镁锌系合金的特性和应用领域

Mg-Zn二元合金相图较复杂，其中某些转变至今尚未确定。由图2-38可知，富镁端于348℃进行共晶转变L→α+MgZn。二元系中的MgZn化合物具有六方结构，a=53.3nm，c=171.6nm，熔点为348℃。在共晶温度（340℃）时，Zn在Mg中的固溶度w（Zn）=8.4%，300℃时w（Zn）=6.0%，250℃时w（Zn）=3.3%，200℃时w（Zn）=2.0%，150℃时w（Zn）=1.7%，室温下w（Zn）＜1.0%。因此，在共晶温度以下，Zn在Mg中的溶解度减小，有MgZn化合物沉淀。MgZn化合物对合金性能的影响与Mg₁₇Al₁₂相对Mg-Al系合金的影响类似，但MgZn化合物在Mg-Zn系合金中的强化效果更大一些。

图2-38 Mg-Zn二元合金相图

Mg-Zn系合金组织特征是可能含有Mg₅₁Zn₂₀、Mg₇Zn₃、MgZn、Mg₂Zn₃或MgZn₂等共晶化合物。在Mg-9Zn二元合金中由共晶反应生成的离异共晶沉淀物主要为Mg₅₁Zn₂₀，其晶体结构为十二面体配位多面体结构，晶体空间点阵为正交系，空间群为Immm，点阵常数为a=1.4083nm，b=1.4486nm，c=1.4025nm。根据Mg-Zn二元相图，共晶反应的结果产生了大量的共晶沉淀物Mg₅₁Zn₂₀和与之相应的Mg₇Zn₃。有时能发现在晶界上粗大的Mg₅₁Zn₂₀共晶相里还存在一些较小的沉淀相，通过电子衍射证实这种相具有与MgZn₂拉弗斯相相同的晶体结构。在共晶区域里共有三种不同的组织形貌，除了Mg₅₁Zn₂₀沉淀粒子外，还有另外两种不同形貌的化合物：一种形貌是片状沉淀相MgZn相，它是在凝固冷却过程中Mg₅₁Zn₂₀部分分解产生的，其反应式为Mg₅₁Zn₂₀→α（Mg）+MgZn；另一种形貌是由在共晶体粒子外层的Mg₅₁^Zn20分解为片状的α（Mg）和MgZn相，及在此共晶体粒子里层的Mg₅₁Zn₂₀分解为α（Mg）+MgZn₂相构成的。经315℃、4h固溶处理，然后水淬的组织则为Mg₅₁ Zn₂₀粒子完全分解后形成的中间相与α（Mg）交织在一起的紧密混合物。这种中间相具有与MgZn₂拉弗斯相一致的晶体结构。

纯粹的Mg-Zn二元合金在实际中几乎没有得到应用，因为该合金的组织粗大，对显微缩孔非常敏感。但这一合金有一个明显的优点，就是可通过时效硬化来显著地改善合金的强度。因此，Mg-Zn系合金的进一步发展，需要寻找第三种合金元素，以细化晶粒并减少显微缩孔的倾向。一些研究表明，在Mg-Zn二元合金中加入第三组元铜，将会导致其韧性和时效硬化明显增加。砂型铸造合金ZC63[w（Zn）=6%，w（Cu）=3%，w（Mn）=0.5%]是这类合金的典型代表，在时效状态其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别达到240MPa、145MPa和5%，高于Mg-Al-Zn系合金的AZ91。在Mg-Zn合金中的铜被认为可以提高其共晶温度，因而可在较高的温度固溶，使更多的Zn和Cu溶入合金中，增加了随后的时效强化效果。在Mg-Zn合金中铜的存在，使铸态共晶组织随之改变，α-Mg晶界及枝晶臂之间的MgZn相的形态由完全离异的不规则块状转变为片状。Mg-Zn-Cu合金的缺点是由于Cu的加入导致合金的耐蚀性降低。

Mg-Zn系合金的晶粒容易长大，Zr是铸态Mg-Zn合金最有效的晶粒细化元素，故工业Mg-Zn系合金中均添加一定量的Zr。这类合金都属于时效强化合金，一般都在直接时效或固溶再接着时效的状态下使用，具有较高的抗拉强度和屈服强度。这类合金的典型代表是ZK51和ZK61，ZK51在T5状态的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为140MPa、235MPa和5%。ZK61在T5状态的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为175MPa、275MPa和5%。Mg-Zn-Zr系合金的显微组织为α-Mg固溶体加沿晶界分布的MgZn化合物。这种合金在铸造时容易出现晶内偏析，Zr主要集中于晶粒区呈年轮状或花纹状。由中心向外浓度逐渐降低，侵蚀后偏析锌大多富集在晶粒周围，晶界处Zn浓度很高，由晶界向晶内浓度逐渐降低，铸造后人工时效的金相组织与铸态组织无明显区别。这类合金的缺点是对显微缩松比较敏感，焊接性能差。然而，只要适当加入稀土元素后，合金的晶粒被细化，形成显微缩松的倾向明显降低，铸态性能得到改善。(www.xing528.com)

在Mg-Zn（Zn＜4%）合金中加入大于0.5%Ca在167℃（440K）以下析出数原子层的细小板条状沉淀物，此时此材料具有良好的抗蠕变性能。其组织为α（Mg）基体和黑色化合物Mg₂Ca及白色化合物Mg₅Ca₂Zn₅。

往Mg-Zn合金中添加稀土元素可以改善合金的铸造性能和提高蠕变抗力，从而发展了Mg-Zn-RE合金，其中最有代表性的是ZE41和ZE33合金，大致相当于我国标准中的ZM1和ZM2合金。ZE系列合金的常温屈服强度高，高温性能好，高温性能显著优于AZ91合金。

Mg-8Zn-1.5MM合金共晶相组织有三种不同的共晶相，但从它们的形貌上不能区分彼此。这三种相分别是T相、Mg₄Zn₇相和MgZn₂拉弗斯相。T相主要为三元共晶相Mg_52.6Zn_39.5MM_7.9或（Mg，Zn）_92.1MM_7.9，具有C心正交晶体结构，其点阵常数为a=0.96nm，b=1.12nm，c=0.94nm；Mg₄Zn₇相有一个B心单斜B2/m晶体结构，其点阵常数为a=2.596nm，b=1.428nm，c=0.524mm和γ=102.5°。

Mg-Zn-Al合金组织的特征是存在Mg_xZn_yAl_z和MgZn中间相。在含大约2%Al的镁合金里存在MgZn化合物，但不存在Mg₁₇Al₁₂化合物。例如，ZA102、ZA106的组织为α基体、晶界共晶体α相和在晶界沉淀的粗大的β-Mg_xZn_yAl_z相。Mg-9%Zn-4.5%Al-0.6%Ca合金组织的主要共晶化合物是Mg₃₂（Al，Zn）49和MgZn，其共晶化合物的数量随Zn和Al含量的增加而增加。将Ca、Sr加入ZA142和ZA144合金，能够提高其抗蠕变能力，但Ca的作用比Sr更明显。Ca和Sr作为溶质虽然一定程度地存在于Mg基体中，但是大量地存在于Mg_xZn_yAl_z相中。