锻造是一种生产技术，为汽车应用中的动力传动系统、底盘以及越来越多的乘用车车身提供卓越的强度部件。通常在压缩应力下多次变形的材料是细晶粒的，夹杂物要么被打碎，要么沿着载荷方向。这带来了高强度，同时，具有高韧性的非常可延展的部件。汽车工业中一系列当前和未来的零件(带花键或齿轮的转子轴、传动零件、抗摩擦轴承部件、安全相关的底盘部件)只能通过锻造来实现。
由于原材料——在乘用车中主要是钢和铝——是从矿石或废料中生产的，并且由于它需要根据锻造、材料和热处理技术经历一个或多个加热过程，所以这些零件是能量密集型的，并且根据当前的技术水平，具有较高的CO2排放量。然而，德国锻造行业正在承担起自己的责任，积极主动地解决减少二氧化碳排放的问题。
德国锻造行业是一个能源密集型行业，天然气和电力形式的能源需求估计为3TWh，不考虑所使用的原材料[1]。根据锻造方法的不同，典型的工艺顺序可能由以下子步骤组成，每个子步骤可能执行多次：生产和供应输入材料(钢、铝、钛、镁、黄铜)、切割、预涂、加热、多阶段单步或增量锻造、热处理和机械加工。
当前，能源供应总是与二氧化碳排放联系在一起。欧洲绿色协议的“气候”措施规定，与1990 年的水平相比，到2030 年温室气体净排放量至少减少55%，并呼吁到2050 年实现气候中和[2]。碳定价已经在一定程度上使二氧化碳排放在经济上具有相关性，并且在未来将在更大程度上实现这一点。然而，从中期来看，回避这个问题对于利益相关者来说将是完全不能接受的。尤其是汽车行业，目前已经在推动供应链解决生产中的二氧化碳排放问题。一方面，需求包括量化供应部件的产品碳足迹（PCF）；另一方面，需要持续采取措施降低PCF，图1。
利益相关者要求制造业减少二氧化碳排放量
德国的锻造行业正与其伙伴行业一起积极应对这些挑战。因此，2020年12月，德国锻造协会启动了Nocarbforging2050项目。在初始阶段，工程服务提供商prosimalys与合作伙伴GreenData和Herlanco一起创建并进一步开发了一个基于网络的软件计算工具。
在nocarbfing2050项目的第一阶段，研究人员正在开发“Fred”软件工具，用于计算锻造零件的PCF。来自锻造行业和伙伴行业的50家公司参与了此次活动。该软件工具被设计为网络应用程序。为了计算PCF，需要一些基本数据：部件质量、使用的粉末混合物（powermixused）、原材料的PCF和一些其他信息。接着，输入产品的单个工艺顺序。对于这些过程，电能、气体和其他材料的具体消耗来自数据库。此外，不可避免的材料损失是具体的个别过程。该信息然后用于计算二氧化碳的量为最终产品排放。
在第一阶段，从众多参与公司获得了关于电力和天然气消耗以及典型材料损耗的数据，并存储在软件工具中。虽然肯定总有改进数据的潜力，但与用于PCF计算的其他数据库相比,“Fred”目前已经为金属加工过程提供了更精确和更详细的分析。图2显示了登录互联网页面、输入的基本数据和工艺顺序，以及淬火和回火万向节叉的PCF计算结果示例。这种典型的闭式模锻零件的结果反映了许多锻造部件的基本特征。所使用的起始材料构成了PCF的最大部分。其次是热处理(例如淬火和回火)，然后加热到锻造温度。
“Fred”软件工具中万向节的二氧化碳足迹的输入和示例结果(© prosimalys)
影响比例的一个因素是钢是来自粗钢还是电炉钢，或者是否使用了铝。其他影响变量包括锻造温度和锻造后是否进行热处理。然而，各种潜在的情况意味着不可能建立一个通用的经验法则。相反，为了确定减少碳足迹的潜在方法，基于工业数据的计算是绝对必要的。
减少甚至避免二氧化碳排放的途径涉及绿色电力，即可持续生产的电力。这使得通过使用绿色氢的直接还原路线、废电路线或采用全新的方法[3] 来生产不排放CO2的钢铁成为可能。还可以考虑电（再）加热过程，例如用于自由锻和轧制，或用于锻造或钢厂的热处理。或者，可以使用氢气[4]，或者使用电力合成产生的甲烷。同样，闭式锻造中的加热过程现在大多是感应式的，因此绿色电力也可以避免这里的二氧化碳排放。然而，同样清楚的是，完全摆脱化石能源用于材料生产将需要大量投资和运营成本。同样，将当今基于气体的加热或热处理工艺转换为氢气或电力也将产生高成本。因此，为提高材料和能源效率开发其他措施非常有意义。这将至少部分抵消未来更高的能源成本，从而使向无二氧化碳制造的过渡更加经济。
通过能够计算各种锻造工艺链的二氧化碳排放量，为评估如何减少排放的措施奠定了基础。因此，2021年11 月举办了“Emma- 锻件的无排放制造”研讨会，会上产生了51个关于减少锻造过程中二氧化碳排放的初步措施。这些措施根据以下标准进行分类：二氧化碳减排潜力百分比、实现时间表和实施成本等。
此外，这些措施还根据其主题领域进行了分类：材料生产、材料特性、热处理、锻造工艺、基础设施优化和其他流程，图3。
“Emma”研讨会已开发措施的结果概述
这些措施表明一个公司23%到50%的节约潜力。在某些情况下，有可能将几个措施同时应用于一个组件，从而增加节约的潜力。与措施成熟相关的时间范围从立即可行到超过六年的开发期。然而，在这个措施能够完全应用于实践之前，肯定还需要几年的实施时间。产生的措施的实施成本也有很大差异。从这一减少二氧化碳潜在解决方案的初步快照来看2排放，很明显，对二氧化碳的合理评估2节约，例如使用“弗雷德”，对于优先考虑最有效的措施是必要的。
这些措施表明二氧化碳减排潜力在3% 到50% 之间。在某些情况下，可以同时将几个措施应用于一个组件，从而增加节约潜力。与措施成熟相关的时间范围从立即可行到超过六年的开发期。但是，在实践中完全应用这个措施之前，肯定还需要几年的实施时间。产生的措施的实施成本也有很大差异。从减少二氧化碳排放的潜在解决方案中，很明显，对二氧化碳减排进行合理评估（例如使用“Fred”）对于优先考虑最有效的措施是必要的。
材料对锻造产品的碳足迹贡献最大。因此，努力使用具有较低PCF 的材料是减少锻造部件CO2排放的非常有效的措施。在这里，市场上已经有一些可以利用的解决方案。例如，一家瑞典钢铁制造商从2022 年初开始提供无二氧化碳钢选项。无二氧化碳是指范围1 和2，图2，其中一部分减少是通过碳补偿实现的。然而，通过适当的基础设施措施，预计未来几年此类补偿的使用将显着减少[5]。
一家德国钢铁制造商提供一种绿色钢材，该钢材在使用可再生能源电力的电弧炉中熔化。结果，非合金工程钢和高合金钢的PCF（范围1 和2，图2）下降到50% 左右[6, 7]。其他长材生产商也在努力降低其产品的碳足迹[8]。
如图2饼图的“淬火和回火”部分所示，部件的热处理是二氧化碳排放的第二大驱动因素。关于锻造材料，在过去20 年中取得了许多发展，旨在用锻造热的冷却代替淬火和回火工艺。改进的弥散硬化钢、贝氏体钢[9] 甚至空气硬化马氏体[10]都可用于此目的。使用这些新的锻造材料，可以降低二氧化碳排放量，在大多数情况下，还可以降低生产成本。
此外，如果锻造公司也以更高的效率使用可再生电能[11]，或者如果通过预成型操作或更精细调整的锻造工艺实现输入材料的节省，则PCF 可以得到优化。
图4显示了之前提到的和已经可用的输入变量或技术可能性如何产生二氧化碳足迹的显着减少。这再次以万向节组件为例进行演示。减少到27%成为可能。在行业竞争前合作的背景下，显然不能讨论成本问题。二氧化碳减排主要依赖于碳中和电能和充足的废钢或直接还原铁的可用性。类似的关系对铝也是有效的——尽管它们之间的比率不同。然而，对于这些想法的实施来说，同样重要的是，在产品开发过程中，整个供应链中涉及的所有各方之间始终如一的技术合作。
二氧化碳减排理念对钢制万向节碳足迹的影响
当今，已经可以使用市场上提供的选项和技术可能性来显着减少锻造部件的产品碳足迹。这可以主要通过不含二氧化碳的电能来实现，尽管目前还没有实现材料和锻造行业完全过渡所需的数量。需要对发电和其他基础设施进行重大投资，特别是在原材料行业，以显着减少二氧化碳排放。从如今的角度来看，不可能为此指定一个确切的时间表。因此，提高材料和能源效率的进一步想法是必要的，并且目前可用于以经济可行的方式尽可能快地显着减少二氧化碳排放量。锻造行业正在积极应对这些要求。毕竟，通过这样做，他们希望并且能够确保材料生产和加工的价值创造将在未来继续在德国和欧洲进行。
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