圖1：Model 3與Model Y的零部件數(shù)量對比縮減

鋁壓鑄的大型一體化模具熱處理：挑戰(zhàn)與進展——托馬斯?溫根斯

汽車行業(yè)正日益廣泛地采用大型一體化壓鑄技術(shù)，這對所需大型壓鑄模具的制造與維護提出了重大挑戰(zhàn)。本文旨在闡述熱處理如何在保障由H13及其 衍生模具鋼制成的大型一體化壓鑄模的性能與使用壽命方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

引言

作者在其2005年一篇關(guān)于大型模具真空熱處理的論文中，曾提出這樣的預(yù)見：“為降低制造成本，鋁合金鑄件將日益廣泛地應(yīng)用于汽車輕量化領(lǐng)域，汽車行業(yè)對重量超過3噸的超大型壓鑄模具的需求也將隨之增長。”六年前，特斯拉率先大規(guī)模應(yīng)用一體化壓鑄技術(shù)，這一突破性舉措不僅引發(fā)全球矚目，更將鋁合金壓鑄工藝推向了全新的發(fā)展階段。

特斯拉正持續(xù)推進其大型一體化壓鑄技術(shù)的升級，旨在將幾乎所有車輛底盤部件一次性壓鑄成型。在Model Y的生產(chǎn)中，特斯拉率先采用鎖模力達6000至9000噸級的大型壓鑄設(shè)備，成功實現(xiàn)了前后車體的一體化成型。該技術(shù)帶來顯著效益：Model Y后車體采用整體鑄造技術(shù)后，相關(guān)制造成本降低約40%。而在Model 3的生產(chǎn)中，通過前后車體的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，特斯拉成功精簡了生產(chǎn)流程，減少了600臺裝配機器人的使用。

特斯拉已經(jīng)安裝了14臺大型一體化壓鑄機，其中包括兩臺鎖模力為9000噸的壓鑄機，用于在得克薩斯州奧斯汀工廠生產(chǎn)Cybertruck電動皮卡的部件，未來還會有更多大型一體化壓鑄機投入使用。

特斯拉在模具的高溫區(qū)嵌入鑲塊。這些鑲塊專門鑲嵌在容易受到腐蝕的區(qū)域。鑲塊的核心優(yōu)勢在于可實現(xiàn)局部更換，無需因小范圍損壞而報廢整個高價值模具，從而顯著提升模具的使用經(jīng)濟性。模具的使用壽命可達數(shù)十萬次，而鑲塊的使用壽命可能僅在30,000至80,000次之間。

特斯拉為每臺壓鑄機配備兩套模具，采用交替使用與維護的機制：當(dāng)一套模具投入生產(chǎn)時，另一套則進行保養(yǎng)維護。通過定期輪換，既保障了生產(chǎn)的連續(xù)性，也實現(xiàn)了設(shè)備利用效率的最大化。

圖2：特斯拉Model Y一體化鋁壓鑄部件

福特、豐田、大眾、沃爾沃以及多數(shù)中國電動汽車制造商均已訂購大型一體化壓鑄設(shè)備。除特斯拉外，北美首臺該類壓鑄機將安裝在安大略省的利納馬公司。這一動向凸顯出汽車行業(yè)正經(jīng)歷深刻變革：日益增長的輕量化與降本需求，正推動大型一體化壓鑄技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋁合金結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。此項革命性工藝需依賴重量通常達數(shù)噸級的超大型壓鑄模具實現(xiàn)。

大型一體化壓鑄模具通常采用熱作模具鋼（如H13）制造，在高壓注入鋁液的過程中會承受極大的熱機械應(yīng)力。因此，熱處理對實現(xiàn)模具的理想機械性能、延長其使用壽命以及控制變形與開裂風(fēng)險具有決定性作用。本文將深入探討超大型壓鑄模具熱處理技術(shù)的演變歷程、當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及創(chuàng)新解決方案。

歷史展望

在過去幾十年中，大型鋁合金壓鑄模具的熱處理技術(shù)取得了顯著進展。20世紀80至90年代真空熱處理技術(shù)應(yīng)用初期，工藝重點主要集中于控制變形與獲得潔凈的表面質(zhì)量。為實現(xiàn)該目標(biāo)，普遍采用較低的氣體淬火速率（通常低于30°F/分鐘，約17°C/分鐘）。然而，這種緩慢的冷卻方式在減少變形的同時，卻導(dǎo)致了晶界碳化物的析出，導(dǎo)致模具沖擊韌性下降和使用壽命縮短。

認識到提高模具性能的必要性，北美壓鑄協(xié)會（NADCA）與行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)共同提出建議，將最低表面淬火速度提高至 50°F /min（28°C /min）。這一轉(zhuǎn)變，結(jié)合更優(yōu)質(zhì)的模具材料以及先進的熱處理規(guī)范（如通用DC-9999-1（1995）和福特 AMTD DC2010（1999）），顯著提升了北美汽車行業(yè)模具壽命并降低綜合成本，這些規(guī)范尤其強調(diào)了材料質(zhì)量控制與熱處理工藝的關(guān)鍵作用。

圖3. 通用汽車動力總成16英寸立方體淬火試驗

大型一體化壓鑄模的熱處理挑戰(zhàn)

大型H13鋁壓鑄模具的熱處理傳統(tǒng)上需要在保證足夠淬火速率以獲得良好機械性能的同時，兼顧控制變形與開裂風(fēng)險之間的平衡。隨著現(xiàn)代汽車及工業(yè)應(yīng)用對更大尺寸壓鑄件的需求日益增長，冶金學(xué)家與設(shè)備供應(yīng)商正聚焦于以下幾個關(guān)鍵發(fā)展方向：在高壓真空爐中實現(xiàn)更快速的淬火技術(shù)；采用中斷淬火與等溫控制工藝；以及開發(fā)可應(yīng)對重載荷與高熱負荷的輔助系統(tǒng)。

圖4. 重5.6噸的H13鋁合金壓鑄模具

H13（及同類熱作模具鋼）需具備足夠快的淬火速度，以避免有害的晶界析出物形成，否則將損害模具的韌性和使用壽命。許多壓鑄行業(yè)規(guī)范（包括NADCA標(biāo)準(zhǔn)）均建議在模具近表面區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最低50°F/min（約28°C/min）的淬火速率，以確保形成均勻的細晶組織。若冷卻速率不足，大型壓鑄模具的原奧氏體晶界處可能析出有害碳化物，從而導(dǎo)致沖擊韌性下降。

對于重達數(shù)噸的大型模具而言，要實現(xiàn)其表面達到甚至超過50°F/min（約28°C/min）的淬火速率并非易事。熱量雖可從厚大截面快速導(dǎo)出，但H13鋼相對有限的熱導(dǎo)率限制了模具芯部的冷卻速度。正因如此，工業(yè)界廣泛采用高壓氣淬（HPGQ）技術(shù)——無論是在單室還是多室真空爐中，氮氣壓力通常超過10或15bar。

大型一體化壓鑄技術(shù)的出現(xiàn)，模具尺寸的顯著增大（重量超過3噸），為熱處理工藝帶來了全新的挑戰(zhàn)。要在如此龐大的壓鑄模具中實現(xiàn)所需的冶金性能并最大限度減少缺陷，離不開復(fù)雜的工藝技術(shù)與專用設(shè)備的支持。

圖5. 合格（左）與不合格（右）的H11鋼顯微組織 (500x)

主要挑戰(zhàn)包括：

均勻加熱和冷卻：

在加熱至奧氏體化溫度及后續(xù)淬火過程中，必須確保大型模具整體溫度均勻分布，以避免因不均勻相變所導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力積累，從而防止變形或開裂的發(fā)生。

實現(xiàn)足夠的淬火速率：

受H13鋼熱導(dǎo)率限制，從大型模具的截面快速傳導(dǎo)熱量，以達到NADCA #207規(guī)定的表面熱電偶（Ts）最低淬火速率（至少50°F/分鐘或28°C/分鐘），并非易事。

減小變形和開裂：

在快速淬火過程中，模具表面與芯部之間形成的溫差會引發(fā)不均勻的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而顯著增加大型壓鑄模具變形甚至開裂的風(fēng)險。

現(xiàn)有規(guī)范的應(yīng)用：

當(dāng)前行業(yè)規(guī)范（如NADCA #207）主要針對估計重達 1 噸的模具設(shè)計的。然而，面對重量達數(shù)噸的大型一體化壓鑄模具，這些規(guī)范的實際適用性與技術(shù)充分性正受到質(zhì)疑。其中，如何真實反映模具整體性能所需的熱處理試樣數(shù)量及位置，已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

設(shè)備能力：

大型一體化模具的熱處理需要具有足夠承重和冷卻能力的真空爐。

大型一體化模具的現(xiàn)代熱處理技術(shù)

為了應(yīng)對大型一體化模具熱處理相關(guān)的挑戰(zhàn)，先進的真空熱處理技術(shù)和工藝已得到開發(fā)和應(yīng)用。

高壓氣體淬火（HPGQ）：在單室或多室真空爐中廣泛應(yīng)用的高壓氣體淬火技術(shù)（HPGQ），通常采用氮氣作為淬火介質(zhì)，其壓力通常超過10或15bar，這對大型H13模具實現(xiàn)必要的快速冷卻速率至關(guān)重要。配備徑向氣體噴嘴系統(tǒng)及大功率風(fēng)扇（功率可高達800千瓦）的先進設(shè)備，能夠確保淬火氣體在大型負載空間內(nèi)實現(xiàn)高效流動（引自溫根斯，《最大化》）。

定向冷卻：部分先進真空爐配備了定向可控冷卻系統(tǒng)，可通過精確調(diào)控氣流分布模式，提升復(fù)雜形狀模具在冷卻過程中的均勻性，從而減小變形。

中斷淬火（等溫保持）：中斷淬火技術(shù)通過在中途特定溫度暫停冷卻（有時稱為 “溫浴” 效應(yīng)），有效緩解因內(nèi)外溫差導(dǎo)致的變形與開裂風(fēng)險。該工藝使模具內(nèi)部熱量得以向外擴散，促進表面與心部溫度均衡，降低殘余應(yīng)力，之后繼續(xù)淬火過程。

大型真空爐：真空爐制造商已經(jīng)開發(fā)了專用于大型模具熱處理的真空爐，可承載重量達5,000公斤至8噸的大尺寸、高重量工件。

圖6. 德國汽車行業(yè)加工的6噸H13模具，為當(dāng)時（2004年）全球最大

遵守 NADCA 建議：盡管模具尺寸存在差異，NADCA #207 中針對H13壓鑄模具的熱處理基本原則仍然適用。其中，在關(guān)鍵溫度區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)最低50°F/min（約28°C/min）的表面冷卻速率，仍是核心工藝目標(biāo)之一。為此，具備高回填能力的真空爐是首選。

精確的溫度控制：現(xiàn)代真空爐配備有先進的數(shù)控系統(tǒng)與多熱電偶監(jiān)測裝置，可實時追蹤并調(diào)整溫度曲線，從而確保模具均勻加熱至奧氏體化溫度（H13鋼通常約為1885°F/1030°C），并在淬火及回火過程中實現(xiàn)精確工藝控制。

圖7. 淬火壓力15bar，電機運行至870千瓦（約1170馬力）并逐步降壓

回火：在快速淬火處理后，需進行至少兩次回火操作，且每次回火后均應(yīng)冷卻至室溫。通常還會增加一次最終去應(yīng)力回火，以消除工件中的殘余應(yīng)力。

材料科學(xué)的影響：雖然熱處理工藝對模具性能至關(guān)重要，但選用高質(zhì)量的模具鋼材同樣不可或缺。大型一體化壓鑄模具通常采用優(yōu)質(zhì)或特級H13鋼，根據(jù)NADCA #207標(biāo)準(zhǔn)，這類鋼材需嚴格滿足潔凈度、帶狀組織及沖擊韌性等方面的要求。

當(dāng)前持續(xù)的研究正致力于開發(fā)性能更優(yōu)異的模具鋼，例如Dievar與QRO-90等材料,而合理的熱處理工藝仍是充分發(fā)揮這類先進模具鋼性能潛力的關(guān)鍵所在。

未來趨勢與展望

大型一體化壓鑄模具的熱處理技術(shù)正處于持續(xù)發(fā)展之中，以滿足汽車行業(yè)日益提升的性能與效率需求。未來的發(fā)展趨勢和重點關(guān)注方向包括：

規(guī)范修訂與適配：北美壓鑄協(xié)會（NADCA）正在評估現(xiàn)行#207規(guī)范對超大型模具的適用性，旨在更有效地應(yīng)對大型模具在檢測方法、質(zhì)量保證體系以及整體性能允許偏差范圍等方面帶來的獨特挑戰(zhàn)。

先進過程控制：熱處理模擬與有限元分析（FEM）日益廣泛地用于預(yù)測并優(yōu)化淬火工藝過程，包括對熱梯度的精準(zhǔn)預(yù)估與補償控制。

創(chuàng)新熱處理工藝：諸如馬氏體等溫淬火等新型技術(shù)正在研究中，其作為傳統(tǒng)淬火-回火體系的潛在替代方案，能夠在更短工藝周期內(nèi)實現(xiàn)高硬度與高韌性的綜合性能平衡。

能源效率提升：行業(yè)致力于降低高壓氣淬工藝的能耗，重點通過優(yōu)化真空爐結(jié)構(gòu)設(shè)計及升級控制系統(tǒng)以實現(xiàn)更高效的能源利用。

與工業(yè)4.0/5.0的融合：數(shù)字化與自動化技術(shù)有望推動熱處理工藝的革新，在提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量及簡化生產(chǎn)流程方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖8. 將5噸H13模具裝入15bar Ipsen SuperTurbo Treater真空爐

結(jié)論

大型一體化壓鑄模具的高效熱處理，是推動汽車行業(yè)大型鋁壓鑄技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素。盡管H13鋼的熱處理基本原則仍然適用，但更大尺寸和重量的模具對真空爐技術(shù)提出了更高要求，包括高壓氣淬（HPGQ）、定向冷卻控制和中斷淬火等先進工藝。遵循行業(yè)規(guī)范（如NADCA所規(guī)定的最低淬火速率）對實現(xiàn)理想冶金性能并最大限度延長模具壽命至關(guān)重要。隨著大型一體化壓鑄市場的持續(xù)擴張，熱處理工藝、設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的持續(xù)研發(fā)與創(chuàng)新，將成為滿足這一關(guān)鍵制造領(lǐng)域不斷演進需求的重要基礎(chǔ)。

文章出處

文章英文名稱：
Heat Treatment of Giga Dies for Aluminum Die Casting: Challenges and Advancements

文章來源：
Heat Treat Today