可时效硬化的铝合金片材的冲压的制作方法

专利名称：可时效硬化的铝合金片材的冲压的制作方法
技术领域：
本发明涉及将可时效硬化(age-hardenable)的铝合金片材形成为具有复杂形状的制品的方法。更具体地说，本发明涉及将过度时效(over-aged)的铝合金片材工件冲压 (stamping)成预成形体型材(shape),热处理该预成形体型材,和然后第二次冲压该预成形体的方法。
背景技术：
许多制品是通过在立式冲压机中所携带的相对、互补(complementary)、未加热的成形模之间冲压片状金属坯料(blank)来形成的。在制造此类制品时，生产商考虑所要形成的形状，选择合适的片状金属合金和它的冶金微观结构，获得片材的冲压坯料，然后通过在各片状金属坯料或其它工件上冲压模的闭合来冲压这些部件。这一冲压实践长期以来已用于高体积操作以形成汽车车身板(vehicle body panel)等。需要降低车辆部件的重量和伴随性地需要形成具有流线形状，以及具有带有深凹槽(de印pocket)、锐角和其它复杂三维构型的复杂形状的车身结构(body structures)。所使用的片状金属材料是从较低强度、中等强度钢到较高强度-重量材料如高强度钢、铝合金和镁合金变化。人们仍然有兴趣拓宽在车身中使用的铝合金(特别是较高强度铝合金)的范围， 以便进一步实现质量减轻。许多的这些较高强度铝合金组合物一在它们已经为了冲压以热处理的片形式制备之后一甚至在环境温度下通过称为时效硬化的方法倾向于硬化。所选择的铝型合金组合物被铸塑成合适的块料并且通过顺序的热轧和冷轧步骤减少至规定的片材厚度(常常约0. 5-5毫米)。应变的(strained)片材一不论呈现为用于冲压的切割的卷片或坯块的形式一可以在运输到用户之前在铣床(mill)上热处理，使之软化以便在冲压机中的后续成形。但是许多理想的铝型合金，如含有例如少量的镁和硅的6000系列的商品铝合金，和含有例如铜、镁和锌的7000系列的铝合金，倾向于时效硬化。卷片或坯块材料在各种运输和贮存期的过程中所经历的温度下慢慢地硬化成冶金微观结构，较低可成形性的片状金属不容易从该结构冲压成为车辆应用和其它制品所需要的许多的复杂三维形状。因此，仍然需要从此类可时效硬化的、高强度铝片合金形成复杂部件的改进方法和工艺。发明概述
该6000和7000系列的商品铝合金(典型地含有高于85wt%-90wt%的铝)的片材通常在时效硬化条件下实现冲压操作，在这些条件下它们是不能充分可成形的以形成为许多制品所需要的复杂3-D形状。这些铝型合金片材的铝铣床(aluminum mill)或其它制造机 (maker)通过将片材加热到某温度(例如高于500°C )来热处理该锻造和应变硬化的片材， 在该温度下基本上全部的低含量、成合金用的成分(alloying constituents)(如铜,镁, 硅和锌中的一种或多种)各自作为固溶体溶解在主要铝的晶粒中。这已知为固溶热处理 (solution heat treatment)或“固溶体化(solutioning) ”或“固溶化(solutionizing)，，。 如果在此升高的温度下可观察片材的微观结构，则成合金元素分散在很多的铝原子之中。 即使有的话，可观察到极少数的成合金的成分。铝合金片材然后在含水介质中骤冷或通过强制气流被冷却至基本上室温(例如，20°C -约30°C )以便将成合金元素的原子的固溶体维持在铝原子的基质中，这些铝原子作为被晶粒边界分隔开的一系列的邻接、未定向排列的(misaligned)晶粒而排列。主要铝的晶粒的此固体结构被称为片材的α-相。但是该α铝相甚至在室温下是亚稳定的，并且该成合金的成分不久开始在α铝晶粒内和随后在晶粒之间的边界处形成次生相(second phase)的可辩别的簇或颗粒。次生相的组成和形状将取决于在合金中成合金元素的特定结合。成合金成分随着时间的推移所发生的该分离会提高片材的强度和降低它的延性，已知为时效硬化的冶金学现象。时效硬化在室温下，或在片材的运输和贮存时所经历的环境温度下发生。时效硬化通过片材所经历的温度的任何提高来促进。由于在铝铣床上的固溶热处理和骤冷与在冲压装置中片材的成形之间的典型的时间推移，自然时效的招合金片材；0^4(sheet stock)达到硬化T4 回火代码状态(temper code state) (Aluminum Association代码命名)。在此条件下，合金片材具有有限的可成形性并且可以形成为不太复杂的形状如发动机罩外板(hood outer panel)。然而，在T4条件下的合金，在没有对于片材造成一些可见的损害如撕裂、颈缩或劈裂的情况下，不容易通过冲压成复杂三维形状来成形。根据本发明的实施方案，此类时效硬化铝合金按照不同的方式来加工，以便将该片材冲压成更复杂和变形的形状。无需担心此类片材的自然时效硬化，铝合金片材在第一个冲压步骤之前有意进行过度时效化处理。在可时效硬化的铝型合金片材的制造过程中， 该片材被轧成所需的规格，然后在连续热处理生产线中进行固溶处理(solution treated) 和然后骤冷。软化的铝合金片材然后有意过度时效化，通过它的峰值强度，达到某强度水平，该强度水平已经降低到低于其可达到的峰值时效强度的约90%。此过度时效过程可通过片材的控制加热以加速时效化，或通过使片材发生应变和随后进行控制加热以实现过度时效化来实现。此步骤的目标是将招合金片材调节到由Aluminum Association确认的T7 或T8回火代码状态。在本说明书中如下更详细地描述用于本发明的实施方案中的铝型合金片材实现此过度时效化的合适实践。但是令人吃惊地发现，此类过度时效的铝片材的成形特性常常优于在以前的普通冲压实践中所使用的T4回火状态材料的成形特性。该过度时效的铝合金片状坯料然后进行第一个冲压步骤，以便将坯料成形为预成形体型材。该预成形体型材是通过冲压所达到的所需最终的片状金属型材的前体。在本发明的许多实施方案中，制品的由冲压所达到的所需最终形状，将相对于所选择的过度时效的铝合金片状金属坯料的所测得的成形特性来进行分析。一般，优选的是使预成形体的成形最大化以便使之接近于所希望的最终冲压形状，但在该预成形体冲压步骤中不损害铝合金材料。此类损坏的例子包括应变定位(strain localization)、颈缩和破裂。该铝合金预成形体型材然后从冲压模中取出，因为也许需要固溶热处理该预成形体型材。预成形体金属或整个预成形体金属型材的所选择的应变部分被快速加热接近或高于铝型合金的成合金成分的固溶体温度。该加热简单地继续进行，直到适宜地和可靠地实现该固溶化。例如，这可以通过简单地将预成形体暴露于升高的温度(例如400°C或更高温度)达到10秒一 I小时之间的时间来完成。在此升高的温度下经过足够的时间后，预成形体可以快速地冷却到室温从而基本上将溶解的成合金元素保留在α相固态溶体中。热处理的预成形体然后被返回到合适的未加热的冲压机(相同或不同的压机)中以便于制品的成形的完成，这是旨在通过冲压所达到的。明显地，冲压制品的修整(trimming)或穿孔,或其它所希望的成形操作,可以随后进行。冲压/成形的制品然后自然或人工时效化并增强到为它的使用所需要的条件。例如，在许多的汽车车身组装操作中，白色车身将进行几个涂漆操作，并且冲压的部件(现在包括焊接在一起的车身结构的部件)将在促进现在已引入到车身结构中的冲压部件的时效硬化的温度下在漆烘箱(paint bake oven)中反复加热。根据本发明的实施方案，当经过持续的时效化铝合金冲压坯块的强度下降而不是提高时，一般认为其适宜地过度时效化。对于本发明的实施，可以预期的是过度时效合金的强度低于峰值硬化合金的强度的90%。本发明的实施用的合适合金包括镁和硅合金化的6000系列铝合金，例如6013、 6014,6111和6022，或锌-镁-铜合金化的7000系列铝合金，例如7050,7075和7150。如以上在本说明书中所述，在本发明的两步骤冲压方法的实施中的重要步骤是在时效化的片状金属坯料冲压成形为所需预成形体型材之前，以适宜地过度时效的状态来制备铝合金冲压坯料。在6000系列合金中产生优选的初始微观结构并且一般对应于过度时效的T8回火状态的合适热处理方案可包括将片状金属材料在约535°C的温度下保持约I小时，和随后在足以维持成合金元素的α相固溶体的某速率下冷却。此热处理可任选地接下来还有在例如通过张力或棍矫平(roller leveling)对片材施加一些有限的预应变(例如，至多约 5%应变)之前在环境温度下的一些自然时效化。该预应变之后接着还有两步骤时效程序， 之后是缓慢冷却，该两步骤时效程序包括在175°C下进行约6小时的第一个时效处理和之后在约250°C下进行约8小时的第二个时效化步骤。6000系列合金的另一种合适的热处理可以是在约535°C的温度下保持约I小时的类似固溶处理，随后是快速冷却。合适的时效处理可以在约175°C的温度下保持约12小时。 时效处理可任选地通过一些室温时效来进行。这将对应于第一 T7过度时效处理。6000系列合金的另一种合适的热处理可以是在约535°C的温度下保持约I小时的类似固溶处理，随后是快速冷却。合适的时效处理可以在约250°C的温度下保持约12小时。 时效处理可任选地通过一些室温时效来进行。这将对应于第二合适T7过度时效处理。因此，适宜地过度时效的铝合金片材可以在某方法中成形为复杂型材，该方法包括预成形体冲压步骤，预成形体型材的中间的固溶热处理，和达到最终的冲压形状的一个或多个冲压步骤。最终的型材可通过自然或诱导的时效硬化来增强。从本说明书下文的优选实施方案的叙述可以清楚地看出本发明的其它目的和优本发明包括以下方面
I.由可时效硬化的、铝型合金片状金属工件形成冲压制品的方法，该铝型合金包括成合金元素，当该合金被加热至固溶化温度时该成合金元素在富含铝的基质中形成固溶体， 该成合金元素在低于固溶化温度的温度下随着时间的推移从富含铝的基质中沉淀以逐渐硬化该工件材料；该方法包括
通过以下制备过度时效的铝合金固溶化该合金以将该成合金元素基本上溶解在主要铝的基质中，在足够快速的速率下快速地冷却该合金以将该成合金元素以固溶体形式维持于该铝基质中，让该合金时效化到峰值强度并继续让该合金时效化直到它的强度低于它的峰值时效强度的90%为止；
通过冲压成形过度时效的铝合金的未加热工件片材，以产生具有在工件的形状与组件的形状之间的中间形状的预成形体片材，该预成形体片材不具有裂缝、颈缩或折叠金属； 将该预成形体片材的至少一部分加热到某温度并保持一段时间，该时间足以将基本上全部的该成合金元素溶解到在预成形体片材的加热部分中的该铝基质中；
快速地冷却该预成形体以让所溶解的成合金元素保留在该铝基质中；
通过冲压将预成形体进一步成形以便完全成形该组件，该组件不具有裂缝或颈缩；和将该完全成形的组件暴露于合适的温度和合适的时间以便时效化和增强该组件。2.根据方面I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中相同组的模用于压制成形该预成形体和压制成形该完全成形组件。3.根据方面I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中不同组的模用于压制成形该预成形体和压制成形该完全成形组件。4.根据方面I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，进一步包括修整该预成形体的步骤。5.根据方面I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中该过度时效的合金片材处于T7回火状态。6.根据方面I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中该过度时效的合金片材处于过度时效的T8回火状态。7.根据方面I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中该铝合金是6000系列或7000系列合金中的一种。8.根据方面7所述的由可时效硬化的6000系列铝合金形成冲压铝组件的方法， 其中该铝合金是由6013、6014、6111和6022组成的组中的一种。9.根据方面8所述的由可时效硬化的7000系列铝合金形成冲压铝组件的方法， 其中铝合金是由7050、7075和7150组成的组中的一种。10.根据方面I所述的形成冲压铝组件的方法，其中该预成形体是在炉中加热。11.根据方面I所述的形成冲压铝组件的方法，其中该预成形体进行感应加热。12.根据方面I所述的形成冲压铝组件的方法，其中在漆烘烤过程中发生了由完全成形组件所经历的时间和温度暴露。13.根据方面12所述的形成冲压铝组件的方法，其中该漆烘烤过程包括在160°C 与200°C之间的温度达到在20-60分钟的时间。14.由可时效硬化的、铝型合金片状金属工件形成具有预定三维形状的冲压制品的方法，该铝型合金包括成合金元素，当该合金被加热至固溶化温度时该成合金元素在微粒状富含铝的基质中形成固溶体，以及在该合金已经从该固溶化温度冷却到用于通过冲压成形的温度之后仍保留在固溶体中，该成合金元素在低于该固溶化温度的温度(包括该冲压温度)下随着时间的推移从富含铝的基质中沉淀以逐渐时效硬化该工件材料；该方法包括
制备时效硬化片状金属冲压坯料，其中该铝型合金材料已经时效硬化到某状态，在该状态下它的峰值时效强度转变到不大于它的峰值时效强度的90%的强度，确定该冲压用坯料的应变限制、可成形性能以形成具有应变区域的预定的预成形体型材，该应变区域小于在预定的三维形状中固有的应变而对于该预成形体型材没有冲压应变破坏；
通过冲压成形该过度时效的铝合金的未加热冲压坯料，以产生该预定的预成形体形
状；
将该预成形体片材的至少一部分加热到某温度并保持一段时间，该时间足以将基本上全部的成合金元素溶解到在预成形体片材的加热部分中的铝基质中；
快速地冷却该预成形体以让该所溶解的成合金元素保留在该铝基质中；和通过冲压来成形该预成形体，从而获得该冲压制品的所确定的三维形状。
附图
的简述
图I显示了代表性时效硬化铝合金的一般相图的富含铝的部分的图示，揭示了固溶化热处理用的温度、合金组成和相关的微观结构。图2显示了在时效硬化铝合金的时效过程中强度随时效时间(的对数)所发生的演变的图示。图3在俯视图、后视图、四分之三侧视图中显示了具有提升门的SUV类车辆。图4在平面视图中显示了来自提升门中的冲压、预形成的内板(inner panel)的图示。该板显示为在从成形模中取出之后其所呈现的原样。图5在平面视图中显示了来自提升门中的冲压、完全成形的内板的图示。所示的板已经由图4中所示的预成形板冲压，并且显示为在从成形模中取出之后所呈现的原样。图6显示了示意性的时间-温度分布图和一般对应于过度时效化的T8时效处理的所得微观结构，该处理包括在约535°C的温度下保持约I小时和骤冷；预应变到约5%应变；和，在175°C下时效约6小时，随后在约250°C下时效约8小时。图7显示了示意性的时间-温度分布图和一般对应于T7过度时效化处理的所得微观结构，该处理包括在约535°C的温度下保持约I小时和骤冷；预应变到约5%应变；和在175°C下时效化约12小时。图8显示了示意性的时间-温度分布图和一般对应于第二个T7过度时效化处理的所得微观结构，该处理包括在约535°C的温度下保持约I小时和骤冷；预应变到约5%应变；和在250°C下时效化约12小时。图9显示了由本发明的实施所进行的成形和热加工来形成冲压组件的示意图。优选实施方案的描述
越来越多地，较低密度(与中等强度钢相比)的、冲压的、片状的铝合金(典型地具有在约I和2. 5毫米之间的厚度)在减轻车辆质量的正在进行的工作中替代在车身和闭合板(closure panel)中的中等强度钢，包括发动机罩、行李舱盖(trunklids)、车门和后舱 (rear hatches)。许多铝合金冲压件具有与它们所替代的中等强度钢冲压件的强度相当的强度，这样质量减轻主要归因于铝的较低密度。清楚地看出，进一步质量减轻可以归因于更高强度、时效硬化铝合金的更广泛应用。时效硬化是硬化和增强铝合金的优选方法并且包括一系列的热处理步骤或操作。 这些步骤首先将合金置于时效硬化的合适条件下和然后允许实施该时效硬化。第一个步骤是在固溶化过程中溶解基本上全部的有意添加的成合金元素，这些元素可包括镁、硅、锌和铜。固溶化过程的主要方面用示意图描绘在图I中，它显示了一般的铝_(成合金元素)相位图的富含铝的部分。商品的铝合金，如随后在表I中所示，包括多种的成合金元素和杂质。然而，在图I中所示的简化相位图足以概括性地描述甚至在这些更复杂的工业合金中的基本时效硬化过程。在室温下，约25°C (在图I上显示为RT)，具有由AB线所示的(成合金元素)含量的合金将包括具有多个彼此被晶粒边界(如在相关的插图中所描绘)分隔开的基本上铝晶粒的主要铝基质(α )。在室温下，该铝基质具有仅仅有限的能力来溶解这些成合金元素。 当基本上铝基质已经尽其所能容纳的量来溶解成合金元素时，成合金元素的剩余部分(典型地，总合金含量中的较大分数)将作为颗粒存在，这里显示为β。正如所示，在晶粒内或在晶粒边界上可形成这些颗粒一常常为通过成合金元素彼此之间或与铝之间的反应所形成的金属间化合物。在升高的温度下，例如在图I中的温度Y下，基本上铝基质能够将更多的成合金元素容纳在固溶体中。尤其，在约500°C或更高的温度下，富含铝的基质能够容纳基本上全部的该成合金元素在固溶体中。因此，通过将铝合金加热至约500°C和保持足够的时间，典型地为约I小时，当颗粒溶解和成合金元素扩散到铝中时，可形成一般化学上均匀的铝型固溶体(在相关插图中的α)。这是固溶化处理。优选发生该α晶粒的仅仅次要生长(minor growth)，因此，如图I中所示，在固溶化处理过程中室温晶粒结构基本上得到维持。此铝固溶体U)仅仅在约500°C的固溶化温度⑴下是热力学稳定的。然而，因为颗粒溶解和形成都需要扩散，或热活化的原子运动，富含合金的铝固溶体可以通过将合金快速冷却或骤冷到室温或约25°C的水中以“冷冻”固定这些成合金元素和将这些元素维持在固溶体中来临时维持。固溶化的状态在室温下仅仅是亚稳定的，和，随着时间的推移，该合金将“时效化”。在时效过程中，溶解的成合金元素将以小的、分散的颗粒的形式从铝基质中沉淀，常常作为富含成合金元素的簇或作为金属间化合物。取决于合金体系，这些颗粒可以一般成形为扁球体、棒或板，并且，随着时间的推移，尺寸增长和数量增力卩。在室温下相对缓慢地进行生长，但是在例如达到250°C的升高温度下会促进生长，因此，各种各样的时间-温度结合将导致类似的颗粒生长。这些分散的颗粒或沉淀物会使铝基质增强到一定程度，这取决于它们的形状、尺寸和分布。与中等的尺寸(100-300纳米)和间隔的颗粒相比，特别小的(10-30纳米)紧密分布的(closely spaced)或特别大的(500-1000纳米)广泛分布的颗粒在增强基质上不太有效。当发生最高的颗粒增强时，合金被认为是“峰值时效化”并显示出它的最高强度。 继续的时效化，超过峰值时效化的状态，会导致继续的颗粒生长，使得颗粒在增强该合金上不太有效，并且会降低合金强度。在这一状态下，该合金被称作“过度时效”。同样，微观结构的变化是在合金的强度和延性上的变化。在它的水骤冷状态下，该合金具有低的强度和一般显示出高的可成形性。借助于在时效化中颗粒的发展和演变，合金最初硬化并显示出减小的延性和可成形性，但是如果时效化继续进行足够长的时间则最终开始软化和恢复一些的它所损失的可成形性。过度时效化不是唯一限定的状态并且过度时效化的合金可显示出各种各样的强度。唯一要求是它的强度低于它的峰值时效强度，并且该时效化时间长于为达到峰值时效状态所需的时间。在本发明的实施中，过度时效的合金将被认为是这样的合金，它的屈服强度低于同样的合金在其峰值时效状态下的屈服强度的约90%。这样的要求可以通过处于T7 回火状态的合金以及通过处于过度时效的T8回火状态的合金来满足。在普通术语中，处于它的水骤冷、固溶化状态的合金指定为“W” ；当固溶化的合金在室温下时效化时则指定为“T4”；当固溶化的合金在升高的温度下时效化时指定为“T6”。 其它术语包括关于某种状态的“峰值时效化”，在该状态下合金达到它的最大强度，同时符号“T7”是指由“峰值时效化”合金的继续时效化所得到的“过度时效的”合金。“T8”回火一般是指在时效化之前已经在某些有限的程度上变形，例如5%应变，的时效化合金。在本发明的实施中，术语“过度时效化T8”回火是指在人工时效化之前已经发生应变的过度时效的合金。这些符号可通过参考图2来更好地理解，代表性强度-对-时效化时间曲线，该曲线一般将这些术语与合金强度关联。可时效硬化的合金可以进行热处理以产生一定范围的强度，并且常常，目标是实现与加工能力一致的最高可能的强度。当可时效硬化的铝合金用于汽车车身时，这些合金可以在比其峰值时效状态下所达到的强度更低的强度下使用。然而由于时效化所导致的强度的任何提高将会降低合金的延性或可成形性。在一个实施方案中，在两步骤成形过程中形成可时效硬化的铝合金片材。第一成形过程是针对处于T7状态的合金或针对过度时效的T8回火(图2)合金来进行的，和第二成形步骤是针对固溶化的合金(W-图2)来进行的，其中有意添加的成合金元素基本上或完全地溶于富含铝的基质中。在第二成形步骤之后，固溶化的合金可以在室温下或在升高的温度下(可能在漆烘烤周期中)时效化，以产生提高的强度。可从此过程的实施受益的冲压部件的例子是提升门的内板，它例如可构成货车或 SUV的后闭合部分(rear closure)。图3显示了示例性提升门4,安装在示例性的SUV-型车辆2上(在外壳(ghost)中显示)。该提升门是由内板和外板(outer panel)组装的。外板是在图3中看见的可见区域并且一般顺滑地曲线化而带有容纳结构元件(accommodate features)的空腔或凹穴6、 7，该容纳结构元件例如是提升门打开机构的操作用的手柄(空腔6)和车辆牌照(空腔7)。 该内板一它面向车辆，但是被装饰性的覆盖物遮盖而常常无法看见一一般用于支持和增强外板。该内板可含有结构特征，后者镜像反映或互补外板的结构特征。内板也可引入深入 (extensive)和深的(至多约200毫米)的空腔，后者适合于容纳通常在货车和SUV的尾门 (tailgates)中所见到的机构和启动器。这些机构和启动器可包括门锁机构，窗提升机构， 和/或后擦拭器(rear wiper)机构,等等。该提升门的内板和外板两者，以及许多其它片状金属部件可通过压制成形或冲压来制造。在该过程中，坯料(通常平整金属片材)是通过被放置在互补形状的两个冲模部分之间来成形的，这两个冲模部分在压力的影响下彼此闭紧，并且赋予位于它们之间的片材所需的形状。因为冲压机几乎普遍地在垂直方向上作用，冲模部分通常被指定为上模和下模。此类冲压模具有形状赋予区域和粘结剂区域。形状赋予区域为片材或预成形体赋予所需的形状。模的粘结剂区域在坯料或预成形体的区域上施加粘结剂，其控制和促进成形过程。在成形之后该粘结剂被除去或修整掉。常常此类模粘结剂区域引入了拉延筋 (drawbeads),线性的互补结构特征,彼此相对地安装在模的上、下部分上的一个突出的凸面和另一个凹进的凹面。拉延筋可以有效地限制该片材侧向滑动跨越该模并且可以被调节以便根据需要应用或多或少的限制。因为在最终成形步骤之后从坯料或预成形体中除去粘结剂，所以，在预成形体和完全成形的组件上粘结剂的量和形状可以是不同的。同时，即使具有普通的形状赋予部分的冲模用于预成形的和完全成形的型材，在第一个和第二个成形步骤之间可以改变模的粘合剂部分。例如，拉延筋的位置和数量，以及它们所提供的限制的程度，可以在每一个成形步骤中都不同。图4和5显示了代表性提升门内板，如可以用作与在图3中所示的相类似的SUV上的后闭合板。在过度时效化的合金上所进行的第一步骤中，并且在图4中所示，显示了引入了提升门内板的许多一般特征的预成形体10。结构特征如窗口 12(在14处部分地切掉) 和壁16 (它在底部和侧边邻接凹进部18)可以清楚地辨别。面板，正如所示，是在其离开成形模和包括粘结剂时的板的代表。因此附加的结构特征(当安装在车辆中时在板上通常无法看到)是清晰可见的。这些结构特征包括由拉延筋在片材上形成的压印(imprint)20、22,在成形过程中控制最初平整的金属还料的侧向流动的线性构造。在这一阶段中，具有在轮廓上与预成形体的轮廓类似的形状的一般平整的过度时效化的片材已经成形为预成形体10。预成形体10进而可以被视为被再次插入片状金属冲压机中的模之间的“坯料”，并且进一步成形为完全成形的部件。但是，在成形为完全成形的部件之前，该板将进行固溶化热处理，这也将使板材至少部分地退火，以使合金恢复延性和可成形性，如下所述。图5显示了在已经固溶化和成形为最终型材之后的相同的板。在完全成形的板 10’中，与在预成形体10中所示的那些结构特征类似的许多结构特征是明显的，但是这些结构特征已经进一步发展。例如与图4的壁16和窗口 12相比，壁16’和窗口 12’已经加深并且引入了附加的结构特征。在壁16’与16之间和窗口 12’与12之间的一些特定的区别点是由点线的椭圆22来突出显示的，该椭圆清晰地标识了对于成形具有挑战性的弯曲的、深的、角的部分。还引入了附加的结构特征，包括槽(pockets)，如在24和26处，以及提供了与牌照固定器(holder)(空腔7，图3)互补的结构特征27、28和外板的门把手凹陷处 (空腔8，图3)。在该预成形体和完全成形的部件之间可发生坯料尺寸和形状的一些改变。图4和 5的对比表明，由虚线30界定的阴影线部分32已经从图4的预成形体坯料10中去掉。类似地，已经注意到，图5的拉延筋压印20’不同于图4的拉延筋压印20。具体地说，拉延筋压印20’显示了双条拉延筋压印，而拉延筋压印20仅仅显示了单条的拉延筋压印；同时,拉延筋压印20’不如拉延筋压印20那么宽大，这归因于从预成形体板10除去的材料32产生完全成形的板材10’。此外，在图4的预成形体中所示的拉延筋压印22缺少图5的完全成形的坯料。需要指出的是，图4的拉延筋压印20典型地没有被除去或擦除，因为该预成形体进一步成形为完全成形的组件。因此，图5的双条拉延筋压印20’不一定表明在第二个、完全成形的成形步骤中使用两个拉延筋。然而，本领域中的那些技术人员会认识到，所述的方法允许在从冲压预成形体至冲压完全成形的组件的进程中拉延筋的数量、几何结构和布置当中的任何一种或全部的改变。
材料从预成形体中的除去可以容易地通过使用修整模来完成，其中相对排列的和由压机激励的匹配的切削刃啮合该片材。在大量生产中该方法是优选的，但是除去金属的任何方法(其中包括锯切，啮咬或剪切)可以没有不受限制地使用。改进预成形体‘坯料’轮廓以及改进拉延筋或任何其它模或部件结构特征的能力仍然为形成复杂形状提供附加的机会。这些改进会影响到变形在该部件中的分布。因此， 在预成形体和完全成形的冲压步骤中，通过使用不同的形状和模拉延筋构造，可行的是有选择地和更高效地在部件中分布变形并允许更复杂部件的形成。因此，在粘结剂中预成形体形状的改进或在粘结剂区域中冲模的坯料容纳结构如拉延筋的改进，可以在两步骤成形过程中有利地引入并且包括在本发明的范围中。刚才描述的方法的合适合金包括这样的合金，其具有镁和硅作为主要的成合金元素并且一般描述为6000系列铝合金，例如指定为6013、6014、6111和6022的合金。其它合适的合金包括主要用锌、镁和铜形成合金的那些合金，通常已知为7000系列铝合金，例如 7050,7075和7150。这些合金的代表性组成示于表I中。表I
所选择的铝合金的组成，wt%
(余量铝)
....Ci .<A IW\4 <112 22M I I ^ <0,1<IK04斯5 ILIS-0,2 <(MWQjU.6 -IJ<1.U5OJJI I0.5 一 CL1)I‘7 - 2.4mu他<1, 1,2(U CU11.45 0J5115 1.0U 2,62M 2.92.0-Si.t),6..... 1,0OJ -----(16OJ .... IJ(),6..... LI I <ilJ2<0,4<(U2
尽管在合金系列中不同合金的响应上以及在不同合金系列的响应上可能有一些差异， 但是此类合金一般通过如下方法在约500°C的温度下固溶化将合金在该温度下保持30分钟以便至少溶解含有主要的成合金元素的任何颗粒。在骤冷和通过后面更完全地描述的几种热处理中的一种进行过度时效化后，该合金片材将处于过度时效状态并且与当处于峰值时效状态下时相比，显示出更优异的可成形性。在此状态下，该片材被压制成形为预成形体，其(如图4中所示的例子)是在平整片材和最终组件之间的中间形状。显然，该预成形体可具有各种各样的形状。该预成形体可以通过使用配对的模来形成，所述模当彼此完全闭合时意欲生产该预成形体型材。另外，该预成形体可以在压机达到它的最大冲程和上、下模彼此完全闭合之前，通过制止压机作用， 在经形状设计和构造以用于形成最终部件的模上来生产。不管后面的程序，重要的是预成形体适合于进一步变形以实现最终的所需形状。片状金属显示出成形极限，即与片材的由于破裂的即时损坏(imminent failure) 对应的状态。该即时损坏通常通过在片材表面中深沟或凹槽的产生来表示。一旦产生此类凹槽或沟(更通常描述为局部颈缩或简单地说颈缩)，甚至最低的进一步变形将引起该颈缩进一步发展成破裂。一旦产生颈缩，进一步变形引起的破裂不能通过热处理来防止或延迟。因此要求该预成形体的形状进行选择以便至少避免颈缩。当然，在预成形体中的撕裂或破裂同样是不可接受的。除颈缩、撕裂和破裂之外，在冲压领域中的普通技术人员会认识到，坯料的接触到赋予形状的模部分(section)的该部分(portion)会显示出特性,这些使得它们在视觉上或功能上不适合于它们的预期用途。例子包括在该部件中的皱纹或波纹，折叠或弯曲的金属，具有最低劲度的‘松料(loose metal)’或区域，导致与设计尺寸有偏差的回弹或弹性松弛，以及裂纹等等。经进一步成形，许多的这些结构特征可以被消除。因此，部分的这些结构特征在预成形体中的存在是允许的，因为它将经历第二次成形操作(其中这些结构特征可以被消除)。然而，预成形体的形状应该经过选择以确保在坯料的与最终部件对应的那部分中不存在折叠金属、裂纹、撕裂和颈缩。优选，为形成最终部件所需要的总变形将适宜地在将初始片材转变成预成形体的步骤与将预成形体转变成最终部件的步骤之间分配(一般同样地分配)。在成形后，该预成形体可以通过如下方式来进行附加的热处理在400°C和500°C 之间加热至多10分钟，但优选该时间短到10秒，随后骤冷。该加热可以应用于整个预成形体(例如通过将其保持在炉中)，或仅仅在最强烈变形的那些区域中采用局部加热例如定位的感应加热。当仅仅使用局部加热时，可行的是在没有从模中取出预成形体的情况下进行该加热。例如，可行的是将电磁感应线圈引入到模中或打开模和让该感应线圈(装配在单独的结构上)贴近该部件。该局部的、模内的加热，当它使用，例如10-30秒的短的热循环时，能够最大程度减少生产破坏并允许接近连续的加工方案，而炉处理更适合于批次加工。该热处理将用于两种目的。它将用于使该预成形体至少部分地退火，并且取消了在预成形体的冲压过程中所发生的冷加工(cold work)的至少一些效果，和因此使预成形体恢复延性。另外，由于过度时效状态(后面更完全地描述)的合适选择，该预成形体可以被转变成固溶化状态，并且，相对于在峰值时效状态下它的可成形性，显示出增强的可成形性。固溶化的预成形体然后被压制成形为最终形状。优选，在固溶化热处理与压制成形之间流逝仅仅有限的时间，例如低于24小时，以便限制在成形之前所发生的室温时效化的程度。在片状金属成形过程中通常(但任选地)使用润滑剂。如果在本发明的实施中使用润滑剂，则优选的是，在固溶化热处理之前洗涤或脱脂或另外除去在预成形体阶段中所使用的润滑剂，并且在最终成形操作的固溶化之后再施加润滑剂。所形成的部件可以时效化以产生更高的强度。时效过程可以进行选择以产生最大的强度，其对应于峰值时效状态，但是可以使用另外的时效处理，甚至没有达到最大强度的那些处理。在成形部件组装成汽车之前或之后针对成形的部件进行时效化。时效可以在室温下或在升高的温度下进行，并且时效可以通过为其它目的所打算和优选的热处理来完成。例如，组装的汽车车身(一般已知为白色车身)接受一系列的预期会产生防腐作用和合意外观的清洗和涂覆(涂漆)操作。由液体浴施加的或作为固体或液体喷雾施加的涂层在施涂之后没有功能化或不坚固，并且必须‘烘烤’以产生所希望的合意外观和耐久性。该“漆烘烤”过程要求白色车身暴露于约160°C -200°C的温度达到至多I小时(an hour) 的时间，但是更通常在20 - 30分钟之间。可以认识到的是，漆烘烤周期在该成形部件的时效中将是非常有效的。
本发明的实施进一步通过参考下列实施例来理解。首先考虑生产过度时效的铝合金片材的下列示例性程序，它具有的强度适宜地低于峰值时效强度。优选，过度时效的铝合金材料所具有的强度低于由时效硬化过程所达到的它们的最大强度的约90%。实施例I :
在过度时效的T8回火中的6xxx系列过度时效的铝片(例如6014)可通过热处理40 的实施来制备，该热处理40示于图6中并包括
固溶化处理42 :在约535°C的温度下进行约I小时，随后骤冷到室温或约25°C的水中； 在约室温下进行的预应变或变形步骤44，它能够通过张力或辊矫平该片材或通过轻辊通过为该片材赋予约5%厚度应变来实施；
第一个时效步骤46，它包括将该片材暴露于约175°C的温度约6小时；和过度时效步骤48，它包括将该片材暴露于约250°C达到约8小时。此过程将促进在50处用示意图所示的微观结构，其中基本上在铝晶粒52内形成粗糖沉淀物(coarse precipitates) 54。实施例2
在商品T7回火中的6xxx系列的过度时效的铝片(例如6014)可通过热处理60的实施来制备，该热处理60示于图7中并包括
固溶化处理62 :在约535°C的温度下进行约I小时，随后骤冷到在室温下或约25°C的水中；和
过度时效步骤64，它包括将该片材暴露于约175°C达到约12小时。这一过程将促进在70处用示意图所示的微观结构，其中基本上在铝晶粒73内形成粗糙沉淀物72，且同时在铝晶粒边界76上形成大的沉淀物74。实施例3:
在商品T7回火中的6xxx系列的过度时效的铝片(例如6014)可通过热处理80的实施来制备，该热处理80示于图8中并包括
固溶化处理82 :在约535°C的温度下进行约I小时，随后骤冷到在室温下或约25°C的水中；和
过度时效步骤84，它包括将该片材暴露于约250°C达到约12小时。这一过程将促进在90处用示意图所示的微观结构，其中基本上在铝晶粒93内形成粗糙沉淀物92，且同时在铝晶粒边界96上形成大的沉淀物94。需要指出的是，晶粒边界96和晶粒间92两者都比在实施例2的较低的过度时效温度下所形成的那些更粗糙。还会认识到的是，在固溶化处理42、62、82当中的每一个之后，可以发生一些室温时效，这取决于在进行时效或过度时效处理48、64、84之前样品在室温下维持多长时间。图9 一它可以追加到表示整个过程的图6-8当中的任何一个附图中一显示了包括预成形体制造(变形)102的过程100 ;随后，固溶化热处理104，其包括将预成形体加热至约500°C的温度达到10-60分钟的一段时间；随后，最终的冲压操作以生产完全成形的部件；和随后，时效过程108。正如所指出的，可以使用宽范围的时效过程温度和相应的时效时间，如在至多200°C的温度下将组件保持至多一个小时。所显示的详细实施方式仅仅是在本发明的实施中可用于铝合金的那些热处理的范围的代表。本领域中的那些技术人员将认识到，特定的热处理程序(时间和温度)是特定的合金所优选的。例如，如表2中所示，固溶化时间和温度甚至在特定的合金家族(参见 6111和6013)内轻微地变化。更显著的差别在合金家族(参见6xxx和7xxx合金)之间是清晰可见的。类似地，一定范围的时效规程是优选的，单步骤和两步骤两者，并且甚至对于由合金6111指示的单种合金，多个时效处理是可接受的或优选的。 表 2
众金Ι+ΑΙ 化热处題 11皮/时_丁7过度时效热处现度/时M 丨61115601/30 分 t+中i 5tVI2 小时 [6111齋.030欠I Mt/6+时 I 然! 250Γ/4ΦΝ I60135701·.· 5Φ Η' I.707548 1/30 分钟losr/s ^iif 然 A.;. Ι65Γ/24 小 N I
因此，虽然通过参考某些优选的实施方案已经说明了本发明的实施；但是此类实施方案被认为是示例性的，并且没有限制意义。本发明的全部范围仅仅由所附权利要求来界定和限定。
权利要求
1.由可时效硬化的、铝型合金片状金属工件形成冲压制品的方法，该铝型合金包括成合金元素，当该合金被加热至固溶化温度时该成合金元素在富含铝的基质中形成固溶体， 该成合金元素在低于固溶化温度的温度下随着时间的推移从富含铝的基质中沉淀以逐渐硬化该工件材料；该方法包括通过以下制备过度时效的铝合金固溶化该合金以将该成合金元素基本上溶解在主要铝的基质中，在足够快速的速率下快速地冷却该合金以将该成合金元素以固溶体形式维持于该铝基质中，让该合金时效化到峰值强度并继续让该合金时效化直到它的强度低于它的峰值时效强度的90%为止；通过冲压成形过度时效的铝合金的未加热工件片材，以产生具有在该工件的形状与组件的形状之间的中间形状的预成形体片材，该预成形体片材不具有裂缝、颈缩或折叠金属；将该预成形体片材的至少一部分加热到某温度并保持一段时间，该时间足以将基本上全部的该成合金元素溶解到在预成形体片材的加热部分中的该铝基质中；快速地冷却该预成形体以让所溶解的成合金元素保留在该铝基质中；通过冲压将该预成形体进一步成形以便完全成形该组件，该组件不具有裂缝或颈缩；和将该完全成形的组件暴露于合适的温度和合适的时间以便时效化和增强该组件。
2.根据权利要求I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中相同组的模用于压制成形该预成形体和压制成形该完全成形组件。
3.根据权利要求I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中该过度时效的合金片材处于T7回火状态。
4.根据权利要求I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中该过度时效的合金片材处于过度时效的T8回火状态。
5.根据权利要求I所述的由可时效硬化的铝合金形成冲压铝组件的方法，其中该铝合金是6000系列或7000系列合金中的一种。
6.根据权利要求5所述的由可时效硬化的6000系列铝合金形成冲压铝组件的方法，其中该铝合金是由6013、6014、6111和6022组成的组中的一种。
7.根据权利要求5所述的由可时效硬化的7000系列铝合金形成冲压铝组件的方法，其中铝合金是由7050、7075和7150组成的组中的一种。
8.根据权利要求I所述的形成冲压铝组件的方法，其中在漆烘烤过程中发生了由完全成形组件所经历的时间和温度暴露。
9.根据权利要求8所述的形成冲压铝组件的方法，其中该漆烘烤过程包括在160°C与 200°C之间的温度达到在20-60分钟的时间。
10.由可时效硬化的、铝型合金片状金属工件形成具有预定三维形状的冲压制品的方法，该铝型合金包括成合金元素，当该合金被加热至固溶化温度时该成合金元素在微粒状富含铝的基质中形成固溶体，以及在该合金已经从该固溶化温度冷却到用于通过冲压成形的温度之后仍保留在固溶体中，该成合金元素在低于该固溶化温度的温度(包括该冲压温度)下随着时间的推移从富含铝的基质中沉淀以逐渐时效硬化该工件材料；该方法包括制备时效硬化片状金属冲压坯料，其中该铝型合金材料已经时效硬化到某状态，在该状态下它的峰值时效强度转变到不大于它的峰值时效强度的90%的强度，确定该冲压用坯料的应变限制、可成形性能以形成具有应变区域的预定的预成形体型材，该应变区域小于在预定的三维形状中固有的应变而对于该预成形体型材没有冲压应变破坏；通过冲压成形该过度时效的铝合金的未加热冲压坯料，以产生该预定的预成形体形状；将该预成形体片材的至少一部分加热到某温度并保持一段时间，该时间足以将基本上全部的成合金元素溶解到在预成形体片材的加热部分中的铝基质中；快速地冷却该预成形体以让该所溶解的成合金元素保留在该铝基质中；和通过冲压来成形该预成形体，从而获得该冲压制品的所确定的三维形状。
全文摘要
本发明涉及可时效硬化的铝合金片材的冲压。公开了增强压制成形的高强度、可时效硬化的铝合金片材的可成形性的方法。当处于过度时效状态例如处于T7或T8回火状态时该片材部分地成形，形成预成形体。在退火和固溶化过程之后该预成形体在第二个成形操作中迅速地进一步变形和随后时效化以产生高强度。该方法可以用于从较高强度的铝合金如6000系列和7000系列合金形成具有更复杂形状的组件。
文档编号C22F1/04GK102605303SQ20121002080
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月30日 优先权日2011年1月24日
发明者P.E.克拉杰夫斯基 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司