Al62Cu25.5Fe12.5準晶磨料的制備及性能

陳千寶，王雁斌，羌建兵，陳 華，王英敏，王 清，董 闖,

(1. 大連理工大學 材料與工程學院，大連 116024 2. 大連理工大學 物理與光電工程學院，大連 116024 3. 大連理工大學 三束材料改性教育部重點實驗室，大連 116024)

研磨拋光是一種重要的構件表面光整加工技術。金屬材料的研磨拋光處理主要可分為機械和非機械型兩類[1]。在機械研磨拋光中，金剛石磨料以其超高的硬度及穩定性，適用于眾多金屬材料的研磨拋光處理，可使樣品表面的粗糙度/光澤度達到相應的工業標準。而對于鋁、鎂和銅等軟金屬或合金材料，由于材料自身的低硬度與易形變等原因，在機械研磨拋光過程中其表面極易被金剛石磨粒劃傷，造成大的二次損傷。目前，以純鋁為代表的軟性金屬的拋光一般通過化學/電解拋光來實現[2-5]。然而，這些非機械處理方法存在耗能大、高污染及對人體健康有害等不足。因此，如何實現軟金屬的高質量機械研磨拋光是人們面臨的實際課題。該問題的解決關鍵在于尋求可與軟金屬材料匹配的新型研磨材料。

準晶材料具有獨特的結構與性能[6-7]。例如，Al-Cu-Fe準晶為代表的穩定二十面體準晶材料，具有高硬度、不粘性、高耐蝕性和摩擦因數低等特性[8-9]。目前，準晶材料主要用作表面改性材料[10]和復合材料的增強體[11-13]。準晶是一類高硬彈比(即H/E，這里，H和 E分別為材料的彈性模量和硬度)材料。例如，Al62Cu25.5Fe12.5準晶的硬度和彈性模量分別為 10和168 GPa[14]，其H/E值達0.06，與傳統磨料剛玉接近[15]。準晶合金不僅硬度高，而且彈性變形能力突出[9,16]，當與其它(軟)金屬材料擠壓摩擦時，這種特性能有效協調摩擦副間的載荷作用，可達到減少乃至避免磨料對軟金屬材料表面的深度劃傷。此外，準晶材料的高脆性將使其在研磨時易發生破碎，從而保持良好的自銳性。由上可見，準晶材料有用作磨粒材料的潛力。由于 Al基準晶的硬度約為傳統金剛石磨料的十分之一，但高出鋁銅等軟金屬材料一個數量級[17]，其可能發展為軟金屬材料機械研磨用的優良磨料。因此，本文作者 制備出高質量的 Al62Cu25.5Fe12.5單相準晶粉末，以其為磨料配制研磨膏，對純鋁軟金屬材料進行表面研磨拋光實驗，研究和探索Al62Cu25.5Fe12.5二十面體準晶磨料的研磨行為與機理。

1 實驗

1.1 Al62Cu25.5Fe12.5準晶合金與粉體制備

以 99.9%Al(質量分數)、99.5%Cu和 99.5%Fe為原料配制Al62Cu25.5Fe12.5(摩爾分數)合金，將金屬原料混合，通過非自耗電弧熔煉法在純氬氣保護下反復熔煉，獲得成分均勻的母合金錠。隨后將合金錠置于800℃下真空退火8 h，空冷后得到高純二十面體準晶單相合金。圖1所示為Al62Cu25.5Fe12.5合金的XRD譜。如圖1(a)所示，Al62Cu25.5Fe12.5鑄態合金錠的XRD譜線中除二十面體準晶(QC)主體相的衍射峰外，還存在高強度的 CsCl型β-Al(Cu,Fe)相衍射峰[18]，這表明β-Al(Cu,Fe) 晶體相大量存在；經800 ℃下真空退火處理8 h后，樣品中β相的衍射峰完全消失(見圖1(b))，形成了單一的二十面體準晶相結構。

將 Al62Cu25.5Fe12.5單相準晶合金置于行星式球磨機中進行機械破碎處理：氬氣保護，轉速300 r/min，球磨12 h，獲取Al62Cu25.5Fe12.5準晶合金粉末。然后用200目過濾篩篩選出粒度小于75 μm的準晶顆粒，粒度檢測儀測定結果表明，所選準晶粉末顆粒的粒徑大都處于10～20 μm之間。同時，X射線衍射分析結果(見圖1(c))確認：在粉末化過程中，Al62Cu25.5Fe12.5準晶沒有發生相變，合金粉末仍然為高純度的單相二十面體準晶。

圖1 Al62Cu25.5Fe12.5合金的XRD譜Fig. 1 XRD patterns of Al62Cu25.5Fe12.5 alloy: (a) As-cast; (b)As-annealed; (c) Quasicrystalline powders

1.2 研磨膏配制及試件處理

以所選準晶粉末為磨料配制研磨膏，其具體組份(質量分數)為：30%準晶微粉+30%混合脂+30%油酸+10%凡士林。經加熱熔化-恒溫保持-超聲攪拌-自然冷卻處理，制成本實驗用研磨膏。

以工業純鋁為試件材料，用200～2 000號砂紙對片狀試件表面進行平整預處理；采用維氏硬度儀在試件表面進行壓痕標記，所用載荷為0.25～9.80 N，以表征研磨過程中準晶磨料對樣品表面缺陷的修復效果。

1.3 研磨拋光與修復試驗

通過自動拋光機對預處理后的試件表面進行研磨光整處理，每隔3 min取出試樣，在金相顯微鏡下觀測樣品表面形貌，并測量壓痕標記對角線的長度變化，以研究Al基二十面體準晶磨料對軟金屬材料的研磨與修復效果，拋光實驗參數見表 1。同時，在相同條件下，用 W1.5金剛石商用研磨膏與此作對比研究。為減小溫度對材料研磨行為的影響，所有磨拋試驗過程均有自來水冷卻。

表1 拋光實驗參數Table 1 Experimental parameters for polishing test

2 結果與討論

2.1 表面光整

圖2和3所示為純Al試樣經Al62Cu25.5Fe12.5準晶和金剛石研磨膏拋光后的表面形貌。從圖2和3可見，研磨膏為Al62Cu25.5Fe12.5準晶時，純Al樣品經3 min拋光后表面劃痕明顯減少，至6 min時，劃痕基本消失，出現類波紋狀起伏形貌；拋光至9 min以后，樣品表面質量趨于穩定，其形貌和光整度基本沒有變化。如圖2(d)所示，試樣表面呈現光滑起伏狀形貌。

在相同實驗參數下，對于由金剛石研磨膏加工的Al試件，拋光處理3 min后，表面不僅明顯殘留有樣品預處理時砂紙造成的原始劃痕，同時還出現了許多縱橫交錯且深淺不一的新劃痕，如圖3(b)所示，這是金剛石超硬顆粒嵌入并在軟金屬 Al表面拖拽形成的二次劃傷。實際上，研磨過程中金剛石超硬磨粒對于軟金屬樣品的切削作用具有研磨拋光與二次劃傷雙重效應，這導致軟金屬樣品表面的劃痕此消彼長，難以被完全清除。實驗結果表明：經 W1.5金剛石研磨 6 min(見圖3(c))和9 min(見圖3(d))的Al試件表面上依然存在著交錯的大劃痕，其表面質量與形貌特征與圖3(b)所示的類似。

為對比Al62Cu25.5Fe12.5準晶和金剛石磨粒對純 Al軟金屬的研磨光整效果，本研究利用 Zygo光學輪廓儀測試了Al試件拋光9 min后的表面粗糙度Ra。如圖4和5所示，準晶磨料處理后Al試件表面的線、面粗糙度分別為0.296和0.306，可以滿足一般的工業光整要求；而經W1.5金剛石光整處理的樣品，其表面線、面粗糙度分別為0.020和0.025，比準晶磨料處理的試樣小一個數量級。造成表面粗糙度差異的主要原因如下：一方面，由于準晶磨料顆粒較大，其粒度分布在10～20 μm 之間，是 W1.5 金剛石磨粒(約 1～2 μm 大小)的10倍，小的顆粒更易獲得平整光亮的表面；另一方面，經準晶磨拋后的樣品表面雖然沒有明顯的劃痕存在，但其呈現的是特殊的波紋起伏特征；而經 W1.5金剛石的研磨樣品，其表面雖然存在深淺不一的劃痕，但整體起伏小而顯得相對平整，導致其總體粗糙度值較小。由此看來，Zygo光學輪廓儀測得的樣品表面粗糙度主要由樣品表面整體的平整度決定，而劃痕等區域缺陷對其值的影響較小；該傳統技術并不能很好地反映起伏狀光滑表面的真實表面質量。此外，與圖 5相比，圖4中存在大量的起伏幅度大的紅黃區域，這可能是準晶微顆粒在研磨拋光過程中附著在樣品表面所致，此現象同時也會導致Al樣品的表面硬度增大。

圖2 工業純Al試樣經Al62Cu25.5Fe12.5準晶研磨拋光后的表面形貌Fig. 2 Surface morphologies of industrial pure Al samples polished by Al62Cu25.5Fe12.5 quasicrystal for different times: (a) 0 min;(b) 3 min; (c) 6 min; (d) 9 min

圖3 工業純Al經W1.5金剛石拋光膏研磨處理后的表面形貌Fig. 3 Surface morphologies of industrial pure Al samples polished by diamond polishing paste (W1.5) for different times: (a) 0 min; (b) 3 min; (c) 6 min; (d) 9 min

圖4 工業純Al樣品表面經準晶研磨處理后的Zygo圖Fig. 4 Zygo images of industrial pure Al surface polished by QC polishing paste

圖5 工業純Al樣品表面經金剛石研磨處理后的Zygo圖Fig. 5 Zygo images of industrial pure Al surface polished by diamond polishing paste

本研究利用掃描電子顯微術研究了純 Al拋光表面的表面形貌與成分，證實了研磨過程中樣品表面的確發生了準晶磨粒的粘著現象。圖6所示為經準晶和金剛石研磨處理后的工業純 Al樣品表面的背散射及對應的二次電子像。與圖 6(c)所示的背散射電子像顯示的單一襯度不同，圖 6(a)所示的拋光表面出現了鮮明的襯度差異：灰色基體上分布著微米級的乳白色顆粒。EDX能譜分析表明，顆粒中除基體元素Al外，還含有大量的Cu和Fe元素，其所測整體成分與準晶合金的名義成分接近。拋光表面的二次電子像進一步表明，經準晶研磨(見圖6(a))的Al材表面好像涂覆著一些物質，類似于傳統拋光過程中經表面流動機制生成的Beilby層，上面分布著許多白色的突起，形成了特殊的起伏狀表面形貌特征。與之相比，經金剛石磨粒拋光的表面，其形貌的二次電子像(見圖 6(d))表面比較潔凈、平整，但存在明顯的劃痕和金剛石磨粒脫落后殘留的凹坑。總體上，經準晶拋磨的Al表面質量沒有劃痕，無明顯的凹坑等缺陷，但起伏較大(見圖6(b))，導致其整體粗糙度較金剛石研磨的表面大。這一結果與先前的光學顯微鏡及 Zygo輪廓儀觀測結論十分吻合。

在機械研磨過程中，常規超硬磨料大多是依托其微粒對樣品表面浮凸的“磨削”作用來實現相關光整效果的。例如 W1.5金剛石研磨膏中的金剛石具有超高的硬度(約 100 GPa)和彈性模量(750～1 050 GPa)，且磨粒棱角分明而銳利，研磨時，它們象“微刀具”一樣楔入樣品，將金屬表面上的高凸不平處切削鏟平，最終達到表面平整的目的。但是，當樣品與研磨膏磨料的硬度差別巨大時(如本工作中Al的硬度比金剛石約低兩個數量級)，超硬磨料很容易嵌入軟金屬基體，導致樣品表面劃痕和凹坑等缺陷的產生，從而惡化了軟金屬樣品表面的光整效果。

與金剛石不同，Al62Cu25.5Fe12.5準晶磨粒與Al樣品的硬度僅相差一個數量級，且準晶具有很強的彈性形變能力。實驗結果初步表明：準晶顆粒對Al樣品表面的光整作用主要是通過相關“抹平”效應實現的。Al樣品是易發生塑性變形的軟金屬材料，在研磨過程中，一方面 Al表面的凸起部分在準晶磨粒“碾壓”下發生塑性流變而攤開，變得平整化；與此同時，表面凹陷部分也會逐步被周圍凸起的流變材料所填平。此外，由于準晶顆粒是一類高H/E材料，其優異的彈性形變能力可有效阻止磨粒對基體表面的劃傷和切入，最終獲得無劃痕且具有起伏特征的光整表面。因此，準晶磨粒對 Al等軟金屬表面的研磨效果與其獨特的研磨行為是密切相關。由于準晶磨料的拋光機理是一個全新的課題，涉及到準晶這類特殊材料的結構與性能等諸多因素，相關研究正在系統開展中。

圖6 經準晶和金剛石研磨處理后的工業純Al樣品表面的背散射及對應的二次電子像Fig. 6 Back-scattering and secondary-electron images of industrial pure Al surfaces polished by QC and diamond polishing pastes:(a) Back-scattering image, QC; (b) Secondary-electron image, diamond; (c) Back-scattering image, QC; (d) Secondary-electron image, diamond

2.2 表面修復

準晶磨料的表面光整行為研究表明：準晶拋光膏粒子大多為類球形，憑借其適當的硬度和優異的彈性變形能力，在拋光過程中準晶磨料主要以滾動和碾壓方式達到對樣品表面的研磨拋光效果，并避免了軟金屬樣品表面的二次劃傷現象發生，最終形成了類Beilby層的無劃痕表面研磨特征。鑒于準晶磨料這種特殊的“抹平”式光整效果，可以設想：如果原始樣品存在較大的表面缺陷時，通過準晶磨料的“抹平”作用，缺陷周圍的基體可能被“擠”填到凹陷處，從而產生“缺陷修復”效果。為驗證這一設想，本研究利用維氏顯微硬度計在0.25～9.80 N載荷下對工業純Al表面做一系列標記，如圖7(a)和(e)所示。選定4.90 N壓痕標記為研究對象，每拋光3 min測量一次該標記的對角線長度，以表征“缺陷”大小的演變情況。

圖7 Al試件表面標記形貌隨拋光時間的演變Fig. 7 Optical images of indentation markers on surfaces of industrial pure Al samples polished by QC ((a)-(d)) and diamond((e)-(g)), respectively, for different times: (a), (e) 0 min; (b), (f) 3 min; (c), (g) 6 min; (d), (h) 9 min

由圖7可以看出，隨著拋光時間的增加，經準晶研磨膏處理(見圖7(b)～(d))的工業純Al表面標記的輪廓逐漸趨于模糊，對角線長度也明顯減小。這是壓痕受到準晶磨粒碾壓后棱角逐步鈍化、與周圍基體過渡平緩的結果；而由金剛石研磨膏處理(見圖7(f)～(h))的樣品表面壓痕標記的對角線雖然也隨拋光時間的增長而呈現減小趨勢，但其與周圍基體界限分明，輪廓依然清晰明銳。

試件表面壓痕標記的對角線長度隨拋光時間變化的具體情況見圖 8。由于準晶磨料對應的壓痕輪廓模糊，其對角線長度測量誤差相對較大。由圖8可以看出，壓痕大小開始階段下降速度較快，隨拋光時間的增加，其變化減緩。9 min后，金剛石研磨的表面變化趨于平穩，而準晶研磨的表面還呈明顯的下降趨勢。與金剛石磨料相比，相同時間內經準晶磨料研磨處理的表面標記面積減小更顯著。

實際上，對于小載荷造成的小壓痕標記，拋光 9 min后，在準晶磨料研磨過的Al表面上已難以辨別(見圖9(a))；而金剛石研磨過的表面上的壓痕印記十分明銳清晰(見圖 9(b))。這一結果與兩種磨料對樣品的研磨光整行為和機制是完全吻合的。因為，“切削”與“碾壓抹平”都可導致樣品表面印記或缺陷變小，但在研磨量較小的光整處理工藝中，僅有“碾壓抹平”作用的準晶磨料可表現出顯著的表面“缺陷修復”效果。

圖8 壓痕標記對角線長度隨拋光時間的變化Fig. 8 Variation of diagonal length of markers against polishing time

圖9 經準晶和金剛石研磨膏研磨9 min后壓痕標記的形貌Fig. 9 Morphologies of indentation markers after 9 min polishing by QC (a) and diamond (b) pastes

4 結論

1) 以單相 Al62Cu25.5Fe12.5準晶粉末為磨料的研磨膏，可以實現軟金屬Al的表面研磨拋光處理，能夠有效地去除基體表面劃痕，并不產生大的二次劃傷。

2) 由于本實驗制得的準晶粉末粒度在 10～20 μm之間，比W1.5金剛石研磨膏中金剛石粉末(粒度在1～2 μm之間)大一個數量級，導致研磨后的表面粗糙度相對較大，其面、線粗糙度Ra分別為0.306和0.296。

3) 對比發現，在基體表面有明顯缺陷的情況下，由于準晶磨料對樣品表面的“碾抹”作用，從而產生明顯的表面“缺陷修復”效果。

4) 準晶材料有望發展成適于軟性金屬或合金材料表面機械研磨處理用優質磨料。

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