2.3　鑄造鎂合金組織和性能

鎂合金鑄造有多種方法，包括重力鑄造和壓力鑄造、砂型鑄造、永久模鑄、半永久模鑄、熔模鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造和高壓鑄造。通常所說的壓鑄（die-casting）是指高壓鑄造，以區分重力鑄造和低壓鑄造。對于具體材料，應根據其化學成分、工藝要求來選擇合適的鑄造方法。合金成分和鑄造工藝對組織結構有重要的影響。合金元素，尤其是稀土元素RE引起中間相結構的復雜變化，對鎂合金的組織和性能產生很大的影響。

2.3.1　Mg-Al系合金組織

根據Mg-Al二元相圖（圖2-4），Mg-Al系鑄造合金組織在平衡狀態下是由α相和β（Mg17Al12）相組成的。Mg17Al12相為體心立方（bcc）晶體結構，其點陣常數為a=1.05438nm。β相的數量隨鋁含量的增加而增多。

2.3.1.1　Mg-Al-Zn合金

Mg-Al-Zn合金最典型和常用的鎂合金是AZ91D，其壓鑄組織是由α相和在晶界析出的β相組成（見圖2-5）。Mg-Al-Zn合金組織成分常常出現晶內偏析現象，先結晶部分含Al量較多，后結晶部分含Mg量較多。晶界含Al量較高，晶內含Al量較低；表層Al含量較高，里層Al含量較低。另外，冷卻速度的差異，導致壓鑄組織表層組織致密、晶粒細小；而心部組織晶粒比較粗大。因而表面層硬度明顯高于心部硬度。研究表明，AZ91D壓鑄件隨厚度的增加，抗拉強度及蠕變抗力下降。

Mg-Al-Zn合金系的三元等溫截圖見圖2-6。隨Zn含量的增加，β（Mg17Al12）相中合金成分會變成三元金屬間化合物MgxZnyAlz型。砂型鑄造合金AZ92合金只有Mg17Al12，而AZ63合金除Mg17Al12以外，還有三元化合物Mg3Zn2Al3。Mg-10%Zn-4%Al合金中只有Mg32（Al，Zn）49；Mg-10% Zn-6% Al合金中的金屬間化合物主要是Al2Mg5Zn2。

壓鑄組織耐蝕性比砂型鑄造的要好，這是由于壓鑄組織表面鋁含量較高的緣故，鎂合金的力學性能隨Al含量的增加而提高。盡管壓鑄方法能很大程度地減少組織中鑄造缺陷如空洞、縮孔等，但組織中不可避免地還會存在一些缺陷等。這些缺陷將會降低鎂合金的力學性能。實驗表明，鑄造缺陷對疲勞性能有很大影響，往往是疲勞裂紋源。減少缺陷數量和尺寸，將顯著提高鑄造鎂合金的疲勞性能。

2.3.1.2　Mg-Al-Mn合金

依據Mg-Al-Mn合金相圖2-7，其典型組織是除存在α相和在晶界沉淀析出的β相（Mg17Al12）以外，還存在含Mn的中間相。根據合金中Al的含量高低，這種中間相可能是AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或Al5Mn8。AM60中AlMn相粒子在掃描電鏡照片中為白色[見圖2-8（a）]。由能譜分析其主要成分為Al/Mn（原子比）=（1.12～1.15）∶1（見表2-10），原子比接近1∶1，所以，Al-Mn相應為AlMn。AlMn多具有規則幾何形狀如四方形，少量圓形、短棒形等外形。長軸方向和短軸方向沒有明顯差異，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（見表2-10），這可能是由于在鎂合金的冶煉過程中，為除去有害元素Fe而有意加入Mn元素所產生的。圖2-8（b）為AZ61中AlMn粒子形貌。

該系列合金的典型合金為AM50和AM60，可用于要求高伸長率、高韌性和高抗彎曲性能的工件，如輪轂、座椅架及車門等。

2.3.1.3　Mg-Al-RE合金

Mg-RE系相圖顯示RE在Mg中形成有限固溶體，產生細小的Mg3RE和Mg12RE粒子沉淀強化。在Mg-Al合金中加入RE，RE優先與Al結合而不會與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）的典型組織為基體α-Mg和中間相Al4MM（MM指混合稀土）及Al12Mg17，不存在三元Mg-Al-RE相。Al4MM的結構類似于Al4Ce化合物，具有體心正交晶體結構，其點陣常數為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）的鑄態組織里，因為Al的存在，RE與Al化合形成了Al11RE3和Al10RE2Mn7兩相。這是由于Al在Mg基體里產生偏析，Al在晶界處的濃度估計要高于晶內2～4倍。X射線能譜（EDS）證實在晶粒內部Al的含量為1.5%～2.0%，而在不同的晶界處Al的含量在4%～7%變化。β-Al12Mg17相或者是在晶界附近呈薄且平行的板條狀（典型的有15～100nm厚，0.25～0.5μm×1μm長），或者是在晶界上生長成較大的粒子（0.25～2μm）。在Mg基體基面上生長的板條狀β相具有如下位相關系：（0001）Mg‖和‖。其典型合金為AE42，可用于高溫下要求高蠕變強度的部件。

2.3.1.4　Mg-Al-Si合金

AS系耐熱鎂合金組織特征是在晶界處形成細小彌散分布的穩定析出相Mg2Si，它具有Ca2F型面心立方晶體結構，較高的熔點（1085℃）和硬度（460HV0.3）及較低的密度（1.9g/cm3）。Mg2Si提高合金的抗蠕變能力。其典型合金為AS41和AS21，適合于較高溫度（150℃）下強度較高的部件。

2.3.1.5　Mg-Al-Ca合金

Mg-Al-Ca合金組織特征是存在Al2Ca和Mg2Ca化合物。Mg-Al-Ca合金具有較高的耐熱性和阻燃性，但是耐蝕性有所降低。日本開發了一種新的耐熱鎂合金（ACM522），其成分為Mg-5Al-2Ca-2MM-0.3Mn。其組織為初生α（Mg），在晶界分散著的黑色粒子為Al-Ce相，淺色的化合物為Al-Ca、Mg-Ca等相。該合金可在150～200℃范圍使用。

2.3.2　Mg-Zn系合金

Mg-Zn系合金組織特征是可能含有Mg51Zn20、Mg7Zn3、MgZn、Mg2Zn3或MgZn2等共晶化合物。在Mg-9Zn二元合金中由共晶反應生成的離異共晶沉淀物主要為Mg51Zn20，其晶體結構為十二面體配位多面體結構，晶體空間點陣為正交系，空間群為Immm，點陣常數為a=1.4083nm，b=1.4486nm，c=1.4025nm。根據Mg-Zn二元相圖，共晶反應的結果產生了大量的共晶沉淀物Mg51Zn20和與之相應的Mg7Zn3。有時能發現在晶界上粗大的Mg51Zn20共晶相里還存在一些較小的沉淀相，通過電子衍射證實這種相有著與MgZn2拉弗斯相相同的晶體結構。在共晶區域里共有三種不同的組織形貌，除了Mg51Zn20沉淀粒子外，還有另外兩種不同形貌的化合物：一種形貌是片狀沉淀MgZn相，它是在凝固冷卻過程中Mg51Zn20部分分解產生的，其反應式為：Mg51Zn20→α（Mg）+MgZn；另一種形貌是由在共晶體粒子外層的Mg51Zn20分解為片狀的α（Mg）和MgZn相，及在此共晶體粒子里層的Mg51Zn20分解為α（Mg）+MgZn2相構成的。經315℃、4h固溶處理，然后水淬的組織則為Mg51Zn20粒子完全分解后形成的中間相與α（Mg）交織在一起的緊密混合物。這種中間相具有與MgZn2拉弗斯相一致的晶體結構。在Mg-Zn（<4%Zn）合金中加入>0.5%Ca在167℃（440K）以下析出數原子層的細小板條狀沉淀物，此時此材料具有良好的蠕變性能。其組織為α（Mg）基體和黑色化合物Mg2Ca及白色化合物Mg5Ca2Zn5。

ZE系列合金的高溫性能顯著優于AZ91合金。ZE41、ZC63是Mg-Zn系耐熱合金，其常溫屈服強度高，高溫性能好。

2.3.2.1　Mg-Zn-MM（混合稀土）合金

由于加入1.5%MM對Mg-8Zn合金組織有強烈的影響，所以Mg-8Zn-1.5MM合金共晶相組織有三種不同的共晶相，但從它們的形貌上不能區分彼此。這三種相分別是T相、Mg4Zn7相和MgZn2拉弗斯相。T相主要為三元共晶相Mg52.6Zn39.5MM7.9或（Mg，Zn）92.1MM7.9，具有C心正交晶體結構，其點陣常數為a=0.96nm，b=1.12nm，c=0.94nm；Mg4Zn7相有一個B心單斜B2/m晶體結構，其點陣常數為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合金組織特征是存在MgxZnyAlz和MgZn中間相。在含大約2%Al的鎂合金里存在MgZn化合物，但不存在Al12Mg17化合物。例如，ZA102、ZA106的組織為α基體和晶界共晶體α相和在晶界沉積的粗大的β（MgxZnyAlz）相。Mg-9%Zn-4.5%Al-0.6%Ca合金組織的主要共晶化合物是Mg32（Al，Zn）49和MgZn，其共晶化合物的數量隨Zn和Al含量的增加而增加。Ca、Sr加入ZA142和ZA144合金能夠提高其抗蠕變能力，但Ca的作用比Sr更明顯。Ca和Sr作為溶質雖然一定程度地存在Mg基體中，但是大量地還是存在于MgxZnyAlz相中。

2.3.3　鑄造鎂合金的性能

國外常用壓鑄鎂合金的典型性能見表2-11，砂型鑄造鎂合金Mg-Al-Zn和Mg-Zr的力學性能和疲勞性能分別見表2-12、表2-13。鑄造鎂合金的特性見表2-14。

①無缺口夏氏試驗。

①已廢棄不用的合金。

②A和B性質差不多，但AM60B鑄件雜質含量為Fe≤0.005%、Ni≤0.002%和Cu≤0.010%。

③A和BQQ性能差不多，但AS41B鑄件的雜質含量為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鑄件中雜質含量為Fe≤0.005%、Ni≤0.002%和Cu≤0.030%。