鄧 彬，張建武，馬 斌，夏澤濤，周 耀

(1.湖南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2. 湖南工學(xué)院 汽車零部件技術(shù)研究院，湖南 衡陽(yáng) 421002)

作為最輕的工業(yè)結(jié)構(gòu)材料之一，鎂合金因具有低密度、高強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性能好、切削鑄造性能優(yōu)秀及易于回收再利用等一系列優(yōu)越性能，在汽車制造、航空航天與精密儀器制造等諸多方面廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色材料，其應(yīng)用研究受到了全世界的高度關(guān)注。Mg-Zn-Zr系鎂合金屬于高強(qiáng)度鎂合金，經(jīng)過(guò)固溶后其強(qiáng)度接近時(shí)效態(tài)的Al7075、Al7475鋁合金，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的鎂合金之一[1-3]。本文以常用的Mg-Zn-Zr系鎂合金ZK60為研究對(duì)象，對(duì)鑄態(tài)ZK60合金經(jīng)過(guò)不同固溶處理制度后組織和性能的演變規(guī)律進(jìn)行研究，分析固溶處理影響Mg-Zn-Zr系鎂合金性能的機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為長(zhǎng)沙銀天輕合金有限公司生產(chǎn)的商用鑄態(tài)ZK60合金，其元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Zn 5.6%，Zr 0.54%，F(xiàn)e、Ni等雜質(zhì)元素≤0.003%，余量為Mg。將ZK60合金在SX-8-14箱式電阻爐中進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為350℃，保溫時(shí)間分別為10,12,14,16,18,20,22,24h，隨后將試樣水淬至室溫。將固溶后的ZK60合金與對(duì)照組鑄態(tài)合金用線切割切取試樣后，將試樣打磨并進(jìn)行拋光，并采用2%草酸溶液進(jìn)行腐蝕。采用金相顯微鏡與ZISS-EVO18型掃描電子顯微鏡對(duì)其微觀組織進(jìn)行觀察。

將鑄態(tài)與固溶態(tài)試樣打磨至上下兩面平行后，采用數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)試其維氏硬度，載荷為100kg，負(fù)荷時(shí)間為10s，為保證數(shù)據(jù)結(jié)果可信，每個(gè)試樣取5個(gè)點(diǎn)獲得其硬度平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鑄態(tài)及固溶態(tài)ZK60的組織形貌

ZK60合金不同保溫時(shí)間后顯微組織金相照片如圖1所示。(a)～(d)所對(duì)應(yīng)保溫時(shí)間分別為10,14,16h和24h，圖中淺色部分為基體α-Mg相，深色點(diǎn)狀組織為第二相。如圖1(a)所示，當(dāng)在350 ℃下固溶保溫10h時(shí),有數(shù)量較大的第二相在晶界處偏聚。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)固溶14h后，晶界處偏聚的β相數(shù)量非常少，絕大部分第二相固溶到基體中。當(dāng)保溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)到16h直至24h時(shí)，沒(méi)有新的第二相析出，基體晶粒尺寸隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

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

ZK60合金SEM組織及EDS分析結(jié)果如圖2所示，圖中深色部分為基體α-Mg相，淺色組織為晶間第二相。圖2(a)為ZK60合金鑄態(tài)組織，由圖可見(jiàn)，鑄態(tài)ZK60合金中存在連續(xù)分布的大尺寸晶間第二相，最大的第二相尺寸約為20～30μm。固溶14h后，第二相含量顯著減少，尺寸也明顯變小，如圖2(b)所示，此時(shí)晶間僅有極少量第二相存在，其尺寸小于5μm。當(dāng)保溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，第二相含量沒(méi)有明顯變化，不生成新的第二相。對(duì)圖2(a)、(b)中第二相進(jìn)行能譜分析可知，該第二相中所含金屬元素主要為Zn和Mg，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)可知該第二相為β相(即Mg7Zn3相)[4]。綜上所述，鑄態(tài)ZK60合金的組織由基體α-Mg相和分布在晶界處的大尺寸第二相β相Mg7Zn3相構(gòu)成。當(dāng)對(duì)其進(jìn)行固溶處理時(shí)，β相溶入基體中，第二相尺寸減少直至消失，繼續(xù)延長(zhǎng)固溶時(shí)間，沒(méi)有新的第二相生成。同時(shí)，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，基體α-Mg相尺寸增大。

(a)鑄態(tài); (b)14h; (c)16h; (d)24h

不同不同保溫時(shí)間時(shí)效態(tài)ZK60鎂合金維氏硬度變化趨勢(shì)如圖3所示。對(duì)ZK60鎂合金進(jìn)行失效時(shí)，隨著時(shí)間的增加，材料硬度先隨之增加，保溫10h時(shí)ZK60合金的硬度為59.80HV，而當(dāng)保溫時(shí)間為14h時(shí)，ZK60合金的硬度達(dá)到峰值75.08HV.之后，當(dāng)保溫時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，材料的硬度開始降低，當(dāng)固溶時(shí)間為24h時(shí)，材料硬度最低，為58.73HV。

圖3 ZK60合金維氏硬度隨固溶時(shí)間變化的規(guī)律

ZK60合金維氏硬度隨固溶的進(jìn)行發(fā)生變化是固溶強(qiáng)化和晶粒尺寸變化共同作用的結(jié)果。一方面當(dāng)ZK60合金在350℃下進(jìn)行固溶時(shí)，第二相Mg7Zn3相固溶于基體金屬中，溶入固溶基體的Zn原子造成晶格畸變，晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，阻礙塑性變形的進(jìn)行，從而使ZK60合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。當(dāng)固溶時(shí)間超過(guò)14h后，絕大部分晶界處的第二相固溶到基體中，同時(shí)沒(méi)有新的第二相生成，固溶強(qiáng)化效果基本穩(wěn)定。另一方面隨著固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，基體α-Mg相晶粒尺寸增大。根據(jù)Hall-Petch 公式，材料硬度受晶粒尺寸大小的影響，晶粒尺寸越大，硬度越低，因此隨著固溶時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)導(dǎo)致其基體晶粒尺寸增加，維氏硬度降低。

3 結(jié)論

(1)對(duì)Mg-Zn-Zr系鎂合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，第二相組織Mg7Zn3相溶入基體中，當(dāng)固溶時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，沒(méi)有新的第二相生成；同時(shí)基體α-Mg相晶粒尺寸隨固溶時(shí)間延長(zhǎng)而增大。

(2)Mg-Zn-Zr系鎂合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，其維氏硬度先升高后降低，對(duì)ZK60合金，固溶制度為350℃固溶14h時(shí)，其硬度達(dá)到峰值，隨后硬度隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。

(3)Mg-Zn-Zr系鎂合金維氏硬度隨固溶的進(jìn)行發(fā)生變化受固溶強(qiáng)化和晶粒尺寸變化共同作用，第二相固溶到基體過(guò)程中，固溶強(qiáng)化效果明顯，硬度升高，隨后第二相完全固溶到基體中后，固溶強(qiáng)化效果基本穩(wěn)定，硬度隨晶粒尺寸增大而降低。