CN102216484B - 用于形成铝合金薄板部件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金薄板构件的成形方法。所述方法包括在加热点将铝合金薄板半制品加热到它的固溶热处理温度，在合金不在预先时效硬化回火里的情况下，保持所述的固溶热处理温度直到固溶热处理完成。所述薄板半制品接着转移到一组冷模中并且在从加热点离开10秒内开始成形，目的是使薄板半制品的热损失最小。所述冷模是关闭的以将薄板半制品成形为一成形部件，所述成形的过程发生在少于0.15秒内。在成形部件冷却期间所述成形部件保持在闭合模中。对于任何具有微观结构和通过固溶处理和时效硬化能被有用改进的机械性能的合金，本发明所要求保护的方法将可以应用。

Description

用于形成铝合金薄板部件的工艺

本发明涉及一种改进的金属合金薄板部件成形方法，特别涉及铝合金薄板部件。该方法特别适于具有复杂形状，利用现有技术不能够很容易成形的成形部件的成形。

时效硬化铝合金薄板部件通常或者在T4情况(固溶热处理和淬火)下冷压成形，接着是使具之具有高强度的人工硬化，或者是在T6情况(固溶热处理，淬火和人工硬化)下冷压成形。任一种情况都会引起许多内在问题，例如回弹和低成形性这些难以解决的问题。热冲压能够增加成形性和减少回弹，但它会破坏所希望得到的微观结构。后成形热处理(固溶热处理)因此被要求以修复所述的微观结构，但这样会导致所述的成形部件在固溶热处理后淬火期间发生变形。这些缺点同样会在利用其他材料成形工程部件的过程中遇到。

为了克服这些缺点，已进行了各种努力并且发明了特殊的工艺以克服在形成特殊类型部件过程中出现的特殊问题。概述如下：

方法1：金属薄板部件的超塑成形(SPF)

这是一种低速恒温气吹成形工艺，该工艺用于具有复杂形状的金属薄板构件产品并主要用于航天工业。具有细晶粒的金属薄板与成形工具一起加热，后成形热处理(例如固溶热处理+淬火+可热处理铝合金的硬化)通常被要求以能够获得合适的微观结构来确保高强度。一种材料的超塑性只能通过具有细晶粒的特殊材料在规定温度和应变率下发生的变形来观测。(Lin，J.，and Dunne，F.P.E.，2001，Modelling grain growth evolutionand necking in superplastic blow-forming，Int.J.of Mech.Sciences，Vol.43，No.3，pp595-609).

方法2：铝合金板的蠕变时效成形(CAF)

再一次，这是一缓慢的过程，通常与成形和时效硬化处理的组合一起来形成飞机翼板部件。蠕变成形的时间根据一种材料人工硬化的要求来确定。少量的塑性变形通常应用于该过程并且回弹是需要克服的主要问题。各种各样的技术，例如在US 5168169，US 5341303和US 5729462中描述的那些，已被推荐用来利用计算机设计回弹补偿用的CAF工具。

方法3：金属合金的处理方法(FR 1556887)被优选地推荐用于铝合金，其应用于为了加工外形在固液混合状态下挤压该合金。在该方法中，液态合金的比例保持在40％以下并持续5分钟到4小时以使枝晶状态至少开始变成球状形式。在模具的出口所述挤出物或者用波动的空气，或者用喷淋水，一种空气和水的混合物，或者用薄雾淬火。接着所述成形部件在特定温度下人工硬化用于时效硬化。这些技术难以被应用到金属板薄成形，因为(i)在那个温度(液态合金大约占40％)下所述薄板变得太软而难以处理，并且，(ii)上述提及的淬火方法对于所述成形片材部件难以应用。

方法4：固溶热处理，成形和冷模淬火(HFQ)被本发明的发明人在他们较早的申请WO 2008/059242中描述。在这个方法中，一种铝合金半制品被固溶热处理并且迅速地被转移到一组冷模，该冷模迅速被关闭以形成一个成形部件。所述成形部件在成形部件的冷却期间保持在冷模中。进一步的研究发现在该方法仍有缺陷，本发明描述是WO 2008/059242里描述的工艺的改进。

本发明提供了一种铝合金薄板部件的成形方法，其包括：

(i)在加热点将铝合金薄板半制品加热到它的固溶热处理温度，并且在合金不位于预先时效硬化回火中的情况，保持所述固溶热处理温度直到固溶热处理完成，

(ii)将所述薄板半制品转移到一组冷模中并且在离开加热点10秒之内开始成形以使所述薄板半制品的热损失最小，

(iii)将所述冷模关闭以将所述薄板半制品成形为一成形部件，所述成形过程少于0.15秒，

(iv)在所述成形部件的冷却期间将所述成形部件保持在所述闭合模中。

对于任何具有微观结构和通过固溶处理和时效硬化能被有用改进的机械性能的合金，本发明所要求保护的方法将可以应用。

本发明不同于WO 2008/059242公开的内容，尤其，通过所述显著地更快速的模具闭合。在WO 2008/059242中所述快速的模具闭合示例是2秒(也就是比本发明预期的最慢时间慢超过一数量级)。下面将解释更多的细节，本发明人通过他们广泛的研究发现像这样如此短的时间是所述HFQ工艺成功的关键。

在某些实施例中，所述的模具闭合可以发生在少于0.1秒内甚至可以少于0.05秒。

所述成形部件保持在所述冷模的时间可以少于4秒，少于2秒或至少于1秒，这其取决于所述部件的厚度。保持时间需要的仅是足够长以使所述成形部件达到这样一个温度，例如，250℃或较低，以便在从模具移开后仍能保持需要的微观结构。很清楚这个时间对薄的材料来说非常短。

在这里所使用的，固溶热处理(SHT)温度是指在固溶热处理进行中的温度(通常在约所述合金液相线温度50℃之内)。固溶热处理需要在铝基体之内尽可能地溶解所述合金元素。

从步骤(ii)到(iv)连续的淬火阻止沉淀物的形成(即所述合金部件保持在过饱和溶液中)并且同样阻止成形部件的变形。

很清楚，所述的固溶热处理温度在不同的合金之间是变化的。然而一典型温度可能在范围450-600℃之间并且对特定合金来说位于范围500-550℃之间。在这些案例中，需要完成固溶热处理的地方，所述固溶热处理的温度一般将保持20到60分钟，例如可以是30分钟。

对预先时效硬化合金来说，例如位于T4回火中的这些，所述硬化相保持在固溶液中。如果加热足够快，分散相在加热期间不会显著地降低，并且在一达到固溶热处理温度后所述***相就将位于固溶液中。这样，对预先实效硬化合金来说，加热到所述固溶热处理温度的速度可以至少2℃/s，乃至3℃/s。

所述转移时间(在加热和成形之间)应该尽可能的快，应在以秒计的数量级内，例如少于5秒乃至少于3秒。

在某些实施例中，所述成形部件位于模具中的冷却速率是成形部件是在少于10秒的时间内冷却到低于200℃。在某些实施例中，所述模具保持在不超过150℃的温度上。模具的自然热损耗足以让他们保持在一个足够低的温度下。然而，如果必要的话辅助的气体冷或水冷也是可以应用的。

所述方法对可热处理的铝合金部件可以包括一辅助的人工硬化步骤，其包括加热所述成形部件到一人工硬化温度并保持这个温度直到允许沉淀硬化发生。典型的温度处于150-250℃之间。时效时间可以显著地不同，其取决于合金的特性。典型的时效时间在5-40小时之间。对于汽车部件来说，所述的实效时间是以分钟计的数量级，例如20分钟。

适用于本发明工艺的可热处理铝合金包括在2xxx，6xxx和7xxx系列里的这些。特殊的实施例包括通常包括用做汽车应用的AA6082和6111，和被用做机翼结构的AA7075。适用于在本发明工艺使用的不可热处理铝合金包括在5XXX系列里的那些，如AA5754，所述工艺对固溶硬化合金来说在增加它的耐腐蚀性方面提供益处。

本发明同样属于本发明工艺获得的一成形部件。这样的部件可以作为汽车部件例如门或主体板。

应该注意到利用冷模淬火的热冲压本身并不是新的。这样的工艺对特殊的薄钢板来说是众所周知的。在这样的工艺中，所述薄钢板被充分加热以使它能变换为一个单个奥氏体的相位以实现更高的延展性。在冷模淬火过程中所述奥氏体变换成马氏体，目的是实现成形部件的高强度。本工艺被发展用于具有高的马氏体转变温度，对冷却速率要求较低的特殊类型钢，该工艺主要用于形成汽车工业中的安全板部件。(Aranda，L.G.，Ravier，P.，Chastel，Y.，(2003).The 6^th Int.ESAFORM Conference onMetal Forming，Salerno，Italy，28-30，199-202)。

本发明的实施例通过举例并参照与之对应的附图来进一步描述，其中：

图1是一个部件执行本发明所述方法时的温度分布示意图，

图2是位于平口工具钢模具之间的部件在不同的接触缝隙和压力下温度相对时间变化的图，

图3a和3b描述用来评定不同状况下成形性的模具构造，在初始状况(图3a)和热后成形状况(图3b)，

图3c和3d分别描述了用图3a中的模具2秒和0.07秒成形过程的结果。

所述工艺在图1中被示意性地概述。所述半制品首先被加热到它的固溶热处理温度(A)(例如对AA6082来说是525℃)。如果充分固溶热处理是必要的(B)，然后将所述材料在需要的时间段内保持该温度(例如对AA6082来说是30分钟)。所述已经经过固溶热处理的薄板半制品接着迅速转移到压模机并被置于下模中(C)。这样的转移应该足够的迅速，以确保从所述铝到周围环境中热损失最小(例如少于5秒)。一旦所述半制品在适当位置，上模下降从而形成所述部件(D)。在成形过程中通过确保所述过程是快速的来实现热损失也应最小。一旦完全成形的部件保持在上下模之间直到所述材料足够冷却，冷模淬火的过程才算完成。接着进行人工硬化(E)以增加完工部件的强度(例如对AA 6082来说是在190℃下持续9小时)。如果成形产品随后的油漆工作需要，所述硬化可以伴随一烘烤过程。

在上述工艺的变化中，AA6082合金以至少2℃/s的速率被加热直到达到固溶热处理温度。固溶热处理(B)被省略并且半成品直接被转移到压模机以成形。

重要地是，上模和下模都要维持在一个足够低的温度从而可使一有效的淬火能够实现。在上述的实施例中，所述模具被保持在150℃以下。由于铝合金具有高的热传导系数和低的热容量，从铝中到冷模和周围环境中的热损失是巨大，需要提供高的淬火速率。这样就允许过饱和溶体状态在淬火状态中得以维持。

成形过程成功的关键参数是在冷模淬火中足够地高的冷却速率，目的是成形和冷凝物的发展是可控制的。这样，高强度的金属薄板部件在人工硬化后可以被加工。冷模淬火并不是传统上利用沉淀硬化合金，因为水淬火通常要求经济地实现高的冷却速率以便避免在热处理的这一步位于晶界的冷凝物的形成。因为所述正被讨论的合金能够沉淀硬化，使用冷模淬火实际上能保持硬化后能够在固溶体中沉淀的元素具有最大的量，从而可以改进性能。冷模淬火(冷却速率)的效果与运行中的模具温度，铝合金薄板的厚度和接触条件(例如成形压力，表面间隙和润滑剂)有直接关系。为了研究用冷模淬火的冷却速率是否足以实现热处理材料的机械性能，力学试验被进行。

试验1-在平口工具钢模局之间的淬火

在本试验中，使用了3种冷却方法并将其结果相比较。首先，AA6082薄板的样品具有1.5mm厚度，其被加热到525℃并保持30分钟用来固溶热处理。然后所述样品被(i)水淬，(ii)在平口冷钢模之间淬火，(iii)利用空气淬火(自然冷却)。用在平口冷钢模之间淬火，圆盘形的合金薄板被放置相应地成形模具之间。温度传感器沿着所述金属合金薄板周边被连接到金属合金薄板上以检测它的温度分布曲线。在薄板和模具之间施加变化厚度的隔离物，或使薄板与模具接触并且在上模上施加不定荷载，这些不同的情况被研究。样品接着在190℃持续9个小时被硬化。

对经过固溶热处理的和通过不同方法进行淬火的样品进行抗拉试验，试验结果在表1中被给出。所述没有施加压力(除了模具的重量)的冷模淬火产生一极限抗拉应力，该数值是通过水淬获得的95％，水淬通常被认为给出了最好的硬化反应。

表1：对不同的淬火方法进行的强度测量

¹0.0mm缝隙距离，没有施加额外力。

在冷模淬火中观测到的温度分布在图2中被给出，图表A到C分别是模具缝隙为1.05mm，0.6mm和0.0mm的情况。图表D是具有0.0mm缝隙且上模上加载有170MPa的情况。从图2中可以看出，当合金薄板和模具之间具有良好接触时可以观测到快速冷却。

试验2-半球形部件的成形

所述配置的工具示意性的在图3a中表示。半制品2 AA6082被加热到525℃，随后被冷却到450℃，被放置在下部压料板3上并在弹簧5的作用下被保持在下部的压料板3和上部的压料板1之间。所述半制品通过冲压机4(冲压的速度被控制从而限定了成形时间)被冲压成半球形的形状并保持在模具中10秒(图3b)。在本试验中两个成形周期(也就是0.07秒，2秒)被用于形成同样的铝合金薄板材料。最初的模温是22℃并且没有使用人工冷却。所述成形的深度是23mm，该深度是典型的工业用途上所特有的。

所述在2秒内成形的对比例因如图3c中所示的圆顶撕破从而失败。当实现了高的延展性，却不能实现好的成形性。延展性是一种材料在不毁坏的情况下承受变形的能力。成形性是指一种材料在没有毁坏情况下形成形状的能力。在目前的情况下，成形性可以被认为是在所述成形区域上具有的均匀，延性变形的能力。在对比例中，局部的快速变形导致早期失效，即使观察到了延展性反应。

当速度增加时，有两个机制可运作以改进成形性：

1.使之具有一个均匀温度的外形

这就直接涉及成形时间，因为所述薄板一与冷模接触就在接触区域迅速开始局部淬火。在设计作为典型的用于HFQ运行的情况下到达500℃的淬火速度已经被发现，这将导致数百度的热梯度横穿所述薄板。这比发明人已经实现的更大。由于成形在一非常短的时期内，工艺成形期的间热传导是极小的，工作部件上温度分布接近均匀。所述精确的温度降低取决于薄板和模具之间的热接触和薄板的厚度。

2、使之有一好的材料流动应力反应

当常见的金属板在室温下变形，它们经历了加工硬化。所述材料变得更结实因为它的变形，从而变形区域会迅速地再分布如果一个区域比另一个出现更多的变形。将材料的良好延展性变换为好的成形性就是使用这个加工硬化机制。在高温下，铝几乎没有加工硬化并且这样的限制迅速发生，并且不被一种强化材料抵消。幸运地，在高温下，铝具有一粘塑性的(与速率有关的)流动应力反应。如果一区域比它相邻的区域更明显快的变形，所述相对强度将更高的并且这样会在某种程度上再分布这些变形。同样，通过增加所述工艺的全部速度，所述材料将具有一更高的流动应力，该流动应力将牵引材料更有力的围绕所述模具。最后，在更高的变形速率下加工硬化将更为突出，将没有加工硬化的最大化，这也与成形速度有关，该速度通过成形深度与成形时间相联系。

Claims (13)

1.一种铝合金薄板部件的成形方法，包括：

(i)在加热点将铝合金薄板半制品加热到它的固溶热处理温度，以及在合金不在预先时效硬化回火里的情况下，保持固溶热处理温度直到固溶热处理完成，

(ii)将所述薄板半制品转移到一组冷模中并且在离开加热点10秒内开始成形，目的是使薄板半制品上的热损失最小，

(iii)关闭所述冷模以将薄板半制品成形为成形部件，所述成形过程发生在少于0.15秒内，和

(iv)在成形部件冷却期间将所述成形部件保持在闭合的所述冷模中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述成形部件保持在所述闭合的冷模中的时间足够长从而能够使成形部件达到250℃的温度或更低。

3.根据权利要求2所述的方法，其中将成形部件保持在所述闭合的冷模中的时间少于4秒。

4.根据权利要求1所述的方法，其中用于固溶热处理的温度范围在450到600℃之间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中用于固溶热处理的温度范围在500到550℃之间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述固溶热处理温度保持20到60分钟。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中加热到固溶热处理温度的加热速度至少为2℃/s。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中将薄板半制品转移到冷模的时间少于5秒。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述的成形部件在少于10秒内被冷却到低于200℃。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述冷模的温度维持不超过150℃。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，包括附加的人工硬化步骤，所述步骤为加热所述的成形部件到人工硬化温度并将成形部件保持在这个温度直到允许沉淀硬化发生。

12.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其在一包含在2XXX，6XXX和7XXX系列里的可热处理的铝合金上进行。

13.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其在一包含在5XXX系列里的不可热处理的铝合金上进行。

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