固溶制度对Mg-Zn-Zr系镁合金组织和性能的影响

邓 彬，张建武，马 斌，夏泽涛，周 耀

(1.湖南工学院 机械工程学院，湖南 衡阳 421002；2. 湖南工学院 汽车零部件技术研究院，湖南 衡阳 421002)

作为最轻的工业结构材料之一，镁合金因具有低密度、高强度、热传导性能好、切削铸造性能优秀及易于回收再利用等一系列优越性能，在汽车制造、航空航天与精密仪器制造等诸多方面广泛应用，被誉为21世纪绿色材料，其应用研究受到了全世界的高度关注。Mg-Zn-Zr系镁合金属于高强度镁合金，经过固溶后其强度接近时效态的Al7075、Al7475铝合金，是当前应用最广泛的镁合金之一[1-3]。本文以常用的Mg-Zn-Zr系镁合金ZK60为研究对象，对铸态ZK60合金经过不同固溶处理制度后组织和性能的演变规律进行研究，分析固溶处理影响Mg-Zn-Zr系镁合金性能的机理。

1 试验方法

实验所用材料为长沙银天轻合金有限公司生产的商用铸态ZK60合金，其元素质量分数为Zn 5.6%，Zr 0.54%，Fe、Ni等杂质元素≤0.003%，余量为Mg。将ZK60合金在SX-8-14箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为350℃，保温时间分别为10,12,14,16,18,20,22,24h，随后将试样水淬至室温。将固溶后的ZK60合金与对照组铸态合金用线切割切取试样后，将试样打磨并进行抛光，并采用2%草酸溶液进行腐蚀。采用金相显微镜与ZISS-EVO18型扫描电子显微镜对其微观组织进行观察。

将铸态与固溶态试样打磨至上下两面平行后，采用数显显微硬度计测试其维氏硬度，载荷为100kg，负荷时间为10s，为保证数据结果可信，每个试样取5个点获得其硬度平均值。

2 实验结果及讨论

2.1 铸态及固溶态ZK60的组织形貌

ZK60合金不同保温时间后显微组织金相照片如图1所示。(a)～(d)所对应保温时间分别为10,14,16h和24h，图中浅色部分为基体α-Mg相，深色点状组织为第二相。如图1(a)所示，当在350 ℃下固溶保温10h时,有数量较大的第二相在晶界处偏聚。随着保温时间的延长，当固溶14h后，晶界处偏聚的β相数量非常少，绝大部分第二相固溶到基体中。当保温时间进一步延长到16h直至24h时，没有新的第二相析出，基体晶粒尺寸随着保温时间的延长而增大。

(a)10h; (b)14h; (c)16h; (d)24h

ZK60合金SEM组织及EDS分析结果如图2所示，图中深色部分为基体α-Mg相，浅色组织为晶间第二相。图2(a)为ZK60合金铸态组织，由图可见，铸态ZK60合金中存在连续分布的大尺寸晶间第二相，最大的第二相尺寸约为20～30μm。固溶14h后，第二相含量显著减少，尺寸也明显变小，如图2(b)所示，此时晶间仅有极少量第二相存在，其尺寸小于5μm。当保温时间进一步延长时，第二相含量没有明显变化，不生成新的第二相。对图2(a)、(b)中第二相进行能谱分析可知，该第二相中所含金属元素主要为Zn和Mg，结合相关文献可知该第二相为β相(即Mg7Zn3相)[4]。综上所述，铸态ZK60合金的组织由基体α-Mg相和分布在晶界处的大尺寸第二相β相Mg7Zn3相构成。当对其进行固溶处理时，β相溶入基体中，第二相尺寸减少直至消失，继续延长固溶时间，没有新的第二相生成。同时，随着固溶时间的延长，基体α-Mg相尺寸增大。

(a)铸态; (b)14h; (c)16h; (d)24h

不同不同保温时间时效态ZK60镁合金维氏硬度变化趋势如图3所示。对ZK60镁合金进行失效时，随着时间的增加，材料硬度先随之增加，保温10h时ZK60合金的硬度为59.80HV，而当保温时间为14h时，ZK60合金的硬度达到峰值75.08HV.之后，当保温时间进一步延长时，材料的硬度开始降低，当固溶时间为24h时，材料硬度最低，为58.73HV。

图3 ZK60合金维氏硬度随固溶时间变化的规律

ZK60合金维氏硬度随固溶的进行发生变化是固溶强化和晶粒尺寸变化共同作用的结果。一方面当ZK60合金在350℃下进行固溶时，第二相Mg7Zn3相固溶于基体金属中，溶入固溶基体的Zn原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，阻碍塑性变形的进行，从而使ZK60合金固溶体的强度与硬度增加。当固溶时间超过14h后，绝大部分晶界处的第二相固溶到基体中，同时没有新的第二相生成，固溶强化效果基本稳定。另一方面随着固溶保温时间的延长，基体α-Mg相晶粒尺寸增大。根据Hall-Petch 公式，材料硬度受晶粒尺寸大小的影响，晶粒尺寸越大，硬度越低，因此随着固溶时间进一步延长导致其基体晶粒尺寸增加，维氏硬度降低。

3 结论

(1)对Mg-Zn-Zr系镁合金进行固溶处理时，第二相组织Mg7Zn3相溶入基体中，当固溶时间进一步延长时，没有新的第二相生成；同时基体α-Mg相晶粒尺寸随固溶时间延长而增大。

(2)Mg-Zn-Zr系镁合金进行固溶处理时，其维氏硬度先升高后降低，对ZK60合金，固溶制度为350℃固溶14h时，其硬度达到峰值，随后硬度随保温时间的延长而降低。

(3)Mg-Zn-Zr系镁合金维氏硬度随固溶的进行发生变化受固溶强化和晶粒尺寸变化共同作用，第二相固溶到基体过程中，固溶强化效果明显，硬度升高，随后第二相完全固溶到基体中后，固溶强化效果基本稳定，硬度随晶粒尺寸增大而降低。