作為輕質(zhì)金屬材質(zhì)的鋁合金，無論是過往的全鋁車身，或者是當(dāng)前炙手可熱的鋼鋁混合車身，無一不體現(xiàn)著其在車身用材輕量化方面的重要地位。通常6系鋁合金（高合金含量的6系合金）抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到350 MPa 以上，而7系的能夠達(dá)到500 MPa以上，達(dá)到中等高強(qiáng)鋼級(jí)別，可以解決汽車常用鋁合金強(qiáng)度低的問題，但是其室溫下塑性差、成形后回彈大，為了克服這類鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)過程中成形性差、回彈大等方面問題，在應(yīng)用上就需要采用熱沖壓成形結(jié)合熱處理工藝技術(shù)。其中，高強(qiáng)鋁合金熱成形+淬火技術(shù)（Hot Forming and Cold-die Quenching，HFQ）因低成本、低投資、高效益等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前應(yīng)用最廣、關(guān)注最多的關(guān)鍵技術(shù)。
鋁合金熱沖壓成形材料及工藝技術(shù)
根據(jù)合金狀態(tài)和熱處理特點(diǎn)，可將鋁合金分為不可熱處理強(qiáng)化鋁合金和可熱處理強(qiáng)化鋁合金兩類。不可熱處理強(qiáng)化鋁合金通常采用加工硬化的方法來提高其強(qiáng)度。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，如Al-Cu（2系）、Al-Mg-Si（6系）、Al-Zn-Mg（7系），通常采用時(shí)效強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等方法來提高其強(qiáng)度。目前，高強(qiáng)度、高韌性的鋁合金經(jīng)T6熱處理后屈服強(qiáng)度可達(dá)500MPa以上。
對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，通常采用固溶-淬火-時(shí)效實(shí)現(xiàn)微觀組織的精確調(diào)控和性能優(yōu)化。固溶處理和淬火的目的是獲得空位和溶質(zhì)原子均過飽和的固溶體，為強(qiáng)化相的析出提供載體；時(shí)效處理的實(shí)質(zhì)是過飽和固溶體的脫溶分解過程，析出與基體共格的具有納米尺度的強(qiáng)化相。固溶體過飽和度越大，脫溶驅(qū)動(dòng)力越大，沉淀析出越充分，強(qiáng)化效果越顯著。高強(qiáng)度、高韌性的鋁合金經(jīng)T6熱處理后的屈服強(qiáng)度可達(dá)500MPa以上。
如下圖所示，根據(jù)固溶、淬火和時(shí)效與熱成形的配合，鋁合金的熱沖壓主要有4種不同的工藝路線。
典型的鋁合金熱沖壓方法
其中，以英國帝國理工學(xué)院的林建國等開發(fā)的第3種方法，即成形-淬火（Hot Forming and Cold-die Quenching，HFQ）技術(shù)受到的關(guān)注最多。HFQ工藝是非等溫成形過程，且沖壓成形與淬火同步實(shí)現(xiàn)。該工藝由材料固溶熱處理、熱成型與淬火、時(shí)效處理等工序組成，從鋁合金板料進(jìn)入模具到成型完成的典型周期為5-10秒。
其工藝過程如下圖所示，成形時(shí)，先將板材加熱到固溶溫度并保溫一段時(shí)間，然后將板料迅速移入通過水冷等方式保持室溫的冷模具中，在短時(shí)間內(nèi)成形、淬火并保壓。這樣的工藝過程可以保證鋁合金板材的微觀組織在淬火時(shí)迅速成為過飽和固溶體狀態(tài)，降低材料硬度，降低板材沖壓成形時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力、提高板材的成形性，削弱了沖壓成形回彈，并且降低了所需設(shè)備的噸位。對(duì)成形淬火后從模具中取出的鋁合金零件進(jìn)行后續(xù)人工時(shí)效，可以顯著提高成形零件的強(qiáng)度。
圖3可熱處理強(qiáng)化鋁合金熱沖壓成形工藝及組織演變
HFQ技術(shù)采用的是熱處理可強(qiáng)化鋁合金材料，通常有Al-Cu（2系）、Al-Mg-Si（6系）和Al-Zn-Mg（7系）3種，由于2系鋁合金耐腐蝕性較差，一般汽車沖壓件上主要應(yīng)用6系和7系2種。
HFQ技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)
減低成本-通過部件集成實(shí)現(xiàn)，模具與沖壓件成本節(jié)約一般超20%；
重量減輕-高強(qiáng)鋁實(shí)現(xiàn)20-50%重量減輕；
幾乎無回彈-一次成型即可實(shí)現(xiàn)尺寸精度精準(zhǔn)控制；
保持韌性-提高碰撞性能；
部件集成-更低的產(chǎn)品和模具成本；
合金選擇的靈活性及可持續(xù)性-使用標(biāo)準(zhǔn)的合金材料（6系&7系）完全可回收；
高強(qiáng)度-淬火后使鋁合金-6系&7系獲得更高的強(qiáng)度
HFQ技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展情況
英國帝國理工學(xué)院林建國建立了公司Impression Technologies Ltd (技術(shù)孵化公司)，從事鋁合金熱成形技術(shù)的推廣與應(yīng)用工作。HFQ為Impression Technologies Ltd的注冊(cè)商標(biāo)。
在歐洲、中國和北美的主要汽車產(chǎn)區(qū)，人們對(duì)汽車輕量化（尤其是電動(dòng)汽車）熱成形的應(yīng)用興趣正在迅速增長(zhǎng)，這創(chuàng)造了對(duì)大批量鋁熱成形（HFQ）新生產(chǎn)線的需求。
2016年，瑞典AP&T公司成功交付了全球第一條基于HFQ技術(shù)的專用鋁合金熱成形生產(chǎn)線，可生產(chǎn)出質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、形狀更復(fù)雜且尺寸穩(wěn)定性更高的零部件。Impression Technologies Ltd(ITL)全資子公司CIPCO為這條生產(chǎn)線的采購方。
2019年Impression Technologies Ltd宣布與汽車行業(yè)模具與零部件制造供應(yīng)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者Telos Global達(dá)成重要戰(zhàn)略合作。HFQ?技術(shù)將應(yīng)用于北美市場(chǎng)，以便Telos Global生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金白車身和底盤部件，并滿足OEM對(duì)SUV、皮卡車和電動(dòng)車等領(lǐng)域迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。
2019年德國Fischer集團(tuán)與Impression Technologies Ltd建立重要的戰(zhàn)略合作關(guān)系，根據(jù)合作協(xié)議，F(xiàn)ischer集團(tuán)將使用HFQ?技術(shù)來制造其白色車身部件，并滿足快速增長(zhǎng)市場(chǎng)（如電動(dòng)汽車）的OEM的需求。fischer集團(tuán)于2021年在德國南部Achern的fischer集團(tuán)工廠將一條來自AP&T的全自動(dòng)高強(qiáng)度鋁熱成型生產(chǎn)線投入商業(yè)運(yùn)營。該產(chǎn)線中的AP&T伺服液壓機(jī)在整個(gè)沖壓循環(huán)中可實(shí)現(xiàn)高精度的成型控制，并且比傳統(tǒng)液壓機(jī)更節(jié)能、更環(huán)保。
中國長(zhǎng)春吉文將英國Impression Technology公司研發(fā)的HFQ專利通過引入國內(nèi)，并在國內(nèi)建立了一條大型量產(chǎn)生產(chǎn)線。
HFQ技術(shù)在汽車零部件上的應(yīng)用
應(yīng)用方面，福特汽車早在2014年就利用7075鋁合金熱沖制成形B柱，其力學(xué)性能可達(dá)到變形前T6態(tài)鋁合金板的力學(xué)性能[18](見下圖a)。
自2016年以來，HFQ技術(shù)已被阿斯頓·馬?。ˋston Martin）和蓮花（Lotus）等高端品牌使用，并被設(shè)計(jì)用于多個(gè)新的全球電動(dòng)汽車平臺(tái)，包括上車身結(jié)構(gòu)、封閉件和電動(dòng)系統(tǒng)外殼。阿斯頓馬丁的DB11車型的HFQ鋁合金A柱[19]見下圖b。
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部分國外量產(chǎn)車型用HFQ鋁合金熱成形零件
Fischer公司采用鋁熱成型（HFQ）技術(shù)一體式門環(huán)，部件的尺寸穩(wěn)定性非常好，幾乎沒有回彈效應(yīng)，最重要的是，整個(gè)部件的強(qiáng)度始終很高，而且仍有良好的延展性。如所示的一體式門環(huán)是高級(jí)電動(dòng)車轎車的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)的量產(chǎn)應(yīng)用。
Fischer鋁熱成型（HFQ）技術(shù)一體式門環(huán)
FEV與Impression Technology聯(lián)手開發(fā)鋁熱成形（HFQ）電動(dòng)汽車電池包外殼概念，利用HFQ?技術(shù)，最大限度地利用了可用于儲(chǔ)能的空間。通過將結(jié)構(gòu)上相關(guān)的組件完全鋪設(shè)在外部，同時(shí)將電池外殼集成到整個(gè)車輛中，為額外的電池電芯創(chuàng)造了安裝空間。在保持相同的續(xù)航里程時(shí)，這將延長(zhǎng)續(xù)航里程或縮小電池的安裝空間要求。
目前車身鋁合金熱沖壓成形廣泛應(yīng)用于A柱加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板、地板加強(qiáng)件等?，F(xiàn)在HFQ國外量產(chǎn)的產(chǎn)品，A柱的成型深度在200毫米以上，拔模角度很??；還有行李架拉延深度220毫米；加強(qiáng)梁的月銷量在1萬-2萬，造成HFQ?產(chǎn)能相當(dāng)飽滿，所以后續(xù)的修邊沖孔利用模具進(jìn)行沖壓。
HFQ熱成形技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用稍晚于國外，處于起步推廣階段，具備遠(yuǎn)期應(yīng)用趨勢(shì)。
四川成飛集成吉文汽車零部件有限公司一體式門環(huán)采用整體式熱沖壓方案，將傳統(tǒng)駕駛艙和前排乘員艙環(huán)狀區(qū)域?qū)?yīng)的A柱加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板和門檻加強(qiáng)板等零件集成為一個(gè)一體式熱成形門環(huán)，HFQ?鋁熱成形一體式門環(huán)在輕量化方面做到了減重40%，在不同強(qiáng)度要求位置采用補(bǔ)丁板和TRB軋胚兩種不同的解決方案。鋁熱成形產(chǎn)品在車身上的應(yīng)用包括A柱、行李架、車門防撞梁、車門內(nèi)板等。HFQ?鋁熱成形技術(shù)推動(dòng)增加回收鋁含量；將廢料轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度高性能的鋁合金部件；吉文也同多家鋁材廠商進(jìn)行了回收鋁材的實(shí)用驗(yàn)證。
HFQ?鋁熱成型一體式門環(huán)
此外由HFQ?，吉文延伸出一系列產(chǎn)品，用HFQ?技術(shù)一體式冷卻板，HFQ鋁合金的CTC下托盤、上蓋；JET-Box?吉盾?大尺寸平板電池艙系列產(chǎn)品；JET-Box?吉盾?中小尺寸電池艙/混合驅(qū)動(dòng)電池上下殼。
吉盾?-鋁熱成型技術(shù)電池艙
來源：汽車材料網(wǎng)整理
