原標題：保壓壓力對不同壁厚低壓鑄造Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金組織和性能的影響

導讀

Al-Zn-Mg-Cu高強鋁合金是交通輕量化領域的核心用材，但鑄造流動性差、壁厚效應顯著、工藝適配難度大，制約其低壓鑄造批量應用。云南省交通規劃設計研究院聯合昆明理工大學團隊，依托自研階梯形模具，系統探究不同保壓壓力對5~60 mm梯度壁厚鑄件組織、硬度、拉伸性能及斷裂機制的差異化影響，明確厚壁合金晶粒細化、性能強化的最優壓力區間，厘清薄壁與厚壁鑄件的工藝適配邏輯，為交通領域高強鋁合金復雜壁厚構件低壓鑄造工藝優化提供重要工程依據。

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金憑借低密度、超高比強度、優良耐磨性與耐蝕性，成為汽車、軌道交通輕量化結構件的優選材料，產業化應用前景廣闊。但該合金體系鑄造性能較差，常規重力鑄造易產生縮孔、疏松、熱裂等缺陷，難以成型復雜截面、梯度壁厚構件。低壓鑄造憑借充型平穩、卷氣少、鑄件致密度高、成品率高的優勢，成為高強鋁合金復雜構件成型的關鍵工藝。

在實際工業化生產中，鑄件壁厚差異會直接改變金屬液凝固速率、溫度場分布，疊加保壓壓力參數波動，極易造成不同壁厚位置晶粒尺寸、缺陷含量、力學性能不均的問題，嚴重影響構件整體服役穩定性與安全性。目前學界針對鋁合金保壓工藝研究多聚焦單一壁厚構件，尚未系統厘清保壓壓力與梯度壁厚耦合作用下的組織性能演變規律，無法精準指導多壁厚一體化鑄件的工藝匹配。

為破解低壓鑄造Al-Zn-Mg-Cu合金壁厚效應突出、工藝適配性差、性能不均的行業痛點，完善高強鋁合金低壓鑄造工藝體系，云南省交通規劃設計研究院股份有限公司聯合昆明理工大學材料科學與工程學院協同攻關，高級工程師李薇為第一作者的相關研究成果，以《保壓壓力對不同壁厚低壓鑄造Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金組織和性能的影響》為題刊發于《特種鑄造及有色合金》2026年第46卷第5期，研究依托云南省交通運輸廳科技資助項目、云南交投科技創新計劃項目支持完成。該研究設計多梯度壁厚階梯模具，匹配四組工業常用保壓壓力，完整揭示壓力-壁厚-組織-性能的耦合關聯機制，明確最優工藝參數區間，為交通輕量化鋁合金構件規模化、高質量生產提供堅實技術支撐。

該研究核心創新與工程價值突出。采用自研階梯形模具，一次性實現5 mm、15 mm、30 mm、60 mm多梯度壁厚同步成型，精準模擬工業復雜壁厚構件工況；首次闡明保壓壓力的差異化調控規律，明確薄壁無顯著影響、厚壁細化強化的核心特征；界定最優工藝區間，證實0.035 MPa為性能臨界拐點，超0.04 MPa后工藝增益趨于飽和；結合斷口形貌揭示不同壁厚、不同壓力下的塑性/脆性斷裂轉化機制，補齊梯度壁厚鋁合金低壓鑄造斷裂機理研究空白。

01 試驗材料與制備檢測方案

研究以工業純Al、純Zn、純Mg鑄錠及Al-50Cu中間合金為原料，精準配制Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu高強鋁合金。采用中頻電磁感應爐完成合金熔煉，720 ℃熔化純鋁與鋁銅合金，依次加入鋅錠、鋁箔包裹鎂錠，690 ℃采用C2Cl6精煉除氣15 min，710 ℃靜置扒渣，保障熔體純凈度，減少內生缺陷。

采用J452型低壓鑄造機成型，定制模具鋼階梯形模具，實現5 mm、15 mm、30 mm、60 mm四種壁厚鑄件一體化成型；模具預熱溫度130~160 ℃，充型完成后設置0.03 MPa、0.035 MPa、0.04 MPa、0.045 MPa四組梯度保壓壓力，統一保壓15 s、冷卻60 s后開模取樣，完全貼合工業實際生產工藝參數。

試樣經標準磨拋、Keller試劑腐蝕后，利用Zeiss EVO180掃描電鏡觀測微觀組織與拉伸斷口形貌；采用HB-3000C布氏硬度計測試硬度，通過多點取值平均消除誤差；依托Zwick/Roell Z100萬能試驗機完成室溫拉伸測試，精準獲取合金硬度、抗拉強度、屈服強度、伸長率等核心力學性能數據。

圖1　鑄造模具和拉伸試樣的尺寸圖

02 保壓壓力與壁厚耦合作用下微觀組織演變規律

試驗結果表明，保壓壓力對合金鑄態組織的調控效果存在顯著壁厚依賴性，薄壁、厚壁鑄件呈現完全不同的組織演變特征。

5 mm薄壁鑄件凝固速度極快，金屬液充型后快速觸冷形核、瞬時凝固，保壓壓力在0.03~0.04 MPa區間內，合金均為近等軸晶組織，枝晶臂短粗，共晶組織呈連續網狀分布，晶粒尺寸無明顯差異；僅壓力提升至0.045 MPa時，高壓抑制晶粒長大，組織輕微細化，共晶組織轉為細小網狀結構，整體改性效果有限。核心原因是薄壁鑄件凝固周期短，保壓過程難以持續作用于凝固體系，對微觀組織調控作用微弱。

15 mm中等壁厚鑄件以柱狀樹枝晶為主，低壓力下晶粒粗大、枝晶方向性強；隨保壓壓力升高，外部壓力抑制枝晶單向生長，枝晶臂趨于短粗、取向性弱化，組織均勻性小幅提升，整體晶粒尺寸變化平緩，無劇烈細化或粗化現象。

30 mm、60 mm厚壁鑄件對保壓壓力高度敏感，組織演變規律顯著。低壓工況下鑄件內部等軸晶受熱長大，晶粒尺寸粗大，晶間共晶組織呈連續網狀分布；隨保壓壓力持續升高，外部應力作用于未凝固熔體，有效抑制晶粒長大，破碎連續網狀共晶組織，使其轉變為細小棒狀、團塊狀彌散分布，晶粒尺寸持續細化，鑄件致密度大幅提升。同等壓力條件下，60 mm厚壁鑄件晶粒細化效果優于30 mm鑄件，厚壁構件壓力增益效果更顯著。

圖2　不同保壓壓力下合金的顯微組織

03 梯度工況下合金力學性能

合金布氏硬度隨保壓壓力、鑄件壁厚呈現規律性波動，整體呈現“低壓偏低、高壓遞增、中壓拐點”的特征。5 mm薄壁鑄件硬度隨壓力升高小幅波動上升，硬度區間維持在99.7~112.33 HBW，因薄壁凝固過快，壓力對組織改性有限，硬度變化無明顯線性規律。

15 mm、30 mm、60 mm中厚壁鑄件硬度變化趨勢高度一致，均在0.035 MPa壓力下出現硬度最小值，分別為110.33 HBW、118 HBW、108.33 HBW。該壓力工況下合金晶粒尺寸偏大、組織均勻性差，缺陷含量相對較高，導致硬度降至低谷。當保壓壓力超過0.035 MPa后，晶粒細化、組織致密度提升，硬度持續穩步上升，壓力強化效果凸顯。

抗拉與屈服強度：所有壁厚鑄件的抗拉、屈服強度均隨保壓壓力升高整體提升，0.035 MPa為性能關鍵拐點，壓力超過0.04 MPa后，強度增長趨于飽和，繼續升壓無明顯增益。同一保壓壓力下，合金強度隨壁厚增加呈現“先升后降”規律，30 mm壁厚鑄件性能最優，各壓力下抗拉強度峰值可達232.03 MPa、290.85 MPa、257.49 MPa、266.25 MPa。

5 mm薄壁鑄件因凝固過快、補縮不足，內部存在微量鑄造缺陷，組織均勻性差，整體強度偏低；30 mm中等壁厚鑄件凝固周期適中，保壓壓力可充分發揮補縮、細化晶粒、消除缺陷的作用，組織致密均勻，強度性能最優；60 mm厚壁鑄件內部溫度梯度小、晶粒易粗大，弱化了壓力強化效果，性能相較于30 mm鑄件有所回落。

斷后伸長率：合金塑性受壓力與壁厚耦合影響更為復雜。低壓0.03 MPa工況下，厚壁鑄件因晶粒粗大、缺陷較多，塑性最差；0.035 MPa壓力下各壁厚鑄件塑性趨于均衡；高壓0.045 MPa工況下，壓力有效優化組織均勻性，弱化壁厚性能差異，不同壁厚鑄件伸長率趨于一致，塑性穩定性大幅提升。15 mm柱狀晶結構鑄件易出現晶間開裂，始終是全工況下塑性薄弱位置。

圖3　不同保壓壓力下合金的布氏硬度

圖4　不同保壓壓力下合金的抗拉強度

圖5　不同保壓壓力下合金的屈服強度

圖6　不同保壓壓力下合金的伸長率

04 拉伸斷口斷裂機制分析

不同工況下合金斷裂模式呈現明顯差異化特征，與力學性能高度匹配。整體來看，合金以韌窩型塑性斷裂為主，低壓、厚壁工況伴隨局部脆性斷裂特征。

低保壓壓力（0.03 MPa）下，鑄件存在縮孔、疏松等缺陷，60 mm厚壁鑄件斷口出現大量解理面與河流花樣，呈現明顯脆性解理斷裂特征，韌性極差；薄壁鑄件雖以韌窩為主，但存在微裂紋缺陷。0.035 MPa中壓工況下，15 mm柱狀晶鑄件斷口存在長條狀解理組織，易晶間開裂，塑性較差，其余壁厚鑄件以韌窩斷裂為主。

高壓工況下，鑄件組織致密、缺陷大幅減少，斷口均勻分布細小深邃韌窩，脆性斷裂特征基本消失。0.045 MPa高壓可有效抵消壁厚差異帶來的組織不均問題，各壁厚鑄件斷裂模式趨于統一，塑性穩定性顯著提升。

圖7　不同保壓壓力合金的室溫拉伸斷口形貌SEM圖

05 研究結論

1. 保壓壓力對Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金組織的調控具備顯著壁厚效應：薄壁鑄件受凝固速度限制，壓力改性效果微弱；厚壁鑄件隨保壓壓力升高，晶粒持續細化、網狀共晶組織彌散化，組織致密度大幅提升。

2. 0.035 MPa為性能臨界拐點，中厚壁鑄件在此壓力下晶粒粗大、硬度最低；壓力超過該值后，合金組織持續優化，硬度、強度穩步提升，壓力強化效果顯著。

3. 壁厚30 mm為最優性能尺寸，各壓力工況下強度均達到峰值；壓力超過0.04 MPa后，工藝增益趨于飽和，繼續提升壓力無法顯著優化組織與性能，工業生產無需過度升壓。

4. 高壓工況可有效弱化壁厚帶來的性能差異，提升多壁厚構件整體性能均勻性，可用于復雜梯度壁厚交通鋁合金構件的批量穩定生產。

06 引用格式

中文：李薇，陳興通，譚盼，李鵬飛，隋育棟. 保壓壓力對不同壁厚低壓鑄造Al-5.8Zn-2.3Mg-1.7Cu合金組織和性能的影響［J］.

本文轉載自《特種鑄造及有色合金》