加工硬化合金板材的温成形的制作方法

加工硬化合金板材的温成形的制作方法
【专利摘要】本发明描述了适用于由有限成形性的加工硬化板材材料成形复杂部件的方法。该加工硬化板材的成形性通过在升高的温度下成形得到提高。成形温度经过优选选择，以最低限度地消除加工硬化的影响，使得成形的部件比由退火板材成形的类似部件具有更高的强度。本方法适用于时效硬化和非时效硬化铝和镁合金。
【专利说明】
加工硬化合金板材的温成形
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年2月17日提交的标题为"加工硬化合金板材的温成形（Warm Forming of Work-Hardened Sheet Alloys)"的美国临时申请Ν〇·61/940,662的权益，该文 献的全部内容在此通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本发明的技术领域一般涉及加工硬化轻金属合金板材(尤其是铝合金板材)通过 模压的温成形，成为适于用作车辆中的车身面板或结构构件的形状。
【背景技术】
[0004] 汽车和轻型卡车车身和结构元件通常由板材金属组件成形，所述组件厚度可在 0.65毫米（用于外部车身面板)和最高约6毫米（用于车架纵梁）的范围内。每个组件将包括 特性(诸如凹口、半径等)的组合，如出于由结构考虑或审美考虑或者两者兼顾。这些组件通 常通过模压成型，即，将从供应者获得的传入平坦板材放置在一对互补形状的模具之间且 模具在板材上闭合以将期望的形状施予板材。
[0005] 模具定位在可为机械或液压的压力机中，所述压力机交替打开和闭合模具以两次 模压组件且允许传入平坦板材的进料和模压件的移除。用于大型汽车模压件(诸如行李箱 盖)处理周期(进料-模压-移除）可为约6-10秒。应该注意到，模压操作仅将预期三维形状施 予至预期部件。通常需要进一步操作(诸如用以移除过量材料的修剪，或用以创建开口的冲 压）以产生准备好用于装配到车辆中的成品部件或组件。
[0006] 在组件成形的过程中，传入板材金属进行必要量的变形以成形部件设计需要的凹 口、半径等。需要的变形程度可涉及组件中单个特性的几何形状，诸如凹口的深度或半径的 锐利度，或者，在复杂部件中由需要的变形的相互作用以生成多个特性。如果需要的变形超 过板材金属的性能，成形此类复杂部件的尝试可导致板材金属破裂、劈裂或撕裂。
[0007] 相比于较大延展性的板材，较小延展性的板材通常较难成形且更易于导致带有撕 裂和劈裂的模压件。例如，弯曲的成形刚度可与用于此类弯曲的R/T比率相关，其中R为弯曲 的半径而Τ为板材的厚度。平缓曲率的弯曲，诸如20Τ或更大，可无过度困难地成形。然而通 常期望在面板中成形可需要1Τ至8Τ弯曲的更尖锐得多或"更卷曲"得多的特性。此类小半径 弯曲对成形部件(尤其是在较小成形性的材料中）提出更大挑战。这可在组件的所期望复杂 性和用于成功模压组件的传入板材金属的所需要延展性之间产生背离。从以往来看，此情 况已经通过在板材金属最柔软、完全退火条件下使用板材金属来解决，因为该材料将表现 最大延展性。当然，随后，模压组件将处于最小强度。
[0008] 随着对高车辆燃料经济性的需求增加，人们对使用较高强度-重量比率的材料存 在持续的兴趣。转向较高强度-重量比的材料的一种有效方法是用较低密度的材料取代较 高密度的材料，例如用铝合金取代钢，及用镁合金取代铝合金。然而在已经获得从此类取代 得到的最初优势后，进一步改善仅可通过增加合金的强度，尤其是屈服强度来实现。如上所 提及，高强度通常与减少的延展性相关联，使得改善合金的强度可减少其成形性且从而使 其不适用于模压带有复杂特性的部件。
[0009] 通常观察到成形性随着合金强度的这种减少，但当强化从冷成形（即，"7令"进行塑 性变形），或对于铝合金和镁合金，在或约环境温度或在20-25Γ引起的加工硬化的产物时， 尤其明显。
[0010] 因此存在对于成形较高强度材料的复杂部件的需求。

【发明内容】

[0011] 本发明的方法使得轻金属合金的相对薄的、加工硬化的板材成形为坚固的三维制 品。例如，合适的铝合金或镁合金的相对薄的、冷乳制的板材(例如，厚度0.65毫米至6毫米） 可在单个操作中成型为复杂的、三维的形状，诸如用于现今汽车的车身面板或框架构件的 制造中需要的那些。此类成型制品从加工硬化的平坦板材开始成形，所述板材短暂地加热 至温成形温度，且而后立刻模压。即，该板材通过将其闭合在合适形状的未加热、互补模具 之间而成型。
[0012] 该制品需要具有特定三维形状、合适厚度和一定最小屈服强度要求。基于所成形 制品的所需要性能以及合金对预期一系列处理步骤的响应，选择合适的铝合金板材材料或 镁合金板材材料。获得了金属合金的平坦板材，其具有二维形状，适用于放置在对置成型的 模具中以便一步成形为三维模压件，该三维模压件为预期制品的前体形状。
[0013] 制备轻金属合金板材材料中的步骤为冷乳制步骤，冷乳制步骤给板材提供适用于 成形所期望部件的厚度，同时也加工硬化或强化板材。期望的是，所选择的冷乳制板材的屈 服强度大于部件期望的最小屈服强度。
[0014] 冷乳制板材而后快速地加热至温成形温度并至少维持在该温度，直至板材达到均 匀温度。加热时期和温成形温度的持续时间为预定的，以便使板材成形为可接受部件。加热 的目标为临时地软化板材用于在未加热模具构件之间的一步成形操作，同时在加热坯料上 维持加工硬化强度的确定部分。而后，加热坯料迅速地放置在未加热模具之间，且成形为三 维形状。在成形期间，可以预见，由于加热坯料与未加热模具的热交换，可发生坯料的一定 冷却。一旦金属板材中所期望形状已经达到(在数秒的时期内），分离模具并且小心地移除 模压件。然后模压件可进一步在环境空气中冷却至用于进一步处理(诸如修剪外围板材材 料、冲压孔)的温度以成为组件的期望部件。
[0015] 加热加工硬化的合金具有使合金再结晶的能力，或者换种说法，消除加工硬化的 影响且使合金恢复至其软化、退火条件。加工硬化合金的再结晶和软化逐步发生，且再结晶 的程度将取决于温度及板材保持在该温度下的时间这两个因素。本发明的实践的意图为选 择成形温度和/或限制板材暴露于成形温度的时间，以在加热和成形期间限制再结晶并限 制任何强度损失。且由此在模压件中，保留加工硬化强度的可感知部分。
[0016] 但是该成形方法的决定性特性包括:获得冷乳制、板材金属合金坯料的合适机械 性能、短暂地加热坯料至均匀温度并由此为其需要的成形程度软化板材金属、以及迅速地 在未加热模具之间成形加热处理的板材以在所成形部件的识别区域中维持需要的屈服强 度值。根据本发明的实践，在用以成型具有复杂三维形状的制品（诸如汽车车身面板）的温 成形模压步骤中使用加工硬化轻合金板材工件(通常基于镁和铝）。
【附图说明】
[0017] 图la-图Id示意性地示出和比较当在比工艺再结晶温度低的温度成形冷乳制、时 效硬化合金组分时获得的屈服强度和强化贡献，其中借助常规模压合金获得的强度和强化 贡献。
[0018] 图2a_图2b示意性地示出当在比在图1所用的升得较高的温度下成形冷乳制、时效 硬化合金组分时获得的屈服强度和强化贡献。这些结果与用图2c-图2d所示的使用常规模 压合金获得的强度和强化贡献比较。
[0019] 图3以斜视图展示成形的外部行李箱盖面板。
[0020] 图4为板材金属工件从库存区域取出、运送至其预加热至成形温度的加热设备，且 而后放置在未加热的（和，任选地，经润滑的）成形模具之间以便成型为车辆车身面板诸如 外部行李箱盖面板的示意性流程图。
[0021] 图5以截面正视图示出用于成形外部行李箱盖面板的闭合在加热板材金属工件上 的经润滑的、未加热的、互补成形模具。
【具体实施方式】
[0022] 本实施方式中详述的方法解决数个挑战，这些挑战在用轻金属合金板材(且尤其 是由加工硬化强化的铝合金板材）以形成展现复杂形状的模压制品来生产高强度成形部件 的过程中会遇到。此类板材通常由乳成卷材且通常称为坯料的较长长度的板材金属切割。
[0023] 铝合金板材通常通过使厚板(其厚度可在约150-600毫米范围内）经受一连串多次 乳制操作而处理，每一次乳制操作将使厚板的厚度减少某些预定量。第一乳制操作通常是 "热"执行，即，在不诱导加工硬化的升高的温度下。稍后的乳制操作，并且尤其是最后乳制 操作，"冷"执行且得到加工硬化的板材。乳制操作的顺序可经管理以通过管理所需要的减 少程度在冷乳制板材中开发任何所期望强度，从而在最后冷乳制步骤中实现特定板材厚 度。减少越大，冷乳制板材的硬度越大，且成形性越小。
[0024] 传入板材金属的成形或模压性能通常称作"成形性"。成形性涉及适应在板材平面 中的足以使形成期望的部件几何形状的板材坯料应变的能力。此类应变可表达为在板材平 面中两个互相正交主要应变的量级。这些主要应变的方向通常不涉及板材的定向。
[0025] 虽然不存在通用接受的成形性量度(其适用于全部模压件），但具有支撑的一项测 试工序为极限拱顶高度测试(LDHhLDH工序推进半球形冲头进入测试的板材以使初始平坦 的板材成形为拱顶。这延续直到板材在一定拱顶高度破裂，所述高度表征着该冲头可延伸 进入板材的最大和极限距离。极限拱顶高度越大，板材的成形性越大。
[0026] 为了获得随后报告的升高的温度下LDH测试结果，对测试板材加热到某温度，并在 该温度下保持5分钟，然后转移到LDH测试机中。当通过将加热的直径101.6毫米的半球形冲 头以1毫米/秒的速度推进到测试板材中而使测试板材变形时，LDH测试机采用一匹配对的 加热模具以将测试板材夹持在其外围并且诱发双轴拉伸状态。
[0027] 成形性通常也可与拉伸测试中所测量的测试板材的延展性相关联并由其推断，其 中样本沿轴线拉至失效。这是较不严格的成形性测量方法，但与LDH测试相比，更易于进行 拉伸测试，因此拉伸数据通常更容易获得。特别地，样本在失效之前所能经受的总伸长率或 最大伸长程度用百分比表示，用作延展性的测量值。
[0028] 同样已知的是，当加工硬化金属（比如冷乳制板材）'退火'时，也就是说，暴露于 合适的升高的温度下经过适当时间之后，加工硬化可以取消，且金属大体上恢复至其原始 强度和延展性。当在此退火条件下时，镁铝合金描述为处于'0'回火。退火性能恢复的温度 (在该温度下暴露1小时之后）是再结晶温度。当然，这种退火虽然恢复了成形性，但降低了 坯料强度。
[0029] 为了提高成形性，传统处理的铝合金板材在冷乳制之后通常进行退火。通常，期望 完全消除冷乳制和加工硬化效应，并将铝合金恢复至其'〇'回火，然而，也实施局部退火，这 样保持一部分的加工硬化强度，但代价是降低了成形性的改进。
[0030] 本实施方式详细描述的方法旨在减少模压加工硬化的轻合金板材所导致的成形 性和部件强度之间的矛盾。所述方法具体涉及铝合金板材制成的、通过加工硬化加强的复 杂板材金属模压件的成形过程。
[0031] 在实施本发明的过程中，板材应该均匀加工硬化。虽然板材可能单独变形，但最好 直接使用冷乳制板材，无需中间退火，以利用冷乳制处理所施予的加工硬化。这样不仅由于 无需退火处理而提供了经济优势，而且还提供了工艺优势。通过乳制进行的冷加工将提升 沿着卷材(从其切割出板材)长度方向的均匀变形。因此，不仅各个板材或坯料将均匀加工 硬化，而且在合理的生产过程中可以保持(模压)处理条件的一致性，因为从卷材切割出的 每个坯料将大体上相同地进行加工硬化。
[0032] 板材还可以经局部退火，如果经过乳制的板材强度与下文进一步描述的板材的成 形性要求或者预期的模压部件的强度要求不兼容，这将降低其强度，而不完全将其恢复至 '〇'回火。然而，可以优选地选择乳制规程，以获得合适厚度的卷材的期望回火，而无需任何 中间退火。
[0033]因为只有当施加的应力等于或超过第一次加载时实现的终端流动应力时，加工硬 化合金(如果卸载并重新加载)才将在重新加载时开始塑性变形，而加工硬化的合金将始终 强于对应的未变形的退火合金。从先前加工硬化的板材成形制品的一个结果是增加所成形 部件的屈服强度。但是，这种加工硬化的合金将具有降低的成形性，也就是说，成型为复杂 部件而不撕裂或劈裂的能力下降。
[0034] 相对于环境温度大约为20-25Γ下的那些合金的成形性，在适当升高的温度下，通 常从150Γ到300°C，铝和镁合金的延展性或成形性增加。因此，在这种温度下将加工硬化的 坯料成形为模压制品，该处理通常描述为温成形，能够使模压制品具有比环境温度下可行 的更为复杂的形状。这种更易于模压成复杂形状的温成形能力对于先前加工硬化的合金板 材(其本身呈现出降低的延展性)而言可以特别有利。
[0035] 本发明的成形方法的目标是重复成形牢固、复杂模压的制品，这些制品的三维中 的每一维均出现显著弯曲，且通常包括部分具有8毫米或以下的曲率半径的产品。产品形状 的成形只需通过一个模压步骤实现。坯料通常平坦，从平坦乳制材料形成的卷材切割而成， 切割成简单的矩形或梯形形状，或者模切成更为多样的几何结构。起始的板材材料优选为 冷加工或加工硬化的材料，使得其呈现出比类似组分的材料在退火条件下将得到的更大的 屈服强度。
[0036] 可以使用任何商用的铝基合金族。这种合金通常标有字母AA(表示铝业协会），后 面跟4位数代码，第1位数字标明主要的合金元素。基于此第1位数字来描述合金'系列'非常 普遍，可用于板材成形的某些具体的合适合金系列包括AA1XXX(大体上是非合金的，且按重 量计，含有至少99%的铝）、AA5XXX(含镁的合金）、AA6XXX(含镁和硅的合金）、2XXX(含铜的 合金）以及AA7XXX(含锌的合金）。剩下的3位数标明合金元素的具体比例以区分各个成分。 例如，合金AA6111 (标称组分按重量计:铜0.5-0.9 % ;镁0.5-1.0 % ;锰0.1-0.45 % ;硅0.6-1.1% ;剩余为铝和常见杂质)是AA6XXX系列合金的一个实例。
[0037] 铝合金通常归入以下两个类别之一：时效硬化合金，其包括AA2XXX、AA6XXX和 AA7XXX系列合金，以及非时效硬化合金，其包括AA1XXX和AA5XXX系列合金。如上所述，本发 明可以对时效硬化和非时效硬化的所有合金系列的铝合金进行实践。
[0038]非时效硬化铝合金的强度可以由回火名称（例如之前所述的'0'回火)来命名。加 工硬化的铝和镁合金通常由3字符标识符表示，在所有情况下，均以字母'H'（硬化)开头。第 2个字符表示合金硬化所遵循的工序，1表示简单冷加工，2表示冷加工接着进行足以部分 消除加工硬化的退火，并且3表示冷加工接着进行低温加热处理，通常温度在120°C和175°C 之间，足以使加工硬化强度稳定，而不使合金返回其退火或'〇'条件。硬化程度由第3个字符 表示，通常是从1到8,1表示最低强度，8表示最高强度。重要的是，用类似第3个字符表示的 回火具有相同的强度。也就是说，H12合金的强度与H22或H32合金的强度相同，且H16合金的 强度与H26和H36合金的强度相同，等等。
[0039]虽然在成形模压件处理的任何阶段都可能发生强化，但最方便的是，通过管理乳 制处理，对切割出坯料的卷材中的所有板材金属均施予加工硬化。特定的板材减少量可以 与特定的硬度水平相关联。例如，在铝合金中，H18回火通常与厚度减少约75%相关联，H16 与厚度减少50-55 %相关联，H14与厚度减少约35 %相关联，H12与厚度减少20-25 %相关联。 [0040]由于时效硬化合金系列可以通过加热处理进行加强，因此通常不对这些合金通过 加工硬化实施强化。然而，这些时效硬化合金可承受施加在非时效硬化合金上的相同的热 冷乳制实践，本发明的此实践同样适用于时效硬化合金系列。因此，所提供的方法和实例旨 在教导它们应用于(尤其是)所有铝合金，并且应用于所有轻金属合金，通常包括镁基合金。 [0041 ]选择起始的轻金属合金板材材料。所选择的错或镁合金经加工硬化以提供起始原 料，在模压之后，将在模压产品、部件或组件中呈现出期望的强度，但具备足够的成形性以 便在合适的升温成形温度下模压成期望的部件。当多个候选合金都将满足这些要求时，所 选择的合金通常将是模压时形成最高强度部件的那种合金。然而，其它约束因素可能引导 选择选定的特定合金。示例性约束因素可包括但不限于相邻异种合金的腐蚀兼容性、或焊 接问题，例如当将铝合金连接到镁合金上时可能发生的那些问题。
[0042]就在将起始板材材料置于相对的模压模具之间以进行成形操作之前，将起始板材 材料预加热至预定成形温度。根据本发明的实践，根据加工硬化的起始材料的冶金性能，针 对要成形的期望产品形状，确定板材材料的成形温度。
[0043]策略是将起始材料预加热至某温度，这将提升加工硬化合金的成形性以制作特 定的产品形状，同时保持成形产品自其特定的模压操作而冷却之后由加工硬化所产生的大 部分强度。当投入使用时，由此种模压操作而制备的部件将能够在经历塑性变形之前适应 更高的应力，从而呈现出更高的强度-重量比，并伴随着车辆性能的正面效果。
[0044]优选地采用未加热的模具进行成形操作。因此，应该在较短持续时间内（通常最多 数秒)进行成形操作，以尽可能减少成形过程中从工件到模具的热损失。模具可适合安装在 机械压力机中，机械压力机能使模具快速合拢，使坯料快速成形，但可以使用任何适当的快 速动作压力机。
[0045] 当然，应当理解的是，尽管进行加工硬化坯料的加热的目的是提高成形性，但也将 对坯料进行加热处理，并减少坯料和成品部件的强度。因此，优选地对特定厚度的特定工件 的已确定的预加热温度以及对温成形温度漂移的持续时间的组合进行管理，使得成形产品 具有的屈服强度优选地等于或大于退火软化条件下的合金屈服强度的一又四分之一倍。
[0046] 可以通过建模、试验、或经验、或其任何组合来确定有用的温成形温度。所确定的 温成形温度可以具体到特定的加工硬化合金板材材料、待制作的产品形状、以及在产品成 形和冷却之前至少在板材材料中形成均匀温度所需的加热时间。每个成形部件应该满足期 望的强度性能，容许应有的例如由于起始工件的加工硬化结构变化和/或加热炉中温度变 化所可能导致的部件到部件的强度变化。
[0047]在第一说明性示例中，考虑成形加工硬化的AA5083 (以重量计算，标称地包含 0.4-1.0 %的锰、4-4.9 %的镁，剩余为铝和不可避免的杂质），非时效硬化合金在H18回火下 冷乳制至1.4毫米的厚度。这种板材大体上已经加工硬化至其延展性的极限，从而使得即使 是在环境温度下的最小进一步的变形都会快速地导致该板材失效。在这里，基于洛氏硬度 "B"级且在环境温度下测量的硬度(HRB)用作替代以下强度:其具有不断增加的硬度数字， 表示不断增加的强度。表1中示出的数据示出：在将AA5083-H18合金的测试板材加热至一系 列升高的温度并且在测试之前使其在温度下保持5分钟之后，在LDH测试中测量的极限拱顶 高度（以毫米计算）。示出了加热至相同温度的类似板材在暴露至这些温度下5分钟之后(与 LDH测试条件相对应)和15分钟之后的硬度响应。
[0048]如表1所示，与相同合金在其退火状态或者'0'回火下的约36HRB的硬度相比， AA5083H18最初具有约63HRB的硬度。本领域的技术人员将理解，测试标称相同的样品时获 得的硬度结果将会存在一些变化。该变化可以高达±1.5HRB。在温度升高至300°C使H18合 金退火五分钟过程中，随着退火温度不断增加，硬度起初缓慢地减小，退火温度为250°C时 硬度减小至约58HRB。但是，随着退火温度进一步增加，硬度极大地下降，例如，在300°C的退 火温度时下降至约34HRB。然而，如LDH(极限拱顶高度)测量值所示，成形性随着退火温度的 增加而增加，并且甚至在250°C时显示出显著的且超出预期大的最大值。事实上，H18回火 5083合金在250°C时的LDH(46.9毫米)大于同样在250°C下进行测试的'0'回火5083合金的 LDH(产生的LDH为38.7毫米）。
[0049]因此，如果加热至250°C且经模压的5083-H18板材具有足够的成形性以便成形复 杂形状，同时，保持极大部分提供的加工硬化强度，则在250°C下的暴露时间限制为约5分 钟。进一步地，即使使用了 15分钟的延长退火时间，这些强度保留也不会明显地减小。因此， 该处理对加热时间（诸如，在工业环境中实施期间所引起)不可避免的少量增加具有耐受 性。
[0050]表 1
[0051]
[0053] 在第二说明性示例中，考虑1.1毫米厚的时效硬化合金AA6061(通过冷乳制重度冷 加工)对于等效于H18回火的条件的响应。再次，将该板材加热至测试温度，在温度下保持5 分钟并且然后进行测试。表2结果示出：测试温度、最大或者极限拱顶高度、合金在该高温下 暴露5分钟之后的屈服强度、以及这些相同合金在加热之后的HRB硬度（用于作比较）。如表2 所示，在100°C和150°C的温度下，在保持在温度下5分钟之后，这些重度冷加工的AA6061合 金在成形时在LDH测试中表现出最小拱顶高度。
[0054] 表 2
[0055]
[0056] 即使在加热至这些温度之后，该合金的屈服强度仍保持在约300MPa，表示最小强 度损失。在200°C成形时引起拱顶高度的一些提高，其中在250°C下可观察到拱顶高度的明 显提高。在250°C下的拱顶高度几乎比在100°C下成形时可获得的拱顶高度高50%。此外， 成形性的这一改善是在保持246MPa的屈服强度的同时获得的，该屈服强度相对于100°C下 的屈服强度的减小少于20%。相比较而言，完全时效AA6061-T6合金（即，处于其最大强度条 件下的AA6061合金)表现出约276MPa的典型屈服强度。如后文将详细描述的，由于产品温成 形加工硬化模压件预计会在设置汽车涂漆的处理期间发挥时效，所以温成形加工硬化 AA6061模压在这一时效之后可能预计会与AA6061-T6合金的强度相匹配或者超过该强度。
[0057] 特别地，所公开的方法涉及，在大于环境温度且足以允许成形性改善的温度下，成 形加工硬化铝合金板材或坯料(例如AA6061)，同时，保持由此前在模压制品以及成形部件 中的加工硬化而引起的大部分强度。成形部件中的板材的加工硬化强度贡献的任何部分的 保留均将产生如下部件:该部件具有的屈服强度大于从类似组分的板材在其退火条件下成 形的类似部件的屈服强度。
[0058] 在本发明的随后部分中，术语"强度"指的是模压制品或者成形部件在约20°C与 250°C之间的环境温度下的屈服强度。屈服强度是如下应力：该应力在部件或者板材中引起 塑性或者不可复原的应变，并且容易通过使用拉伸测试来确定，在拉伸测试中，适当成型的 样本拉到失效。
[0059] 更加具体地，在本发明的实践中，大体上均匀的加工硬化铝合金板材或者坯料首 先加热至大于环境温度的成形温度。成形温度选择为诸如用以促进更高的延展性，该延展 性大于室温下可用的延展性，从而板材可以成形为某一适当复杂度的模压制品。模压是通 过使用安装在机械压力机中的互补的、通常润滑的、未加热的模具在高应变率下执行，以便 最小化板材到模具的热量损失。接着可从模具上移除模压制品并且允许其冷却。通常，在大 体上的静止的空气中会自然地发生冷却，但也可通过应用强制空气冷却或者液体喷雾组分 来进行冷却。如果适当，则该制品或者部件也可以保持在闭合模具之间以促进快速冷却。接 着，成型制品可以经受研制成品部件必需的任何进一步处理，例如，修剪、冲压等。
[0060] 再结晶在前面描述为如下过程:该过程撤销冷加工的效果并且将材料性能恢复到 当材料处于未变形状态下时获得的材料性能。再结晶在升高的温度下出现并且随着时间 的推移不断进行，在同步地增加其延展性的同时逐渐减小金属或者合金的强度。如先前所 描述的，按照惯例，再结晶温度的发布值是基于在温度下一小时的时间。但是，由于再结晶 是一种热激活过程，所以再结晶温度和再结晶时间成反比关系。因此，针对例如5-10分钟的 较短加热时间，再结晶温度将会大于手册值或者发布值。期望的是，用于实践本发明的处理 时间，包括加热时间和成形时间，将小于10分钟。在实践本发明期间再结晶出现(即，完全撤 销加工硬化的效果)的加热/成形温度将称作工艺再结晶温度，以便将其与基于暴露至温度 下一小时的传统再结晶温度区分开来。由于工艺再结晶温度与在加热和模压处理持续时间 中完全使合金再结晶的温度相对应，所以成形温度将优选地选择为小于工艺再结晶温度。
[0061]进一步地，再结晶温度还取决于冷加工程度。重度冷加工或者加工硬化的金属和 合金(例如，H18回火合金)比轻微加工硬化的金属和合金(例如，H12回火合金)更容易再结 晶。因此，重度冷加工金属或者合金的再结晶温度将低于相同组分的轻微冷加工金属或者 合金的再结晶温度。针对工艺再结晶温度也观察到类似的效果。
[0062]模压可在使用或者不使用润滑剂的情况下执行。如果使用了润滑剂，则优选的是， 润滑剂与诸如焊接和涂漆等下游处理相兼容，或者在模压之后可容易地被移除以便使清洁 多余润滑剂所需要的精力最小化。如下共同受让的同时待审的申请14/174,888中描述了一 种适当的方法，其以引用的方式并入本文。
[0063] 所选择的铝合金必须满足的需要的成形要求可以通过如下方法来确定:计算机建 模、实验、或者经验、或者这些方法的任意组合。如果模具几何结构是已知的，则可以将模具 几何机构的数字化代表以及润滑条件输入到基于有限元(FE)的成形模型中，以便确定稳固 无劈裂的模压制品中产生的应变。建模化模压制品中的最大应变的知识接着可以（通常与 特定回火下的特定合金的成形极限图(FLD)等结合)用于评估该部件的成形刚度。该成形刚 度估算接着用于引导恰当铝合金和成形温度的选择，如下文将详细描述。在已经生产出物 理模具的一些示例中，可以通过如下方式大体上物理地再现上面的过程:通过使用高成形 性合金和选择的润滑剂来再次映射出所产生的应变以便引导对合金和成形温度的选择。这 种建模或者实验方法是本领域的技术人员公知的。
[0064] 通过成形条件的知识，可以选择适合于所讨论部件的成形刚度的合金和成形温度 选择。这种温度和合金可以通过意在使用的一系列铝合金的任何一种的成形性与成形温度 之间的预定关系来确定。该工序还应包含合金的回火。适当的方法可以包括:例如，将成形 部件中的预期应变与候选合金和回火的成形极限图（FLD)进行比较。成形部件应变不应超 过失效应变，并且更加优选地不应超过用于特定合金和回火在相关成形温度的考虑因素下 在FLD的安全区域中的应变。
[0065]如果建模数据可用，允许对部件应力以及应变建模的情况下，使用基于应力的成 形极限图(FLD)的基于应力的方法优于基于应变的方法。应该理解，冷乳制板材的成形将导 致应变路径发生变化，这就使得基于应力的分析可能更加适当。当然，如果由于要与邻接部 件相兼容或者由于经济原因而期望使用特定合金，则对成形关系的调查将仅限于特定合 金。
[0066] 一旦合金和成形温度已经选定，板材的回火就可以确定。这样做的目的是始终保 持温成形之后足够的加工硬化贡献，以保持部件强度大于其'〇'回火的合金的强度。优选 地，部件应具有至少为其'0'回火的合金的一又四分之一倍的强度，越高的强度越优选。然 而，应当指出的是，即使加工硬化完全由温成形消除且部件强度不大于使用'0'回火合金进 行模压的强度，由于消除冷乳制板材的退火步骤，温成形也仍然可能有一些有益效果。
[0067] 该优选部件强度应该不需要依赖模压过程中产生的进一步变形而实现。任何模压 制品的局部区域，例如急转弯曲25或如图3的车辆外部行李箱盖面板100中示出的牌照凹穴 20的特性，可能在成形过程中遇到显著的附加应变。但很常见的是，模压部件中大的区域， 诸如图3的水平部分5,在成形时只遇到最小的应变。模压制品的此类基本上不变形部分，如 水平部分5,只能靠暴露在温成形过程后的板材中剩下的冷加工那部分来达到优选的部件 强度目标。
[0068] 为了简单起见，工序将首先使用另一种非时效合金AA5182_0(标称组分以重量计 为：4-5%的镁；0.2-0.5 %的锰；余量为铝和不可避免杂质）示出，这是一种具有约130-140Mpa屈服强度的合金。5182-0的选择是例证性的而不是限制性的，并且下文详述的工序 旨在同样地适用于任何非时效错合金，不管它们是否属于ΑΑ1χχχ、ΑΑ3ΧΧΧ、ΑΑ4χχχ亦或 AA5xxx系列合金。
[0069] 一旦选定合金后(在本实例中为AA5182)，适当的成形温度就被选定。成形温度应 基于部件的成形刚度和适当板材回火的成形性或拉伸延展性来选择。
[0070] 当选定成形温度，下一个要进行的判定是H18回火的工艺再结晶温度是低于还是 高于成形温度。如果H18工艺再结晶温度高于成形温度，则应在H18回火中使用合金以获得 由于加工硬化产生的最大强化。
[0071] 如果H18工艺再结晶温度低于成形温度，但成形温度低于H14工艺再结晶温度，则 应在H14回火中使用合金，因为合金在该次回火中将保留其由于加工硬化产生的大部分强 度并因此满足强度要求。
[0072] 如果H14工艺再结晶温度低于成形温度，则仍要考虑H12回火，因为H12回火的低加 工硬化将导致较低的工艺再结晶温度，其可能低于成形温度。如上所述，H32回火中的5182 根据不同的工艺再结晶温度具有235Mpa左右的屈服强度，并且因此能够满足对所成形部件 165-175Mpa的强度要求。如果HX2回火，其中X是任何回火指定1、2和3,不能满足成形部件的 强度要求，则有三个选项:反复选择另一种合金并重复上面的工序;选择不同的成形温度并 重复以上工序;或者，放松强度目标至不小于'0'回火合金的强度，以适应所审查的合金，本 实例中指5182-0。
[0073] 也可能的是，多于一种合金适合于成形特定部件。在这种情况下，可能优选的是， 选择那种发展出最高绝对强度的合金。然而，在一些情况下，出于，例如，接合、焊接或腐蚀 方面的考虑，绝对强度较低的部件可能是优选的。但是，如果接合、焊接或腐蚀方面的考虑 涉及合金族，例如6XXX，而不是合金族中特定的一种合金，可能仍会有一些机会通过适当地 选择优选合金族内的特定合金来最大限度地提高强度。
[0074] 因加工硬化引起的强度增量也可以有利地有助于采用时效硬化合金，即ΑΑ2χΧΧ、 AA6xxx、AA7xxx或AA8xxx合金的部件或组件的强度。然而，因为这些合金的常规处理由于时 效而施予了强度增量，所以也应考虑到工艺温度对这种合金时效响应的影响。
[0075] 时效硬化的合金经受由供应者进行的升高的温度下固溶加热处理，以溶解铝基质 中合金元素的至少一部分并保留这些元素在室温下的亚稳溶液中。在适当的时间-温度组 合下，这些亚稳溶质会从溶液中出来并成形强化沉淀以增加合金强度。
[0076]因此，采用时效硬化合金的部件的强度将得益于合金从供应者转变过程中的室温 时效响应、模压过程中发生的变形，以及油漆烘烤处理期间的第二时效响应，通常在约180 °(：左右的温度下约20分钟，用来烘烤或设置车辆油漆。在温度明显高于约250Γ左右时，发 生过度时效，使该时效过程对增加合金强度的效用减少，甚至无效。
[0077]因此，对于加工硬化的时效合金来说，优选保持250°C或更低的工艺温度，以便在 留存加工硬化产生的额外强度增量以外，保持时效的显著的强度贡献。当然，这也限制了为 非时效硬化合金选择上述适当合金和合金回火的工序。
[0078]在时效合金的成形性不足以通过250°C温度及以下的模压开发出部件的特性的情 况下，可适当地使用较高的温度。该较高的温度可促进合金添加物的固溶，这样如果模压制 品可以快速冷却，例如通过强制空气冷却、蒸气喷雾或甚至通过与冷模具热连通，一些溶解 的合金可以保留在溶液中，使得可以在油漆烘干周期期间实现较大的时效响应。这些结果 在图la -图Id和图2a-图2d中不意性地不出。
[0079]在图la-图Id和图2a_图2d的每一个图中，合金的屈服强度(例如，如拉伸试验中所 测定的）由条的整体高度指示，而屈服强度的单独贡献由条的各个部分指示。
[0080] 图la和图lb示意性地示出了时效合金组分的温成形、加工硬化板材在低于工艺再 结晶温度的温度下的强度和强度贡献。这些可以与图1C和图Id(其示出了常规模压材料的 类似数据）中所示的例证性数据进行比较。
[0081] 最初加工硬化板材将具有如图la所示的强度，包括再结晶基本强度2(典型的'0' 回火），向其中加入一个加工硬化贡献4。在图lb中所示的成品部件强度将包括成形2'后基 本强度的贡献，以及保留的加工硬化4'和时效6、8的贡献。图lb中所示的加工硬化贡献4'因 为某些成形温度引起的软化而小于图la所示。但是，因为温成形是在适合于该合金时效的 温度下进行的，所以存在对时效硬化6所产生的整体强度的贡献。由于油漆烘烤8期间发生 的附加时效硬化（图lb)，还存在对强度的又一增加。可以指出，成形2'之后的基本强度与再 结晶基本强度2有些不同。这是适当的，因为，如上所述，模压制品所经历的变形通常是不均 匀的，任何模压制品的大部分经受最小化变形并非不常见，因此经受最小强化。当然，模压 制品在成形过程中经历明显变形的那些部分将表现出较高的强度。
[0082] 油漆烘烤过程中发生的附加硬化可以基于经验、实验或建模进行预测或预期，并 且可以在实践本发明过程中选择合适的时效硬化合金组分和回火时来考虑，用于确定所述 部件的强度。
[0083]常规处理合金的强度演进（"现有技术"）在图lc、ld中示出。最初，合金具有等于再 结晶基本强度2(在图lc中示出）的强度。在成形与经受油漆烘烤的周期中，将由油漆烘烤8' 期间的时效硬化所产生的强度贡献添加到成形2'之后的基本强度，以产生图Id中由条的长 度指示的最终强度。再次，示出的强度代表了模压制品在成形过程中经受最小变形及最小 强化的那些部分。在图lb和图Id示出的条的相对高度的比较中示意性地示出了强度增加 9， 其可通过实践本发明的方法来实现。
[0084]图2a_图2d示出了在较高温度下进行的成形处理的类似比较。升得较高的温度显 著降低了对成品部件的强度贡献（图2b)。加工硬化贡献4"随着油漆烘烤处理8"过程中时效 范围的减小显著减小。然而，即使在这种情况下，这些减弱的强度贡献可以使部件强度与常 规获得的基本上相同（图2d)。在这种情况下，如果所述的温成形实践将实现更简单、推测成 本更低的上游处理，那么遵循该实践仍然可能是有益的。
[0085]至于在非时效硬化合金的情况下，多于一种合金可以是成形部件的合适候选合 金。再次，合金的最终选择可能鉴于对绝对强度、接合、腐蚀，或适于部件、该部件在车辆上 的位置和功能的其他工程属性的考虑。
[0086]图3和图4示出了一种合适的处理方案，该方案通过参照代表那些模压件的外部行 李箱盖面板示出，这些模压件受益于本发明的实践。为简单起见，外部行李箱盖面板示为成 品部件，即在一些后成形处理(包括修剪多余的材料以实现成品部件的预期轮廓)之后的状 态。然而，这些后成形步骤不改变成形过程中获得的成形三维部件形状。
[0087] 车辆外部行李箱盖面板100(图3)通常具有用于围封车辆存放区的顶部的大致上 水平部分5以及用于围封存放区的后部并且成形车辆的临界后表面的大致上垂直部分15。 外部行李箱盖面板的垂直表面通常具有用于施用牌照的缺口区域20。并且行李箱盖面板的 水平和垂直部分两者均通常在它们的前后方向和它们的横向主体方向上具有复杂曲率。另 外，由于金属合金面板的形状从其水平区域进行至其垂直区域，面板可以具有脊部25或成 形跨过面板宽度的段，其中所述段具有相对较小的曲率半径。优选地，诸如与缺口区域20相 关联的半径的这些脊部或类似脊部特性将具有从1T至8T的半径范围，其中T是板材半径。因 此一毫米厚板材中的2T半径对应于2毫米半径。应当明白的是，由于这些急转半径弯曲，诸 如缺口区域20、牌照包和脊部25的区域的成形具有挑战性。
[0088] 图4说明根据本发明的惯例的此行李箱盖的成形。加工硬化的板材金属工件或坯 料30(通常平坦)是从位于成形操作附近的这些工件的供应器输送至加热炉32或其它合适 的加热设备。板材金属工件30的厚度可以在从约0.65毫米至6毫米的范围中并且具有将由 模架10的成形模具12、14的成形表面20、24接合的相对平坦表面50、52。如图4中说明的加热 炉32设置有加热元件34以将工件30快速地加热至指定成形温度，指定成形温度取决于部件 几何形状、成形合金和部件强度。指定成形温度是如先前所述般被确定。板材金属工件30是 通过合适的承载装置(未说明）通过加热炉32的入口 36输送至加热室38中。板材金属工件30 保持在加热室38中持续指定加热时间并且接着通过出口 40从加热炉32中移除。
[0089]加热工件30'接着迅速地放置在成形模具12、14的模具表面20、24之间。通常，完 成加热工件30'从加热室38至模架10的转移将具有很少或不具有延迟以最小化转移期间的 任何热量损耗。
[0090] 模具表面20、24中的一个或两个可以涂敷有润滑膜26(仅在表面20、24的一部分上 方示出）。或者，虽然次优选，但是润滑剂可以施用至板材表面50、52中的一个或两个。如图5 所示，模具12、14安装在压力机(未说明）、优选地机械压力机或其它合适的快关式压力机中 以最小化成形期间从板材至模具的热量损耗。模具12、14通过它们抵着加热板材金属工件 30'的上表面50和下表面52的压力机机构的动作而闭合，使得加热工件30'可以成形为用于 汽车外部行李箱盖面板1〇〇(图3)。
[0091] 应当明白的是，运用配备有适当的板材进料和模压制品移除机构的机械压力机， 以高达每分钟6至10个模压件的速率快速地模压更大制品（诸如所示的行李箱盖)是可行 的。这意味着模压制品的生产速率基本上由压力机操作的速率支配，其中下一个工件从加 热室至压力机的转移发生在先前制品的成形和转移期间。在使用机械压力机的典型生产速 率下，对于大制品来说6至10秒钟左右的循环时间是很通常的。因此，从加热室中移除加热 工件与模压该部件之间可以预期约6-10秒钟的延迟。
[0092]相比之下，预期个别板材的加热时间为以分钟的顺序进行。因此，应当明白的是图 中所示的单个板材和单个熔炉仅旨在是说明性的而并无代表性。满足额定模压速率将需要 使用快速加热方法，诸如感应加热、多个平行熔炉，每个熔炉能够处理单个板材，或优选地 一个或多个熔炉能够一次存放和加热多个板材。
[0093]本发明的实践已通过其应用于铝合金而说明，但是本领域技术人员应当明白，本 发明不限于仅铝合金，而是可以应用于大范围的冷加工板材材料。汽车行业所关注的一种 合适的板材材料是镁合金，并且明确指示本发明的范围至少涵盖镁和镁合金板材产品。
【主权项】
1. 一种由轻金属合金的加工硬化、冷乳制的坯料成形具有三维特性的模压制品的方 法，且在所述制品的选定位置中具有指定环境温度屈服强度，所述方法包括： 提供轻金属合金板材的坯料，所述坯料经加工硬化至大于所述指定环境温度、制品屈 服强度的环境温度屈服强度； 将所述坯料加热至大于环境温度的成形温度，这样足以在单个模压操作中成形所述模 压制品的所有所述三维特性而不会引发所述模压制品中的任何劈裂或撕裂； 将所述坯料维持在所述成形温度下持续至少足以在所述坯料中建立均匀温度的时间， 所述成形温度小于所述加工硬化轻金属合金的所述工艺再结晶温度； 将所述加热坯料转移至包括互补未加热模具的模架，将所述坯料放置在所述模具之间 并且关闭所述模具以成形所述部件，接着将所述模压制品冷却至环境温度； 选择所述冷乳制坯料的所述加工硬化来在模压之后产生所述模压制品的所述指定环 境温度屈服强度，所述指定环境温度屈服强度大于在环境温度下由类似轻金属合金的退火 坯料模压的类似形状的制品的所述环境温度屈服强度。2. 根据权利要求1所述的方法，其中轻金属合金的所述加工硬化、冷乳制坯料是铝合金 或镁合金。3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述铝合金经加工硬化至H1X、H2X和H3X回火中的 一种，其中X是1、2、3、4、5、6、7和8中的任何一个数值。4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述错合金是由AA2xxx合金、AA6xxx合金、AA7xxx 合金和AA8xxx合金中的一种组成的时效硬化合金。5. 根据权利要求3所述的方法，其中所述错合金是由AAlxxx合金、AA3xxx合金、AA4xxx 合金和AA5xxx合金中的一种组成的非时效硬化合金。6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述制品的成形刚度是使用所述模压制品中产生 的计算出的应力或应变或经实验确定的应变力进行分析，且所述成形温度选择为适用于成 形所述经分析刚度的所述制品。7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述温度和加热时间选择为，通过限制因再结晶而 产生的强度损耗并启用时效硬化，将所述加工硬化坯料屈服强度维持成大于所述预定屈服 强度。8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述坯料维持在所述成形温度下持续5到15分钟。9. 一种由冷加工、加工硬化轻金属合金板材或坯料温成形三维轻合金、模压制品的方 法，所述制品在环境温度下测试时在一个或多个选定位置处具有一个或多个预选定屈服强 度，每个所述预选定屈服强度均等于或大于在环境温度下由类似轻金属合金的退火坯料模 压的类似形状的制品的类似选定位置处的所述环境温度屈服强度的一又四分之一倍，所述 方法包括： 提供轻金属合金板材的坯料，所述坯料经加工硬化至大于所述最小预选定制品屈服强 度一又四分之一倍的环境温度屈服强度； 将所述坯料加热至成形温度，这样足以在单个模压操作中成形所述模压制品的所有所 述三维特性而不会引发所述模压制品中的任何劈裂或撕裂； 将所述坯料维持在所述成形温度下持续至少足以在所述坯料中建立均匀温度的时间， 所述成形温度小于所述加工硬化轻金属合金的所述工艺再结晶温度； 将所述加热坯料转移至包括互补未加热模具的模架，将所述坯料放置在所述模具之间 并且关闭所述模具以成形所述部件，接着将所述模压制品冷却至环境温度； 所述冷乳制坯料的所述加工硬化选择为在模压之后产生所述模压制品的所述预选定 屈服强度。10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述加工硬化板材或坯料包括冷乳制铝合金。11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述铝合金经加工硬化至H1X、H2X和H3X回火中 的一种，其中X是1、2、3、4、5、6、7和8中的任何一个数值。12. 根据权利要求9所述的方法，其中所述加工硬化板材或坯料包括镁合金。13. 根据权利要求10所述的方法，其中所述错合金是由AA2xxx合金、AA6xxx合金、 AA7xxx合金和AA8xxx合金中的一种组成的时效硬化合金。14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述错合金是由AAIxxx合金、AA3xxx合金、 AA4xxx合金和AA5xxx合金中的一种组成的非时效硬化合金。15. 根据权利要求9所述的方法，其中所述模压制品从所述互补模具之间移除并且通过 施用强制空气或通过施用液体喷雾组分进一步冷却。16. 根据权利要求13所述的方法，其中所述成形温度和加热时间选择为促进模压之后 的所述模压制品中的时效硬化。17. 根据权利要求13所述的方法，其中所述铝合金是AA6111。18. -种用于由冷乳制、加工硬化板材或坯料温成形无劈裂和撕裂的模压制品而反复 地选择合金组分、回火和成形温度的方法，所述模压制品在所述模压制品内的位置处具有 预选定环境温度屈服强度，所述预选定环境温度屈服强度大于在环境温度下由类似合金组 分的退火板材或坯料模压的类似制品的类似位置处的所述环境温度屈服强度，所述方法包 括以下步骤： a) 评估所述制品的所述成形刚度； b) 比较所述制品的所述成形刚度与第一多种候选材料的所述成形性，每种候选材料包 括合金组分和回火，且基于所述比较，选择大于环境温度的成形工艺温度，并且从所述第一 多种候选材料中选择在所述成形工艺温度下成形性足够的第二多种候选材料以成形所述 部件且不会引发劈裂和/或撕裂； c) 从所述第二多种候选材料中识别在所述选定成形工艺温度下成形之后维持指定位 置处的环境温度屈服应力的一种或多种材料，所述环境温度屈服应力大于在环境温度下由 类似组分的退火坯料成形的类似模压制品的所述指定位置处的所述环境温度屈服应力；以 及 d) 从所述已识别的一种或多种成形及强度达标的材料中选择一种材料，所述选择的材 料选择地为一种或多种成形及强度达标的材料，所述材料成形后具有最高绝对屈服应力， 或者，如果所述所识别的一种或多种材料均无法满足步骤c)的强度要求，则返回到步骤b)， 选择较低的成形过程温度，并继续执行步骤b)到步骤d)，直到选出一种材料。19. 根据权利要求18所述的方法，其进一步包括，在步骤c)，对于时效硬化合金而言，鉴 于油漆烘烤的过程中产生的老化，将任何预期强度增加添加到由所述加工硬化板材在所述 工艺温度下成形的所述制品的指定位置、环境温度以及屈服应力。20. 根据权利要求19所述的方法，其中至少一种所述候选板材合金为AA6111型合金。
【文档编号】B21D53/88GK105960294SQ201580007137
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年2月17日
【发明人】A·K·萨克德夫, J·E·卡斯利, R·K·米什拉, J·T·卡特
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司