2.3　铸造镁合金组织和性能

镁合金铸造有多种方法，包括重力铸造和压力铸造、砂型铸造、永久模铸、半永久模铸、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造和高压铸造。通常所说的压铸（die-casting）是指高压铸造，以区分重力铸造和低压铸造。对于具体材料，应根据其化学成分、工艺要求来选择合适的铸造方法。合金成分和铸造工艺对组织结构有重要的影响。合金元素，尤其是稀土元素RE引起中间相结构的复杂变化，对镁合金的组织和性能产生很大的影响。

2.3.1　Mg-Al系合金组织

根据Mg-Al二元相图（图2-4），Mg-Al系铸造合金组织在平衡状态下是由α相和β（Mg17Al12）相组成的。Mg17Al12相为体心立方（bcc）晶体结构，其点阵常数为a=1.05438nm。β相的数量随铝含量的增加而增多。

2.3.1.1　Mg-Al-Zn合金

Mg-Al-Zn合金最典型和常用的镁合金是AZ91D，其压铸组织是由α相和在晶界析出的β相组成（见图2-5）。Mg-Al-Zn合金组织成分常常出现晶内偏析现象，先结晶部分含Al量较多，后结晶部分含Mg量较多。晶界含Al量较高，晶内含Al量较低；表层Al含量较高，里层Al含量较低。另外，冷却速度的差异，导致压铸组织表层组织致密、晶粒细小；而心部组织晶粒比较粗大。因而表面层硬度明显高于心部硬度。研究表明，AZ91D压铸件随厚度的增加，抗拉强度及蠕变抗力下降。

Mg-Al-Zn合金系的三元等温截图见图2-6。随Zn含量的增加，β（Mg17Al12）相中合金成分会变成三元金属间化合物MgxZnyAlz型。砂型铸造合金AZ92合金只有Mg17Al12，而AZ63合金除Mg17Al12以外，还有三元化合物Mg3Zn2Al3。Mg-10%Zn-4%Al合金中只有Mg32（Al，Zn）49；Mg-10% Zn-6% Al合金中的金属间化合物主要是Al2Mg5Zn2。

压铸组织耐蚀性比砂型铸造的要好，这是由于压铸组织表面铝含量较高的缘故，镁合金的力学性能随Al含量的增加而提高。尽管压铸方法能很大程度地减少组织中铸造缺陷如空洞、缩孔等，但组织中不可避免地还会存在一些缺陷等。这些缺陷将会降低镁合金的力学性能。实验表明，铸造缺陷对疲劳性能有很大影响，往往是疲劳裂纹源。减少缺陷数量和尺寸，将显著提高铸造镁合金的疲劳性能。

2.3.1.2　Mg-Al-Mn合金

依据Mg-Al-Mn合金相图2-7，其典型组织是除存在α相和在晶界沉淀析出的β相（Mg17Al12）以外，还存在含Mn的中间相。根据合金中Al的含量高低，这种中间相可能是AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或Al5Mn8。AM60中AlMn相粒子在扫描电镜照片中为白色[见图2-8（a）]。由能谱分析其主要成分为Al/Mn（原子比）=（1.12～1.15）∶1（见表2-10），原子比接近1∶1，所以，Al-Mn相应为AlMn。AlMn多具有规则几何形状如四方形，少量圆形、短棒形等外形。长轴方向和短轴方向没有明显差异，最大尺寸在10μm左右。

不但Mg-Al-Mn合金存在AlMn粒子，而且Mg-Al-Zn合金中也可能存在AlMn粒子（见表2-10），这可能是由于在镁合金的冶炼过程中，为除去有害元素Fe而有意加入Mn元素所产生的。图2-8（b）为AZ61中AlMn粒子形貌。

该系列合金的典型合金为AM50和AM60，可用于要求高伸长率、高韧性和高抗弯曲性能的工件，如轮毂、座椅架及车门等。

2.3.1.3　Mg-Al-RE合金

Mg-RE系相图显示RE在Mg中形成有限固溶体，产生细小的Mg3RE和Mg12RE粒子沉淀强化。在Mg-Al合金中加入RE，RE优先与Al结合而不会与Mg形成化合物或Mg-Al-RE三元相，而可能形成Mg12RE、Al11RE3（或Al4-MM）和Al10RE2Mn7等化合物。Mg-Al-RE合金（如AE21、AE41）的典型组织为基体α-Mg和中间相Al4MM（MM指混合稀土）及Al12Mg17，不存在三元Mg-Al-RE相。Al4MM的结构类似于Al4Ce化合物，具有体心正交晶体结构，其点阵常数为a=0.4395nm，b=1.3025nm，c=1.0092nm。然而，在Mg-4%Al-1.4%RE（50%Ce，25%La，20%Nd，3%Pr）的铸态组织里，因为Al的存在，RE与Al化合形成了Al11RE3和Al10RE2Mn7两相。这是由于Al在Mg基体里产生偏析，Al在晶界处的浓度估计要高于晶内2～4倍。X射线能谱（EDS）证实在晶粒内部Al的含量为1.5%～2.0%，而在不同的晶界处Al的含量在4%～7%变化。β-Al12Mg17相或者是在晶界附近呈薄且平行的板条状（典型的有15～100nm厚，0.25～0.5μm×1μm长），或者是在晶界上生长成较大的粒子（0.25～2μm）。在Mg基体基面上生长的板条状β相具有如下位相关系：（0001）Mg‖和‖。其典型合金为AE42，可用于高温下要求高蠕变强度的部件。

2.3.1.4　Mg-Al-Si合金

AS系耐热镁合金组织特征是在晶界处形成细小弥散分布的稳定析出相Mg2Si，它具有Ca2F型面心立方晶体结构，较高的熔点（1085℃）和硬度（460HV0.3）及较低的密度（1.9g/cm3）。Mg2Si提高合金的抗蠕变能力。其典型合金为AS41和AS21，适合于较高温度（150℃）下强度较高的部件。

2.3.1.5　Mg-Al-Ca合金

Mg-Al-Ca合金组织特征是存在Al2Ca和Mg2Ca化合物。Mg-Al-Ca合金具有较高的耐热性和阻燃性，但是耐蚀性有所降低。日本开发了一种新的耐热镁合金（ACM522），其成分为Mg-5Al-2Ca-2MM-0.3Mn。其组织为初生α（Mg），在晶界分散着的黑色粒子为Al-Ce相，浅色的化合物为Al-Ca、Mg-Ca等相。该合金可在150～200℃范围使用。

2.3.2　Mg-Zn系合金

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有着与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Mg51Zn20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Mg51Zn20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。在Mg-Zn（<4%Zn）合金中加入>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。

ZE系列合金的高温性能显著优于AZ91合金。ZE41、ZC63是Mg-Zn系耐热合金，其常温屈服强度高，高温性能好。

2.3.2.1　Mg-Zn-MM（混合稀土）合金

由于加入1.5%MM对Mg-8Zn合金组织有强烈的影响，所以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Mg52.6Zn39.5MM7.9或（Mg，Zn）92.1MM7.9，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=0.524nm和γ=102.5°。

2.3.2.2　Mg-Zn-Al（-Ca）合金

Mg-Zn-Al合金组织特征是存在MgxZnyAlz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Al12Mg17化合物。例如，ZA102、ZA106的组织为α基体和晶界共晶体α相和在晶界沉积的粗大的β（MgxZnyAlz）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。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Mg基体中，但是大量地还是存在于MgxZnyAlz相中。

2.3.3　铸造镁合金的性能

国外常用压铸镁合金的典型性能见表2-11，砂型铸造镁合金Mg-Al-Zn和Mg-Zr的力学性能和疲劳性能分别见表2-12、表2-13。铸造镁合金的特性见表2-14。

①无缺口夏氏试验。

①已废弃不用的合金。

②A和B性质差不多，但AM60B铸件杂质含量为Fe≤0.005%、Ni≤0.002%和Cu≤0.010%。

③A和BQQ性能差不多，但AS41B铸件的杂质含量为Fe≤0.0035%、Ni≤0.002%和Cu≤0.020%。

④A、B和D性能相同，在AZ91B中Cu含量≤0.30%，AZ91D铸件中杂质含量为Fe≤0.005%、Ni≤0.002%和Cu≤0.030%。