Mg-Zr二元相圖的鎂端存在包晶型反應(yīng),在此反應(yīng)溫度下,鋯在鎂中的固溶度為0.58%。包晶反應(yīng):L+α-Zr→α-Mg。α-Mg為鋯在鎂中的固溶體,鋯的熔點(diǎn)很高,1852℃,不與鎂形成化合物,鋯在熔融鎂中的熔解度很小,在包晶反應(yīng)溫度654℃時(shí)也只能熔解0.6%。這一特點(diǎn)給含鋯的鎂合金的熔煉帶來(lái)很大困難,容易出現(xiàn)成分偏析。在鑄造鎂-鋯合金及鎂-鋅-鋯合金組織中可觀察到明顯的枝晶偏區(qū),區(qū)中心鋯的濃度很高,甚致是純α-Zr質(zhì)點(diǎn),由中心向外鋯的濃度逐漸下降。
　　鑄造時(shí)冷卻速度越快,晶粒核心中鋯的濃度越高,與周圍固溶體中鋯的濃度差越大,這種晶內(nèi)枝晶偏析可以通過(guò)錠的均勻化處理消除。鋯在鎂熔體中的溶解度很小,鎂合金熔體凝固時(shí),Zr首先以α-Zr質(zhì)點(diǎn)形式析出,α-Zr與Mg均屬于密集六方晶格,而且晶格常數(shù)相當(dāng)接近,于是熔體中的α-Zr成為良好的結(jié)晶核心,從而可獲得晶粒細(xì)小均勻的組織。鋯還能減緩合金的擴(kuò)散速度,阻礙晶粒長(zhǎng)大,含0.6%Zr~0.8%Zr鎂合金具有最小的晶粒和高的力學(xué)性能,另外,Zr還能提高鎂合金的抗腐蝕性能與高溫力學(xué)性能。二元鎂-鋯合金鑄件的強(qiáng)度較低,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有納入此類合金,只有美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中有一種含0.7%Zr的二元鎂-鋯合金KIA-F,用于鑄造砂型及永久型鑄件,它有優(yōu)秀的阻尼性能。
　　由于二元鎂-鋯合金的性能不能滿足工業(yè)應(yīng)用要求,而鋯又是鎂的一種極有效的晶粒細(xì)化劑,因此它成為其他鎂合金的一種難得的輔助合金化元素,形成一類很有實(shí)用價(jià)值的含鋯的鎂合金如Mg-Zn-Zr系合金與Mg-RE-Zr系合金。Mg-Zn系合金幾乎個(gè)個(gè)都含有0.3%Zr~1.0%Zr,Mg-Re、Mg-Th、Mg-Ag系合金都含有這么多的鋯。
　　鎂-鋅系合金的晶粒易長(zhǎng)大,而鋯具有細(xì)化晶粒與抑制晶粒長(zhǎng)大功效,是鑄態(tài)Mg-Zn合金極為有效的晶粒細(xì)化元素,于是Mg-Zn-Zr系合金應(yīng)運(yùn)而生,形成ZK系列鎂合金。Mg-Zn-Zr系合金可以熱處理強(qiáng)化,Zn是第一主要合金化元素,隨著Zn含量的增加,合金的凝固溫度區(qū)間變寬,熱裂傾向增大,可焊性能變差,不可用于鑄造形狀復(fù)雜的鑄件與制造焊接結(jié)構(gòu)。
　　在GB/T19078-2003中,鑄造鎂-鋅-鋯合金有ZK51A、ZK61A合金,變形鎂合金有ZK61M、ZK61S。按ASTM在關(guān)標(biāo)準(zhǔn),Mg-Zn-Zr系合金主要有ZK21A、ZK31、ZK40A、ZK60A、ZK51A和ZK61合金。
　　向Mg-Zn-Zr系合金添加稀土元素,合金在凝固過(guò)程中可在晶界形成含稀土的化合物,提高合金的鑄造性能,改善鑄件組織,但是它們很穩(wěn)定,在固溶處理時(shí)不易溶解,雖對(duì)鑄件力學(xué)性能元明顯影響,卻使其略有下降,在氫氣氛中固溶處理后可使性能恢復(fù),因?yàn)楣倘芴幚頃r(shí),氫可擴(kuò)散到鎂固溶體中,與化合物中的稀土元素反應(yīng)生成彌散的稀土氫化物質(zhì)點(diǎn),化合物中的鋅被釋放出來(lái),重新溶于α-Mg基體中,強(qiáng)化合金。
　　鋯和鈣同時(shí)加入鎂合金中如Mg-Zn-Ca-Zr合金,可使合金組織顯著細(xì)化,因?yàn)殁}促進(jìn)Zr在固溶體中的溶解。當(dāng)鎂合金熔體中存在鋁、硅、鐵、氫等雜質(zhì)時(shí),鋯可與它們形成密度較大的高熔點(diǎn)化合物,沉于坩堝底部而得以清除。
　　近四五十年來(lái),稀土鎂合金得到了很大發(fā)展,向Mg-RE合金中添加適量鈣可以細(xì)化晶粒,進(jìn)一步提升合金的強(qiáng)度。不過(guò),應(yīng)提出的是,只有熔體凝固時(shí)溶于其中的那部分Zr才具有晶粒細(xì)化作用,形成化合物的那部分鋯沒(méi)有晶粒細(xì)化作用。