CN101977707B - 金属合金薄板的热成型工艺 - Google Patents

Abstract

镁和其他金属合金薄板材料在热成型温度变形成车辆车体板和其他物品。很多这种热成型操作通过确定薄板材料的静态再结晶温度而在速度和产品质量上得到改进。当薄板材料被加热到其热成型温度时，在静态再结晶温度以下开始变形。当继续加热和变形时，工件的动态再结晶发生并且变形可更快且更大程度地进行。

Description

金属合金薄板的热成型工艺

技术领域

本发明涉及使用预定热成型温度的镁合金薄板其他金属合金薄板材料的热成型。更具体地，本发明涉及以选定的相对于其再结晶温度更低的温度引发加热的金属薄板工件的变形以及在预定的高成型温度结束该变形步骤的实践。

背景技术

将相对轻质铝合金和镁合金薄板材料成型到例如汽车车体板中是令人感兴趣的。这种板可由具有例如大约1000mmx1500mmx1-3mm标称尺寸的最初平的金属薄板坯料成型。迄今为止，汽车制造工程师对于由铝板合金成型车体板已经很有经验，尽管镁合金在与铝合金大约相同的温度范围是可热成型的并且进一步减轻了重量。

成型大的薄的板的困难很大程度上取决于板形状的复杂性、需要引入到金属薄板坯料的变形的程度。一些板形状(像发动机部件罩)经常能够通过在互补的面对的成型模具之间冲压铝合金薄板坯料成型而不用预加热工件。模具的一个或两个具有凸(撞锤式)表面，其将金属薄板伸展到对面工具的凹表面中并靠着该凹表面。该冲压在制造点的环境温度下进行。其他更复杂的板形状需要工件被预加热以热冲压或热吹成型。铝制车辆升降门和门板经常需要高成型温度来使薄板材料变形成装饰或功能性板形状。

镁或铝金属薄板的热吹成型典型地包含在预加热炉中将薄板加热到约500℃，机器人地将该薄板转移到面对模具之间的位置，该模具也被加热到大约相同的温度，在两半模具之间夹薄板以产生气密密封，然后将气压施加到薄板的一侧以将其吹到对面的模具腔中以成型希望的形状。随后，气压被释放，模具被打开，成型的板被移走并允许被冷却。替代地，在一些情况中，代替使用预加热炉，薄板可通过热模具被加热。在任一情况中，薄板典型地被加热到约500℃，然后在施加成型压力之前在该温度下保持一段较短的时间以确保温度均匀。工件典型地(如果不是已经完全退火)在变形之前经历静态再结晶，然后再结晶的晶粒结构经历变形。这种实践以适合成分和热机械历史的铝合金成功地使用。

在通过热冲压的成型中，镁或镁合金薄板材料经常被预加热到低于约350℃的温度并在相对压板上进行的加热互补成型模具之间冲压并维持在特定成型温度。而且，如果工件没有已经完全退火且预处理温度高于静态再结晶温度，工件将在任何变形之前经历静态再结晶。基于压力闭合，加热薄板由至少一个模具表面接触，其靠对面的表面撞击且伸展薄板。当在热吹成型时，薄板工件和热冲压工具在工件开始变形之前处于特定热冲压温度。

这些热成型实践对于铝薄板合金已经得到了很好的发展，并且完全预加热工件容易成形为复杂形状的车体板。但是镁薄板合金的这种热成型总体来说发展较为缓慢，并且更容易应用到以低形状复杂度的板成型中。

发明内容

本发明已经设计为镁金属薄板合金的高温成型，但是金属薄板成型方法还可应用到铝合金。金属薄板合金典型地约为1-3毫米厚。

在金属薄板成型广泛可用的镁合金是指定合金AZ31B。该合金的标称重量组成为约3％铝，1％锌，有限量杂质，以及平衡的镁。商售的是相对软的完全退火的O状态和相对硬的部分退火的H24状态。本发明的热成型方法的实践将示出为以O状态和H24状态应用到AZ31B合金，但是本发明的实用性不限于AZ31B材料或甚至不限于镁合金。

在镁合金薄板材料(或其他金属薄板材料)的热成型车间中，金属薄板坯料从处于环境温度(例如，约18℃到约30℃，取决于地理位置和原因)的仓库取出并准备用于指定热成型操作。这种准备可包括坯料的清洁和润滑涂层。希望的成型温度对于金属合金的组成和状态是预指定或预定的。成型温度对于热吹成型可例如为约500℃或对于热冲压可为约350℃。一个或多个准备的金属薄板坯料然后在准备中被加热用于热成型。在一个实施例中，这种加热可在将坯料机器人放置在加热的成型工具上之前在预加热炉中完成。在另一实施例中，坯料可由热成型工具(一个或多个)加热。但是，根据本发明，镁合金坯料在坯料的变形开始之前不被允许达到其特定热成型温度。坯料的变形在工件达到其静态再结晶温度之前开始。这种初始变形用于促进开始工件的动态再结晶。加热和连续变形继续在一起(平行)且热成型在特定热变形温度完成。

根据本发明，发现通过在静态再结晶开始之前，开始在镁合金薄板材料上的变形，成型工艺可更快速地进行且可在工件中获得更大的变形和产品成形。通过在工件中以预定温度区域开始变形，动态再结晶(而不是静态再结晶)在低温下起始。动态诱发再结晶继续为加热且变形在板或其他制造品的热成型期间被继续。其益处在于在更短的变形时段内在工件中可成型更复杂的形状。

在本发明的实践中，镁合金薄板组成和状态被选择而用于车体板或其他金属薄板制品的热成型。在使用者不熟悉材料的热成型性的情况下，金属薄板样品可经受适当的加热和成型测试以确定用于该材料的加热和热变形工序。在AZ31B薄板材料的热吹成型的情况下，会希望逐渐加热薄板坯料到约500℃，同时例如在约250℃至约350℃开始变形。以举例方式，总加热时段可约为四分钟，其中在最后两分钟期间进行成型。热吹成型中的成型率可通过控制气压(或其他流体压力)的施加率并控制工件加热期间的总压力而管理。热冲压中的成型率可通过在工件加热期间在选定温度的撞击运动而管理。

本发明的其他实施例和优点将从某些说明性实施例的详细描述中变得明显。

附图说明

图1是示出了根据本发明是加热和变形金属薄板工件的定时的图。y轴表示任意单位的薄板的温度或变形，x轴表示任意单位的时间。工件被加热到预定温度(实线)，然后保持在大约该温度。根据本发明(长短线虚线)，在工件被加热到其预定温度之前开始变形。在现有技术实践中(虚线)，在变形开始之前工件被加热到其预定温度。

图2A是半球形圆顶的照片，其通过现有技术实践被吹入AZ31B薄板材料中，所述现有技术实践为在施加气压到加热坯料的侧面之前在模具中将金属薄板加热到450℃以热吹成型该圆顶形状。

图2B是半球形圆顶的照片，其通过本发明实践被吹入AZ31B薄板材料中，所述本发明实践为在模具中将金属薄板加热到450℃，但是在其温度达到250-300℃时施加气压到加热坯料的侧面。坯料的加热和变形继续热吹成型该圆顶形状。

图3A是图2A所示圆顶的AZ31B材料剖面的显微照片。

图3B是图2B所示圆顶的AZ31B材料剖面的显微照片。

图4是通过AZ31B-H24薄板热吹成型制成的车辆行李箱盖内板的倾斜视图。该视图是在其被修整和穿孔之后的成型行李箱盖板。

图5是示出了不同热吹成型实践的曲线，其中在制造图4所示行李箱盖中施加气压随时间变化。该曲线示出了在成型三种不同行李箱盖内板的三种不同的气压(单位为psi)对时间(单位为秒)序列。

具体实施方式

传统地，热金属成型工艺包含将工件加热到某种高温，保持其在该温度下一段较短时间，然后在该温度使其变形以成型有用的形状。这种想法在图1中示意性示出(标记有现有技术)，其中工件在其已经均匀加热到其预定变形温度之前不经历变形。

在本主题发明中，在达到预定变形温度之前开始金属薄板工件的变形。当工件被加热到其预定热成型温度时，变形持续某段时间。工件的最终变形可在达到最大或标称成型温度之后持续某段时间，如图1中示意性示出的。在本发明的优选实施例中，在工件合金微观结构的静态再结晶已经开始之前工件的变形在预定温度开始。工艺的方案是当工件被加热时使用初始变形以诱发工件的动态再结晶。加热和变形被管理以得到在成型产品中更快且更明显的成形。

本发明已经被证明是对于热吹成型AZ31B镁合金薄板是有益的，该AZ31B镁合金薄板是商售的且普遍使用的镁合金薄板。AZ31B材料在O状态或H24状态是可用的。O状态薄板材料完全退火的微观结构，其特征在于等轴晶粒、多晶、无孪晶，并具有5-20微米的典型晶粒尺寸。H24状态薄板具有温加工的部分退火微观结构，其特征在于非等轴晶粒、很多孪晶并且晶粒尺寸小于20微米。本发明对于其他热成型工艺、其他原始形状、其他合金和其他状态也是有益的。

本发明的使用和益处的一个例子通过(不受约束地)将AZ31B-O薄板热吹成型为半球形圆顶而示出。在此加工中，处于室温的坯料放置在模具中，该模具维持在例如450℃的成型温度。放置薄板的一个面来覆盖在模具板中的圆形100mm直径开口上，薄板由热模具加热。当薄板达到适合温度时，气压施加到薄板的另一侧以使薄板通过孔膨胀成不受约束的半球形圆顶形状。气压在各阶段中可增加或以预定压力级施加。

在具有AZ31B-O工件的第一示例中，施加气压且变形仅在薄板达到450℃之后才开始。圆顶的成型缓慢地要求在75psi气压下24分钟。当发生分裂时圆顶的高度相对较短(49mm)，并且圆顶表面非常粗糙。该第一圆顶在图2A的照片中示出。如果替代地，施加气压且变形在坯料温度为约300℃时开始，

圆顶的成型缓慢地要求在75psi气压下24分钟。当发生分裂时圆顶的高度相对较短(49mm)，并且圆顶表面非常粗糙。该第一圆顶在图2A的照片中示出。圆顶成型更快(19分钟)、更高(59mm)、更光滑。该更高且更光滑的圆顶在图2B的照片中示出。

圆顶成型中的这些不同是由于不同的微观结构，尤其是晶粒尺寸，其在加热期间并在坯料成型时长大。在图2A圆顶的情况下，在薄板变形开始之前在薄板表面附近发生静态再结晶。这导致非常大的表面晶粒，其(a)限制最大可得到圆顶高度(通过分裂)，(b)减缓变形，(c)导致表面粗糙化。在图2B圆顶的情况下，在变形期间发生再结晶，导致更精细的晶粒。图2A圆顶和图2B圆顶剖面的微观结构分别在图3A和图3B的照片中示出。图3A示出了在施加气压以成型图2A的圆顶之前加热到450℃的薄板的更粗糙表面和更大晶粒。图2B示出了坯料温度在250-300℃时当施加气压时经历动态再结晶的AZ31B-O薄板的微观结构。

然后使用AA5083合金板材料热吹成型的生产工具在制造工厂中实践本发明的实施例，所述AA5083合金板材料在970°F(大约500℃)的温度下展现高成型性。热吹成型实践在题目为“Quick PlasticForming of Aluminum Alloy Sheet Metal”并受让给本发明受让人的美国专利6,253,588中描述。为了更完全地公开这种以铝合金薄板原料实践的热吹成型，′588专利的公开内容通过引用并入本文。

在快速塑性成型(QPF)中，金属薄板被加热到热成型温度并在工作气体的压力下伸展成顺应成型工具的表面。在下面的实验中，AZ31B-H24薄板坯料被加热并且工作气体压力如下面段落所指定地施加。AZ31B-H24薄板坯料被成型为图4所示的复杂形状的行李箱盖内板。成型的且修整的行李箱盖内板10弯曲以覆盖车辆行李箱的顶壁和后壁。内板10的外周边缘成形为附接到外板的上覆盖的类似形状的边缘。内板10成形为具有凹沟和开口以容纳电线等，并提供其和其附接到的外板之间的通路。

AZ31B-H24薄板坯料在将它们放置在QPF生产模具中之前在分立预加热炉中加热，其被加热到约970°F。

第一组AZ31B-H24薄板坯料在预加热器中被单独加热到970°F并在QPF生产工具中一次一个地热吹成型。其中该组的每个坯料，完全加热到坯料上的工作气体(空气)压力在450秒的时段中增加，如图5的等长虚线线性曲线所示。如图5的等长虚线曲线可见，每种情况中的气压在约200秒中线性增加到约50psi。然后，气压在接下来的250秒中线性增加到约450psi。该热成型实践在完全加热到坯料上使用450秒增加方案生产了良好的(不分裂)板。

完全预加热到970°F的第二组AZ31B-H24薄板坯料经历250秒持续时间的更快的空气增加周期。而且，气压首先在200秒中缓慢增加到约50psi。然后，气压在接下来的50秒中增加到450psi(图5的短虚线长实线)以完成镁行李箱盖板凳成型。该实践在工件的变形区域产生了分裂的不合格板。

第三组AZ31B-H24薄板根据本发明成型。这些镁合金坯料在它们被放置在热QPF工具中之前就被预加热到550°F。当每个坯料通过工具被进一步加热到970°F时，气压被施加并在150秒中增加到约40psi(实线)。然后气压在接下来的50秒中快速增加到450psi。在200秒中成型了良好的板。因此，本发明的使用减少了至少50秒并可直到250秒的成型周期时间。而且，较低的预加热器温度导致直接能量节省、更长的元件寿命和工厂中更少的浪费热量。

经常将是优选的是检查一批金属薄板材料以估计或预定热加工温度和较低的温度，在该温度根据本发明开始变形以诱发动态再结晶。该分析可应用到例如AZ31B-O状态、AZ31B-H24状态的镁合金、其他镁合金、或铝合金等。通常希望确定材料的静态再结晶温度。该温度可不同，即使是相同组成和状态条件的材料。例如，因为由于轧制薄板材料的处理或加工导致的残余冷加工应力的变化量，AZ31B-O状态板材料可具有稍微不同的静态再结晶温度。

如本发明相关的，金属薄板的静态再结晶温度可通过热处理若干代表性样品然后金相学检查这些处理过样品的剖面而确定。一般优选的是热处理应在若干选定温度下完成，所述温度都低于标称热成型温度。优选的是测试中的加热速度与将在实际热成型制造工艺中使用的加热速度相似。典型地，每个金属薄板样品将保持在其选定热处理温度大约一分钟，然后从炉中移出并被允许冷却。每个剖面金相样品应被准备并在显微镜下检查以观察晶粒。在低于静态再结晶温度的温度下热处理的样品将显示与未处理样品基本上相同的晶粒结构。在静态再结晶温度下或高于静态再结晶温度热处理对样品将显示主要为等轴的、多晶的、无“冷加工”痕迹的晶粒，即，位错和/或孪晶。在一些材料中，静态再结晶在贯穿薄板厚度上可不均匀发生，即，其可在薄板表面附近发生，但在薄板样品的中间板不发生。换言之，这种静态再结晶在薄板材料的大部分上可不发生从而用于确定静态再结晶温度。对于观察者来说注意到这些是很重要的，因为这种再结晶可强烈地影响热成型物品的成型性和表面处理。

为了确定AZ31B镁合金薄板的静态再结晶温度，推荐200、225、250、275、300、325和350℃的热处理温度。

这种测试将典型地显示开始热成型工艺变形的相同工件的加热温度。当然，将薄板材料加热到特定热加工温度继续为变形到希望的形状。

本发明的实践已经通过具体例子示出，但是本发明的范围不由具体例子限制。

Claims (9)

1.一种方法，其当工件必须被加热到预定热成型温度时逐渐使多晶金属薄板工件变形成物品形状，使得金属薄板工件的部分能够承受得到物品形状所需的变形，所述方法包括：

为金属薄板材料预定静态再结晶温度，在该温度下，金属薄板的大部分由于加热到其热成型温度将开始再结晶；以及，此后，在相同金属薄板工件的热成型期间，

逐渐将所述金属薄板工件加热到其再结晶温度并进一步到其热成型温度；

在加热的工件达到其再结晶温度之前开始所述加热的工件的变形以在所述工件中诱发动态再结晶；以及

继续将所述工件加热到其热成型温度同时继续使所述工件变形为其预计形状。

2.如权利要求1所述的逐渐使多晶金属薄板工件变形的方法，其特征在于，所述金属薄板材料为铝合金。

3.如权利要求1所述的逐渐使多晶金属薄板工件变形的方法，其特征在于，所述工件通过热吹成型变形。

4.如权利要求1所述的逐渐使多晶金属薄板工件变形的方法，其特征在于，所述工件通过热冲压变形。

5.一种方法，其当工件必须被加热到预定热成型温度时逐渐使多晶镁合金薄板工件变形成物品形状，使得镁合金薄板工件的部分能够承受得到物品形状所需的变形，所述方法包括：

为镁合金薄板材料预定静态再结晶温度，在该温度下，金属薄板的大部分由于加热到其热成型温度将开始再结晶；以及，此后，在相同金属薄板工件的热成型期间，

逐渐将所述镁合金薄板工件加热到其再结晶温度并进一步到其热成型温度；

在加热的工件达到其再结晶温度之前开始所述加热的工件的变形以在所述工件中诱发动态再结晶；以及

继续将所述工件加热到其热成型温度同时继续使所述工件变形为其预计形状。

6.如权利要求5所述的逐渐使多晶镁合金薄板工件变形的方法，其特征在于，所述镁合金为AZ31B合金。

7.如权利要求5所述的逐渐使多晶镁合金薄板工件变形的方法，其特征在于，加热的工件的变形开始于约250-350℃的工件温度并完成于350℃以上。

8.如权利要求5所述的逐渐使多晶镁合金薄板工件变形的方法，其特征在于，所述工件通过向所述薄板工件的侧面施加增加工作气体而变形，并且在工件变形期间通过控制所述工作气体的压力，至少部分地控制加热的工件的变形速率。

9.如权利要求5所述的逐渐使多晶镁合金薄板工件变形的方法，其特征在于，所述工件通过向所述薄板工件的侧面运用撞击工具而变形，并且在工件变形期间通过控制所述撞击工具的运动，至少部分地控制加热的工件的变形速率。

Images