專利名稱：用于形成鋁合金薄板部件的工藝的制作方法
用于形成鋁合金薄板部件的工藝本發(fā)明涉及一種改進的金屬合金薄板部件成形方法，特別涉及鋁合金薄板部件。 該方法特別適于具有復雜形狀，利用現(xiàn)有技術不能夠很容易成形的成形部件的成形。時效硬化鋁合金薄板部件通常或者在T4情況(固溶熱處理和淬火)下冷壓成形， 接著是使具之具有高強度的人工硬化，或者是在T6情況(固溶熱處理，淬火和人工硬化) 下冷壓成形。任一種情況都會引起許多內在問題，例如回彈和低成形性這些難以解決的問題。熱沖壓能夠增加成形性和減少回彈，但它會破壞所希望得到的微觀結構。后成形熱處理(固溶熱處理)因此被要求以修復所述的微觀結構，但這樣會導致所述的成形部件在固溶熱處理后淬火期間發(fā)生變形。這些缺點同樣會在利用其他材料成形工程部件的過程中遇到。為了克服這些缺點，已進行了各種努力并且發(fā)明了特殊的工藝以克服在形成特殊類型部件過程中出現(xiàn)的特殊問題。概述如下方法1 金屬薄板部件的超塑成形(SPF)這是一種低速恒溫氣吹成形工藝，該工藝用于具有復雜形狀的金屬薄板構件產品并主要用于航天工業(yè)。具有細晶粒的金屬薄板與成形工具一起加熱，后成形熱處理(例如固溶熱處理+淬火+可熱處理鋁合金的硬化)通常被要求以能夠獲得合適的微觀結構來確保高強度。一種材料的超塑性只能通過具有細晶粒的特殊材料在規(guī)定溫度和應變率下發(fā)生的變形來觀測。(Lin, J.，and Dunne, F. P. Ε.，2001，Modelling grain growth evolution and necking in superplastic blow-forming, Int. J. of Mech. Sciences, Vol.43, No. 3, pp595-609).方法2 鋁合金板的蠕變時效成形(CAF)再一次，這是一緩慢的過程，通常與成形和時效硬化處理的組合一起來形成飛機翼板部件。蠕變成形的時間根據一種材料人工硬化的要求來確定。少量的塑性變形通常應用于該過程并且回彈是需要克服的主要問題。各種各樣的技術，例如在US 5168169，US 5341303和US 5729462中描述的那些，已被推薦用來利用計算機設計回彈補償用的CAF工具。方法3 金屬合金的處理方法(FR 1556887)被優(yōu)選地推薦用于鋁合金，其應用于為了加工外形在固液混合狀態(tài)下擠壓該合金。在該方法中，液態(tài)合金的比例保持在40%以下并持續(xù)5分鐘到4小時以使枝晶狀態(tài)至少開始變成球狀形式。在模具的出口所述擠出物或者用波動的空氣，或者用噴淋水，一種空氣和水的混合物，或者用薄霧淬火。接著所述成形部件在特定溫度下人工硬化用于時效硬化。這些技術難以被應用到金屬板薄成形，因為 (i)在那個溫度(液態(tài)合金大約占40% )下所述薄板變得太軟而難以處理，并且，(ii)上述提及的淬火方法對于所述成形片材部件難以應用。方法4 固溶熱處理，成形和冷模淬火(HFQ)被本發(fā)明的發(fā)明人在他們較早的申請 WO 2008/059242中描述。在這個方法中，一種鋁合金半制品被固溶熱處理并且迅速地被轉移到一組冷模，該冷模迅速被關閉以形成一個成形部件。所述成形部件在成形部件的冷卻期間保持在冷模中。進一步的研究發(fā)現(xiàn)在該方法仍有缺陷，本發(fā)明描述是WO 2008/059242里描述的工藝的改進。本發(fā)明提供了一種鋁合金薄板部件的成形方法，其包括(i)在加熱點將鋁合金薄板半制品加熱到它的固溶熱處理溫度，并且在合金不位于預先時效硬化回火中的情況，保持所述固溶熱處理溫度直到固溶熱處理完成，(ii)將所述薄板半制品轉移到一組冷模中并且在離開加熱點10秒之內開始成形以使所述薄板半制品的熱損失最小，(iii)將所述冷模關閉以將所述薄板半制品成形為一成形部件，所述成形過程少于0. 15秒，(iv)在所述成形部件的冷卻期間將所述成形部件保持在所述閉合模中。對于任何具有微觀結構和通過固溶處理和時效硬化能被有用改進的機械性能的合金，本發(fā)明所要求保護的方法將可以應用。本發(fā)明不同于WO 2008/059242公開的內容，尤其，通過所述顯著地更快速的模具閉合。在WO 2008/059242中所述快速的模具閉合示例是2秒(也就是比本發(fā)明預期的最慢時間慢超過一數量級)。下面將解釋更多的細節(jié)，本發(fā)明人通過他們廣泛的研究發(fā)現(xiàn)像這樣如此短的時間是所述HFQ工藝成功的關鍵。在某些實施例中，所述的模具閉合可以發(fā)生在少于0. 1秒內甚至可以少于0.05秒。所述成形部件保持在所述冷模的時間可以少于4秒，少于2秒或至少于1秒，這其取決于所述部件的厚度。保持時間需要的僅是足夠長以使所述成形部件達到這樣一個溫度，例如，250°C或較低，以便在從模具移開后仍能保持需要的微觀結構。很清楚這個時間對薄的材料來說非常短。在這里所使用的，固溶熱處理(SHT)溫度是指在固溶熱處理進行中的溫度(通常在約所述合金液相線溫度50°C之內)。固溶熱處理需要在鋁基體之內盡可能地溶解所述合
金兀素。從步驟(ii)到(iv)連續(xù)的淬火阻止沉淀物的形成(即所述合金部件保持在過飽和溶液中)并且同樣阻止成形部件的變形。很清楚，所述的固溶熱處理溫度在不同的合金之間是變化的。然而一典型溫度可能在范圍450-600°C之間并且對特定合金來說位于范圍500-550°C之間。在這些案例中，需要完成固溶熱處理的地方，所述固溶熱處理的溫度一般將保持20到60分鐘，例如可以是30 分鐘。對預先時效硬化合金來說，例如位于T4回火中的這些，所述硬化相保持在固溶液中。如果加熱足夠快，分散相在加熱期間不會顯著地降低，并且在一達到固溶熱處理溫度后所述變硬相就將位于固溶液中。這樣，對預先實效硬化合金來說，加熱到所述固溶熱處理溫度的速度可以至少2V /s，乃至3°C /s。所述轉移時間(在加熱和成形之間)應該盡可能的快，應在以秒計的數量級內，例如少于5秒乃至少于3秒。在某些實施例中，所述成形部件位于模具中的冷卻速率是成形部件是在少于10 秒的時間內冷卻到低于200°C。在某些實施例中，所述模具保持在不超過150°C的溫度上。 模具的自然熱損耗足以讓他們保持在一個足夠低的溫度下。然而，如果必要的話輔助的氣體冷或水冷也是可以應用的。所述方法對可熱處理的鋁合金部件可以包括一輔助的人工硬化步驟，其包括加熱所述成形部件到一人工硬化溫度并保持這個溫度直到允許沉淀硬化發(fā)生。典型的溫度處于 150-250°C之間。時效時間可以顯著地不同，其取決于合金的特性。典型的時效時間在5-40 小時之間。對于汽車部件來說，所述的實效時間是以分鐘計的數量級，例如20分鐘。適用于本發(fā)明工藝的可熱處理鋁合金包括在hXX，6XXX和7XXX系列里的這些。 特殊的實施例包括通常包括用做汽車應用的AA6082和6111，和被用做機翼結構的AA7075。 適用于在本發(fā)明工藝使用的不可熱處理鋁合金包括在5XXX系列里的那些，如AA5754，所述工藝對固溶硬化合金來說在增加它的耐腐蝕性方面提供益處。本發(fā)明同樣屬于本發(fā)明工藝獲得的一成形部件。這樣的部件可以作為汽車部件例如門或主體板。應該注意到利用冷模淬火的熱沖壓本身并不是新的。這樣的工藝對特殊的薄鋼板來說是眾所周知的。在這樣的工藝中，所述薄鋼板被充分加熱以使它能變換為一個單個奧氏體的相位以實現(xiàn)更高的延展性。在冷模淬火過程中所述奧氏體變換成馬氏體，目的是實現(xiàn)成形部件的高強度。本工藝被發(fā)展用于具有高的馬氏體轉變溫度，對冷卻速率要求較低的特殊類型鋼，該工藝主要用于形成汽車工業(yè)中的安全板部件。(Aranda，L. G.，Ravier, P.，Chastel, Y.，(2003). The 6th Int. ESAFORM Conference on Metal Forming, Salerno, Italy,28-30,199-202)。本發(fā)明的實施例通過舉例并參照與之對應的附圖來進一步描述，其中

圖1是一個部件執(zhí)行本發(fā)明所述方法時的溫度分布示意圖，圖2是位于平口工具鋼模具之間的部件在不同的接觸縫隙和壓力下溫度相對時間變化的圖，圖3a和北描述用來評定不同狀況下成形性的模具構造，在初始狀況(圖3a)和熱后成形狀況(圖北)，圖3c和3d分別描述了用圖3a中的模具2秒和0. 07秒成形過程的結果。所述工藝在圖1中被示意性地概述。所述半制品首先被加熱到它的固溶熱處理溫度(A)(例如對AA6082來說是525°C )。如果充分固溶熱處理是必要的(B)，然后將所述材料在需要的時間段內保持該溫度(例如對AA6082來說是30分鐘)。所述已經經過固溶熱處理的薄板半制品接著迅速轉移到壓模機并被置于下模中(C)。這樣的轉移應該足夠的迅速，以確保從所述鋁到周圍環(huán)境中熱損失最小(例如少于5秒)。一旦所述半制品在適當位置，上模下降從而形成所述部件(D)。在成形過程中通過確保所述過程是快速的來實現(xiàn)熱損失也應最小。一旦完全成形的部件保持在上下模之間直到所述材料足夠冷卻，冷模淬火的過程才算完成。接著進行人工硬化(E)以增加完工部件的強度(例如對AA 6082來說是在190°C下持續(xù)9小時)。如果成形產品隨后的油漆工作需要，所述硬化可以伴隨一烘烤過程。在上述工藝的變化中，AA6082合金以至少2V /s的速率被加熱直到達到固溶熱處理溫度。固溶熱處理(B)被省略并且半成品直接被轉移到壓模機以成形。重要地是，上模和下模都要維持在一個足夠低的溫度從而可使一有效的淬火能夠實現(xiàn)。在上述的實施例中，所述模具被保持在150°C以下。由于鋁合金具有高的熱傳導系數和低的熱容量，從鋁中到冷模和周圍環(huán)境中的熱損失是巨大，需要提供高的淬火速率。這樣就允許過飽和溶體狀態(tài)在淬火狀態(tài)中得以維持。成形過程成功的關鍵參數是在冷模淬火中足夠地高的冷卻速率，目的是成形和冷凝物的發(fā)展是可控制的。這樣，高強度的金屬薄板部件在人工硬化后可以被加工。冷模淬火并不是傳統(tǒng)上利用沉淀硬化合金，因為水淬火通常要求經濟地實現(xiàn)高的冷卻速率以便避免在熱處理的這一步位于晶界的冷凝物的形成。因為所述正被討論的合金能夠沉淀硬化， 使用冷模淬火實際上能保持硬化后能夠在固溶體中沉淀的元素具有最大的量，從而可以改進性能。冷模淬火(冷卻速率)的效果與運行中的模具溫度，鋁合金薄板的厚度和接觸條件(例如成形壓力，表面間隙和潤滑劑)有直接關系。為了研究用冷模淬火的冷卻速率是否足以實現(xiàn)熱處理材料的機械性能，力學試驗被進行。試驗1-在平口工具鋼模局之間的淬火在本試驗中，使用了 3種冷卻方法并將其結果相比較。首先，AA6082薄板的樣品具有1. 5mm厚度，其被加熱到525°C并保持30分鐘用來固溶熱處理。然后所述樣品被(i) 水淬，( )在平口冷鋼模之間淬火，(iii)利用空氣淬火(自然冷卻)。用在平口冷鋼模之間淬火，圓盤形的合金薄板被放置相應地成形模具之間。溫度傳感器沿著所述金屬合金薄板周邊被連接到金屬合金薄板上以檢測它的溫度分布曲線。在薄板和模具之間施加變化厚度的隔離物，或使薄板與模具接觸并且在上模上施加不定荷載，這些不同的情況被研究。樣品接著在190°C持續(xù)9個小時被硬化。對經過固溶熱處理的和通過不同方法進行淬火的樣品進行抗拉試驗，試驗結果在表1中被給出。所述沒有施加壓力(除了模具的重量)的冷模淬火產生一極限抗拉應力， 該數值是通過水淬獲得的95%，水淬通常被認為給出了最好的硬化反應。表1 對不同的淬火方法進行的強度測量
淬火方法屈服強度極限強度可延性Oy(MPa)% WQα (MPa)% WQ￡f(%)% WQ水冷淬火230-305—0. 17冷模淬火120087290950. 18106空冷淬火12253210690. 221291O. Omm縫隙距離，沒有施加額外力。在冷模淬火中觀測到的溫度分布在圖2中被給出，圖表A到C分別是模具縫隙為 1. 05mm, 0. 6mm和0. Omm的情況。圖表D是具有0. Omm縫隙且上模上加載有170MPa的情況。 從圖2中可以看出，當合金薄板和模具之間具有良好接觸時可以觀測到快速冷卻。試驗2-半球形部件的成形所述配置的工具示意性的在圖3a中表示。半制品2 AA6082被加熱到525°C，隨后被冷卻到450°C，被放置在下部壓料板3上并在彈簧5的作用下被保持在下部的壓料板3 和上部的壓料板1之間。所述半制品通過沖壓機4(沖壓的速度被控制從而限定了成形時間)被沖壓成半球形的形狀并保持在模具中10秒(圖北)。在本試驗中兩個成形周期(也就是0.07秒，2秒)被用于形成同樣的鋁合金薄板材料。最初的模溫是22°C并且沒有使用人工冷卻。所述成形的深度是23mm，該深度是典型的工業(yè)用途上所特有的。所述在2秒內成形的對比例因如圖3c中所示的圓頂撕破從而失敗。當實現(xiàn)了高的延展性，卻不能實現(xiàn)好的成形性。延展性是一種材料在不毀壞的情況下承受變形的能力。 成形性是指一種材料在沒有毀壞情況下形成形狀的能力。在目前的情況下，成形性可以被認為是在所述成形區(qū)域上具有的均勻，延性變形的能力。在對比例中，局部的快速變形導致早期失效，即使觀察到了延展性反應。當速度增加時，有兩個機制可運作以改進成形性1.使之具有一個均勻溫度的外形這就直接涉及成形時間，因為所述薄板一與冷模接觸就在接觸區(qū)域迅速開始局部淬火。在設計作為典型的用于HFQ運行的情況下到達500°C的淬火速度已經被發(fā)現(xiàn)，這將導致數百度的熱梯度橫穿所述薄板。這比發(fā)明人已經實現(xiàn)的更大。由于成形在一非常短的時期內，工藝成形期的間熱傳導是極小的，工作部件上溫度分布接近均勻。所述精確的溫度降低取決于薄板和模具之間的熱接觸和薄板的厚度。2、使之有一好的材料流動應力反應當常見的金屬板在室溫下變形，它們經歷了加工硬化。所述材料變得更結實因為它的變形，從而變形區(qū)域會迅速地再分布如果一個區(qū)域比另一個出現(xiàn)更多的變形。將材料的良好延展性變換為好的成形性就是使用這個加工硬化機制。在高溫下，鋁幾乎沒有加工硬化并且這樣的限制迅速發(fā)生，并且不被一種強化材料抵消。幸運地，在高溫下，鋁具有一粘塑性的(與速率有關的)流動應力反應。如果一區(qū)域比它相鄰的區(qū)域更明顯快的變形， 所述相對強度將更高的并且這樣會在某種程度上再分布這些變形。同樣，通過增加所述工藝的全部速度，所述材料將具有一更高的流動應力，該流動應力將牽引材料更有力的圍繞所述模具。最后，在更高的變形速率下加工硬化將更為突出，將沒有加工硬化的最大化，這也與成形速度有關，該速度通過成形深度與成形時間相聯(lián)系。
權利要求
1.一種鋁合金薄板部件的成形方法，包括(i)在加熱點將鋁合金薄板半制品加熱到它的固溶熱處理溫度，以及在合金不在預先時效硬化回火里的情況下，保持固溶熱處理溫度直到固溶熱處理完成，(ii)將所述薄板半制品轉移到一組冷模中并且在離開加熱點10秒內開始成形，目的是使薄板半制品上的熱損失最小，(ill)關閉所述冷模以將薄板半制品成形為成形部件，所述成形過程發(fā)生在少于0. 15 秒內，和(iv)在成形部件冷卻期間將所述成形部件保持在所述閉合模中。
2.根據權利要求1所述的方法，其中將所述成形部件保持在閉合模中的時間足夠長從而能夠使成形部件達到250°C的溫度或更低。
3.根據權利要求2所述的方法，其中將成形部件保持在閉合模中的時間少于4秒。
4.根據權利要求1-3任一條所述的方法，其中用于固溶熱處理的溫度范圍在450到 600°C之間。
5.根據權利要求4所述的方法，其中用于固溶熱處理的溫度范圍在500到550°C之間。
6.根據任何一條在前權利要求所述的方法，其中所述固溶熱處理溫度保持20到60分鐘。
7.根據任何一條在前權利要求所述的方法，其中加熱到固溶熱處理溫度的加熱速度至少為2°C /s。
8.根據任何一條在前權利要求所述的方法，其中將薄板半制品轉移到冷模的時間少于 5秒。
9.根據任何一條在前權利要求所述的方法，其中所述的成形部件在少于10秒內被冷卻到低于200°C。
10.根據任何一條在前權利要求所述的方法，其中所述模具溫度維持不超過150°C。
11.根據任何一條在前權利要求所述的方法，包括附加的人工硬化步驟，所述步驟為加熱所述的成形部件到人工硬化溫度并將成形部件保持在這個溫度直到允許沉淀硬化發(fā)生。
12.根據任何一條在前權利要求所述的方法，其在一包含在2XXX，6XXX和7XXX系列里的可熱處理的鋁合金上進行。
13.根據任何一條在前權利要求所述的方法，其在在一包含在5XXX系列的不可熱處理的鋁合金上進行。
14.通過權利要求1-13任何一條所述的方法獲得的成形部件。
15.根據權利要求14所述的成形部件，是汽車部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁合金薄板構件的成形方法。所述方法包括在加熱點將鋁合金薄板半制品加熱到它的固溶熱處理溫度，在合金不在預先時效硬化回火里的情況下，保持所述的固溶熱處理溫度直到固溶熱處理完成。所述薄板半制品接著轉移到一組冷模中并且在從加熱點離開10秒內開始成形，目的是使薄板半制品的熱損失最小。所述冷模是關閉的以將薄板半制品成形為一成形部件，所述成形的過程發(fā)生在少于0.15秒內。在成形部件冷卻期間所述成形部件保持在閉合模中。對于任何具有微觀結構和通過固溶處理和時效硬化能被有用改進的機械性能的合金，本發(fā)明所要求保護的方法將可以應用。
文檔編號C22F1/18GK102216484SQ200980146268
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月16日 優(yōu)先權日2008年9月19日
發(fā)明者林建國, 特雷沃·A·迪安, 阿利斯泰爾·福斯特 申請人:帝國創(chuàng)新有限公司