DE102012001020B4

DE102012001020B4 - Stanzen aushärtbarer aluminiumlegierungsbleche

Info

Publication number: DE102012001020B4
Application number: DE102012001020.6A
Authority: DE
Inventors: Paul E. Krajewski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: CN102605303A; CN102605303B; US20120186706A1; DE102012001020A1; US8663405B2

Abstract

Verfahren zum Formen einer gestanzten Komponente (4) aus einem Blechmetallwerkstück aus einer aushärtbaren, aluminiumbasierten Legierung, wobei die aluminiumbasierte Legierung Legierungselemente umfasst, die eine feste Lösung in einer aluminiumreichen Matrix bilden, wenn die Legierung auf eine Temperatur zum Lösungsglühen aufgeheizt wird, wobei die Legierungselemente bei Temperaturen unterhalb der Temperatur zum Lösungsglühen mit der Zeit aus der aluminiumreichen Matrix ausgeschieden werden, um das Werkstückmaterial progressiv zu härten; wobei das Verfahren umfasst, dass:eine über-ausgehärtete Aluminiumlegierung vorbereitet wird, indem die Legierung lösungsgeglüht wird, um die Legierungselemente in einer Matrix aus im Wesentlichen Aluminium im Wesentlichen aufzulösen, indem die Legierung mit einer ausreichend schnellen Rate schnell abgekühlt wird, um die Legierungselemente in der Aluminiummatrix in Lösung zu halten, indem die Legierung bis zu einer Spitzenfestigkeit ausgehärtet wird und indem das Aushärten der Legierung fortgesetzt wird, bis deren Festigkeit kleiner als 90 % ihrer Spitzen-Aushärtungsfestigkeit ist;ein nicht aufgeheiztes Werkstückblech der über-ausgehärteten Aluminiumlegierung durch Stanzen geformt wird, um ein Vorformblech (10) mit einer Zwischengestalt zwischen derjenigen des Werkstückblechs und der Komponente (4) zu erzeugen, wobei das Vorformblech (10) keine Risse, Einschnürungen und kein gefalztes Metall aufweist;zumindest ein Teil des Vorformblechs (10) auf eine Temperatur aufgeheizt und für eine Zeitdauer bei dieser gehalten wird, die ausreicht, um die Legierungselemente in dem aufgeheizten Abschnitt des Vorformblechs (10) im Wesentlichen vollständig in die Aluminiummatrix aufzulösen;das Vorformblech (10) schnell abgekühlt wird, um die aufgelösten Legierungselemente in der Aluminiummatrix zu halten;das Vorformblech (10) weiter durch Stanzen geformt wird, um die Komponente (4) vollständig zu formen, wobei die Komponente (4) keine Risse oder Einschnürungen aufweist; unddie vollständig geformte Komponente (4) für eine geeignete Zeitdauer einer geeigneten Temperatur ausgesetzt wird, um die Komponente (4) auszuhärten und zu verfestigen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Formen von Blechmaterialien aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung in Herstellungsgegenstände mit komplexen Formen. Spezieller betrifft diese Erfindung Verfahren, bei denen Blechwerkstücke aus einer über-ausgehärteten Aluminiumlegierung in eine Vorformgestalt gestanzt werden, die Vorformgestalt wärmebehandelt wird und die Vorform anschließend ein zweites Mal gestanzt wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele Herstellungsgegenstände werden geformt, indem Blechmetallrohlinge zwischen entgegengesetzten, komplementären und nicht aufgeheizten Formwerkzeugen gestanzt werden, die in einer vertikalen Stanzpresse getragen werden. Bei der Herstellung solcher Gegenstände legt der Hersteller die Gestalt fest, die geformt werden soll, er wählt eine geeignete Blechmetalllegierung und ihre metallurgische Mikrostruktur aus, erhält Stanzrohlinge des Blechmaterials und stanzt die Teile durch Schließen der Stanz-Formwerkzeuge an jedem Blechmetallrohling oder anderen Werkstück. Solche Stanzpraktiken wurden seit langem bei Betriebsabläufen mit hohem Volumen verwendet, um Kraftfahrzeug-Karosseriepanele und dergleichen zu formen. Es besteht eine Notwendigkeit, das Gewicht von Fahrzeugteilen zu verringern, und eine gleichzeitige Notwendigkeit, Karosseriestrukturen mit stromlinienförmiger Gestalt und mit komplexen Formen mit tiefen Taschen, spitzen Winkeln und anderen komplexen dreidimensionalen Ausbildungen zu formen. Die verwendeten Blechmetallmaterialien wurden von Schmiedestahl mit relativ geringer Festigkeit bis hin zu Materialien mit höherem Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht variiert, wie beispielsweise Hochfestigkeitsstahl, Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen.
Es besteht ein Interesse daran, den Bereich von Aluminiumlegierungen zu erweitern, die in Fahrzeugkarosserien verwendet werden, insbesondere von Aluminiumlegierungen mit höherer Festigkeit, um eine noch weitere Massenverringerung zu ermöglichen. Viele dieser Aluminiumlegierungszusammensetzungen mit höherer Festigkeit neigen sogar bei Umgebungstemperaturen zur Aushärtung, und zwar durch einen Prozess, der als Kaltaushärten bezeichnet wird, nachdem sie in einer wärmebehandelten Blechform zum Stanzen vorbereitet wurden. Die ausgewählte aluminiumbasierte Legierungszusammensetzung wird in eine geeignete Platte gegossen und durch eine Abfolge von Schritte mit Heißwalzen und Kaltwalzen auf eine spezifizierte Blechdicke reduziert (oft ungefähr 0,5 bis 5 Millimeter). Das gedehnte Blechmaterial wird, ganz gleich, ob in der Form einer Rolle oder von Rohlingen, die für das Stanzen geschnitten sind, in dem Walzwerk mit Wärme behandelt, bevor es zu einem Benutzer transportiert wird, um es für ein anschließendes Formen in einer Stanzpresse weich zu machen. Viele wünschenswerte aluminiumbasierte Legierungen, wie etwa die Serie 6000 von kommerziellen Aluminiumlegierungen, die beispielsweise geringe Mengen von Magnesium und Silizium enthalten, und die Serie 7000 von Aluminiumlegierungen, die beispielsweise Kupfer, Magnesium und Zink enthalten, neigen jedoch zum Aushärten. Das gewickelte oder blanke Material wird bei Temperaturen, die während variierender Transport- und Lagerungszeitdauern erfahren werden, langsam in metallurgische Mikrostrukturen gehärtet, aus denen das weniger formbare Blechmetall nicht leicht in viele der komplexen dreidimensionalen Formen gestanzt werden kann, die für Fahrzeuganwendungen und andere Herstellungsgegenstände erwünscht sind.
Es besteht daher weiterhin eine Notwendigkeit für verbesserte Verfahren und Prozesse zum Formen komplexer Teile aus solchen aushärtbaren Aluminiumblechlegierungen mit hoher Festigkeit.
In der US 2005 / 0 199 032 A1 ist ein Verfahren zum Formen einer Komponente aus einem Blechmetallwerkstück beschrieben, bei welchem die Form eines gewünschten Teils bezüglich komplexer Abschnitte analysiert wird, die nicht in einem einzigen Stanzschritt hergestellt werden können, ohne die Dehnungsgrenze des Blechmetalls zu überschreiten. Zunächst wird eine Vorform der Komponente ohne Erreichen der Dehnungsgrenze gestanzt. Anschließend wird die Vorform wärmebehandelt, um gedehnte Bereiche weicher zu machen, bevor ein weiterer Stanzschritt ausgeführt wird, mit dem die Komponente die gewünschte Form erhält.
Die US 2008 / 0 173 057 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren mit mehreren, sich abwechselnden Stanz- und Wärmebehandlungsschritten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Blechmaterial der kommerziellen Aluminiumlegierungen der Serie 6000 oder 7000 (die typischerweise mehr als 85%-90% an Aluminium bezüglich des Gewichts enthalten) erreichen üblicherweise einen Stanz-Betriebsablauf in einem ausgehärteten Zustand, indem sie nicht ausreichend formbar sind, um erwünschte komplexe 3-D-Formen für Herstellungsgegenstände zu formen. Das Aluminiumwalzwerk oder ein anderer Hersteller dieser aluminiumbasierten Legierungsblechmaterialien behandelt das geschmiedete und dehnungsgehärtete Blechmaterial mit Wärme, indem es auf eine Temperatur aufgeheizt wird (beispielsweise über 500°C), bei der die Legierungsbestandteile mit geringem Anteil (wie beispielsweise eines oder mehrere von Kupfer, Magnesium, Silizium und Zink) jeweils im Wesentlichen vollständig als eine feste Lösung in Körnern aus hauptsächlich Aluminium aufgelöst sind. Dies ist als eine Wärmebehandlung zur Lösung oder als „Lösungsglühen“ oder „Glühen zum Auflösen“ bekannt. Wenn man die Mikrostruktur des Blechmaterials bei diesen erhöhten Temperaturen betrachten könnte, wären die Legierungselemente zwischen den viel häufigeren Aluminiumatomen verteilt. Wenige Cluster der Legierungsbestandteile würden, wenn überhaupt, sichtbar sein. Das Aluminiumlegierungs-Blechmaterial wird anschließend in einem wässrigen Medium abgeschreckt oder durch eine erzwungene Luftströmung auf im Wesentlichen Raumtemperatur (z.B. 20°C bis ungefähr 30°C) abgekühlt, um die feste Lösung der Atome der Legierungselemente in einer Matrix aus Aluminiumatomen aufrecht zu erhalten, die als eine Reihe von aneinander liegenden, nicht ausgerichteten kristallinen Körnern angeordnet sind, die durch Korngrenzen separiert sind. Diese Festkörperstruktur von Körnern aus hauptsächlich Aluminium wird als die Alpha-Phase des Blechmaterials bezeichnet.
Diese Alpha-Aluminiumphase ist jedoch metastabil, sogar bei Raumtemperatur, und die Legierungsbestandteile beginnen bald, erkennbare Cluster oder Partikel einer zweiten Phase in den Alpha-Aluminiumkörnern und später an den Grenzen zwischen den Körnern zu bilden. Die Zusammensetzung und die Gestalt der zweiten Phase hängen von der speziellen Kombination der Legierungselemente in der Legierung ab. Diese Separierung der Legierungsbestandteile erhöht im Laufe der Zeit die Festigkeit des Blechmaterials und verringert dessen Dehnbarkeit, ein metallurgisches Phänomen, das als Aushärten bekannt ist. Das Aushärten tritt bei Raumtemperatur oder bei Umgebungstemperaturen auf, die bei dem Transport und bei der Lagerung des Blechmaterials erfahren werden. Das Aushärten wird durch eine beliebige Zunahme in der Temperatur beschleunigt, welcher das Blechmaterial ausgesetzt wird. Mit dem typischen zeitlichen Verlauf zwischen der Wärmebehandlung zum Lösungsglühen und dem Abschrecken in dem Aluminiumwalzwerk und dem Formen des Blechmaterials in einer Stanzanlage erreicht der kalt ausgehärtete Aluminiumlegierungs-Blechbestand einen gehärteten Temperzustand mit Kodierung T4 (einer Kodierungsbezeichnung der Aluminum Association). In diesem Zustand besitzt das Aluminiumblech eine begrenzte Formbarkeit, und es kann in eine weniger komplexe Gestalt geformt werden, wie beispielsweise ein Außenpanel einer Kühlerhaube. Eine Legierung in einem T4-Zustand ist jedoch nicht leicht ohne eine gewisse sichtbare Beschädigung an dem Blech, wie beispielsweise Risse, Einschnürungen oder Spalte, in eine komplexe dreidimensionale Gestalt formbar.
Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung werden solche aushärtende Aluminiumlegierungen auf eine andere Weise verarbeitet, um das Blechmaterial in komplexere und stärker verformte Ausgestaltungen zu stanzen. Anstatt sich um das Kaltaushärten solcher Blechmaterialien Sorgen zu machen, wird das Aluminiumlegierungs-Blechmaterial vor einem ersten Stanzschritt absichtlich über-ausgehärtet. Während der Herstellung des aushärtbaren aluminiumbasierten Legierungsblechs wird das Blech auf gewünschtes Maß gewalzt und anschließend in einer kontinuierlichen Wärmebehandlungsstrecke lösungsgeglüht und abgeschreckt. Das weich gewordene Aluminiumlegierungs-Blechmaterial wird anschließend absichtlich über seine Spitzenfestigkeit hinaus auf ein Festigkeitsniveau über-ausgehärtet, das auf weniger als ungefähr neunzig Prozent von dessen erreichbarer Spitzen-Aushärtungsfestigkeit verringert ist. Dieser Über-Aushärtungsprozess kann ausgeführt werden, indem das Blechmaterial kontrolliert aufgeheizt wird, um das Aushärten zu beschleunigen, oder indem das Blechmaterial gedehnt wird, gefolgt von einem kontrollierten Aufheizen, um die Über-Aushärtung zu erreichen. Das Ziel dieses Schritts ist es, das Aluminiumlegierungs-Blechmaterial in einen Temperzustand mit Kodierung T7 oder T8 zu bringen, wie sie durch die Aluminum Association angegeben wird. Geeignete Praktiken zum Erreichen einer solchen Über-Aushärtung des aluminiumbasierten Legierungsblechmaterials zur Verwendung in Ausführungsformen dieser Erfindung werden in dieser Beschreibung nachstehend in weiterem Detail erläutert. Es wurde jedoch überraschenderweise gefunden, dass die Formungseigenschaften solcher über-ausgehärteter Aluminiumblechmaterialien oft den Formungseigenschaften des Materials im T4-Temperzustand überlegen sind, die in früheren herkömmlichen Stanzpraktiken verwendet werden.
Das über-ausgehärtete Blech-Rohlingsmaterial aus einer Aluminiumlegierung wird anschließend einem ersten Stanzschritt unterworfen, um den Rohling in eine Vorformgestalt zu formen. Die Vorformgestalt ist ein Vorläufer der gewünschten endgültigen Blechmetallgestalt, die durch das Stanzen erhalten werden soll. Bei vielen Ausführungsformen der Erfindung wird die gewünschte endgültige Gestalt des Gegenstands, die durch das Stanzen erhalten werden soll, bezogen auf die gemessenen Formungseigenschaften des ausgewählten Blechmetallbestands aus der über-ausgehärteten Aluminiumlegierung analysiert. Im Allgemeinen kann es bevorzugt sein, dass Formen der Vorform zu maximieren, um sie so nah wie möglich an eine gewünschte endgültige gestanzte Gestalt heranzubringen, ohne das Aluminiumlegierungsmaterial bei diesem Vorform-Stanzschritt zu beschädigen. Beispiele einer solchen Beschädigung umfassen Dehnungslokalisierung, Einschnürung und Bruch.
Die Aluminiumlegierungs-Vorformgestalt wird anschließend aus den Stanz-Formwerkzeugen entfernt, da es notwendig sein kann, die Vorformgestalt zum Lösungsglühen mit Wärme zu behandeln. Ein ausgewählter gedehnter Abschnitt des Vorformmetalls oder der gesamten Vorform-Metallgestalt wird schnell in die Nähe der Temperatur zum Lösungsglühen für die Legierungsbestandteile der aluminiumbasierten Legierung oder auf eine Temperatur oberhalb dieser aufgeheizt. Ein solches Aufheizen wird kurz fortgesetzt, bis ein solches Lösungsglühen geeignet und zuverlässig erreicht wird. Dies kann beispielsweise durchgeführt werden, indem die Vorform kurz einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, beispielsweise 400°C oder höher für 10 Sekunden bis 1 Stunde. Nach einer ausreichenden Zeit bei dieser erhöhten Temperatur kann die Vorform schnell auf Raumtemperatur abgekühlt werden, um die aufgelösten Legierungselemente in einer Alphaphasen-Lösung im festen Zustand zu halten.
Die wärmebehandelte Vorform wird anschließend zur Vervollständigung des Formens des Gegenstands, der durch das Stanzen erhalten werden soll, zu einer geeigneten nicht aufgeheizten Stanzpresse (zu derselben oder einer anderen Presse) zurückgebracht. Offensichtlich kann das Zurechtschneiden oder das Durchbohren des gestanzten Gegenstands später ausgeführt werden, oder andere gewünschte Stanz-Betriebsabläufe.
Der gestanzte/geformte Artikel kann anschließend in einen gewünschten Zustand für dessen Verwendung kalt oder heiß ausgehärtet und verfestigt werden. Beispielsweise kann eine Rohkarosserie bei vielen Montage-Betriebsabläufen an einer Fahrzeugkarosserie verschiedenen Lackierungs-Arbeitsschritten ausgesetzt werden, und das gestanzte Teil, das nun einen Teil der zusammengeschweißten Karosseriestruktur darstellt, wird wiederholt in Lackeinbrennöfen auf Temperaturen aufgeheizt, die das Aushärten des gestanzten Teils oder der gestanzten Teile beschleunigen, die nun in die Karosseriestruktur des Fahrzeug eingebunden sind.
Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung wird ein Aluminiumlegierungs-Stanzrohling im Allgemeinen als geeignet über-ausgehärtet angesehen, wenn seine Festigkeit bei einer kontinuierlichen Aushärtung abnimmt, anstatt dass sie zunimmt. Zur Ausübung dieser Erfindung wird erwartet, dass die Festigkeit der über-ausgehärteten Legierung geringer als 90 % der Festigkeit einer maximal gehärteten Legierung ist.
Geeignete Legierungen zum Ausüben der Erfindung umfassen die mit Magnesium und Silizium legierten Aluminiumlegierungen der Serie 6000, beispielsweise 6013, 6014, 6111 oder 6022, oder die mit Zink, Magnesium und Kupfer legierten Aluminiumlegierungen der Serie 7000, beispielsweise 7050, 7075 und 7150. Wie vorstehend in dieser Beschreibung festgestellt wurde, ist ein wichtiger Schritt bei der Ausübung der vorliegenden zweistufigen Stanzverfahren, dass der Aluminiumlegierungs-Stanzrohling in einem geeigneten über-ausgehärteten Zustand vorbereitet wird, bevor der ausgehärtete Blechmetallrohling durch Stanzen in eine gewünschte Vorformgestalt geformt wird.
Ein geeignetes Wärmebehandlungsschema, um die bevorzugte anfängliche Mikrostruktur in Legierungen der Serie 6000 zu erzeugen und allgemein einer über-ausgehärteten T8-Temperung zu entsprechen, kann umfassen, dass das Blechmetallmaterial für ungefähr eine Stunde bei einer Temperatur von ungefähr 535°C gehalten wird, gefolgt von einem Abkühlen mit einer ausreichenden Rate, um die feste Alphaphasenlösung der Legierungselemente aufrechtzuerhalten. Dieser Wärmebehandlung kann optional eine gewisse Kaltaushärtung bei Umgebungstemperatur nachfolgen, bevor eine gewisse begrenzte Vordehnung angewendet wird, z.B. bis zu ungefähr 5 % Dehnung für das Blech, beispielsweise durch eine Abflachung durch Dehnung oder durch Walzen. Der Vordehnung kann eine zweistufige Aushärtungsprozedur nachfolgen, die eine erste Aushärtungsbehandlung bei 175°C für ungefähr 6 Stunden umfasst, gefolgt von einem zweiten Aushärtungsschritt, der bei ungefähr 250°C für ungefähr 8 Stunden durchgeführt wird, gefolgt von einem langsamen Abkühlen.
Eine andere geeignete Wärmebehandlung für eine Legierung der Serie 6000 kann eine ähnliche Behandlung durch Lösungsglühen sein, bei der eine Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr 1 Stunde beibehalten wird, gefolgt von einem schnellen Abkühlen. Eine geeignete Aushärtungsbehandlung kann das Beibehalten einer Temperatur von ungefähr 175°C für ungefähr 12 Stunden sein. Der Aushärtungsbehandlung kann optional eine gewisse Aushärtung bei Raumtemperatur vorangehen. Dies würde einer ersten T7-Über-Aushärtungsbehandlung entsprechen.
Eine andere geeignete Wärmebehandlung für eine Legierung der Serie 6000 kann eine ähnliche Behandlung durch Lösungsglühen sein, bei der eine Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr eine Stunde beibehalten wird, gefolgt von einem schnellen Abkühlen. Eine geeignete Aushärtungsbehandlung kann das Beibehalten einer Temperatur von ungefähr 250°C für ungefähr 12 Stunden sein. Der Aushärtungsbehandlung kann optional eine gewisse Aushärtung bei Raumtemperatur vorangehen. Dies würde einer zweiten geeigneten T7-Über-Aushärtungsbehandlung entsprechen.
Somit können geeignet über-ausgehärtete Aluminiumlegierungs-Blechmaterialien in einem Verfahren in komplexe Gestalten geformt werden, welches einen Vorform-Stanzschritt, ein dazwischen liegendes Lösungsglühen der Vorformgestalt und einen oder mehrere Stanzschritte umfasst, um die endgültige gestanzte Gestalt zu erhalten. Die endgültige Gestalt kann durch ein Kaltaushärten oder ein induziertes Aushärten verfestigt werden.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich werden, die in dieser Beschreibung folgen.
Figurenliste

1 zeigt eine Darstellung des aluminiumreichen Abschnitts eines generischen Phasendiagramms für eine repräsentative aushärtende Aluminiumlegierung, wobei die Temperaturen, die Legierungszusammensetzung und die zugeordneten Mikrostrukturen für eine Wärmebehandlung zum Lösungsglühen dargestellt sind.
2 zeigt eine Darstellung der Entwicklung bezüglich der Festigkeit während einer Aushärtung einer aushärtenden Aluminiumlegierung über (dem Logarithmus) der Aushärtungszeit.
3 zeigt eine rückwärtige Dreiviertelansicht eines SUV-ähnlichen Fahrzeugs mit einer Heckklappe von oben.
4 zeigt in Draufsicht eine Darstellung eines gestanzten, vorgeformten Innenpanels aus einer Heckklappe. Das Panel ist so gezeigt, wie es nach einem Entfernen aus dem Formungswerkzeug erscheinen würde.
5 zeigt in Draufsicht eine Darstellung eines gestanzten, vollständig geformten Innenpanels aus einer Heckklappe. Das gezeigte Panel wurde aus dem Vorformpanel gestanzt, das in 4 gezeigt ist und wie es nach dem Entfernen aus dem Formungswerkzeug erscheinen würde.
6 zeigt ein schematisches Zeit-Temperaturprofil und eine resultierende Mikrostruktur, die im Wesentlichen einer über-ausgehärteten T8-Aushärtungsbehandlung entspricht, welche umfasst: Beibehalten einer Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr eine Stunde und Abschrecken; Vordehnen bis zu ungefähr 5 % Dehnung; und Aushärten bei 175°C für ungefähr 6 Stunden, gefolgt von einem Aushärten bei ungefähr 250°C für ungefähr 8 Stunden.
7 zeigt ein schematisches Zeit-Temperaturprofil und eine resultierende Mikrostruktur, die im Wesentlichen einer T7-Über-Aushärtungsbehandlung entspricht, welche umfasst: Beibehalten einer Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr eine Stunde und Abschrecken; Vordehnen bis zu ungefähr 5 % Dehnung; und Aushärten bei 175°C für ungefähr 12 Stunden.
8 zeigt ein schematisches Zeit-Temperaturprofil und eine resultierende Mikrostruktur, die im Wesentlichen einer zweiten T7-Über-Aushärtungsbehandlung entspricht, welche umfasst: Beibehalten einer Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr eine Stunde und Abschrecken; Vordehnen bis zu ungefähr 5 % Dehnung; und Aushärten bei 250°C für ungefähr 12 Stunden.
9 zeigt eine schematische Darstellung der Formungs- und Wärmebehandlung, um eine gestanzte Komponente durch das Ausüben dieser Erfindung zu formen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden zunehmend gestanzte Blech-Aluminiumlegierungen mit geringerer Dichte (als Schmiedestahl), typischerweise mit einer Dicke zwischen ungefähr 1 und 2,5 Millimetern, anstelle von Schmiedestahl in Fahrzeugkarosserien und Abdeckungspanelen, die Kühlerhauben, Kofferraumdeckel, Türen und Heckklappen umfassen, bei einer ständigen Bemühung eingesetzt, die Fahrzeugmasse zu verringern. Viele Aluminiumlegierungs-Stanzteile weisen Festigkeiten auf, die mit denjenigen der Schmiedestahl-Stanzteile vergleichbar sind, welche sie ersetzen, sodass eine Massenverringerung hauptsächlich aus der geringeren Dichte von Aluminium resultiert. Es ist klar, dass noch weitere Massenverringerungen aus einer intensiveren Anwendung von ausgehärteten Aluminiumlegierungen mit höherer Festigkeit resultieren können.
Das Aushärten ist ein bevorzugter Prozess für das Härten und Verfestigen von Aluminiumlegierungen und umfasst eine Reihe von Wärmebehandlungsschritten oder -Betriebsabläufen. Diese Schritte bringen eine Legierung zuerst in einen geeigneten Zustand für ein Aushärten und ermöglichen anschließend ein solches Aushärten.
Der erste Schritt ist, die absichtlich hinzugefügten Legierungselemente, die Magnesium, Silizium, Zink und Kupfer umfassen können, im Wesentlichen vollständig in einem Lösungsglühprozess aufzulösen. Die Hauptaspekte des Lösungsglühprozesses sind schematisch in 1 dargestellt, die den aluminiumreichen Abschnitt eines generischen Phasendiagramms für Aluminium-(Legierungselement) zeigt. Kommerzielle Aluminiumlegierungen, wie sie nachfolgend in Tabelle 1 angegeben sind, umfassen mehrere Legierungselemente und Verunreinigungen. Das vereinfachte Phasendiagramm, das in 1 gezeigt ist, ist jedoch geeignet, um in einem Überblick die Grundlagen des Aushärtungsprozesses sogar in diesen komplexeren kommerziellen Legierungen zu beschreiben.
Bei Raumtemperatur, bei ungefähr 25°C (in 1 als RT gezeigt), umfasst eine Legierung mit einem (Legierungselement)-Gehalt, der durch die Linie AB angegeben ist, eine Matrix (α) aus hauptsächlich Aluminium mit einer Vielzahl von Körnern aus im Wesentlichen Aluminium, die voneinander durch Korngrenzen separiert sind, wie es in dem zugeordneten Einschub dargestellt ist. Bei Raumtemperatur weist die Aluminiummatrix nur eine begrenzte Fähigkeit auf, diese Legierungselemente aufzulösen. Wenn die Matrix aus im Wesentlichen Aluminium so viel von den Legierungselementen aufgelöst hat, wie sie halten kann, liegt der Rest der Legierungselemente, typischerweise ein beträchtlicher Anteil des gesamten Legierungsgehalts, als Partikel vor, die hier als β gezeigt sind. Diese Partikel, die oft als intermetallische Zusammensetzungen durch eine Reaktion der Legierungselemente miteinander oder mit Aluminium gebildet werden, können sich in den Körnern oder an den Korngrenzen bilden, wie es gezeigt ist.
Bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei einer Temperatur Y in 1, kann die Matrix aus im Wesentlichen Aluminium mehr von den Legierungselementen in Lösung aufnehmen. Insbesondere kann die aluminiumreiche Matrix bei einer Temperatur von ungefähr 500°C oder höher die Legierungselemente im Wesentlichen vollständig in Lösung aufnehmen. Somit kann durch ein Aufheizen einer Aluminiumlegierung bis ungefähr 500°C und durch ein Halten für eine ausreichende Zeit, typischerweise für ungefähr eine Stunde, ein im Wesentlichen chemisch homogener aluminiumbasierter Mischkristall (α in dem zugeordneten Einschub) gebildet werden, wenn sich die Partikel auflösen und die Legierungselemente in das Aluminium diffundieren. Dies ist eine Behandlung durch Lösungsglühen. Vorzugsweise tritt nur ein geringes Wachstum der α-Körner auf, sodass die Raumtemperatur-Kornstruktur, wie sie in 1 gezeigt ist, während der Behandlung durch Lösungsglühen im Wesentlichen aufrechterhalten wird. Dieser Aluminium-Mischkristall (α) ist nur bei der Temperatur (Y) zum Lösungsglühen von ungefähr 500°C thermodynamisch stabil. Da sowohl die Auflösung als auch die Bildung der Partikel jedoch eine Diffusion oder eine thermisch aktivierte atomare Bewegung erfordern, kann der legierungsreiche Aluminium-Mischkristall vorübergehend aufrechterhalten werden, indem die Legierung schnell auf Raumtemperatur oder auf ungefähr 25°C abgekühlt oder abgeschreckt wird, um die Legierungselemente in Position „einzufrieren“ und sie in Lösung zu halten.
Der lösungsgeglühte Zustand ist bei Raumtemperatur nur metastabil, und die Legierung wird mit der Zeit „aushärten“. Während des Aushärtens werden die aufgelösten Legierungselemente aus der Aluminiummatrix ausgeschieden, oft als Legierungselement-reiche Cluster oder als intermetallische Zusammensetzungen, und zwar in der Form von kleinen, verteilten Partikeln. Diese Partikel können im Allgemeinen als Sphäroide, Stangen oder Platten geformt sein, was von dem Legierungssystem abhängt, und sie werden mit der Zeit bezüglich der Größe wachsen und bezüglich der Anzahl abnehmen. Das Wachstum tritt bei Raumtemperatur relativ langsam ein, es kann aber bei erhöhten Temperaturen von etwa bis zu 250°C beschleunigt werden, sodass eine breite Vielzahl von Zeit-Temperaturkombinationen zu einem vergleichbaren Partikelwachstum führt.
Diese verteilten Partikel oder Ausscheidungen verfestigen die Aluminiummatrix bis zu einem Grad, der von deren Gestalt, Größe und Verteilung abhängt. Besonders kleine (10-30 Nanometer), eng gepackte oder besonders große (500-1000 Nanometer), weit verteilte Partikel sind weniger effektiv bei der Verfestigung der Matrix als Partikel einer mittleren Größe (100-300 Nanometer) und eines mittleren Abstands. Wenn die maximale Verfestigung durch die Partikel auftritt, wird die Legierung als „maximal ausgehärtet“ angesehen, und sie zeigt ihre höchste Festigkeit. Ein weiteres Aushärten, über den maximal ausgehärteten Zustand hinaus, führt zu einem weiteren Partikelwachstum, macht die Partikel weniger effektiv bei dem Verfestigen der Legierung und verringert die Festigkeit der Legierung. In diesem Zustand wird die Legierung als „über-ausgehärtet“ bezeichnet.
Parallel zu dieser Änderung in der Mikrostruktur erfolgen Änderungen bezüglich der Festigkeit und der Dehnbarkeit der Legierung. In ihrem mit Wasser abgeschreckten Zustand ist die Legierung von geringer Festigkeit und zeigt im Allgemeinen eine hohe Formbarkeit. Mit der Entwicklung und der Bildung der Partikel beim Aushärten wird die Legierung anfänglich gehärtet und eine verringerte Dehnbarkeit und Formbarkeit zeigen, sie wird jedoch schließlich beginnen, weicher zu werden und einen Teil ihrer verlorenen Formbarkeit zurückzugewinnen, wenn das Aushärten für eine ausreichend lange Zeit fortgesetzt wird.
Die Über-Aushärtung ist kein eindeutig definierter Zustand, und eine über-ausgehärtete Legierung kann einen weiten Bereich von Festigkeiten zeigen. Die einzigen Anforderungen sind, dass ihre Festigkeit geringer als ihre Spitzen-Aushärtungsfestigkeit ist und dass die Zeitdauer der Kaltaushärtung länger als die Zeitdauer zum Erreichen des Zustands mit Spitzen-Aushärtung ist. Bei dem Ausüben dieser Erfindung wird eine über-ausgehärtete Legierung als eine Legierung angesehen, deren Fließgrenze geringer als ungefähr 90 % der Fließgrenze derselben Legierung in ihrem Zustand mit Spitzen-Aushärtung ist. Eine solche Anforderung kann durch Legierungen in dem T7-Temperzustand und durch Legierungen in einem über-ausgehärteten T8-Temperzustand erfüllt werden.
Gemäß der üblichen Terminologie wird die Legierung in ihrem mit Wasser abgeschreckten, lösungsgeglühten Zustand mit „W“ bezeichnet; wenn die lösungsgeglühte Legierung bei Raumtemperatur ausgehärtet wird, wird sie mit „T4“ bezeichnet; wenn die lösungsgeglühte Legierung bei erhöhter Temperatur ausgehärtet wird, wird sie mit „T6“ bezeichnet. Andere Ausdrücke umfassen „maximal ausgehärtet“ (Spitzen-Aushärtung) für den Zustand, bei dem die Legierung ihre maximale Festigkeit erreicht, während sich die Bezeichnung „T7“ auf „über-ausgehärtete“ Legierungen bezieht, die aus einem fortgesetzten Aushärten einer „maximal ausgehärteten“ Legierung resultieren. „T8“-Temperzustände beziehen sich im Allgemeinen auf ausgehärtete Legierungen, die vor dem Aushärten bis zu einem begrenzten Ausmaß, wie etwa einer Dehnung von 5 %, verformt wurden. Bei der Ausübung dieser Erfindung bezieht sich der Ausdruck „über-ausgehärteter-T8“-Temperzustand auf eine über-ausgehärtete Legierung, die vor einem Warmaushärten gedehnt wurde. Diese Bezeichnungen können durch Bezugnahme auf 2 besser verstanden werden, einer repräsentativen Kurve der Festigkeit über der Aushärtungszeitdauer, welche diese Ausdrücke allgemein mit der Legierungsfestigkeit in Beziehung setzt. Aushärtbare Legierungen können wärmebehandelt werden, um einen Bereich von Festigkeiten zu entwickeln, und es ist oft das Ziel, die höchste mögliche Festigkeit zu erreichen, die mit den Verarbeitungsmöglichkeiten konsistent ist. Wenn aushärtbare Aluminiumlegierungen in Kraftfahrzeugkarosserien verwendet werden, können diese Legierungen bei einer geringeren Festigkeit verwendet werden, als sie in dem Zustand mit Spitzen-Aushärtung erreicht wird. Eine beliebige Zunahme bezüglich der Festigkeit, die aus dem Aushärten resultiert, wird jedoch die Dehnbarkeit oder Formbarkeit der Legierung verringern.
Bei einer Ausführungsform kann ein aushärtbares Aluminiumlegierungsblech in einem zweistufigen Formungsprozess geformt werden. Der erste Formungsprozess wird an einer Legierung in dem T7- oder über-ausgehärteten T8-Temperzustand (2) ausgeführt, und der zweite Formungsschritt wird an einer lösungsgeglühten Legierung (W-2) ausgeführt, in der die absichtlich hinzugefügten Legierungselemente im Wesentlichen oder vollständig in der aluminiumreichen Matrix aufgelöst sind. Nach dem zweiten Formungsschritt kann die lösungsgeglühte Legierung ausgehärtet werden, entweder bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur, möglicherweise während eines Farbeinbrennzyklus, um eine erhöhte Festigkeit zu entwickeln.
Ein Beispiel eines gestanzten Teils, das von der Ausübung dieses Prozesses profitieren könnte, ist das Innenpanel einer Heckklappe, wie sie das hintere Ende eines Kleinlastwagens oder eines SUV bilden kann. 3 zeigt eine beispielhafte Heckklappe 4, wie sie an einem beispielhaften Fahrzeug 2 im SUV-Stil (in Durchsicht gezeigt) installiert ist.
Die Heckklappe wird aus einem Innenpanel und einem Außenpanel zusammengebaut. Das Außenpanel ist der sichtbare Abschnitt, der in 3 zu sehen ist, und im Allgemeinen glatt gekrümmt mit Vertiefungen oder Aussparungen 6,7, um Merkmale wie einen Griff zur Bedienung eines Heckklappen-Öffnungsmechanismus (Vertiefung 6) und das Nummernschild des Fahrzeugs (Vertiefung 7) unterzubringen. Das Innenpanel, das dem Innenraum des Fahrzeugs zugewandt ist, ist oft durch eine dekorative Abdeckung vor der Ansicht verborgen und dient im Allgemeinen dazu, das Außenpanel zu tragen und zu verstärken. Das Innenpanel kann Merkmale enthalten, welche die Merkmale des Außenpanels widerspiegeln oder komplementieren. Das Innenpanel kann auch eine ausgedehnte Vertiefung mit einer Tiefe von bis zu ungefähr 200 Millimetern umfassen, die geeignet ist, um Mechanismen und Aktuatoren unterzubringen, die üblicherweise in den Hecktüren von Kleinlastwagen und SUVs gefunden werden. Diese Mechanismen und Aktuatoren können einen Türverriegelungsmechanismus, einen Fensterhebemechanismus und/oder einen hinteren Scheibenwischermechanismus oder dergleichen umfassen.
Sowohl das Innenpanel als auch das Außenpanel einer solchen Heckklappe und viele andere Blechmetallteile können durch Formpressen oder Stanzen hergestellt werden. Bei diesem Prozess wird ein Rohling geformt, üblicherweise ein flaches Metallblech, indem er zwischen den zwei Formwerkzeugabschnitten von komplementärer Gestalt angeordnet wird, die sich aufeinander unter dem Einfluss einer Presse schließen und dem Blech, das zwischen diesen positioniert ist, die gewünschte Gestalt geben. Da Stanzpressen nahezu immer in vertikaler Richtung wirken, werden die Formwerkzeugabschnitte üblicherweise als das obere und das untere Formwerkzeug bezeichnet.
Solche Formwerkzeuge zum Stanzen weisen einen formgebenden Bereich und einen Einfassungsbereich auf. Der formgebende Abschnitt gibt dem Blech oder der Vorform die gewünschte Gestalt. Der Einfassungsbereich des Formwerkzeugs wirkt auf einen Bereich des Rohlings oder der Vorform, die Einfassung, die den Formprozess steuert und erleichtert. Die Einfassung wird nach dem Formen entfernt oder abgeschnitten. Oft umfassen solche Einfassungsbereiche Ziehsicken, linear komplementäre Merkmale, eines hervorstehend und konvex, das andere zurückversetzt und konkav, und sie sind entgegengesetzt zueinander an dem oberen und unteren Abschnitt der Formwerkzeuge befestigt. Ziehsicken dienen dazu, das Gleiten des Blechs in Querrichtung über das Formwerkzeug zu beschränken, und sie können angepasst werden, um eine geringere oder größere Beschränkung auszuüben, wie es erforderlich ist.
Da die Einfassung nach dem endgültigen Formungsschritt von dem Rohling oder der Vorform entfernt wird, können die Ausdehnung und die Gestalt der Einfassung an der Vorform und der vollständig geformten Komponente unterschiedlich sein. Der Einfassungsabschnitt des Formwerkzeugs kann zwischen dem ersten und dem zweiten Formungsschritt auch modifiziert werden, sogar wenn Formwerkzeuge mit üblichen formgebenden Abschnitten für die vorgeformten und die vollständig geformten Ausgestaltungen verwendet werden. Beispielsweise können der Ort und die Anzahl von Ziehsicken wie auch der Grad der Beschränkung, den sie bieten, bei jedem der Formungsschritte unterschiedlich sein.
4 und 5 zeigen ein repräsentatives Innenpanel einer Heckklappe, wie es beispielsweise als ein hinteres Ende an einem SUV wie demjenigen, das in 3 gezeigt ist, verwendet werden kann. In einem ersten Schritt, der an einer über-ausgehärteten Legierung ausgeführt wird und in 4 dargestellt ist, ist eine Vorform 10 gezeigt, die viele der allgemeinen Merkmale des Innenpanels der Heckklappe umfasst. Merkmale wie beispielsweise eine Fensteröffnung 12, ein teilweiser Ausschnitt bei 14 und auch die Wand 16, welche die Aussparung 18 an dem unteren Teil und den Seiten begrenzt, können klar unterschieden werden.
Das Panel, wie es gezeigt ist, ist für ein Panel repräsentativ, wie es ein Formungswerkzeug verlässt und die Einfassung umfasst. Daher sind zusätzliche Merkmale erkennbar, die normalerweise an dem Panel nicht zu sehen sind, wenn es in dem Fahrzeug installiert ist. Diese Merkmale umfassen die Prägungen 20, 22, die an dem Blech durch die Ziehsicken erzeugt werden, durch lineare Merkmale zum Steuern des Fließens des anfänglich flachen Metallrohlings in Querrichtung während des Formens.
Auf dieser Stufe wurde ein im Wesentlichen flaches über-ausgehärtetes Blech einer Gestalt, die bezüglich der Ausgestaltung der Ausgestaltung der Vorform ähnlich ist, in eine Vorform 10 geformt. Die Vorform 10 wiederum kann als ein „Rohling“ angesehen werden, der erneut zwischen die Formwerkzeuge in einem Blechmetall-Stanzprozess eingefügt und weiter in das vollständig geformte Teil geformt werden soll. Bevor es in das vollständig geformte Teil geformt wird, wird das Panel jedoch einer Behandlung durch Lösungsglühen unterworfen, die das Panel auch zumindest teilweise ausheilt, um die Dehnbarkeit und Formbarkeit für die Legierung wieder herzustellen, wie nachstehend beschrieben ist.
5 zeigt dasselbe Panel, nachdem es lösungsgeglüht und in die endgültige Gestalt geformt wurde. In dem vollständig geformten Panel 10' sind viele Merkmale offensichtlich, die denjenigen ähnlich sind, die in der Vorform 10 gezeigt sind, die Merkmale wurden jedoch weiterentwickelt. Beispielsweise wurden die Wand 16' und die Fensteröffnung 12' vertieft, und es wurden zusätzliche Merkmale im Vergleich zu der Wand 16 und der Fensteröffnung 12 von 4 eingebunden. Einige spezielle Punkte bezüglich des Unterschieds zwischen den Wänden 16' und 16 sowie den Fensteröffnungen 12' und 12 sind durch strichpunktierte Ellipsen 22 hervorgehoben, die scharf gebogene, tiefe Eckenabschnitte identifizieren, deren Formung eine Herausforderung darstellt. Es wurden auch zusätzliche Merkmale eingeführt, die Taschen, wie beispielsweise bei 24 und 26, und eine Vorkehrung für Merkmale 27, 28, die zu der Halterung des Nummernschilds komplementär sind (Vertiefungen 7, 3) sowie eine Absenkung für den Türgriff (Vertiefung 8, 3) des Außenpanels umfassen.
Eine gewisse Modifikation der Rohlingabmessungen und -gestalt kann zwischen der Vorform und dem vollständig geformten Teil auftreten. Ein Vergleich von 4 und 5 zeigt, dass der schraffierte Abschnitt 32, der durch die gestrichelte Linie 30 begrenzt ist, von dem Vorformrohling 10 von 4 entfernt wurde. Auf ähnliche Weise kann festgestellt werden, dass sich die Ziehsickenprägung 20' von 5 von der Ziehsickenprägung 20 von 4 unterscheidet. Speziell zeigt die Ziehsickenprägung 20' eine doppelte Ziehsickenprägung, während die Ziehsickenprägung 20 nur eine einzige Ziehsickenprägung zeigt; die Ziehsickenprägung 20' ist auch weniger ausgedehnt als die Ziehsickenprägung 20, aufgrund des Materials 32, das von dem Vorformpaneel 10 entfernt wurde, um das vollständig geformte Panel 10' zu erzeugen. Ferner fehlt die Ziehsickenprägung 22, die in der Vorform von 4 gezeigt ist, in dem vollständig geformten Rohling von 5.
Man beachte, dass die Ziehsickenprägung 20 von 4 typischerweise nicht entfernt oder beseitigt wird, wenn die Vorform weiter in die vollständig geformte Komponente geformt wird. Daher gibt die doppelte Ziehsickenprägung 20' von 5 nicht notwendigerweise an, dass zwei Ziehsicken in dem zweiten Formungsschritt zur vollständigen Formung verwendet werden. Fachleute werden jedoch einsehen, dass der Prozess, wie er beschrieben ist, Änderungen in einem beliebigen oder in allen von der Anzahl, der Geometrie und der Anordnung der Ziehsicken bei dem Voranschreiten von dem Stanzen der Vorform zu dem Stanzen der vollständig geformten Komponente ermöglicht.
Das Entfernen von Material von der Vorform kann leicht unter Verwendung eines Abschneidewerkzeugs ausgeführt werden, bei dem zueinander passende Schneidkanten, die entgegengesetzt angeordnet sind und durch eine Presse betätigt werden, mit dem Blech in Eingriff gelangen. Bei einer Produktion mit hohem Volumen wäre dieses Verfahren bevorzugt, es kann jedoch ein beliebiges Verfahren zum Entfernen von Metall, einschließlich von Sägen, Abknabbern und Abscheren, ohne Einschränkung verwendet werden.
Die Möglichkeit, die „Rohling“-Ausgestaltung der Vorform zu modifizieren und die Ziehsicken oder beliebige andere Formwerkzeug- oder Teilmerkmale zu modifizieren, bietet eine noch weitere Gelegenheit, komplexe Gestalten zu formen. Diese Modifikationen können die Verteilung der Verformung in dem Teil beeinflussen. Es ist daher durch die Verwendung unterschiedlicher Formen und Formwerkzeug-Ziehsickenausbildungen, möglich, neben anderem, während der Stanzschritte der Vorform und der vollständigen Formung die Verformung in dem Teil selektiv und effektiver zu positionieren und die Formung von komplexeren Teilen zu ermöglichen. Daher kann eine Modifikation der Vorformgestalt in der Einfassung oder eine Modifikation der Merkmale der Formwerkzeuge zum Halten des Rohlings, wie etwa die Ziehsicken, in dem Einfassungsbereich in den zweistufigen Formungsprozess vorteilhaft eingebunden werden, und dies ist von dem Umfang der Erfindung umfasst.
Geeignete Legierungen für die gerade beschriebene Prozedur können solche mit Magnesium und Silizium als Haupt-Legierungselemente umfassen, und sie werden allgemein als Aluminiumlegierungen der Serie 6000 beschrieben, beispielsweise Legierungen, die mit 6013, 6014, 6111 und 6022 bezeichnet werden. Andere geeignete Legierungen umfassen solche, die hauptsächlich mit Zink, Magnesium und Kupfer legiert sind und üblicherweise als Aluminiumlegierungen der Serie 7000 bekannt sind, beispielsweise 7050, 7075 und 7150. Repräsentative Zusammensetzungen dieser Legierungen sind in Tabelle 1 gezeigt.
Obgleich es gewisse Unterschiede im Ansprechen der unterschiedlichen Legierungen innerhalb einer Legierungsserie und im Ansprechen verschiedener Legierungsserien geben kann, können solche Legierungen im Allgemeinen bei einer Temperatur von ungefähr 500°C lösungsgeglüht werden, indem sie für ungefähr 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten werden, um zumindest einige Partikel aufzulösen, welche die Haupt-Legierungselemente enthalten. Nach dem Abschrecken und dem Über-Aushärten durch eine von verschiedenen Wärmebehandlungen, die nachstehend vollständiger beschrieben sind, befindet sich das Legierungsblech in einem über-ausgehärteten Zustand und zeigt eine bessere Formbarkeit, als wenn es sich in dem Zustand mit Spitzen-Aushärtung befinden würde.
In diesem Zustand wird das Blech in eine Vorform formgepresst, die sich, ähnlich wie das in 4 gezeigte Beispiel, bezüglich der Gestalt zwischen einem flachen Blech und der endgültigen Komponente befindet. Offensichtlich kann eine solche Vorform einen weiten Bereich von Ausgestaltungen zeigen. Die Vorform kann unter Verwendung von zueinander passenden Formwerkzeugen geformt werden, welche die Vorformgestalt erzeugen sollen, wenn sie vollständig ineinander geschlossen sind. Alternativ kann die Vorform in den Formwerkzeugen erzeugt werden, die geformt und konstruiert sind, um das endgültige Teil durch ein Anhalten des Pressvorgangs zu formen, bevor dieses seinen maximalen Hub erreicht und das obere und das untere Formwerkzeug vollständig ineinander geschlossen sind. Unabhängig davon, welche Prozedur verfolgt wird, ist es wesentlich, dass die Vorform für eine weitere Verformung geeignet ist, um die endgültige gewünschte Gestalt zu erreichen.
Blechmetalle zeigen eine Formungsgrenze, d.h. einen Zustand, der einem bevorstehenden Ausfall des Blechs durch Bruch entspricht. Ein solcher bevorstehender Ausfall wird üblicherweise durch die Entwicklung einer tiefen Mulde oder Furche in der Blechoberfläche angezeigt. Sobald sich eine Furche oder Mulde, die noch üblicher als eine lokale Einschnürung oder einfach als Einschnürung beschrieben werden, entwickelt hat, wird sogar eine minimale weitere Verformung bewirken, dass sich die Einschnürung in einem Bruch weiterentwickelt. Sobald sich eine Einschnürung entwickelt hat, kann ein Bruch bei einer weiteren Verformung durch eine Wärmebehandlung nicht verhindert oder verzögert werden. Daher ist es erforderlich, dass die Gestalt der Vorform derart ausgewählt wird, dass zumindest eine Einschnürung vermieden wird. Natürlich sind Risse oder Brüche in der Vorform auf ähnliche Weise nicht akzeptierbar.
Zusätzlich zu Einschnürungen, Rissen und Brüchen werden Fachleute auf dem Gebiet der Stanztechnik erkennen, dass der Abschnitt des Rohlings, der den formgebenden Formwerkzeugabschnitt berührt, Eigenschaften zeigen kann, die diesen für seine beabsichtigte Verwendung visuell oder funktional ungeeignet machen. Beispiele umfassen Falten oder Wellen in dem Teil, gefalztes oder umgebogenes Metall, „loses Metall“ oder Bereiche minimaler Steifigkeit, ein Zurückfedern oder eine elastische Relaxation, die zu einer Abweichung von den Konstruktionsabmessungen und zu Rissen führt, neben anderen. Viele dieser Merkmale können bei dem weiteren Formen beseitigt werden. Daher kann das Auftreten einiger dieser Merkmale in der Vorform toleriert werden, da diese einem zweiten Formungs-Arbeitsschritt ausgesetzt wird, bei dem die Merkmale beseitigt werden können. Die Gestalt der Vorform sollte jedoch ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass gefalztes Metall, Brüche, Risse und Einschnürungen in demjenigen Abschnitt des Rohlings fehlen, der dem endbearbeiteten Teil entspricht. Vorzugsweise wird die gesamte Verformung, die zum Formen des endbearbeiteten Teils erforderlich ist, geeignet aufgeteilt, und sie wird im Allgemeinen zwischen dem Schritt des Umformens des anfänglichen Blechs in die Vorform und dem Schritt des Umformens der Vorform in das endgültige Teil gleichmäßig aufgeteilt.
Nach dem Formen kann die Vorform einer weiteren Wärmebehandlung ausgesetzt werden, indem sie für bis zu 10 Minuten, jedoch vorzugsweise für Zeitdauern so kurz wie 10 Sekunden, auf 400 bis 500°C aufgeheizt wird, gefolgt von dem Abschrecken. Das Aufheizen kann auf die gesamte Vorform angewendet werden, indem diese beispielsweise in einen Ofen gehalten wird, oder es kann eine lokale Aufheizung, beispielsweise eine lokalisierte Induktionsheizung, nur in denjenigen Bereichen der intensivsten Verformung angewendet werden. Wenn lediglich eine lokale Aufheizung verwendet wird, kann es möglich sein, eine solche Aufheizung ohne ein Entfernen der Vorform aus dem Formwerkzeug durchzuführen. Beispielsweise kann es möglich sein, eine elektromagnetische Induktionsspule in das Formwerkzeug einzubinden oder das Formwerkzeug zu öffnen und eine solche Induktionsspule zu positionieren, die an einer separaten Struktur in der Nähe des Teils angebracht ist. Ein solches Aufheizen in einem Formwerkzeug könnte, wenn es für kurze thermische Zyklen von etwa 10 - 30 Sekunden angewendet wird, das Auftreten von Unterbrechungen in der Produktion minimieren und ein nahezu kontinuierliches Verarbeitungsschema ermöglichen, während sich eine Behandlung im Ofen eher für eine Stapelverarbeitung anbieten würde.
Eine solche thermische Behandlung dient einem doppelten Zweck. Sie dient dazu, die Vorform zumindest teilweise auszuheilen und zumindest einen Teil der Auswirkungen der Kaltbearbeitung rückgängig zu machen, die während des Stanzens der Vorform aufgetreten sind, und dadurch die Dehnbarkeit der Vorform wieder herzustellen. Zusätzlich kann die Vorform mit einer geeigneten Auswahl des über-ausgehärteten Zustands, die nachstehend vollständiger beschrieben wird, in einen lösungsgeglühten Zustand umgeformt werden und eine verbesserte Formbarkeit relativ zu ihrer Formbarkeit in dem Zustand mit Spitzen-Aushärtung zeigen. Die lösungsgeglühte Vorform kann anschließend in die endgültige Gestalt formgepresst werden. Vorzugsweise verstreicht nur eine begrenzte Zeit, beispielsweise weniger als 24 Stunden, zwischen der Wärmebehandlung zum Lösungsglühen und dem Formpressen, um das Ausmaß des Aushärtens bei Raumtemperatur zu begrenzen, das vor dem Formen auftritt.
Schmiermittel werden üblicherweise, aber nur optional, während des Blechmetallformens verwendet. Wenn Schmiermittel bei dem Ausüben dieser Erfindung verwendet werden, ist es bevorzugt, das Schmiermittel, das in der Vorformstufe verwendet wird, vor der Wärmebehandlung zum Lösungsglühen auszuwaschen oder zu entfetten oder auf andere Weise zu entfernen und das Schmiermittel nach dem Lösungsglühen für den endgültigen Formungs-Arbeitsschritt erneut anzuwenden.
Das geformte Teil kann ausgehärtet werden, um eine höhere Festigkeit zu entwickeln. Der Aushärtungsprozess kann ausgewählt werden, um eine maximale Festigkeit zu entwickeln, die einem Zustand mit Spitzen-Aushärtung entspricht, es können jedoch alternative Aushärtungsbehandlungen verwendet werden, sogar solche, die nicht die maximale Festigkeit erreichen. Das Aushärten kann an dem geformten Teil entweder vor oder nach dessen Einbau in ein Kraftfahrzeug ausgeführt werden. Das Aushärten kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur auftreten, und das Aushärten kann durch Wärmebehandlungen ausgeführt werden, die für andere Zwecke vorgesehen und optimiert sind.
Beispielsweise werden montierte Kraftfahrzeugkarosserien, die allgemein als Rohkarosserien bekannt sind, einer Reihe von Arbeitsschritten zur Reinigung und Beschichtung (Lackierung) ausgesetzt, die einen Korrosionsschutz und ein gefälliges Erscheinungsbild fördern sollen. Solche Beschichtungen, die aus flüssigen Bädern oder als feste oder flüssige Sprühstrahlen aufgetragen werden, sind nicht funktional oder robust, wenn sie aufgetragen werden, und müssen „eingebrannt“ werden, um das gewünschte gefällige Erscheinungsbild und die gewünschte Haltbarkeit zu entwickeln. Dieser „Farbeinbrenn“-Prozess erfordert, dass die Rohkarosserie für eine Zeitdauer bis zu einer Stunde, jedoch häufiger für zwischen 20 und 30 Minuten, einer Temperatur zwischen ungefähr 160°C - 200°C ausgesetzt wird. Es ist einzusehen, dass der Farbeinbrennzyklus bei dem Aushärten der geformten Teile sehr effektiv ist.
Die Praktiken dieser Erfindung können durch die Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele weiter verstanden werden. Man betrachte zuerst die nachfolgenden Beispielprozeduren zum Erzeugen von über-ausgehärteten Aluminiumlegierungs-Blechmaterialien, die eine Festigkeit aufweisen, die auf eine geeignete Weise geringer als die Spitzen-Aushärtungsfestigkeit ist. Vorzugsweise weisen die über-ausgehärteten Aluminiumlegierungsmaterialien eine Festigkeit auf, die kleiner als ungefähr neunzig Prozent ihrer maximalen Festigkeit ist, die durch Aushärtungsprozesse erreicht wird.
Beispiel 1:
Ein über-ausgehärtetes Aluminiumblech der Serie 6xxx (z.B. 6014) in einem über-ausgehärteten T8-Temperzustand kann durch das Ausüben der thermischen Behandlung 40 vorbereitet werden, die in 6 gezeigt ist und umfasst:

ein Lösungsglühen 42, das bei einer Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr eine Stunde durchgeführt wird, gefolgt von einem Abschrecken in Wasser bei Raumtemperatur oder ungefähr 25°C;
einen Vordehnungs- oder Verformungsschritt 44, der ungefähr bei Raumtemperatur durchgeführt wird und ausgeführt werden könnte, indem das Blech mittels Dehnung oder Walzen abgeflacht wird oder indem es durch eine leichte Walze hindurchläuft, was dem Blech eine Verformung bezüglich der Dicke von ungefähr 5 % verleiht;
einen ersten Aushärtungsschritt 46, der umfasst, dass das Blech für ungefähr 6 Stunden einer Temperatur von ungefähr 175°C ausgesetzt wird; und
einen Über-Aushärtungsschritt 48, der umfasst, dass das Blech für ungefähr 8 Stunden ungefähr 250°C ausgesetzt wird.

Dieser Prozess wird die Mikrostruktur fördern, die schematisch bei 50 gezeigt ist, wobei grobe Ausscheidungen 54 im Wesentlichen in Aluminiumkörnern 52 gebildet werden.
Beispiel 2:
Ein über-ausgehärtetes Aluminiumblech der Serie 6xxx (z.B. 6014) in einem kommerziellen T7-Temperzustand kann durch das Ausüben der Wärmebehandlung 60 vorbereitet werden, die in 7 gezeigt ist und umfasst:

ein Lösungsglühen 62, das bei einer Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr eine Stunde ausgeführt wird, gefolgt von einem Abschrecken in Wasser bei Raumtemperatur oder ungefähr 25°C; und
einen Über-Aushärtungsschritt 64, der umfasst, dass das Blech für ungefähr 12 Stunden ungefähr 175°C ausgesetzt wird.

Dieser Prozess wird die Mikrostruktur fördern, die schematisch bei 70 gezeigt ist, wo grobe Ausscheidungen 72 im Wesentlichen in Aluminiumkörnern 73 in Kombination mit großen Ausscheidungen 74 gebildet werden, die an den Aluminiumkorngrenzen 76 gebildet werden.
Beispiel 3:
Ein über-ausgehärtetes Aluminiumblech der Serie 6xxx (z.B. 6014) in einem kommerziellen T7-Temperzustand kann durch das Ausüben der Wärmebehandlung 80 vorbereitet werden, die in 8 gezeigt ist und umfasst:

ein Lösungsglühen 82, das bei einer Temperatur von ungefähr 535°C für ungefähr eine Stunde ausgeführt wird, gefolgt von einem Abschrecken in Wasser bei Raumtemperatur oder ungefähr 25°C; und
einen Über-Aushärtungsschritt 87, der umfasst, dass das Blech für ungefähr 12 Stunden ungefähr 250°C ausgesetzt wird.

Dieser Prozess wird die Mikrostruktur fördern, die schematisch bei 90 gezeigt ist, wo grobe Ausscheidungen 92 im Wesentlichen in Aluminiumkörnern 93 in Kombination mit großen Ausscheidungen 94 gebildet werden, die an Aluminiumkorngrenzen 96 gebildet werden.
Es kann angemerkt werden, dass die Ausscheidungen sowohl an den Korngrenzen 96 als auch intergranular 92 grober als diejenigen sind, die bei der geringeren Über-Aushärtungstemperatur von Beispiel 2 gebildet werden. Es ist ebenfalls einzusehen, dass nach jeder der Behandlungen 42, 62, 82 zum Lösungsglühen ein gewisses Aushärten bei Raumtemperatur auftreten kann, was davon abhängt, wie lange die Probe bei Raumtemperatur gehalten wird, bevor sie die Aushärtungs- oder Über-Aushärtungsbehandlungen 48, 64, 87 durchläuft.
9, die an eine beliebige der 6 - 8 angefügt werden kann, um die Gesamtheit des Prozesses darzustellen, zeigt einen Prozess 100, der eine Vorformherstellung (Verformung) 102 umfasst; gefolgt von einer Wärmebehandlung 104 zum Lösungsglühen, die umfasst, dass die Vorform für eine Zeitdauer zwischen 10 und 60 Minuten auf eine Temperatur von ungefähr 500°C aufgeheizt wird; gefolgt von dem endgültigen Stanz-Arbeitsschritt zum Erzeugen des vollständig geformten Teils; und gefolgt von einem Aushärtungsprozess 108. Wie angemerkt wurde, kann ein weiter Bereich von Aushärtungs-Prozesstemperaturen und entsprechenden Aushärtungszeiten verwendet werden, wie beispielsweise das Halten der Komponente bei einer Temperatur von bis zu 200°C für bis zu eine Stunde.

Die gezeigten detaillierten Praktiken sind lediglich zur Darstellung für einen Bereich von Wärmebehandlungen gezeigt, die auf Aluminiumlegierungen bei dem Ausüben dieser Erfindung angewendet werden können. Fachleute werden erkennen, dass spezielle Wärmebehandlungs-Zeitpläne (bezüglich der Zeit und der Temperatur) für spezielle Legierungen bevorzugt sein können. Wie beispielsweise in Tabelle 2 gezeigt ist, variieren die Zeit und die Temperatur des Lösungsglühens sogar leicht innerhalb einer speziellen Legierungsfamilie (vgl. 6111 und 6013). Dramatischere Unterschiede sind zwischen den Legierungsfamilien offensichtlich (vgl. die 6xxx- und 7xxx-Legierungen). Auf ähnliche Weise ist ein Bereich von Aushärtungszeitplänen sowohl mit einem Schritt als auch mit zwei Schritten bevorzugt, und mehrere Aushärtungsbehandlungen können sogar für eine einzige Legierung akzeptierbar oder bevorzugt sein, wie es für die Legierung 6111 angegeben ist. Tabelle 2

Legierung	Wärmebehandlung zum Lösungsglühen Temperatur/Zeit	Wärmebehandlung zur T7-Über-Aushärtung Temperatur/Zeit
6111	560 °C / 30 Minuten	175 °C /12 Stunden
6111	560 °C / 30 Minuten	170 °C / 6 Stunden
		anschließend
		250 °C / 4 Stunden
6013	570 °C / 30 Minuten	190 °C / 8 Stunden
7075	480 °C / 30 Minuten	105 °C / 8 Stunden
		anschließend
		165 °C / 24 Stunden

Claims

Verfahren zum Formen einer gestanzten Komponente (4) aus einem Blechmetallwerkstück aus einer aushärtbaren, aluminiumbasierten Legierung, wobei die aluminiumbasierte Legierung Legierungselemente umfasst, die eine feste Lösung in einer aluminiumreichen Matrix bilden, wenn die Legierung auf eine Temperatur zum Lösungsglühen aufgeheizt wird, wobei die Legierungselemente bei Temperaturen unterhalb der Temperatur zum Lösungsglühen mit der Zeit aus der aluminiumreichen Matrix ausgeschieden werden, um das Werkstückmaterial progressiv zu härten; wobei das Verfahren umfasst, dass: eine über-ausgehärtete Aluminiumlegierung vorbereitet wird, indem die Legierung lösungsgeglüht wird, um die Legierungselemente in einer Matrix aus im Wesentlichen Aluminium im Wesentlichen aufzulösen, indem die Legierung mit einer ausreichend schnellen Rate schnell abgekühlt wird, um die Legierungselemente in der Aluminiummatrix in Lösung zu halten, indem die Legierung bis zu einer Spitzenfestigkeit ausgehärtet wird und indem das Aushärten der Legierung fortgesetzt wird, bis deren Festigkeit kleiner als 90 % ihrer Spitzen-Aushärtungsfestigkeit ist; ein nicht aufgeheiztes Werkstückblech der über-ausgehärteten Aluminiumlegierung durch Stanzen geformt wird, um ein Vorformblech (10) mit einer Zwischengestalt zwischen derjenigen des Werkstückblechs und der Komponente (4) zu erzeugen, wobei das Vorformblech (10) keine Risse, Einschnürungen und kein gefalztes Metall aufweist; zumindest ein Teil des Vorformblechs (10) auf eine Temperatur aufgeheizt und für eine Zeitdauer bei dieser gehalten wird, die ausreicht, um die Legierungselemente in dem aufgeheizten Abschnitt des Vorformblechs (10) im Wesentlichen vollständig in die Aluminiummatrix aufzulösen; das Vorformblech (10) schnell abgekühlt wird, um die aufgelösten Legierungselemente in der Aluminiummatrix zu halten; das Vorformblech (10) weiter durch Stanzen geformt wird, um die Komponente (4) vollständig zu formen, wobei die Komponente (4) keine Risse oder Einschnürungen aufweist; und die vollständig geformte Komponente (4) für eine geeignete Zeitdauer einer geeigneten Temperatur ausgesetzt wird, um die Komponente (4) auszuhärten und zu verfestigen.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei derselbe Satz von Formwerkzeugen verwendet wird, um das Vorformblech (10) zu stanzen und die vollständig geformte Komponente (4) zu stanzen.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei sich das über-ausgehärtete Legierungsblech in einem T7-Temperzustand befindet.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei sich das über-ausgehärtete Legierungsblech in einem über-ausgehärteten T8-Temperzustand befindet.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung eine Legierung der Serie 6000 oder der Serie 7000 ist.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung der Serie 6000 nach Anspruch 5, wobei die Aluminiumlegierung eine aus der Gruppe ist, die aus 6013, 6014, 6111 und 6022 besteht.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung der Serie 7000 nach Anspruch 5, wobei die Aluminiumlegierung eine aus der Gruppe ist, die aus 7050, 7075 und 7150 besteht.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) nach Anspruch 1, wobei die Zeitdauer, für welche die vollständig geformte Komponente (4) der Temperatur ausgesetzt wird, während eines Farbeinbrennprozesses auftritt.
Verfahren zum Formen einer gestanzten Aluminiumkomponente (4) nach Anspruch 8, wobei der Farbeinbrennprozess eine Temperatur zwischen 160°C und 200°C für eine Zeitdauer zwischen 20 und 60 Minuten umfasst.
Verfahren zum Formen eines gestanzten Gegenstands einer vorbestimmten dreidimensionalen Gestalt aus einem Blechmetallwerkstück aus einer aushärtbaren, aluminiumbasierten Legierung, wobei die aluminiumbasierte Legierung Legierungselemente umfasst, die eine feste Lösung in einer granularen aluminiumreichen Matrix bilden, wenn die Legierung auf eine Temperatur zum Lösungsglühen aufgeheizt wird, und die in der festen Lösung bleiben, nachdem die Legierung von der Temperatur zum Lösungsglühen auf eine Temperatur zum Formen durch Stanzen abgeschreckt wurde, wobei die Legierungselemente bei Temperaturen unterhalb der Temperatur zum Lösungsglühen, welche die Stanztemperatur umfassen, mit der Zeit aus der aluminiumreichen Matrix ausgeschieden werden, um das Werkstückmaterial progressiv auszuhärten; wobei das Verfahren umfasst, dass: ein ausgehärteter Blechmetall-Stanzrohling vorbereitet wird, bei dem das aluminiumbasierte Legierungsmaterial in einen Zustand jenseits von dessen Spitzen-Aushärtungsfestigkeit bis zu einer Festigkeit ausgehärtet wurde, die nicht größer als neunzig Prozent von dessen Spitzen-Aushärtungsfestigkeit ist, wobei die dehnungsbegrenzenden Formungseigenschaften des Stanzrohlings ermittelt wurden, um eine vorbestimmte Vorformgestalt mit Bereichen mit einer Dehnung, die kleiner als die inhärente Dehnung in der vorbestimmten dreidimensionalen Gestalt ist, und ohne Dehnungsbeschädigung durch Stanzen an der Vorformgestalt zu formen; der nicht aufgeheizte Stanzrohling der über-ausgehärteten Aluminiumlegierung durch Stanzen geformt wird, um die vorbestimmte Vorformgestalt zu erzeugen; zumindest ein Teil des so erzeugten Vorformblechs (10) auf eine Temperatur aufgeheizt und für eine Zeitdauer bei dieser gehalten wird, die ausreicht, um die Legierungselemente in dem aufgeheizten Abschnitt des Vorformblechs im Wesentlichen vollständig in die Aluminiummatrix aufzulösen; das Vorformblech (10) schnell abgekühlt wird, um die aufgelösten Legierungselemente in der Aluminiummatrix zu halten; und das Vorformblech (10) durch Stanzen geformt wird, um die bestimmte dreidimensionale Gestalt des gestanzten Gegenstands zu erhalten.