圖1：Model 3與Model Y的零部件數量對比縮減

鋁壓鑄的大型一體化模具熱處理：挑戰與進展——托馬斯?溫根斯

汽車行業正日益廣泛地采用大型一體化壓鑄技術，這對所需大型壓鑄模具的制造與維護提出了重大挑戰。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揮關鍵作用。

引言

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

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

特斯拉已經安裝了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嵌入鑲塊。這些鑲塊專門鑲嵌在容易受到腐蝕的區域。鑲塊的核心優勢在于可實現局部更換，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濟性。模具的使用壽命可達數十萬次，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：當一套模具投入生產時，另一套則進行保養維護。通過定期輪換，既保障了生產的連續性，也實現了設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、沃爾沃以及多數中國電動汽車制造商均已訂購大型一體化壓鑄設備。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正經歷深刻變革：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廣泛應用于鋁合金結構件的生產。此項革命性工藝需依賴重量通常達數噸級的超大型壓鑄模具實現。

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力。因此，熱處理對實現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的演變歷程、當前面臨的挑戰以及創新解決方案。

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取得了顯著進展。20世紀80至90年代真空熱處理技術應用初期，工藝重點主要集中于控制變形與獲得潔凈的表面質量。為實現該目標，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，卻導致了晶界碳化物的析出，導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，北美壓鑄協會（NADCA）與行業領先企業共同提出建議，將最低表面淬火速度提高至 50°F /min（28°C /min）。這一轉變，結合更優質的模具材料以及先進的熱處理規范（如通用DC-9999-1（1995）和福特 AMTD DC2010（1999）），顯著提升了北美汽車行業模具壽命并降低綜合成本，這些規范尤其強調了材料質量控制與熱處理工藝的關鍵作用。

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

大型H13鋁壓鑄模具的熱處理傳統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險之間的平衡。隨著現代汽車及工業應用對更大尺寸壓鑄件的需求日益增長，冶金學家與設備供應商正聚焦于以下幾個關鍵發展方向：在高壓真空爐中實現更快速的淬火技術；采用中斷淬火與等溫控制工藝；以及開發可應對重載荷與高熱負荷的輔助系統。

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。許多壓鑄行業規范（包括NADCA標準）均建議在模具近表面區域實現最低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，從而導致沖擊韌性下降。

對于重達數噸的大型模具而言，要實現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出，但H13鋼相對有限的熱導率限制了模具芯部的冷卻速度。正因如此，工業界廣泛采用高壓氣淬（HPGQ）技術——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的出現，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。要在如此龐大的壓鑄模具中實現所需的冶金性能并最大限度減少缺陷，離不開復雜的工藝技術與專用設備的支持。

圖5. 合格（左）與不合格（右）的H11鋼顯微組織 (500x)

主要挑戰包括：

均勻加熱和冷卻：

在加熱至奧氏體化溫度及后續淬火過程中，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致的內應力積累，從而防止變形或開裂的發生。

實現足夠的淬火速率：

受H13鋼熱導率限制，從大型模具的截面快速傳導熱量，以達到NADCA #207規定的表面熱電偶（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不均勻的熱應力和組織應力，從而顯著增加大型壓鑄模具變形甚至開裂的風險。

現有規范的應用：

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

設備能力：

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代熱處理技術

為了應對大型一體化模具熱處理相關的挑戰，先進的真空熱處理技術和工藝已得到開發和應用。

高壓氣體淬火（HPGQ）：在單室或多室真空爐中廣泛應用的高壓氣體淬火技術（HPGQ），通常采用氮氣作為淬火介質，其壓力通常超過10或15bar，這對大型H13模具實現必要的快速冷卻速率至關重要。配備徑向氣體噴嘴系統及大功率風扇（功率可高達800千瓦）的先進設備，能夠確保淬火氣體在大型負載空間內實現高效流動（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，可通過精確調控氣流分布模式，提升復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）：中斷淬火技術通過在中途特定溫度暫停冷卻（有時稱為 “溫浴” 效應），有效緩解因內外溫差導致的變形與開裂風險。該工藝使模具內部熱量得以向外擴散，促進表面與心部溫度均衡，降低殘余應力，之后繼續淬火過程。

大型真空爐：真空爐制造商已經開發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. 德國汽車行業加工的6噸H13模具，為當時（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，在關鍵溫度區間內實現最低50°F/min（約28°C/min）的表面冷卻速率，仍是核心工藝目標之一。為此，具備高回填能力的真空爐是首選。

精確的溫度控制：現代真空爐配備有先進的數控系統與多熱電偶監測裝置，可實時追蹤并調整溫度曲線，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，且每次回火后均應冷卻至室溫。通常還會增加一次最終去應力回火，以消除工件中的殘余應力。

材料科學的影響：雖然熱處理工藝對模具性能至關重要，但選用高質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質或特級H13鋼，根據NADCA #207標準，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。

當前持續的研究正致力于開發性能更優異的模具鋼，例如Dievar與QRO-90等材料,而合理的熱處理工藝仍是充分發揮這類先進模具鋼性能潛力的關鍵所在。

未來趨勢與展望

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

規范修訂與適配：北美壓鑄協會（NADCA）正在評估現行#207規范對超大型模具的適用性，旨在更有效地應對大型模具在檢測方法、質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。

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

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

能源效率提升：行業致力于降低高壓氣淬工藝的能耗，重點通過優化真空爐結構設計及升級控制系統以實現更高效的能源利用。

與工業4.0/5.0的融合：數字化與自動化技術有望推動熱處理工藝的革新，在提升生產效率、優化產品質量及簡化生產流程方面發揮關鍵作用。

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

結論

大型一體化壓鑄模具的高效熱處理，是推動汽車行業大型鋁壓鑄技術成功應用的關鍵因素。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。遵循行業規范（如NADCA所規定的最低淬火速率）對實現理想冶金性能并最大限度延長模具壽命至關重要。隨著大型一體化壓鑄市場的持續擴張，熱處理工藝、設備及標準規范的持續研發與創新，將成為滿足這一關鍵制造領域不斷演進需求的重要基礎。

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