汽车工业应如何满足政府和市场提出针对节能减排越来越严格的要求? 方法之一就是使用更轻和更坚固的材料来降低车身重量，先进的热成形技术能够为此带来新机遇。 简而言之，热成形就是将硼合金钢料加热到最高930摄氏度，之后成型，然后迅速冷却至室温。 该工艺能使材料的硬度达到原始板材硬度的三倍，从而能够生产强度极高但重量较轻的零件。 目前，热成形技术主要用于车身零件，例如中立柱以及侧防撞梁;但是，在未来几年热成形汽车零件的比例将大幅增加。

从推土机至汽车

位于瑞典 Luleå 市的Norrbottens Järnverk(如今的 SSAB)公司开发了热成形技术并于 1973 年申请了专利。该技术原用于制造犁、推土机、铁铲和其他处于严重磨损环境中工具的零件。 20 世纪 80 年代和 90 年代，几家高端领域的汽车制造商开始使用热成形安全零件，例如侧防撞梁和保险杠，但是使用规模有限。

气候影响更小、安全性更高

热成形的主要突破始于 21 世纪的最初十年对环境绩效以及汽车防撞安全要求更为严格的背景之下。 同时，由于采用了新的更严格碰撞试验标准，欧盟和美国的政府机构开始提出要求限制汽车的二氧化碳排放，以作为减少气候影响的一种措施。

自 1995 年以来，欧洲的新车二氧化碳排放已经从平均 186 克/公里降低至目前的 120 - 130 克/公里。到 2025 年，排放量将低至 70 克/公里，因此必须大幅降低汽车重量，以达到该目标。 通过提高热成形零件的使用比例，能够降低汽车重量并因此减少燃油消耗以及二氧化碳排放，同时维持甚至提高安全性。

下一代汽车使用更多热成形零件

现今基本上所有汽车制造商都在使用热成形车身零件。 除了保险杠和侧防撞梁等安全相关零件以外，在制造地板通道和中立柱以及一些底盘零件时也使用了热成形技术。 使用传统制造方法生产的中立柱的坯料厚度为 2-3 毫米，重量为 20 公斤;采用热成形技术后，厚度只有原来的一半，重量则减轻 50%，但是强度保持不变。 几家汽车制造商估计，未来几年热成形零件在汽车重量中的比例将从目前的5~10%增加到 35 – 40%。由于现有的制造能力在满足汽车工业未来需求方面仍远远不足， 这样的发展趋势将大大增加热成形生产解决方案的需求。

强度翻了三倍

三倍的强度取决于最终产品需要的耐腐蚀质量，热成形中可以使用裸带或带铝/硅或锌涂层的硼合金钢板制造的坯件。

基本原理是将坯料加热到高温– 大约 930 摄氏度，然后立即冲压成需要的形状并以受控方式快速冷却。 钢的结构在该工艺过程中发生变化：首先从铁素体/珠光体变为奥氏体(材料成型最好)，然后变为高抗张性马氏体(冷却材料七至十秒成型到420摄氏度以下)。 材料的冷却速度为每秒 80 – 100摄氏度。 在该工艺过程中，材料的强度增加三倍以上 – 从 400 Mpa 上升到 1200-1400 MPa，同时延伸率发生变化。热成形材料的延伸率只有 5%。 如果加热和冷却的执行精确度不高，则材料结构会变为贝氏体，硬度高，但是结构更脆，在成品中存在开裂的风险。

技术发展状况

与传统冷冲压相比，热成形存在与该工艺相关的节拍时间更长这一缺点。 汽车工业的目标是使用该技术制造越来越复杂的零件，要求质量有保证，工艺较灵活，交货时间短，成本较低。 该技术目前正在不断发展，以满足未来的需求。 使用定制和基于模块的生产解决方案可以创建更有效的流程。 在更紧凑的单元内加热，通过持续简化加热和冷却可以改进工艺。

优化节拍时间

优化节拍时间是开发热成形生产解决方案的公司最重视的问题之一。 在实际操作过程中，就是降低从加热炉到模具冷却的这一工艺各阶段的十分之几秒。 来自瑞典的 AP&T 公司是该技术领域的领先者之一。 例如，AP&T已经开发了称为“多缸系统”的先进技术，能够大幅提高 66% 的冲压速度。 以前需要三秒完成的操作，现在只需一秒即可。 这意味着金属板保持足够高温，能够在一次行程中拉深，以此成形更复杂的零件。 为缩短冷却时间，所开发的一种生产解决方案由于采用特殊的冷却通道设计而能够两倍速消除热量。 AP&T 的研究项目之一是专注于优化节拍时间，研究了该工艺中的各种参数之间的相互影响。 例如，目前正在验证使用更高的压力和不同冷却时间对热成形零件尺寸公差的影响。对于想兼顾缩短节拍时间和产品达到持续一致高水平质量的制造商来说，这是十分重要的信息。

使用激光完成工作

缩短节拍时间的工作不仅包含加热、冲压和冷却，而且包含后期处理。 现今，通常采用激光切割完成热成形零件，但是激光切割速度远远不能与冲压速度相比;这意味着后期工作需要运输零件和储存空间。 AP&T 目前开发和测试了一种能够以与冲压速度相同进行高精度激光切割的方法。采用位于液压机旁边封闭单元内的多个互动机器人进行激光切割，这使得周期时间更短，地面占用空间更小。

新型加热方法

另一个AP&T 专注的研究项目非传统的加热方法。挑战在于能够使用裸板以及避免受热的材料表面形成氧化皮。采用现代技术很难避免这一问题，因为来自周围的水蒸汽和氧气会在加热期间进入加热炉。为了避免材料表面形成氧化皮，必须在不会发生化学反应风险的保护气氛中进行加热。 加热期间添加氢气、一氧化碳和氮气有时可以达到这种目的。 AP&T 研发中心测试了新的加热技术，该测试表明完全可以在现实条件下的稳定工艺中生产采用裸板制造的热成形零件，实现材料表面的氧化皮最少或不计。

未来将使用更复杂的零件

汽车工业的目标是使用更大比例的热成形零件以降低汽车重量，这意味着未来将使用该技术制造越来越复杂的零件。 汽车门框周围的金属零件即是一个示例。 这些零件通常由不同材料制造的四个零件组成。 每个零件经过独立冲压，然后一起焊接到车身上。 在不久的将来，将有可能在冲压之前连接零件，这将减少收尾工作的必要性并大幅提高加工速度。 材料亦在快速发展;例如，目前正在试验一种新型锌板：与市场上目前提供的材料相比，这种材料不需要预成型。

简而言之，热成形技术领域的发展突飞猛进。该技术将为更广泛的领域所应用以满足全球生产能力迅速扩张而带来的需求。 同时，此生产工艺仍然需要进行持续改进，并且对于决定热成型技术瓶颈的研究项目也是势在必行。

说明：

1) 取决于所用的钢材级别，钢材的质量差异极大。本表格显示了不同等级钢材耐受高强度及延伸率的可能性。

2) 压力机内成形开始阶段的高速度可通过使用一个多缸系统来实现。这极大地缩短了节拍时间。

3) 自从二十世纪九十年代引入二氧化碳相关政策之后，对减少汽车二氧化碳排放量的要求一直急剧增加。这使得人们对汽车零部件提出了更轻但同时更牢固的要求 - 可通过热成形技术实现。

4) 为使零部件达到所需要求的质量，热成形工艺的设计必须确保在正确的温度条件下执行正确的工艺步骤。需要考虑的因素包括温度、材料的成形性及强度。铁素体/珠光体构成了分离点;加热(约 930 摄氏度)后变为奥氏体，此时材料具有极高的成形性。经过快速淬火至马氏体(420 摄氏度下)后，首先实现适当的强度等级