铸态、挤压态和快速凝固态ZK60镁合金微观组织及压缩性能

王敬丰，魏怡芸，吴 夏，潘复生，汤爱涛，丁培道

（1重庆大学 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆400044；2燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛066004）

铸态、挤压态和快速凝固态ZK60镁合金微观组织及压缩性能

王敬丰1，2，魏怡芸1，吴 夏1，潘复生1，汤爱涛1，丁培道1

（1重庆大学 国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆400044；2燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛066004）

采用铜模喷铸的方法制备得到快速凝固态ZK60镁合金，并通过X射线衍射仪，扫描显微镜和能谱分析仪对铸态、挤压态和快速凝固态ZK60镁合金的组织结构及相的组成进行表征。结果发现：快速凝固态ZK60镁合金的组织均匀细小，并且样品中弥散分布着颗粒状的MgZn相，除此之外，该合金中还存在尺寸较大的富Zr共晶团。通过压缩实验发现，快速凝固态ZK60镁合金具有高强度，其压缩断裂强度达到444MPa，远高于铸态和挤压态。

快速凝固；镁合金；压缩性能

近年来，随着航空航天及汽车等领域的快速发展，对材料的轻质高强性能提出了越来越高的要求。镁合金具有密度低、比强度高、抗冲击、易回收、散热好、电磁屏蔽性好以及资源丰富等优点，在电子电器、汽车、航空航天及兵器等领域有着广阔的应用前景［1，2］。ZK60镁合金是镁合金中广泛运用的含锆变形镁合金，挤压变形后ZK60镁合金室温抗拉强度达到350MPa，是商用镁合金中强度最高的一种［3，4］。然而镁合金的综合力学性能仍然较差，这在一定程度上阻碍了镁的广泛运用。现阶段，人们致力于通过各种方法改善镁合金的力学性能，总结起来可以分为两类，第一类是通过合金化的方式提高镁合金的力学性能，根据目前的文献报道，通过添加不同RE元素的镁合金，并配合相应的变形工艺及热处理可显著提高镁合金的力学性能［5－7］。第二种方法则是通过改进制备方法及加工工艺来改善镁合金的力学性能。其中通过快速凝固工艺制备得到的非平衡态的镁合金具有极高的强度，Kawamura Y［8］等人通过快速凝固的方法得到了具有长周期堆砌结构的准晶相的Mg－Zn－Y合金，其拉伸屈服强度达到610MPa，而通过快速凝固得到的镁基非晶合金强度甚至超过1000MPa［9－11］。

本工作通过快速凝固的方法制备ZK60镁合金，研究快速凝固对ZK60镁合金的组织结构及力学性能的影响，并为制备具有实际应用前景的高性能的镁合金材料提供支持。

1 实验方法

实验用ZK60镁合金的成分 （质量分数／%）为5.6Zn，0.57Zr，余量为 Mg。合金所用原料为高纯度的Mg锭，Zn锭及Mg－Zr中间合金，通过半连续铸造方式得到直径为92mm的铸态ZK60镁合金样品，浇铸过程中所用的保护气体为SF6与CO2的混合气体。将铸态ZK60镁合金机加工成φ80mm的挤压坯，并在390℃下进行12h的均匀化处理，然后在电阻炉内加热到400℃保温1.5h后挤压得到直径为16mm的棒材。挤压比为25。以挤压棒材的中心部位为原料，在氩气保护条件下，通过感应熔炼将其重熔，并结合喷铸技术将合金浇入水冷铜模中，制备出尺寸为φ3mm×50mm的圆柱状快速凝固样品。

采用PHILIPS X射线衍射仪分析铸态、挤压态和快速凝固态ZK60镁合金样品的相组成；通过TESCAN VEGAⅡLMU扫描显微镜（SEM）对所有样品进行组织结构的表征，并结合EDS进行成分分析。同时，通过用Perkin Elmer DSC 7型差示扫描量热仪获得样品升温过程中的吸热曲线来分析合金的相变点，该测试在氩气保护下进行，加热速率为20K／min。铸态、挤压态和快速凝固态ZK60镁合金样品的力学性能测试在万能力学实验机上进行，实验样品尺寸为φ3mm×5mm，通过压缩实验得到样品的压缩应力－应变曲线，并利用MH－3数字式显微硬度计测试样品的维氏硬度，选用最大的实验力为9.8N，加载时间为20s。最后用扫描显微镜（SEM）对样品的断口进行形貌分析。

2 实验结果及讨论

图1为铸态、挤压态及快速凝固态ZK60镁合金样品的XRD分析结果，可以看到它们的析出相是不同的，在铸态ZK60镁合金中，除 Mg相外还析出了MgZn2，MgZn相。在挤压态ZK60镁合金中仅存在单一的Mg相。而在快速凝固态ZK60镁合金中除Mg相外，第二相仅是MgZn相。图2为铸态、挤压态及快速凝固态ZK60镁合金样品的SEM照片，可以观察到，铸态ZK60镁合金样品（图2（a））组织粗大，晶界处存在尺寸较大的白色鱼骨状析出相，根据文献报道［4］，同时结合XRD结果可以确定，黑色的基体相为α－Mg，而白色的相主要是由 MgZn，MgZn2组成的共晶相。图2（b）为挤压态ZK60镁合金样品的SEM照片。可以看到样品中晶粒细小，并没有发现第二相，但仔细观察仍能发现部分尺寸较大的晶粒，这可能是在挤压过程中由于局部升温而造成部分再结晶晶粒长大。图2（c）为快速凝固态ZK60镁合金样品的SEM照片，该合金由黑色的α－Mg，白色的颗粒状β相以及尺寸较大的白色共晶团组成，仔细观察可发现快速凝固态ZK60镁合金样品的β相虽近似于网状分布，主要以颗粒形式弥散分布于基体中，但是并不是连续析出，通过EDS测试可确定白色颗粒状β相为MgZn相。这一结果与XRD实验结果是一致的。根据目前的文献报道［12］，存在于铸态ZK60中的β相应该是由MgZn相和MgZn2相组成的共晶相，而本实验所制备的快速凝固态ZK60镁合金样品仅具有单一的MgZn相，这可能是由于极高的冷却速率使先共晶的α－Mg相迅速形成，而液相中的各种元素无法充分扩散，因此避免了形成鱼骨状的共晶组织，直接形成了MgZn相。同时也正是由于较快的凝固速度，抑制了α－Mg的长大，使得沿枝晶边界及晶界析出的颗粒状MgZn相弥散分布于基体之中。但值得注意的是，在快速凝固态ZK60镁合金样品中（见图2（c））还发现了尺寸较大的白色共晶团。为进一步确定成分特别进行了面扫描，结果如图2（d）～（f）所示。发现该共晶团中含有大量的Zr元素，其原子分数高达12%。共晶团富集了大量Zr元素，而Mg元素含量相对较少，同时Zn元素含量几乎与基体没有明显区别。因此认为该共晶团是由Mg，Zn，Zr元素共同组成的非平衡的共晶相。产生该相的原因，推测是由于快速凝固使得固相迅速形成并分割封闭液相，同时由于冷却速率很快，该液相区域内的Zr元素无法进行扩散，造成局部区域Zr含量异常升高，并被强制凝固，最终形成了富Zr的共晶体团。

图1 样品的XRD实验结果Fig.1 XRD patterns of experimental alloys

图2 ZK60镁合金的SEM照片和面扫描结果 （a）铸态；（b）挤压态；（c）快速凝固态；（d）～（f）分别为快速凝固态ZK60中 Mg，Zr，Zn元素的面扫描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

图3为铸态、挤压态及快速凝固态ZK60镁合金样品的差热分析图。铸态及挤压态的ZK60镁合金样品在固相阶段未发现相变反应峰。快速凝固的ZK60镁合金样品在温度到达347℃时出现了明显的吸热峰，根据Mg－Zn相图可知，此温度属于 Mg－Zn共晶温度范围。这说明快速凝固态ZK60镁合金样品在该温度范围内有低熔点物质发生了熔化。同时，在560℃时出现了明显的放热峰，推测这是由于富Zr的共晶团在这一温度下发生了相变，但相变反应和产物还有待进一步研究。

图3 样品的DSC曲线Fig.3 DSC curves of experimental alloys

铸态、挤压态及快速凝固态ZK60镁合金样品的压缩应力－应变如图4所示。铸态ZK60镁合金样品断裂时的压缩强度约为200MPa。挤压态ZK60镁合金样品的最大压缩强度为337MPa，断裂时的应变量为10%。而在快速凝固态ZK60镁合金样品中出现明显的屈服点，样品的屈服强度为138MPa，而这一数值远低于其最大压缩断裂强度444MPa，并且其断裂时的应变量达到了20%。挤压态与快速凝固态ZK60镁合金样品的显微维氏硬度测试结果如表1所示。挤压态ZK60镁合金样品的硬度值为78.5，而快速凝固态ZK60镁合金样品的硬度值得到明显提高，达到了110.34。

图4 样品的压缩应力－应变曲线Fig.4 Compressive stress－strain curves for experimental alloys

表1 样品的维氏硬度测试结果Table 1 Result of diamond penetrator hardness test

根据以上的实验结果可以发现，快速凝固态ZK60镁合金样品的强度和硬度均较铸态及挤压态ZK60镁合金样品有了明显的提高。而产生这一现象的原因与样品的组织结构有着明显的关系。结合之前样品的SEM图（见图2），铸态ZK60镁合金样品不仅晶粒粗大且具有尺寸较大的鱼骨状共晶组织，在变形过程中鱼骨状的共晶相往往会产生应力集中，从而降低合金的力学性能。而对于挤压态ZK60镁合金样品，其晶粒细小，根据 Hall－Patch公式［13，14］可知，细小的晶粒可以提高材料的综合力学性能，因此挤压态ZK60镁合金样品的压缩断裂强度远远高于铸态ZK60镁合金样品。快速凝固态ZK60镁合金样品，其组织不仅均匀细小，而且还存在弥散分布的MgZn相，该相对位错滑移能产生阻碍作用，从而提高了其强度和硬度，同时富Zr的共晶团作为增强颗粒均匀的分布于样品中，进一步提高了该样品的力学性能。因此，快速凝固态ZK60镁合金样品的强度和硬度均高于铸态和挤压态。

图5为铸态、挤压态及快速凝固态ZK60镁合金样品的断口SEM图。由图5可知，铸态ZK60镁合金样品的断口具有明显的解理台阶，表现为典型的脆性断裂。挤压态ZK60镁合金样品的断口虽然存在少量韧窝.但断裂表面光滑，并具有解理台阶，可见挤压态ZK60镁合金样品压缩断裂仍然属于脆性断裂。而快速凝固态ZK60镁合金样品断口表现出典型的韧性断裂的特点，在断面上分布着均匀韧窝，表明该样品具有较好的塑性，这一结果与其压缩应力－应变曲线结果是一致的。

图5 不同状态ZK60合金样品的断口SEM图（a）铸态；（b）挤压态；（c）快速凝固态Fig.5 Fracture morphologies of experimental ZK60alloys in different states（a）as－cast；（b）as－extruded；（c）rapid solidified

3 结论

（1）快速凝固态ZK60镁合金样品的组织均匀细小，而且基体中存在大量弥散分布的MgZn相，同时具有尺寸较大的富Zr共晶相。

（2）快速凝固态ZK60镁合金的力学性能明显优于铸态、挤压态的ZK60镁合金，这主要是由于快速凝固得到的ZK60镁合金组织更加均匀细小，弥散分布的MgZn相和均匀分布的共晶团能明显提高样品的力学性能。

［1］ POLMEAR I J.Magnesium alloys and applications［J］.Materials Science and Technology，1994，10（1）：1－16.

［2］ MORDIKE B L，EBERT T.Magnesium properties－applicationspotential［J］.Materials Science and Engineering A，2001，302（1）：37－45.

［3］ 彭建，张丁非，杨椿楣，等.ZK60镁合金铸坯均匀化退火研究［J］.材料工程，2004，（8）：32－35.

［4］ 麻彦龙，左汝林，汤爱涛，等.时效ZK60镁合金中的合金相探索［J］.重庆大学学报，2004，27（12）：91－94.

［5］ 李杰华，介万奇，杨光昱.稀有Gd对 Mg－Nd－Zn－Zr镁合金组织和性能的影响［J］.稀有金属材料与工程，2008，37（10）：1751－1755.

［6］ XU D K，LIU L，XU Y B，et al.The effect of precipitates on the mechanical properties of ZK60－Y alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2006，420（1）：322－332.

［7］ ZHANG Y，ZENG X Q，LIU L F，et al.Effects of yttrium on microstructure and mechanical properties of hot－extruded Mg－Zn－Y－Zr alloys［J］.Materials Science and Engineering A，2004，373（1）：320－327.

［8］ KAWAMURA Y，HAYASHI K，INOUE A，et al.Rapidly solidified powder metallurgy Mg97Zn1Y2alloys with excellent tensile yield strength above 600MPa［J］.Mater Trans，2001，42（7）：1172－1176.

［9］ LEE P Y，LIU W C，LIN C K，et al.Fabrication of Mg－Y－Cu bulk metallic glass by mechanical alloying and hot consolidation［J］.Materials Science and Engineering A，2007，499／451（1）：1095－1098.

［10］ YUAN G Y，INOUE A.The effect of Ni substitution on the glass－forming ability and mechanical properties of Mg－Cu－Gd metallic glass alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，2005，387（1）：134－138.

［11］ CHANG Y C，HUNG T H，CHEN H M，et al.Viscous flow behavior and thermal properties of bulk amorphous Mg58Cu31Y11alloy［J］.Intermetallics，2007，15（10）：1303－1308.

［12］ WEI L Y，DUNLOP G L，WESTENGEN H.The intergranular microstructure of cast Mg－Zn and Mg－Zn－rare earth alloys［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，1995，26（8）：1947－1955.

［13］ HALL E O.The deformation and ageing of mild steel：III discussion of results［J］.Proceedings of the Physical Society of London Section B，1951，64（1）：747－753.

［14］ PETCH N J.The cleavage strength of polycrystals［J］.Journal of the Iron Steel Institute，1953，174（1）：25－28.

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

国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2007CB613704）；国家自然科学杰出青年基金资助项目（50725413）；重庆市科技攻关计划资助项目（cstc2008AB4114）；重庆市科委资助项目（2010CSTC－HDLS）

2010－03－31；

2011－04－05

王敬丰（1971－），男，教授，博士，现从事镁合金材料方面的研究工作，联系地址：重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心（400030），E－mail：jfwang＠cqu.edu.cn