王敬豐，魏怡蕓，吳 夏，潘復(fù)生，湯愛濤，丁培道

（1重慶大學(xué) 國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶400044；2燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島066004）

鑄態(tài)、擠壓態(tài)和快速凝固態(tài)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(fù)生1，湯愛濤1，丁培道1

（1重慶大學(xué) 國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶400044；2燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tài)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(duì)鑄態(tài)、擠壓態(tài)和快速凝固態(tài)ZK60鎂合金的組織結(jié)構(gòu)及相的組成進(jìn)行表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：快速凝固態(tài)ZK60鎂合金的組織均勻細(xì)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(tuán)。通過壓縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，快速凝固態(tài)ZK60鎂合金具有高強(qiáng)度，其壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)到444MPa，遠(yuǎn)高于鑄態(tài)和擠壓態(tài)。

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(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)材料的輕質(zhì)高強(qiáng)性能提出了越來越高的要求。鎂合金具有密度低、比強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，在電子電器、汽車、航空航天及兵器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。ZK60鎂合金是鎂合金中廣泛運(yùn)用的含鋯變形鎂合金，擠壓變形后ZK60鎂合金室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到350MPa，是商用鎂合金中強(qiáng)度最高的一種［3，4］。然而鎂合金的綜合力學(xué)性能仍然較差，這在一定程度上阻礙了鎂的廣泛運(yùn)用。現(xiàn)階段，人們致力于通過各種方法改善鎂合金的力學(xué)性能，總結(jié)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(xué)性能，根據(jù)目前的文獻(xiàn)報(bào)道，通過添加不同RE元素的鎂合金，并配合相應(yīng)的變形工藝及熱處理可顯著提高鎂合金的力學(xué)性能［5－7］。第二種方法則是通過改進(jìn)制備方法及加工工藝來改善鎂合金的力學(xué)性能。其中通過快速凝固工藝制備得到的非平衡態(tài)的鎂合金具有極高的強(qiáng)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(jié)構(gòu)的準(zhǔn)晶相的Mg－Zn－Y合金，其拉伸屈服強(qiáng)度達(dá)到610MPa，而通過快速凝固得到的鎂基非晶合金強(qiáng)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(duì)ZK60鎂合金的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，并為制備具有實(shí)際應(yīng)用前景的高性能的鎂合金材料提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用ZK60鎂合金的成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）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(xù)鑄造方式得到直徑為92mm的鑄態(tài)ZK60鎂合金樣品，澆鑄過程中所用的保護(hù)氣體為SF6與CO2的混合氣體。將鑄態(tài)ZK60鎂合金機(jī)加工成φ80mm的擠壓坯，并在390℃下進(jìn)行12h的均勻化處理，然后在電阻爐內(nèi)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(hù)條件下，通過感應(yīng)熔煉將其重熔，并結(jié)合噴鑄技術(shù)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(tài)、擠壓態(tài)和快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的相組成；通過TESCAN VEGAⅡLMU掃描顯微鏡（SEM）對(duì)所有樣品進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)的表征，并結(jié)合EDS進(jìn)行成分分析。同時(shí)，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(diǎn)，該測(cè)試在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，加熱速率為20K／min。鑄態(tài)、擠壓態(tài)和快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的力學(xué)性能測(cè)試在萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)樣品尺寸為φ3mm×5mm，通過壓縮實(shí)驗(yàn)得到樣品的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線，并利用MH－3數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)試樣品的維氏硬度，選用最大的實(shí)驗(yàn)力為9.8N，加載時(shí)間為20s。最后用掃描顯微鏡（SEM）對(duì)樣品的斷口進(jìn)行形貌分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖1為鑄態(tài)、擠壓態(tài)及快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的XRD分析結(jié)果，可以看到它們的析出相是不同的，在鑄態(tài)ZK60鎂合金中，除 Mg相外還析出了MgZn2，MgZn相。在擠壓態(tài)ZK60鎂合金中僅存在單一的Mg相。而在快速凝固態(tài)ZK60鎂合金中除Mg相外，第二相僅是MgZn相。圖2為鑄態(tài)、擠壓態(tài)及快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的SEM照片，可以觀察到，鑄態(tài)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(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［4］，同時(shí)結(jié)合XRD結(jié)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(tài)ZK60鎂合金樣品的SEM照片?？梢钥吹綐悠分芯Я＜?xì)小，并沒有發(fā)現(xiàn)第二相，但仔細(xì)觀察仍能發(fā)現(xiàn)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(jié)晶晶粒長大。圖2（c）為快速凝固態(tài)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(tuán)組成，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的β相雖近似于網(wǎng)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(xù)析出，通過EDS測(cè)試可確定白色顆粒狀β相為MgZn相。這一結(jié)果與XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。根據(jù)目前的文獻(xiàn)報(bào)道［12］，存在于鑄態(tài)ZK60中的β相應(yīng)該是由MgZn相和MgZn2相組成的共晶相，而本實(shí)驗(yàn)所制備的快速凝固態(tài)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?zé)o法充分?jǐn)U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(shí)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(tài)ZK60鎂合金樣品中（見圖2（c））還發(fā)現(xiàn)了尺寸較大的白色共晶團(tuán)。為進(jìn)一步確定成分特別進(jìn)行了面掃描，結(jié)果如圖2（d）～（f）所示。發(fā)現(xiàn)該共晶團(tuán)中含有大量的Zr元素，其原子分?jǐn)?shù)高達(dá)12%。共晶團(tuán)富集了大量Zr元素，而Mg元素含量相對(duì)較少，同時(shí)Zn元素含量幾乎與基體沒有明顯區(qū)別。因此認(rèn)為該共晶團(tuán)是由Mg，Zn，Zr元素共同組成的非平衡的共晶相。產(chǎn)生該相的原因，推測(cè)是由于快速凝固使得固相迅速形成并分割封閉液相，同時(shí)由于冷卻速率很快，該液相區(qū)域內(nèi)的Zr元素?zé)o法進(jìn)行擴(kuò)散，造成局部區(qū)域Zr含量異常升高，并被強(qiáng)制凝固，最終形成了富Zr的共晶體團(tuán)。

圖1 樣品的XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 XRD patterns of experimental alloys

圖2 ZK60鎂合金的SEM照片和面掃描結(jié)果 （a）鑄態(tài)；（b）擠壓態(tài)；（c）快速凝固態(tài)；（d）～（f）分別為快速凝固態(tài)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(tài)、擠壓態(tài)及快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的差熱分析圖。鑄態(tài)及擠壓態(tài)的ZK60鎂合金樣品在固相階段未發(fā)現(xiàn)相變反應(yīng)峰。快速凝固的ZK60鎂合金樣品在溫度到達(dá)347℃時(shí)出現(xiàn)了明顯的吸熱峰，根據(jù)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(tài)ZK60鎂合金樣品在該溫度范圍內(nèi)有低熔點(diǎn)物質(zhì)發(fā)生了熔化。同時(shí)，在560℃時(shí)出現(xiàn)了明顯的放熱峰，推測(cè)這是由于富Zr的共晶團(tuán)在這一溫度下發(fā)生了相變，但相變反應(yīng)和產(chǎn)物還有待進(jìn)一步研究。

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

鑄態(tài)、擠壓態(tài)及快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。鑄態(tài)ZK60鎂合金樣品斷裂時(shí)的壓縮強(qiáng)度約為200MPa。擠壓態(tài)ZK60鎂合金樣品的最大壓縮強(qiáng)度為337MPa，斷裂時(shí)的應(yīng)變量為10%。而在快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品中出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，樣品的屈服強(qiáng)度為138MPa，而這一數(shù)值遠(yuǎn)低于其最大壓縮斷裂強(qiáng)度444MPa，并且其斷裂時(shí)的應(yīng)變量達(dá)到了20%。擠壓態(tài)與快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果如表1所示。擠壓態(tài)ZK60鎂合金樣品的硬度值為78.5，而快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的硬度值得到明顯提高，達(dá)到了110.34。

圖4 樣品的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Compressive stress－strain curves for experimental alloys

表1 樣品的維氏硬度測(cè)試結(jié)果Table 1 Result of diamond penetrator hardness test

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的強(qiáng)度和硬度均較鑄態(tài)及擠壓態(tài)ZK60鎂合金樣品有了明顯的提高。而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因與樣品的組織結(jié)構(gòu)有著明顯的關(guān)系。結(jié)合之前樣品的SEM圖（見圖2），鑄態(tài)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而降低合金的力學(xué)性能。而對(duì)于擠壓態(tài)ZK60鎂合金樣品，其晶粒細(xì)小，根據(jù) Hall－Patch公式［13，14］可知，細(xì)小的晶?？梢蕴岣卟牧系木C合力學(xué)性能，因此擠壓態(tài)ZK60鎂合金樣品的壓縮斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄態(tài)ZK60鎂合金樣品。快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品，其組織不僅均勻細(xì)小，而且還存在彌散分布的MgZn相，該相對(duì)位錯(cuò)滑移能產(chǎn)生阻礙作用，從而提高了其強(qiáng)度和硬度，同時(shí)富Zr的共晶團(tuán)作為增強(qiáng)顆粒均勻的分布于樣品中，進(jìn)一步提高了該樣品的力學(xué)性能。因此，快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的強(qiáng)度和硬度均高于鑄態(tài)和擠壓態(tài)。

圖5為鑄態(tài)、擠壓態(tài)及快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品的斷口SEM圖。由圖5可知，鑄態(tài)ZK60鎂合金樣品的斷口具有明顯的解理臺(tái)階，表現(xiàn)為典型的脆性斷裂。擠壓態(tài)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(tái)階，可見擠壓態(tài)ZK60鎂合金樣品壓縮斷裂仍然屬于脆性斷裂。而快速凝固態(tài)ZK60鎂合金樣品斷口表現(xiàn)出典型的韌性斷裂的特點(diǎn)，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(jié)果與其壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線結(jié)果是一致的。

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

3 結(jié)論

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

（2）快速凝固態(tài)ZK60鎂合金的力學(xué)性能明顯優(yōu)于鑄態(tài)、擠壓態(tài)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(xì)小，彌散分布的MgZn相和均勻分布的共晶團(tuán)能明顯提高樣品的力學(xué)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）資助項(xiàng)目（2007CB613704）；國家自然科學(xué)杰出青年基金資助項(xiàng)目（50725413）；重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（cstc2008AB4114）；重慶市科委資助項(xiàng)目（2010CSTC－HDLS）

2010－03－31；

2011－04－05

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