布適用于初始拋光步驟。如需1µm拋光階段，建議使用ZETA（短絨、柔軟的合成纖維布）。對于最終拋光，推薦使OMEGA拋光布（耐化學腐蝕的柔軟合成布）搭配膠體二氧化硅精拋液進行，這樣產生的浮凸會比短絨或中長絨毛的拋光布產生淺得多。需要注意的是氧化鋁拋光液不適用于鋁材料的精細拋光，這與其純機械去除機制和無法有效溶解鋁樣品表面的即時氧化層有關。完整的研磨和拋光步驟示例總結在下表中。

鋁/鋁合金樣品制備方案示例

當普通機械磨拋步驟難以去除所有劃痕或需要進行EBSD試樣制備時，也可以考慮電解拋光或在正常磨拋程序外加上振動拋光步驟。

QATM Qpol Vibro振動拋光機

鋁類樣品的腐蝕

腐蝕是鋁及其合金金相制備過程中的關鍵步驟。它能使諸如晶界、晶粒度以及在拋光狀態下難以區分的雜質在顯微鏡下顯現出來。可通過兩種方法進行腐蝕：首先可將樣品常規浸入腐蝕劑中，視分析對象的不同可選擇0.5%HF 水溶液，NAOH水溶液，Keller及Weck試劑等；另一種技術是電解腐蝕。在此過程中，鋁樣品充當陽極，晶界和其他微觀結構特征處會發生選擇性溶解。這種方法提供了可控且均勻的腐蝕，減少了機械損傷，并增強了諸如晶界和夾雜物等細微細節的可見度。Barker試劑是常見的鋁樣品電解腐蝕試劑。此外，陽極覆膜也非常適合鋁及其合金的金相檢驗。

QATM Qetch 1000自動電解拋光腐蝕機，可以一機多用，輕松、安全、高效地實現鋁樣品電解拋光、電解腐蝕及陽極覆膜操作。