铝基复合材料和成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于成型由铝基复合材料构成的板材的方法，该铝基复合材料具 有AA 5xxx或AA 6xxx类型错芯合金和至少一个单面或双面设置的外部错合金层，其中，该 铝基复合材料在成型工具中成型而且单面或双面的外部铝合金层在已软化退火或已固溶 退火的状态下具有25MPa至60MPa的屈服极限R pa2。除此之外，本发明还涉及该铝基复合 材料在相应的成型方法中的使用以及由该铝基复合材料构成的成型的板材件。
【背景技术】
[0002] 由AA 6xxx类铝合金构成的板材在汽车制造中使用在车身中和用于车身安装件 (车门、挡板、发动机盖等）。通常使用的合金，例如ΑΑ6016或ΑΑ6014,既在交货状态下（Τ4) 表现出良好的成型性又在例如通过阴极浸漆的烤漆循环（Lackeinbrennzyklus)之后表现 出显著增加的强度。该板材在状态Τ4下进行固溶退火。对于可见区域的构件，即所谓的外 表面构件，另一个使用铝合金的前提条件是，良好的表面观感，即少条痕或无条痕的质量。
[0003] 在市场中对于成型性优化的并同时可以用于外表面构件的铝材能够用于对成型 性有高要求的构件。但是，这些对成型性优化的板材却不能满足关于成型性的新的要求。由 于铝有轻量化潜力，目前正为尚不能由铝制成的外表面构件寻求基于铝的解决方案。例如， 机动车的大面积的侧壁件应作为一件式的构件由单个铝合金板制成。由于铝材有限的成型 性，目前还不能生产这类大面积的板材件。由于缺少基于铝的解决方案，该类大面积的车身 构件由钢材制成或该构件设计为多件式的铝构件，这会通过额外的接合步骤导致制造中增 加的支出。
[0004] 申请人已开发了一种材料，该材料满足了对成型性提出的非常高的要求而且以Τ4 状态下的高应变数值为特征。该铝基复合材料已经在国际申请WO 2013/037918Α1中公开。 但是该材料的制造方法目的在于材料的最大成型性，在实际中仍能够看到由制造条件所造 成的条痕效应（Roping Effekte)。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，扩大铝合金的成型极限，特别是机动车制造所需要的AA6XXX 和AA5XXX型铝合金的成型极限，并且提供一种成型方法，该方法实现了大面积的、强度成 型的铝合金板材件的制造，特别是以外表面质量级的制造。除此之外，还应提出该铝基复合 材料的应用以及提供相应制成的板材件。
[0006] 根据本发明的第一教导，通过用于由铝基复合材料制成的板材的成型方法实现了 上述目的，其中，芯的铝合金的屈服应力和至少一个外层在已软化退火或已固溶退火的状 态下的屈服应力的比率适用kf，外层/kf，芯< 0· 5,优选kf，外层/kf，芯< 0· 4,而且在错基見合材 料的成型期间在成型工具中的至少一个局部位置上，工具和铝基复合材料之间的摩擦剪切 应力τ ,在接触面中达到外部铝合金层的剪切屈服应力k 。
[0007] 根据库伦摩擦定律，在成型工具和铝基复合材料的外部铝层之间的接触面中的摩 擦剪切应力适用：
[0008] τΕ|= min(k, μ X |pN|) (I)
[0009] 其中τκ为摩擦剪切应力，μ为摩擦系数，p N为产生摩擦的接触标准压或表面压 力而且k为铝基复合材料的较软外层的剪切屈服应力。
[0010] 以上述的函数（1)得到了摩擦剪切应力绝对值的两个范围：
[0011] 1.) τκ= μ X |PN| 其中 μ X |PN| < k和
[0012] 2·) τκ= k 其中 μ X |PN| 彡 k。
[0013] 在最简单的情况中，μ在成型过程中保持恒定，从而在增加的表面压力下摩擦剪 切应力^线性增高。但当τ R达到与成型工具相接触的材料的剪切屈服应力k时，该摩擦 剪切应力限定为该剪切屈服应力k。
[0014] 根据冯?米塞斯（von Mi ses)理论，对于待成型的材料的剪切屈服应力k和屈服 应力kf适用：
[0015] k=kr/V3,
[0016] 其中在0. 2%的塑性应变下的kf相当于拉伸试验中确定的屈服极限Rpa2。
[0017] 较软的外部铝合金层与成型工具相接触，该外部铝合金层的屈服应力kfjhS及其 剪切屈服应力k^g也明显小于铝芯合金的屈服应力k f, s。因此，对于在成型期间成型工具 和铝基复合材料之间的接触中的摩擦剪切应力至少在一个局部位置上适用：
[0018] τ r= k 外层。
[0019] 由此可以明显看出，外部铝合金层的剪切屈服应力或者确切的说其屈服应力 kfjhs的数值越小，在工具中相反于材料的运动方向的摩擦力就越小。结果是，由该铝基复 合材料构成的板材在这种情况下更容易地进入到例如深冲工具中。只要较软的外部铝合金 层基本与成型工具产生接触，这也适用于单面设置有外部铝合金层的铝基复合材料。
[0020] 还发现，要求保护的材料组合实现了，在铝基复合材料的成型期间在至少一个局 部位置上，铝基复合材料中的摩擦剪切应力τ κ达到所述外部铝合金层的剪切屈服应力K # ]1并限定于该数值，该材料组合由ΑΑ5ΧΧΧ或ΑΑ6ΧΧΧ型铝合金的芯合金和单面或双面设置 的较软的外部铝合金层组成，该外部铝合金层与芯合金的屈服应力比小于〇. 5,优选小于 0. 4。与由芯合金构成的单片式板材相比，以此实现了铝基复合材料的明显改善的成型性。
[0021] 由于本发明为了达到成型程度而在技术教导中包括了在成型过程中对摩擦剪切 应力的影响，因此不同于申请人所有的W02013/037918A1中的方式本发明开创了一种全新 的方式。与目前的处理方法相反，在此利用了通过较软的外部铝合金层的剪切屈服应力限 制摩擦剪切应力这一效应。
[0022] 通过十字形工具在实验室标准下的成型技术试验中显示，只要保持所涉及的铝合 金的上述屈服应力比k fjhS/kf, s，那么在相同的工具形状和能够比较的润滑条件下压紧力 可以至少提高2. 6倍。在十字形工具试验中，从更高的可能的压紧力可以推断出相应的铝 基复合材料明显改善的成型性，特别是在深冲过程中的成型性。因为与铝芯合金的剪切屈 服应力相比，较软的外部层的剪切屈服应力相对较低，因此在成型中摩擦剪切应力显著地 减小，这实现了更大的工艺窗口。这开启了这样一种可能性，例如机动车的一件式的侧壁件 能够由以外表面质量的铝利用AA6 XXX型铝合金制成，以此相对于多件式的基于铝的解决 方案产生了更大的成本节约的潜力。
[0023] 这同样适用于主要使用在内部部分和结构部分中的AA5xxx型的AlMg铝芯合金， 从而也可以制造要求较高成型程度的大面积的内部部分或结构部分。
[0024] 根据该方法的另一个实施方式，成型包括深冲过程和/或拉伸过程。在成型过程 中，摩擦剪切应力τκ使板材材料与成型工具间的相对运动变得困难。如上所实施的，摩擦 剪切应力τ 制为较软的外部铝合金层的剪切屈服应力K 的低值会导致深冲过程或拉 伸过程得到改善。因此可以实现明显更高的成型程度，因为可以以更小的力在赋形的成型 工具中拉伸该材料。
[0025] 如果根据按照本发明的方法的另一个实施方式，至少一层的外部铝合金层优选地 具有整个铝基复合材料的厚度的5%至15%，这样可以利用按照本发明的方法的技术效 果，而铝基复合材料的强度没有通过该外部层和其在铝基复合材料的总厚度中所占的比例 过度减小。
[0026] 优选该摩擦剪切应力τ κ在成型期间通过表面压力的增加而变大，直到该摩擦剪 切应力在成型工具中的至少一个局部位置上达到外部铝合金层的剪切屈服应力I^ hs。在目 前的成型方法中，表面压力通常恰好选择这样的大小，即在工具中没有褶皱形成，而与目前 的成型方法相反，为了达到铝基复合材料对于成型极限的扩大而言的有利的效应，例如可 以增大表面压力。另外还能够考虑的是，复合材料尽管具有更高摩擦系数的低成本表面形 貌但仍可以成功地成型。低成本的表面形貌例如可以通过"压光（Mill Finish)"板材的表 面形貌而提供，与在较大成型程度中通常设置的具有润滑剂凹口（Schmiermitteltaschen) 的形貌相比，该表面形貌省去了一个以额外的轧制步骤形式的、用于赋予特殊的表面形貌 的操作步骤。
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