Přednáška přednesená na Holečkově konferenci 2025,  Jiří Stanislav, Ing., CSc.,  JST Consultancy, Liberec, stanislav.jirka@gmail.com

Klíčová slova: tepelné zpracování, kalení, popouštění, Nadca-207,

Abstrakt:

V poslední době se stále hovoří o GIGA factory a gigantických strojích pro tlakové lití s uzavírací silou až 16 000 tun, s rozměrem upínací desky 4×4 m, maximálním rozměrem formy 2,6×2,6 m a hmotností odlitku až 300 kg. Je vůbec možné pro takto gigantické stroje vyrábět formy? A když ano, jak je tepelně zpracovávat, tak abychom dodržovali podmínky Nadca 207:2025

1.      ÚVOD

Základním východiskem je specifikace CQI-27 od AIAG [1] , samo hodnotící proces pro slévárny vyrábějící díly pro automobilový průmysl. Tato specifikace v bodě H1.7 a H1.8 říká, že tlakové formy pro HPDC a slitiny Al se musí vyrábět dle Nadca 207:2025. Obdobně to platí pro slitiny Mg v bodě I1.7 a I1.8, a stejně tak i pro HPDC, slitiny Zn, body J1.7 a J1.8.

Obr.č. 1 – Zjednodušená mapa předpisů pro výrobu forem pro tlakové lití

Základem úspěchu výroby forem pro tlakové lití je vstupní materiál. Jeho kvalita je dána přesným chemickým složením s omezením nežádoucích prvků jako je P a S, mikročistota, dobře prokovaná struktura s minimální velikostí zrna 7 a minimální množstvím primárních karbidů. Jak tyto vlastnost definovat při nákupu je popsáno v Nadca 207:2025 [2]

Pokud takovýto materiál nakoupíme a zkontrolujeme, že všechny jeho požadované vlastnosti byly dodány, obvykle formou vstupních rázových zkoušek, můžeme začít vyrábět tvarové vložky do formy. Následuje tepelné zpracování ve formě kalení a popouštění v souladu s Nadca 207:2025.

Tady ale již narazíme na problém. Formy pro GIGA casting jsou stejně gigantické jako lisy. Abychom zachovali nakupované vlastnosti oceli, musíme dodržet postupy dle Nadca 207:2025. Jenže v rozměrech, které odpovídají potřebám GIGA castingu narazíme na problém. Pro tepelné zpracování potřebujeme GIGA pece. Ty stávající, dostupné na trhu, nám nestačí.

Tak jako nástrojárna potřebuje pro výrobu GIGA forem 120 tun jeřáb a 200 tun tušírovací lis jako potřebné minimum, to samé platí i pro vakuové pece pro kalení tvarových dílů pro GIGA formy. O tom ale prozatím nikdo nemluví, i když se dá logicky vyvodit, že to bude stejně důležité pro výslednou životnost formy, jako je to důležité u stávajícího tepelného zpracování tlakových forem standardních rozměrů.

2.      Požadavky na tepelné zpracování dle Nadca 207:2025

Základním parametrem hodnocení úspěšnosti tepelného zpracování je hodnocení rázové houževnatosti po kalení a popouštění u každé vložky. Cílem je maximální rázová houževnatost materiálu a dosažení jejích parametrů dle Nadca 207:2025. Aby toto bylo splněno, musíme vzít v úvahu následující kritéria:

• Kritérium 1 – Odolnost materiálu proti tvorbě trhlin z tepelné únavy v závislosti na houževnatosti (Obr. č. 1),
• Kritérium 2 – Odolnost materiálu proti tvorbě trhlin z tepelné únavy v závislosti na množství primárních karbidů (Obr. č. 2)
• Kritérium 3 – Odolnost materiálu proti tvorbě trhlin z tepelné únavy v závislosti na velikostí zrna (Obr. č. 3)
• Kritérium 4 – Odolnost materiálu proti tvorbě trhlin z tepelné únavy v závislosti na strukturních vlastnostech materiálu po kalení, nejvyšší hodnoty dosahuje 100% martenzitická struktura, (Obr. č. 4)
• Kritérium 5 – Odolnost materiálu proti tvorbě trhlin z tepelné únavy v závislosti na precipitaci karbidů, na tvorbě bainitu či perlitu při kalení, a to vše v závislosti na rychlosti ochlazování (Obr. č. 5)
• Kritérium 6 – Odolnost materiálu proti tvorbě trhlin z tepelné únavy a vliv teplot popouštění na tvorbu sekundárních karbidů v zakázané oblasti popouštění (Obr. č. 6).

Celkový výsledek tepelného zpracování bude kombinací naplnění všech kritérií 1 až 6.

Obr. č. 2 – Vztah mezi rázovou houževnatostí a množstvím trhlin z tepelné únavy [3]

Obr.č. 3 – Vztah mezi množstvím primárních karbidů a rázovou houževnatostí [4]

Obr.č. 4 – Vztah mezi houževnatostí a velikostí zrna [5]

Obr.č. 5 – Závislost mezi rázovou houževnatostí oceli a jejími strukturními vlastnostmi po kalení [1]

Obr.č. 6 – Závislost mezi rychlostí kalení a precipitací nežádoucích karbidů, tvorbě bainitu a perlitu

Obr.č. 7 – Závislost výsledné houževnatosti na teplotě popouštění

Při hodnocení vlivu jednotlivých kritérií musíme konstatovat, že Kritéria 2 a 3 souvisí s nakupovaným stavem oceli a nemáme na ně vliv. Máme ale možnost tyto vlastnosti správně objednat a zkontrolovat ještě před započetím obrábění. Kritéria 4 a 6 jsou plně v rukou kalírny. Kritéria 1 a 5 jsou kombinací obojího. U Kritéria 5 pak existuje ještě možnost změny materiálu a předepsat si typ oceli, lépe vyhovující cílovým hodnotám.

V každém případě úkolem kalírny a tepelného zpracování je udržet nakupované vlastnosti oceli a nezhoršit je.  Není ale žádný způsob jak je zlepšit.

3.      Požadavky na FORMY a ZAŘÍZENÍ pro tepelné zpracování

 

U GIGA forem máme zcela zásadní problém s Kritériem 5. Musíme kalit tak rychle, jak to jde, abychom docílili rychlost ochlazování minimálně 28 C/min, resp. 100% martenzitické struktury. Vzhledem k rozměrům vložek to není jednoduchý úkol. Typická GIGA forma má hmotnost až 200 tun, tedy každá polovina do 100 tun, velikost jednotlivých tvarových vložek bude rovněž v tunách.

Např. podle toho co bylo publikováno, Volvo Košice bude mít dva lisy, každý s uzavírací silou 9 000 tun. Upínací deska lisu má 4,1 x 4,1 m, velikost formy až 2,6 x 2,6 m.

Obr.č. 8 – GIGA lis IDRA [6]

Obr.č. 9 – Příklad dělení formy na menší díly

Abychom mohli vůbec uvažovat s tepelným zpracováním vložek do takovéto GIGA formy, musíme začít uvažovat jak a kde tyto vložky kalit. Jak již bylo řečeno v Kritériu 5, maximální odolnost proti tepelné únavě docílíme kalením na 100% martenzit. Jenže zde narazíme na fyzikální zákony vztažené jak k oceli, tak i k vakuové peci.

Z kaleného tělesa musíme totiž odvést obrovské množství tepla během 18 minut. Narazíme tedy na tepelnou vodivost oceli, její tepelnou kapacitu, a současně na tepelnou vodivost dusíku ve kterém kalíme, jeho rychlost proudění, koeficient přestupu tepla, výkon turbíny, výkon chladiče s ohledem na teplosměnnou plochu dusík/voda atd.

Přetlak plynu nám sice může pomoci, vzniká ale paradox, čím větší forma na kalení, tím větší potřebujeme vakuovou nádobu, a tím i větším problémem ji bude vyrobit, protože bude muset splňovat všechna kritéria pro tlakové nádoby a jejich bezpečnost. Stávající stav techniky pro ty největší vakuové pece prozatím končí na 15 bar přetlaku.

4.      Simulace

Při znalosti výše uvedených problémů nám zbývá jediné. Inteligentně rozdělit formu na více menších částí. A jak malé tyto části musí být?

Pro zjednodušení jsem si vytvořil model 4 desek v rámu, každá o rozměru 1000x 1000 mm, s různými tloušťkami od 200 do 500 mm. Co z toho vyšlo? To je vidět na následujících simulacích.

Obr.č. 10, 11, 12, 13 – simulace kalení pro desku o síle 200, 300, 400 a 500 mm.

Pokud si výsledky simulací zaneseme do CCT diagramu pro ocel H13, pak dostaneme následující pohled. Na grafu je znázorněna červená čára, představující povinou rychlost ochlazování pro eliminaci precipitace karbidů a pro dosažení martenzitické struktury. Pokud ale máme desku o sílu 200 mm, takovou rychlost ochlazování již nedocílíme. Přiblížíme se sice 100% martenzitické struktuře, ve všech případech ale protínáme tzv. karbidický nos, a ve struktuře budeme mít tedy vyloučeny eutektické karbidy, snižující houževnatost, a tedy i odolnost proti tepelné únavě.

Obr.č. 14 – CCT diagram pro ocel H13

Obr.č. 15 – CCT diagram pro ocel Dievar

Jiná situace bude pro ocel Dievar od Uddeholm. V tomto případě ještě spolehlivě uchladíme i sílu desky 400 mm, bez významného podílu bainitu ve struktuře. Co je ale důležité, karbidický nos je posunut hodně vpravo, a tedy ve všech případech tento typ karbidů nám nebude během kalení ve struktuře precipitovat.

Pokud známe tento limit, pak už je jen potřeba k němu najít vakuovou pec. Řekněme si na rovinu, taková pec v CZ ani SK není. Největší pece, programovatelné pro režim cyklu Nadca 207, jsou v Galvamet od firmy TAV Vacuum Furnaces a jsou do 1500 kg. To ale neznamená, že do takovéto pece můžeme založit 1 a půl tuny díl. Narazíme na druhou část problému, schopnost pece ochlazovat.

Zkušenost říká, že aby bylo možno kalit díly dle Nadca 207, vytížení pece by mělo být max, na 50%. Tzn. že bezpečně můžeme kalit díly do 750 kg. Protože naše deska 1000x1000x400 váží 3,48 tuny, podle tohoto kritéria potřebujeme pec dimenzovanou na 7 tun. To ale platí pro kalení ocelí typu H11 nebo H13. Pro oceli typu Dievar nebo nově vyvinuté oceli dle následujíc kapitoly můžeme využít celou kapacitu pece, tedy 1500 kg

Obr.č. 16 – Vakuová pec TAV Vacuum Furnaces H12-S, 1500x900x1500 m pro GIGA Tools, na 15 bar přetlaku a do 8 000 kg [7]

Obr.č. 17 – Příklad zakládání formy na kalení včetně uložení termočlánků Ts a Tc  (MCS Faccheti,  https://www.mcsfacchetti.it/) [7]

5.      Nové materiály

Společnost DAIDO Steel z Japonska v září 2025 začala prodávat nový typ oceli určený právě pro tyto GIGA formy, s názvem DHA-GIGA. Tato ocel se vyznačuje tím, že je uzpůsobena cíleně pro kalení velkých bloků pro GIGA formy, vložek s tloušťkou až 650 mm a o hmotnosti nad 2 tuny. I při těchto GIGA rozměrech ocel dosahuje výslednou rázovou houževnatostí až 40 J/cm².  To je skoro 2x tolik co Dievar. Přitom požadavek na rychlost ochlazování je pouze 3 °C/min.

Obr.č. 18 – Potřebné ochlazovací rychlosti pro ocel Daido DHA1 a DHA-GIGA [8]

Obr.č. 19 – Hodnoty rázové houževnatosti ve vztahu k průřezu bloku [8]

Čím je to dáno? To je prozatím zahaleno tajemstvím. Daido Steel neuvádí ani chemické složení, ani CCT diagram, a ani podmínky tepelného zpracování. Pouze naznačuje, že hlavním důvodem potřeby nízké ochlazovací rychlosti je její vynikající tepelná vodivost. Data pro DHA-GIGA nebyla prozatím nikde publikována, Daido Steel ale uvádí tyto hodnoty při porovnání oceli H13 a DHA-HS1.

Obr.č. 20 – Daido steel, ocel DHA-HS1 a porovnání tepelné vodivosti s H13 [9]

Obr.č. 21 – Rozdíl teploty povrchu mezi ocelí H13 a DHA-HS1  [9]

6.      Požadavky na zařízení pro kalení a popouštění GIGA forem

Pro kalení vložek pro GIGA formy je potřeba vzít v úvahu i další požadavky. Jejich porovnání dle různých specifikací je v následující tabulce, jak pro pece, tak i pro materiál.

Obr.č. 18 – Zvláštní požadavky na materiál a tepelné zpracování dle různých specifikací 

 Tím to ale nekončí. Pece pro kalení musí umět řídit proces od vsázkových termočlánků, a tomu musí být uzpůsobeno i programování pece. Musíme umět řídit rychlost ochlazování z teploty austenitizace do ISO prodlevy na 450 °C, musíme umět hodnotit rozdíl teplot Ts a Tc (jádro a povrch), a tomuto rozdílu automaticky přizpůsobit chování pece tak, aby byla splněna podmínka min.  28 °C/min, musíme umět řídit ochlazování po ISO prodlevě, protože na tom bude záviset, zda nám vložka při kalení praskne nebo ne. Aby to bylo vůbec realizovatelné, nástrojárna musí umět připravit otvory pro vsázkové termočlánky Ts a Tc, jinak to celé bude neproveditelné.

Obr.č. 19 – CCT diagram a cyklus ochlazování při kalení dle Nadca 207:2025.

Obr.č. 20 – Pec TAV Vacuum Furnaces, H15, výrobce nástrojů pro GIGA casting MCS Faccheti, Italy

7.      Závěr

Výroba tlakových forem pro GIGA casting má několik podmínek, které dle výše uvedeného prozatím nejsme schopni splnit.  Nemám sice dokonalý přehled o nástrojárnách v CZ a SK, a nevím, jestli některá z nich se nepřipravuje na tento nový program, jsem si ale jistý tím, že doposud v našem teritoriu nejsou vhodné vakuové pece pro tepelné zpracování takto velkých forem.

Podle dostupných informací, Tesla má na každý GIGA lis dvě formy, jedna je v provozu, druhá v údržbě. Životnost jednotlivých tvarových vložek je 30 až 80 tisíc ran. Protože výkon GIGA lisu je kalkulován zhruba na 120 000 ks odlitků ročně, každý lis potřebuje zhruba 2 formy ročně.

Cena GIGA lisu na 9 000 tun je zhruba € 10,5 Mio, cena formy se bude pohybovat kolem € 2–4 Mio. Životnost lisu je 20 let. Pokud by životnost formy byla 120 000 ran, tedy na úrovni roční kapacity lisu, každý lis bude potřebovat 20 forem za dobu života. To je ale optimistický předpoklad, splnitelný pouze pokud materiál vložek i tepelné zpracování budou na špičkové jakosti. V opačném případě, podle publikovaných výsledků Tesla, na 1 GIGA lis bude potřebovat 40 GIGA forem za dobu jeho života.

Musíme si ale uvědomit, že mluvíme o výrobě auta, které se bude sestavovat ze 2 až 3 GIGA odlitků. Počet forem se tedy bude zvyšovat, úměrně tomuto číslu. U každé formy budou minimálně 4 GIGA tvarové vložky, s potřebou GIGA kalení ve vakuové peci. I v té minimální konfiguraci budeme potřebovat kalit 2 x 2 x 4 = 16 GIGA tvarových vložek ročně  pro jednu automobilku. Je tedy o čem přemýšlet.

 

Literatura:

[1] – Specifikace Nadca 207:2025, Special Quality Die Steel & Heat Treatment Acceptance Criteria for Die Casting Dies, North American Die Casting Association

[2] – https://www.aiag.org/training-and-resources/manuals/details/CQI-27

[3] – Corwyn Berger, European Die Casting, přednáška Bodycote Material Testing, Brno

[4] – T. Wingens, C. Berger, PICHT & SETD 2008 –  H13 Heat Treating REV 1, Bled, Slovenia, 2008

[5] – https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/fine-grain-size

[6] – https://www.teslarati.com/tesla-cybertruck-idra-9k-ton-giga-press-teaser-images-video/

[7] – TAV Vacuum Furnaces, Carravagio, Italy

[8] – https://www.daido.co.jp/en/common/pdf/pages/products/tool/dha_giga_leaflet.pdf

[9] – https://www.daido.co.jp/en/products/tool/dha_hs1/index.html

Jiří Stanislav

August 10, 2025