鑄態、擠壓態和快速凝固態ZK60鎂合金微觀組織及壓縮性能

王敬豐，魏怡蕓，吳 夏，潘復生，湯愛濤，丁培道

（1重慶大學 國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶400044；2燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島066004）

鑄態、擠壓態和快速凝固態ZK60鎂合金微觀組織及壓縮性能

王敬豐1，2，魏怡蕓1，吳 夏1，潘復生1，湯愛濤1，丁培道1

（1重慶大學 國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶400044；2燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島066004）

采用銅模噴鑄的方法制備得到快速凝固態ZK60鎂合金，并通過X射線衍射儀，掃描顯微鏡和能譜分析儀對鑄態、擠壓態和快速凝固態ZK60鎂合金的組織結構及相的組成進行表征。結果發現：快速凝固態ZK60鎂合金的組織均勻細小，并且樣品中彌散分布著顆粒狀的MgZn相，除此之外，該合金中還存在尺寸較大的富Zr共晶團。通過壓縮實驗發現，快速凝固態ZK60鎂合金具有高強度，其壓縮斷裂強度達到444MPa，遠高于鑄態和擠壓態。

快速凝固；鎂合金；壓縮性能

近年來，隨著航空航天及汽車等領域的快速發展，對材料的輕質高強性能提出了越來越高的要求。鎂合金具有密度低、比強度高、抗沖擊、易回收、散熱好、電磁屏蔽性好以及資源豐富等優點，在電子電器、汽車、航空航天及兵器等領域有著廣闊的應用前景［1，2］。ZK60鎂合金是鎂合金中廣泛運用的含鋯變形鎂合金，擠壓變形后ZK60鎂合金室溫抗拉強度達到350MPa，是商用鎂合金中強度最高的一種［3，4］。然而鎂合金的綜合力學性能仍然較差，這在一定程度上阻礙了鎂的廣泛運用。現階段，人們致力于通過各種方法改善鎂合金的力學性能，總結起來可以分為兩類，第一類是通過合金化的方式提高鎂合金的力學性能，根據目前的文獻報道，通過添加不同RE元素的鎂合金，并配合相應的變形工藝及熱處理可顯著提高鎂合金的力學性能［5－7］。第二種方法則是通過改進制備方法及加工工藝來改善鎂合金的力學性能。其中通過快速凝固工藝制備得到的非平衡態的鎂合金具有極高的強度，Kawamura Y［8］等人通過快速凝固的方法得到了具有長周期堆砌結構的準晶相的Mg－Zn－Y合金，其拉伸屈服強度達到610MPa，而通過快速凝固得到的鎂基非晶合金強度甚至超過1000MPa［9－11］。

本工作通過快速凝固的方法制備ZK60鎂合金，研究快速凝固對ZK60鎂合金的組織結構及力學性能的影響，并為制備具有實際應用前景的高性能的鎂合金材料提供支持。

1 實驗方法

實驗用ZK60鎂合金的成分 （質量分數／%）為5.6Zn，0.57Zr，余量為 Mg。合金所用原料為高純度的Mg錠，Zn錠及Mg－Zr中間合金，通過半連續鑄造方式得到直徑為92mm的鑄態ZK60鎂合金樣品，澆鑄過程中所用的保護氣體為SF6與CO2的混合氣體。將鑄態ZK60鎂合金機加工成φ80mm的擠壓坯，并在390℃下進行12h的均勻化處理，然后在電阻爐內加熱到400℃保溫1.5h后擠壓得到直徑為16mm的棒材。擠壓比為25。以擠壓棒材的中心部位為原料，在氬氣保護條件下，通過感應熔煉將其重熔，并結合噴鑄技術將合金澆入水冷銅模中，制備出尺寸為φ3mm×50mm的圓柱狀快速凝固樣品。

采用PHILIPS X射線衍射儀分析鑄態、擠壓態和快速凝固態ZK60鎂合金樣品的相組成；通過TESCAN VEGAⅡLMU掃描顯微鏡（SEM）對所有樣品進行組織結構的表征，并結合EDS進行成分分析。同時，通過用Perkin Elmer DSC 7型差示掃描量熱儀獲得樣品升溫過程中的吸熱曲線來分析合金的相變點，該測試在氬氣保護下進行，加熱速率為20K／min。鑄態、擠壓態和快速凝固態ZK60鎂合金樣品的力學性能測試在萬能力學實驗機上進行，實驗樣品尺寸為φ3mm×5mm，通過壓縮實驗得到樣品的壓縮應力－應變曲線，并利用MH－3數字式顯微硬度計測試樣品的維氏硬度，選用最大的實驗力為9.8N，加載時間為20s。最后用掃描顯微鏡（SEM）對樣品的斷口進行形貌分析。

2 實驗結果及討論

圖1為鑄態、擠壓態及快速凝固態ZK60鎂合金樣品的XRD分析結果，可以看到它們的析出相是不同的，在鑄態ZK60鎂合金中，除 Mg相外還析出了MgZn2，MgZn相。在擠壓態ZK60鎂合金中僅存在單一的Mg相。而在快速凝固態ZK60鎂合金中除Mg相外，第二相僅是MgZn相。圖2為鑄態、擠壓態及快速凝固態ZK60鎂合金樣品的SEM照片，可以觀察到，鑄態ZK60鎂合金樣品（圖2（a））組織粗大，晶界處存在尺寸較大的白色魚骨狀析出相，根據文獻報道［4］，同時結合XRD結果可以確定，黑色的基體相為α－Mg，而白色的相主要是由 MgZn，MgZn2組成的共晶相。圖2（b）為擠壓態ZK60鎂合金樣品的SEM照片。可以看到樣品中晶粒細小，并沒有發現第二相，但仔細觀察仍能發現部分尺寸較大的晶粒，這可能是在擠壓過程中由于局部升溫而造成部分再結晶晶粒長大。圖2（c）為快速凝固態ZK60鎂合金樣品的SEM照片，該合金由黑色的α－Mg，白色的顆粒狀β相以及尺寸較大的白色共晶團組成，仔細觀察可發現快速凝固態ZK60鎂合金樣品的β相雖近似于網狀分布，主要以顆粒形式彌散分布于基體中，但是并不是連續析出，通過EDS測試可確定白色顆粒狀β相為MgZn相。這一結果與XRD實驗結果是一致的。根據目前的文獻報道［12］，存在于鑄態ZK60中的β相應該是由MgZn相和MgZn2相組成的共晶相，而本實驗所制備的快速凝固態ZK60鎂合金樣品僅具有單一的MgZn相，這可能是由于極高的冷卻速率使先共晶的α－Mg相迅速形成，而液相中的各種元素無法充分擴散，因此避免了形成魚骨狀的共晶組織，直接形成了MgZn相。同時也正是由于較快的凝固速度，抑制了α－Mg的長大，使得沿枝晶邊界及晶界析出的顆粒狀MgZn相彌散分布于基體之中。但值得注意的是，在快速凝固態ZK60鎂合金樣品中（見圖2（c））還發現了尺寸較大的白色共晶團。為進一步確定成分特別進行了面掃描，結果如圖2（d）～（f）所示。發現該共晶團中含有大量的Zr元素，其原子分數高達12%。共晶團富集了大量Zr元素，而Mg元素含量相對較少，同時Zn元素含量幾乎與基體沒有明顯區別。因此認為該共晶團是由Mg，Zn，Zr元素共同組成的非平衡的共晶相。產生該相的原因，推測是由于快速凝固使得固相迅速形成并分割封閉液相，同時由于冷卻速率很快，該液相區域內的Zr元素無法進行擴散，造成局部區域Zr含量異常升高，并被強制凝固，最終形成了富Zr的共晶體團。

圖1 樣品的XRD實驗結果Fig.1 XRD patterns of experimental alloys

圖2 ZK60鎂合金的SEM照片和面掃描結果 （a）鑄態；（b）擠壓態；（c）快速凝固態；（d）～（f）分別為快速凝固態ZK60中 Mg，Zr，Zn元素的面掃描Fig.2 SEM images and EDS mapping of ZK60magnesium alloys （a）as－cast；（b）as－extruded；（c）rapid solidified；（d）－（f）EDS mapping of Mg，Zr，Zn element of rapid solidified ZK60

圖3為鑄態、擠壓態及快速凝固態ZK60鎂合金樣品的差熱分析圖。鑄態及擠壓態的ZK60鎂合金樣品在固相階段未發現相變反應峰。快速凝固的ZK60鎂合金樣品在溫度到達347℃時出現了明顯的吸熱峰，根據Mg－Zn相圖可知，此溫度屬于 Mg－Zn共晶溫度范圍。這說明快速凝固態ZK60鎂合金樣品在該溫度范圍內有低熔點物質發生了熔化。同時，在560℃時出現了明顯的放熱峰，推測這是由于富Zr的共晶團在這一溫度下發生了相變，但相變反應和產物還有待進一步研究。

圖3 樣品的DSC曲線Fig.3 DSC curves of experimental alloys

鑄態、擠壓態及快速凝固態ZK60鎂合金樣品的壓縮應力－應變如圖4所示。鑄態ZK60鎂合金樣品斷裂時的壓縮強度約為200MPa。擠壓態ZK60鎂合金樣品的最大壓縮強度為337MPa，斷裂時的應變量為10%。而在快速凝固態ZK60鎂合金樣品中出現明顯的屈服點，樣品的屈服強度為138MPa，而這一數值遠低于其最大壓縮斷裂強度444MPa，并且其斷裂時的應變量達到了20%。擠壓態與快速凝固態ZK60鎂合金樣品的顯微維氏硬度測試結果如表1所示。擠壓態ZK60鎂合金樣品的硬度值為78.5，而快速凝固態ZK60鎂合金樣品的硬度值得到明顯提高，達到了110.34。

圖4 樣品的壓縮應力－應變曲線Fig.4 Compressive stress－strain curves for experimental alloys

表1 樣品的維氏硬度測試結果Table 1 Result of diamond penetrator hardness test

根據以上的實驗結果可以發現，快速凝固態ZK60鎂合金樣品的強度和硬度均較鑄態及擠壓態ZK60鎂合金樣品有了明顯的提高。而產生這一現象的原因與樣品的組織結構有著明顯的關系。結合之前樣品的SEM圖（見圖2），鑄態ZK60鎂合金樣品不僅晶粒粗大且具有尺寸較大的魚骨狀共晶組織，在變形過程中魚骨狀的共晶相往往會產生應力集中，從而降低合金的力學性能。而對于擠壓態ZK60鎂合金樣品，其晶粒細小，根據 Hall－Patch公式［13，14］可知，細小的晶粒可以提高材料的綜合力學性能，因此擠壓態ZK60鎂合金樣品的壓縮斷裂強度遠遠高于鑄態ZK60鎂合金樣品。快速凝固態ZK60鎂合金樣品，其組織不僅均勻細小，而且還存在彌散分布的MgZn相，該相對位錯滑移能產生阻礙作用，從而提高了其強度和硬度，同時富Zr的共晶團作為增強顆粒均勻的分布于樣品中，進一步提高了該樣品的力學性能。因此，快速凝固態ZK60鎂合金樣品的強度和硬度均高于鑄態和擠壓態。

圖5為鑄態、擠壓態及快速凝固態ZK60鎂合金樣品的斷口SEM圖。由圖5可知，鑄態ZK60鎂合金樣品的斷口具有明顯的解理臺階，表現為典型的脆性斷裂。擠壓態ZK60鎂合金樣品的斷口雖然存在少量韌窩.但斷裂表面光滑，并具有解理臺階，可見擠壓態ZK60鎂合金樣品壓縮斷裂仍然屬于脆性斷裂。而快速凝固態ZK60鎂合金樣品斷口表現出典型的韌性斷裂的特點，在斷面上分布著均勻韌窩，表明該樣品具有較好的塑性，這一結果與其壓縮應力－應變曲線結果是一致的。

圖5 不同狀態ZK60合金樣品的斷口SEM圖（a）鑄態；（b）擠壓態；（c）快速凝固態Fig.5 Fracture morphologies of experimental ZK60alloys in different states（a）as－cast；（b）as－extruded；（c）rapid solidified

3 結論

（1）快速凝固態ZK60鎂合金樣品的組織均勻細小，而且基體中存在大量彌散分布的MgZn相，同時具有尺寸較大的富Zr共晶相。

（2）快速凝固態ZK60鎂合金的力學性能明顯優于鑄態、擠壓態的ZK60鎂合金，這主要是由于快速凝固得到的ZK60鎂合金組織更加均勻細小，彌散分布的MgZn相和均勻分布的共晶團能明顯提高樣品的力學性能。

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Microstructure and Compression Properties of As－cast，As－extruded and Rapid Solidified ZK60Magnesium Alloy

WANG Jing－feng1，2，WEI Yi－yun1，WU Xia1，PAN Fu－sheng1，TANG Ai－tao1，DING Pei－dao1
（1National Engineering Research Center for Magnesium Alloys，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，Yanshan
University，Qinhuangdao 066004，Hebei，China）

Rapid solidified ZK60magnesium alloy was prepared by copper mold casting.The microstructure of the as－cast，as－extruded and rapid solidified ZK60magnesium alloys were analyzed by X－ray diffractometer（XRD）and scanning electron microscope（SEM）.The results show that the microstructure of rapid solidified ZK60magnesium alloys are refined and MgZn phases in dispersed particles are uniformly distributed in the matrix.In addition，the eutectic microstructure with high Zr content can be found in the matrix.The compression strength of rapid solidified ZK60magnesium alloys were higher than those of as－cast and as－extruded conditions，e.g.an ultimate strength of 444MPa in rapid solidified ZK60magnesium alloys.

rapid solidification；magnesium alloy；compression property

TG146.2

A

1001－4381（2011）08－0032－04

國家重點基礎研究發展計劃（973）資助項目（2007CB613704）；國家自然科學杰出青年基金資助項目（50725413）；重慶市科技攻關計劃資助項目（cstc2008AB4114）；重慶市科委資助項目（2010CSTC－HDLS）

2010－03－31；

2011－04－05

王敬豐（1971－），男，教授，博士，現從事鎂合金材料方面的研究工作，聯系地址：重慶大學國家鎂合金材料工程技術研究中心（400030），E－mail：jfwang＠cqu.edu.cn