原标题：保压压力对不同壁厚低压铸造Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金组织和性能的影响

导读

Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金是交通轻量化领域的核心用材，但铸造流动性差、壁厚效应显著、工艺适配难度大，制约其低压铸造批量应用。云南省交通规划设计研究院联合昆明理工大学团队，依托自研阶梯形模具，系统探究不同保压压力对5~60 mm梯度壁厚铸件组织、硬度、拉伸性能及断裂机制的差异化影响，明确厚壁合金晶粒细化、性能强化的最优压力区间，厘清薄壁与厚壁铸件的工艺适配逻辑，为交通领域高强铝合金复杂壁厚构件低压铸造工艺优化提供重要工程依据。

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金凭借低密度、超高比强度、优良耐磨性与耐蚀性，成为汽车、轨道交通轻量化结构件的优选材料，产业化应用前景广阔。但该合金体系铸造性能较差，常规重力铸造易产生缩孔、疏松、热裂等缺陷，难以成型复杂截面、梯度壁厚构件。低压铸造凭借充型平稳、卷气少、铸件致密度高、成品率高的优势，成为高强铝合金复杂构件成型的关键工艺。

在实际工业化生产中，铸件壁厚差异会直接改变金属液凝固速率、温度场分布，叠加保压压力参数波动，极易造成不同壁厚位置晶粒尺寸、缺陷含量、力学性能不均的问题，严重影响构件整体服役稳定性与安全性。目前学界针对铝合金保压工艺研究多聚焦单一壁厚构件，尚未系统厘清保压压力与梯度壁厚耦合作用下的组织性能演变规律，无法精准指导多壁厚一体化铸件的工艺匹配。

为破解低压铸造Al-Zn-Mg-Cu合金壁厚效应突出、工艺适配性差、性能不均的行业痛点，完善高强铝合金低压铸造工艺体系，云南省交通规划设计研究院股份有限公司联合昆明理工大学材料科学与工程学院协同攻关，高级工程师李薇为第一作者的相关研究成果，以《保压压力对不同壁厚低压铸造Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金组织和性能的影响》为题刊发于《特种铸造及有色合金》2026年第46卷第5期，研究依托云南省交通运输厅科技资助项目、云南交投科技创新计划项目支持完成。该研究设计多梯度壁厚阶梯模具，匹配四组工业常用保压压力，完整揭示压力-壁厚-组织-性能的耦合关联机制，明确最优工艺参数区间，为交通轻量化铝合金构件规模化、高质量生产提供坚实技术支撑。

该研究核心创新与工程价值突出。采用自研阶梯形模具，一次性实现5 mm、15 mm、30 mm、60 mm多梯度壁厚同步成型，精准模拟工业复杂壁厚构件工况；首次阐明保压压力的差异化调控规律，明确薄壁无显著影响、厚壁细化强化的核心特征；界定最优工艺区间，证实0.035 MPa为性能临界拐点，超0.04 MPa后工艺增益趋于饱和；结合断口形貌揭示不同壁厚、不同压力下的塑性/脆性断裂转化机制，补齐梯度壁厚铝合金低压铸造断裂机理研究空白。

01 试验材料与制备检测方案

研究以工业纯Al、纯Zn、纯Mg铸锭及Al-50Cu中间合金为原料，精准配制Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu高强铝合金。采用中频电磁感应炉完成合金熔炼，720 ℃熔化纯铝与铝铜合金，依次加入锌锭、铝箔包裹镁锭，690 ℃采用C2Cl6精炼除气15 min，710 ℃静置扒渣，保障熔体纯净度，减少内生缺陷。

采用J452型低压铸造机成型，定制模具钢阶梯形模具，实现5 mm、15 mm、30 mm、60 mm四种壁厚铸件一体化成型；模具预热温度130~160 ℃，充型完成后设置0.03 MPa、0.035 MPa、0.04 MPa、0.045 MPa四组梯度保压压力，统一保压15 s、冷却60 s后开模取样，完全贴合工业实际生产工艺参数。

试样经标准磨抛、Keller试剂腐蚀后，利用Zeiss EVO180扫描电镜观测微观组织与拉伸断口形貌；采用HB-3000C布氏硬度计测试硬度，通过多点取值平均消除误差；依托Zwick/Roell Z100万能试验机完成室温拉伸测试，精准获取合金硬度、抗拉强度、屈服强度、伸长率等核心力学性能数据。

图1　铸造模具和拉伸试样的尺寸图

02 保压压力与壁厚耦合作用下微观组织演变规律

试验结果表明，保压压力对合金铸态组织的调控效果存在显著壁厚依赖性，薄壁、厚壁铸件呈现完全不同的组织演变特征。

5 mm薄壁铸件凝固速度极快，金属液充型后快速触冷形核、瞬时凝固，保压压力在0.03~0.04 MPa区间内，合金均为近等轴晶组织，枝晶臂短粗，共晶组织呈连续网状分布，晶粒尺寸无明显差异；仅压力提升至0.045 MPa时，高压抑制晶粒长大，组织轻微细化，共晶组织转为细小网状结构，整体改性效果有限。核心原因是薄壁铸件凝固周期短，保压过程难以持续作用于凝固体系，对微观组织调控作用微弱。

15 mm中等壁厚铸件以柱状树枝晶为主，低压力下晶粒粗大、枝晶方向性强；随保压压力升高，外部压力抑制枝晶单向生长，枝晶臂趋于短粗、取向性弱化，组织均匀性小幅提升，整体晶粒尺寸变化平缓，无剧烈细化或粗化现象。

30 mm、60 mm厚壁铸件对保压压力高度敏感，组织演变规律显著。低压工况下铸件内部等轴晶受热长大，晶粒尺寸粗大，晶间共晶组织呈连续网状分布；随保压压力持续升高，外部应力作用于未凝固熔体，有效抑制晶粒长大，破碎连续网状共晶组织，使其转变为细小棒状、团块状弥散分布，晶粒尺寸持续细化，铸件致密度大幅提升。同等压力条件下，60 mm厚壁铸件晶粒细化效果优于30 mm铸件，厚壁构件压力增益效果更显著。

图2　不同保压压力下合金的显微组织

03 梯度工况下合金力学性能

合金布氏硬度随保压压力、铸件壁厚呈现规律性波动，整体呈现“低压偏低、高压递增、中压拐点”的特征。5 mm薄壁铸件硬度随压力升高小幅波动上升，硬度区间维持在99.7~112.33 HBW，因薄壁凝固过快，压力对组织改性有限，硬度变化无明显线性规律。

15 mm、30 mm、60 mm中厚壁铸件硬度变化趋势高度一致，均在0.035 MPa压力下出现硬度最小值，分别为110.33 HBW、118 HBW、108.33 HBW。该压力工况下合金晶粒尺寸偏大、组织均匀性差，缺陷含量相对较高，导致硬度降至低谷。当保压压力超过0.035 MPa后，晶粒细化、组织致密度提升，硬度持续稳步上升，压力强化效果凸显。

抗拉与屈服强度：所有壁厚铸件的抗拉、屈服强度均随保压压力升高整体提升，0.035 MPa为性能关键拐点，压力超过0.04 MPa后，强度增长趋于饱和，继续升压无明显增益。同一保压压力下，合金强度随壁厚增加呈现“先升后降”规律，30 mm壁厚铸件性能最优，各压力下抗拉强度峰值可达232.03 MPa、290.85 MPa、257.49 MPa、266.25 MPa。

5 mm薄壁铸件因凝固过快、补缩不足，内部存在微量铸造缺陷，组织均匀性差，整体强度偏低；30 mm中等壁厚铸件凝固周期适中，保压压力可充分发挥补缩、细化晶粒、消除缺陷的作用，组织致密均匀，强度性能最优；60 mm厚壁铸件内部温度梯度小、晶粒易粗大，弱化了压力强化效果，性能相较于30 mm铸件有所回落。

断后伸长率：合金塑性受压力与壁厚耦合影响更为复杂。低压0.03 MPa工况下，厚壁铸件因晶粒粗大、缺陷较多，塑性最差；0.035 MPa压力下各壁厚铸件塑性趋于均衡；高压0.045 MPa工况下，压力有效优化组织均匀性，弱化壁厚性能差异，不同壁厚铸件伸长率趋于一致，塑性稳定性大幅提升。15 mm柱状晶结构铸件易出现晶间开裂，始终是全工况下塑性薄弱位置。

图3　不同保压压力下合金的布氏硬度

图4　不同保压压力下合金的抗拉强度

图5　不同保压压力下合金的屈服强度

图6　不同保压压力下合金的伸长率

04 拉伸断口断裂机制分析

不同工况下合金断裂模式呈现明显差异化特征，与力学性能高度匹配。整体来看，合金以韧窝型塑性断裂为主，低压、厚壁工况伴随局部脆性断裂特征。

低保压压力（0.03 MPa）下，铸件存在缩孔、疏松等缺陷，60 mm厚壁铸件断口出现大量解理面与河流花样，呈现明显脆性解理断裂特征，韧性极差；薄壁铸件虽以韧窝为主，但存在微裂纹缺陷。0.035 MPa中压工况下，15 mm柱状晶铸件断口存在长条状解理组织，易晶间开裂，塑性较差，其余壁厚铸件以韧窝断裂为主。

高压工况下，铸件组织致密、缺陷大幅减少，断口均匀分布细小深邃韧窝，脆性断裂特征基本消失。0.045 MPa高压可有效抵消壁厚差异带来的组织不均问题，各壁厚铸件断裂模式趋于统一，塑性稳定性显著提升。

图7　不同保压压力合金的室温拉伸断口形貌SEM图

05 研究结论

1. 保压压力对Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金组织的调控具备显著壁厚效应：薄壁铸件受凝固速度限制，压力改性效果微弱；厚壁铸件随保压压力升高，晶粒持续细化、网状共晶组织弥散化，组织致密度大幅提升。

2. 0.035 MPa为性能临界拐点，中厚壁铸件在此压力下晶粒粗大、硬度最低；压力超过该值后，合金组织持续优化，硬度、强度稳步提升，压力强化效果显著。

3. 壁厚30 mm为最优性能尺寸，各压力工况下强度均达到峰值；压力超过0.04 MPa后，工艺增益趋于饱和，继续提升压力无法显著优化组织与性能，工业生产无需过度升压。

4. 高压工况可有效弱化壁厚带来的性能差异，提升多壁厚构件整体性能均匀性，可用于复杂梯度壁厚交通铝合金构件的批量稳定生产。

06 引用格式

中文：李薇，陈兴通，谭盼，李鹏飞，隋育栋. 保压压力对不同壁厚低压铸造Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金组织和性能的影响［J］.

本文转载自《特种铸造及有色合金》