制造复合部件的方法

专利名称：制造复合部件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造复合层压部件的方法，使用该方法获得的部件，以及这些部件在汽车领域中生产车辆的车体、在家用电器、一般工业和建筑领域中的用途。
背景技术：
为了减少二氧化碳排放而颁布的新法规迫使机动车辆制造商降低机动车辆的重量，以降低它们的燃料消耗。
尽管钢铁行业在开发同时具有良好强度和良好延展性的钢品种方面取得了进展，从而可以显著地降低板材的厚度，但是对于大部件(即用于生产其的板材或者板材坯件的尺寸中的至少之一大于600mm的部件)来说，板材仍具有大于0.65mm的厚度。因此，这种类型的部件的重量仍然保持高于制造商的要求。这是因为，例如通过使厚度小于0.65mm的钢板冲压成形来生产表面部件(即可见部件如挡泥板)是难以实施的，因为对工业设备的控制非常困难，这尤其归因于在冲压部件上存在形成褶皱或裂纹的风险在冲压时，钢板通过坯件夹具被保持在常常具有复杂形状的冲模和冲头之间。因此，该板材的一些区域被拉伸，而其它区域则被压缩。
传统上，当板材的厚度大于0.65mm时，冲压工具的设置要使得冲头与冲模之间的距离(其通常被本领域技术人员称作“材料通道(passage matière)”)等于或大于待冲压板材的厚度。在这些条件下进行操作时，工具之间具有正的间隙。通常使用等于板材厚度的百分之几的余量，目的是允许这种板材可能存在的厚度变化，并且还有利于材料在部件收缩区域(也就是说，在该处，板材在成形操作的过程中将具有变厚的趋势)中的流动。因而避免了工具之间挤压变形的风险，而这种挤压变形会导致裂纹。在这种厚度水平上，钢具有足够的变形能力，以补偿在冲压过程中出现的间隙变化，并防止褶皱和/或裂纹的形成。
另一方面，如果板材厚度为0.50mm-0.65mm，则钢变得易受工具间的间隙差的影响，并且不再能够补偿这些间隙差。因此会出现褶皱和裂纹。如果在冲压这些板材的过程中保持设定工具具有正间隙的习惯，则可避免裂纹。但是，褶皱的形成是不可避免的，而这是不可接受的，尤其是对于表面部件来说。
对厚度小于0.5mm的板材进行拉伸以形成没有任何褶皱的复杂形状的部件实际上是不可能的，因为在没有裂纹的情况下难以找到冲压工具的操作点。
因而，为了降低车辆的重量，制造商已经转向低密度材料(如铝和热塑性聚合物)来生产这种类型的部件。在热塑性聚合物的情况下，对其的使用可以使部件比相同类型的钢部件轻约50％，并且还提供了很大的形状自由度。而且，热塑性聚合物具有优良的耐受小冲击性。
但是，热塑性聚合物具有诸如以下所述的缺点-导电性的问题，这使得它们的使用与常规涂漆方法如阳离子电泳不相容，-难以获得与通常由钢制成的周围部件颜色相同的部件，和-在涂漆操作的加热循环过程中以及在车辆的使用寿命中，与热塑性聚合物部件相对于周围部件的不同膨胀性相关的装配问题。
夹心板材也是已知的，它由两个外部钢板面层和连接这两个面层的聚合物芯组成，这使得该板材比具有相同机械性质的钢板轻约20-30％。但是，一方面，汽车制造商认为重量的减少是不够的，另一方面，这类板材的制造是有问题的。这是因为，难以使得聚合物层均匀地粘合在两个面层之间，并且夹心板材在成形时容易分层。
在家用电器和一般工业领域中，制造商也受到减轻重量的要求以提高生产率。因此，在通过冲压使板材或板材坯件成形以获得具有令人满意的外观的部件的过程中，遇到了与在汽车领域中一样的问题。

发明内容
因此，本发明的目的是避免在钢部件上形成褶皱和/或裂纹，所述钢部件通过使厚度小于0.65mm的钢板或钢板坯件成形而获得。
为此，本发明的主要目的是一种用于制造复合层压部件的方法，包括以下步骤-利用总厚度Ep等于或大于0.1mm的一个或多个粘合性聚合物膜涂覆厚度Ea小于0.65mm的钢板的至少一面，以形成厚度E＝Ea+Ep的复合层压钢板，-任选地，切割所述钢板以形成坯件，然后-通过冲压使复合层压板材或板材坯件成形，以获得所述复合部件，该冲压是在包括冲头、冲模和坯件夹具的冲压工具中通过调节冲头与冲模之间的材料通道Pm值以使E-0.80×Ep≤Pm≤E来进行的。
根据本发明的方法还可具有以下特征-通过向板材或板材坯件中涂覆有粘合性聚合物膜的面直接施加冲头来冲压复合层压板材或板材坯件，或者通过向板材或板材坯件中未涂覆粘合性聚合物膜的面直接施加冲头来冲压复合层压板材或板材坯件，-钢板的厚度Ea小于0.5mm，-粘合性聚合物膜的厚度Ep大于0.2mm，-复合层压钢板的总厚度E为0.3-1.2mm，-聚合物膜被直接挤出到板材上，-在聚合物膜通过热层压或者通过使用粘合剂进行粘合而施加到钢板上之前，预先形成该聚合物膜，-粘合性膜的聚合物是选自聚烯烃、聚酯、聚酰胺以及它们的共混物的热塑性聚合物，-为了提高聚合物膜对钢板的粘合性，聚合物通过用羧酸或其衍生物之一接枝来进行官能化，和/或在聚合物膜被施加到钢板上之前，它经过了电晕放电或火焰处理，和/或钢板经过了预先的表面处理，以提高聚合物膜对钢板的粘合性。
本发明的第二主题是可通过上述制造方法获得的部件。
用于制造本发明复合层压部件的钢板的厚度Ea大于0.1且小于0.65mm，优选小于0.5mm，有利地小于0.4mm。
这是因为，在小于0.1mm时，复合层压部件的刚度是不足的，在大于0.65mm时，部件重量的经济性是不足的。
通常，用来制造汽车外部车体部件(包括可打开部件的衬里)或者家用电器部件的板材的宽度为大于600mm，并且板材坯件的至少一个尺寸大于600mm。
所用的钢的品种主要取决于预期的应用。例如，如果复合层压部件用于制造机动车辆，则通常使用的钢的品种为双相钢种、钢种ES(ENDC 01-DC 06)、钢种HLE(EN H 240 LA-H 40 LA)或钢种IF P220或P235。
钢板可被预涂覆或不预涂覆。优选地，为了提高其性能，在其至少一面上用金属涂层预涂覆，该金属涂层例如基于纯锌或锌合金，或者用干润滑膜、耐腐蚀底漆、末道漆或粘合性底漆类型的薄(约1μm)有机涂层进行预涂覆。它也可进行铬化或磷化处理，或者可用油膜涂覆。
粘合性聚合物膜的厚度Ep等于或大于0.1mm，优选大于0.2mm。
当小于0.1mm时，部件在其制造过程中容易被快速损坏，首先是预涂层的分离，然后是部件的断裂。当大于0.2mm时，部件的重量收益开始变得可观，因为聚合物越厚，就可制造越薄的板材。
聚合物是根据部件的最终用途来选择的，但是在任何情况下，它必须具有以下性质-对钢板的高粘合程度，这一方面是为了在复合层压板材坯件的成形过程中避免分层类型的问题，另一方面是为了保证良好的耐腐蚀性，和-足够的延展性，以避免损害复合层压板材的可成形性质。
最后，根据复合层压部件的预期用途，聚合物将具有另外的性质。
因此，在汽车和家用电器的领域中，聚合物还可具有振动声阻尼性能。
在汽车领域中，聚合物还优选具有良好的高温机械强度，以保证部件的表面外观和几何精度，甚至是在经过了严苛的热处理(例如在通过阳离子电泳对其涂漆时)之后。这是因为，阳离子电泳涉及到将部件暴露于140-200℃的温度下，时间为15-30分钟，以烘烤涂漆层。
聚合物是选自聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯、聚酯如聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺以及它们的共混物的热塑性聚合物。
为了提高聚合物膜对钢板的粘合性，聚合物优选通过使用羧酸或其衍生物进行接枝来官能化。它也可包括苯乙烯和羧酸或其衍生物的共聚物，或非常少量的环氧树脂。在聚合物膜被施加到板材上之前，它也可进行电晕放电或火焰处理。该板材也可经受预先的表面处理，如铬化或磷化处理，或者其它任何无铬VI的表面处理。
聚合物也可包含本领域技术人员众所周知的用于进一步提高其性能的化合物，例如添加剂如防静电剂、颜料、染料和抗氧化剂，以防止在油漆烘烤循环过程中可能发生的热氧化。
而且，可通过引入少量润滑剂或增滑剂来改善聚合物的使用性能。
该膜可包括一个或多个聚合物层，其总厚度E等于或大于0.1mm，例如共挤出的两层膜，包括由接枝马来酸酐的聚丙烯构成的50μm厚的第一粘合剂层以及350μm厚的第二聚丙烯层。
为了制造复合层压钢板，通过热层压或者通过使用粘合剂进行粘合而将一个或多个聚合物膜施加到钢板的至少一面的整个表面上或者其一部分上。
优选地，预先加热钢板，以保证聚合物膜对钢板更好的粘合。
聚合物膜例如通过挤出而预先形成并在随后被施加到钢板上，或者被直接挤出在钢板上。
通常，复合层压钢板的总厚度E为0.3-1.2mm。
事实上，使用厚度E小于0.3mm的复合层压钢板不可能制造对于工业应用来说具有足够刚度的部件。另一方面，当大于1.2mm时，部件的重量收益是不足的。
在制造了复合层压板材之后，仍可通过将钢板坯件施加到粘合性聚合物膜上来局部地对它进行增强，以形成拼杂类型的板材。
当复合层压钢板已制成时，它或者在被称为“随动工具”的工具中直接成形，这是指最初为卷绕形式的板材被退绕，然后直接进入工具之间，所述工具在某些成形步骤的同时进行部件的全部或者部分切割；或者被切割成适合于随后成形的坯件。
复合层压板材或板材坯件是在通常包括冲头、冲模和坯件夹具的冲压工具中通过冲压而成形的。
在已将板材或坯件固定在坯件夹具中之后，调节冲头与冲模之间的材料通道Pm，以使材料通道Pm在复合层压板材或板材坯件的厚度E减去一个或多个粘合性聚合物膜的总厚度Ep的80％与复合层压板材或板材坯件的厚度E之间，包括端值在内，也即E-0.8×Ep≤Pm≤E。
这种调节用来获得没有任何褶皱或裂纹的部件。这是因为聚合物被压缩和变形的能力大于钢的相应能力。
在已调节冲头与冲模之间的材料通道Pm之后，通过向板材或坯件的涂覆有粘合性聚合物膜的面或者向没有涂覆该膜的面施加冲头来冲压板材或坯件。
正如我们将在以下实施例中说明的，由于聚合物被压缩和变形的能力，施加到板材或板材坯件上的聚合物膜被用来降低将成形的板材的厚度。因此，通过牺牲性地(sacrificielle)流动，聚合物可以保持冲头、板材或坯件与冲模之间的恒定、均匀的压力和接触。复合层压板材或板材坯件中的收缩区域(在单块钢板的特定情况下，该收缩区域会由于钢板厚度的变小而变得更加关键)将会由于聚合物膜厚度的增加(对于给定的钢板厚度)而被更多地补偿和更加的稳定。因此可以明显减少或完全消除在部件中形成褶皱、预涂层劣化和/或部件断裂。
因此本发明人已证实，如果材料通道Pm设定为高于复合层压板材或板材坯件厚度E的值，则当冲头使涂覆有一个或多个粘合性聚合物膜的板材或板材坯件变形时，部件中开始形成褶皱，并且褶皱会由于Pm值的变大而变得更大。
另一方面，如果材料通道Pm设定为低于E-0.80×Ep的值，则由于冲模、冲头和复合层压板材或板材坯件之间过度的摩擦，部件容易开裂。在复合层压板材或板材坯件被预涂覆的情况下，例如用锌预涂层预涂覆，这个预涂层将被损坏，随后随着应力的增加，钢板或钢板坯件将由于一个或多个粘合性聚合物膜的过度压缩而开裂。
获得的部件可用于期望减轻重量的各种领域，例如在汽车领域中用于制造挡泥板，在家用电器领域中用于制造洗衣机壳体以及用在一般工业中。
根据复合层压部件预期的应用，可以在该钢板的一面或在两面上涂覆粘合性聚合物膜。
例如，用于家用电器制造的部件可有利地在两面上涂覆有粘合性聚合物膜，聚合物的类型是相同或不同的，以给部件的可见面赋予令人满意的表面外观。
因此，涂覆有粘合性聚合物膜的钢板可用于制造这种部件，该部件提供与单块钢部件相比约30-50％的重量减少，并限制所形成的部件的刚度损失。
这种复合层压板材所具有的进一步的优点是在处理所述板材的过程中由于其弹性而不会出现印记。
本发明的复合层压部件在相同部件厚度下还具有比单块钢部件或者甚至是单块聚合物部件更好的耐小冲击性。这一特征对于机动车辆制造商制造表面部件(如挡泥板或可打开部件)来说特别有利，这些部件有规律地承受低强度冲击。
术语“耐小冲击性的部件”是指在冲击作用下变形并且没有任何残余印记地恢复其初始形状的部件。对于给定的部件几何形状，每种材料根据其机械性质及其厚度而具有起泡(cloquage)能量，当高于该能量时，部件在受到冲击后会出现明显的印记，不具有恢复其初始形状的能力。
考虑到部件的印记只有从0.25mm的残余变形开始才是可见的，本发明人因此证明，当冲击的能量为2.28J时，钢种为DP 500和厚度为0.75mm的单块部件出现不可逆的印记，而涂覆有0.25mm厚聚丙烯膜的钢种为DP 500和厚度为0.5mm的部件只有当冲击的能量为4.73J时才开始出现不可逆的印记。即便DP 500钢经过了烘烤硬化(在退火作用下的硬化)，也应当考虑这些数值。如果是这种情况，只有从能量高于前面所述量的冲击开始部件才出现印记。
具体实施例方式
通过参考所附的单一附图
，本发明将通过说明性的非限制性实施例来描述。
1.附图中的表征该单一的附图表示了在根据本发明涂覆有粘合性聚合物膜(杯形物A1-A4)或未涂覆(杯形物B1-B2)的各种钢板坯件上进行的冲压试验的结果。
为此目的制造了钢种为DP 500，厚度为0.5mm并且在其每个面上预涂覆有锌涂层的钢板，该预涂覆通过电镀锌来进行。
然后通过共层压将共挤出的0.25mm厚的聚合物膜施加到部分板材的一面上，该聚合物膜基于接枝马来酸酐的聚丙烯以及聚丙烯。
然后从涂覆有根据本发明的聚合物膜的板材和未涂覆的板材切割下64mm直径的坯件。将0.025mm厚的特氟隆膜施加到每个坯件的两面上，以消除在工具上的任何摩擦的风险。
然后使用包括冲头、冲模和坯件夹具的冲压压力机使两个系列的坯件经受受控变形试验，以通过向坯件夹具施加10kN的夹紧力来形成33mm直径的swift杯形物。
为了证明0.5mm厚的钢板在涂覆有聚合物膜时较容易冲压，本发明人改变冲头与冲模之间的材料通道，也即工具之间的间隙。事实上，常规的冲压压力机并非理想地适合于冲压大的板材坯件，也就是说该板材坯件至少一个尺寸大于600mm，而不论层压与否，厚度小于0.65mm。
为了理解用来说明本发明的冲压试验的原理，我们将考虑具有锌预涂层的厚度为E的单块钢板。对于这种钢板，我们根据钢的收缩限定冲模与冲头之间的不同区域-如果冲模与冲头之间的距离等于E，则是理想的情况，其中钢板与冲压工具之间不存在间隙。这可以获得没有褶皱或裂纹的完美部件，-如果冲模与冲头之间的距离大于E，则当冲头使板材变形时，钢板中开始形成褶皱，并且这些褶皱会由于间隙的变大而变大，和-如果冲模与冲头之间的距离小于E，则工具与钢板之间的摩擦会由于距离的变小而变大。首先，预涂层被损坏，然后随着应力的增加，钢材开裂。
随着冲模与冲头之间的距离而变化的冲压坯件的结果在下表中汇集，并且所获得的杯形物按如下分级-等级1良好成形的杯形物，锌预涂层没有褶皱或裂纹-等级2良好成形的杯形物，但是锌预涂层有裂纹-等级3形成褶皱并且杯形物开始开裂-等级4杯形物开裂和/或形成大量褶皱。
对于每个成形的杯形物来说，根据冲压工具之间的距离(被称为“材料通道”)来记录等级，该距离根据板材坯件的厚度，层压或未层压，以及坯件与冲压工具之间的间隙来表示。
坯件A表示从本发明涂覆有聚合物膜的0.75mm厚钢板上切下的坯件。厚度为0.5mm的坯件B作为对比，表示从没有涂覆聚合物的相同板材上切下的坯件。
为了清楚地理解应该如何阅读下表1，我们将考虑厚度为0.75mm的坯件A，坯件与冲压工具之间的间隙为0.1mm，对应于杯形物A4的成形。表中置于括号内的坯件的厚度+0.1mm的值因此为0.85mm，记录的等级为3。
表1试验结果

本发明人已指出，通过由于聚合物高于钢的压缩能力以及由于聚合物的高可成形性而进一步导致的负间隙补偿机制，在钢板上存在粘合性聚合物膜可以扩展这种工具的操作范围。通过牺牲性地流动，聚合物最初用来保护锌预涂层，然后显著地延迟部件中开裂的出现。
2.小冲击的表征在具有30mm深的通常杯形状的部件上进行小冲击的表征。通过浅冲压，由以下的单块钢或复合层压板材制造这些部件-部件A单块DP 500钢种的钢板，厚度为0.5mm，没有进行烘烤硬化，-部件BDP 500钢种的钢板，厚度为0.75mm，没有进行烘烤硬化，-部件CDP 500钢种的钢板，厚度为0.5mm，没有进行烘烤硬化，仅在一面上涂覆有0.25mm厚的聚丙烯膜，-部件DDP 500钢种的钢板，厚度为0.5mm，没有进行烘烤硬化，仅在一面上涂覆有0.5mm厚的聚丙烯膜。
为了评价部件在小冲击之后的残余变形，使具有可变重量的移动元件落在它上面，并且落下的高度和速度也可变化，目的是改变元件对部件的冲击能量。
由此使移动元件落在部件上，该移动元件具有半球形的一般形状，由铝制成，直径为85mm，涂覆有6.5mm厚的橡胶层。
在移动元件对部件冲击之后，观察和测量部件的残余印记，也即当元件落在部件上时由元件留下的印记的深度。试验结果汇总于表2中。
表2小冲击试验的结果

*本发明n.m.未测出当冲击的深度大于0.25mm时，部件的印记是可见的。虽然部件B比部件D更硬，但是较小能量的冲击对于部件B的印记和对于部件D的印记来说是一样的。因此，本发明人已证实，将聚合物膜加到钢板上可以显著地提高本发明部件的耐小冲击性。
权利要求
1.复合层压部件的制造方法，包括以下步骤-利用总厚度Ep等于或大于0.1mm的一个或多个粘合性聚合物膜涂覆厚度Ea小于0.65mm的钢板的至少一面，以形成厚度E＝Ea+Ep的复合层压钢板，-任选地，切割所述钢板以形成坯件，然后-通过冲压使复合层压板材或板材坯件成形，以获得所述复合部件，该冲压是在包括冲头、冲模和坯件夹具的冲压工具中通过调节冲头与冲模之间的材料通道Pm值以使E-0.80×Ep≤Pm≤E来进行的。
2.权利要求1的方法，其特征在于，通过向板材或板材坯件中涂覆有粘合性聚合物膜的面直接施加冲头来冲压复合层压板材或板材坯件。
3.权利要求1的方法，其特征在于，通过向板材或板材坯件中未涂覆粘合性聚合物膜的面直接施加冲头来冲压复合层压板材或板材坯件。
4.权利要求1-3任何一项的方法，其特征在于，钢板的厚度Ea小于0.5mm。
5.权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于，粘合性聚合物膜的厚度Ep大于0.2mm。
6.权利要求1-5任何一项的方法，其特征在于，复合层压钢板的总厚度E为0.3-1.2mm。
7.权利要求1-6任何一项的方法，其特征在于，将聚合物膜直接挤出到板材上。
8.权利要求1-6任何一项的方法，其特征在于，在聚合物膜通过热层压或者通过使用粘合剂进行粘合而施加到钢板上之前，预先形成该聚合物膜。
9.权利要求1-8任何一项的方法，其特征在于，粘合性膜的聚合物为热塑性聚合物。
10.权利要求9的方法，其特征在于，热塑性聚合物选自聚烯烃、聚酯、聚酰胺以及它们的共混物。
11.权利要求9或10之一的方法，其特征在于，聚合物通过用羧酸或其衍生物之一接枝来进行官能化。
12.权利要求1-11任何一项的方法，其特征在于，在聚合物膜被施加到钢板上之前，它经过了电晕放电或火焰处理。
13.权利要求1-12任何一项的方法，其特征在于，钢板经过了预先的表面处理，以提高聚合物膜对钢板的粘合性。
14.可通过权利要求1-13任何一项的制造方法获得的部件。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造复合层压部件的方法，包括利用厚度等于或大于0.1mm的粘合性聚合物膜涂覆厚度小于0.65mm的钢板，以形成复合层压钢板，然后通过冲压使复合层压板材成形，以获得所述复合部件。
文档编号B21D53/00GK1921966SQ200580005517
公开日2007年2月28日 申请日期2005年2月17日 优先权日2004年2月19日
发明者F·皮纳尔 申请人:阿赛洛法国公司