CN102459673A - 由AlZnMgCu合金产品制成的汽车结构部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机动车的成型铝合金白车身(“BIW”)部件的制造方法，该BIW部件在经过烤漆过程之后具有大于500MPa的屈服强度，该方法包括：(a)提供AlZnMgCu合金的、规格为0.5-4mm的轧制铝板产品，该产品经过了固溶热处理(SHT)并在所述SHT之后进行了淬火，其中经过SHT和淬火的铝板产品具有实质上经重结晶的微结构；(b)使所述的铝合金板成型，以得到成型BIW部件；(c)将该成型BIW部件与一个或多个其他金属部件组装，以形成构成机动车组件的组合件；(d)使所述的机动车组件经过烤漆过程，其中成型BIW部件中的铝合金板具有大于500MPa的屈服强度。

Description

由AlZnMgCu合金产品制成的汽车结构部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及机动车(motor vehicle)的白车身(body-in-white，BIW)部件或成型(formed)铝合金结构部件的制造方法，该BIW部件在经过烤漆过程(paint-bake cycle)后具有大于约500MPa的屈服强度(yieldstrength)。
背景技术
在下文中将会明了的是，除非另作说明，铝合金牌号和状态代号(temper designations)是指由美国铝业协会(Aluminum Association)在2009年出版的“Aluminum Standards and Data and the RegistrationRecords”中的“Aluminum Association designations”。
除非另作说明，对于合金组成或优选合金组成的任何描述，所指的百分数均为重量百分数。
在机动车的生产中，尤其是如5051、5182、5454、5754、6009、6016、6022和6111的AA5xxx和AA6xxx-系列合金的铝合金已经被用于生产车身面板和结构部件或白车身(“BIW”)部件。
特别是对于成型BIW部件而言，需要使用可成型并在经过烤漆过程后强度增加的铝合金。机械性能的通常目标是烤漆过程后的屈服强度或Rp0.2超过500MPa。
此外，BIW部件通常需要的性能包括：
用于成型操作的高可成型性，该成型操作通常通过冲压(stamping)、深拉制(deep drawing)或轧制成型(roll forming)来进行；
烤漆后的高机械强度，以便使规格降低，从而将部件的重量最小化；
在用于机动车制造的各种组装方法(如点焊、激光焊接、激光钎焊、钳紧(clinching)或铆接(riveting))中的良好表现；以及
对于大量生产来说可接受的成本。
发明内容
本发明的目的是提供在烤漆过程后屈服强度超过500MPa的成型BIW部件的制造方法。
本发明的另一目的是提供可用于这一方法的轧制铝合金板产品。
本发明达到或超过了这些和其他目的以及进一步的优点，本发明提供了机动车的成型铝合金白车身(“BIW”)部件的制造方法，该BIW部件在经过烤漆过程后具有大于500MPa的屈服强度，其中该方法包括以下连续步骤：
a.提供规格为约0.5-4mm、优选0.7-3.5mm的轧制铝板产品，该产品经过了固溶热处理(solution heat treatment，SHT)并在所述SHT之后进行了淬火；其中经过SHT和淬火的铝板产品具有实质上经重结晶的微结构，并且以重量百分数计具有下述化学组成：
Zn    6.9％-8.0％；
Mg    1.2％-2.4％；
Cu    1.3％-2.4％；
Mn    ＜0.3％；
0.05％-0.25％的Cr或Zr；
Si    ＜0.3％；
Fe    ＜0.35％；
Ti    ＜0.1％；
杂质和其他组分，每种＜0.05％，总共＜0.2％；以及
余量为铝；
b.使铝合金板成型，以得到成型BIW部件，尤其是通过深拉制、压制或压制成型来成型；
c.将该成型BIW部件与一个或多个其他金属部件组装，以形成构成机动车组件的组合件(assembly)；
d.使所述的机动车组件经过烤漆过程，其中成型BIW部件中的铝合金板具有大于500MPa的屈服强度，并且在最佳实施例中具有约540MPa以上的屈服强度。
为了具有良好的可成型性特性，经过轧制SHT和淬火的铝板应具有实质上经重结晶的微结构，这意味着在这种状态下有70％以上、优选约85％以上的晶粒被重结晶。相信经重结晶的微结构会产生更具各向同性的微结构，这对于得到良好的可成型性是很重要的。本领域技术人员熟知得到具有该微结构的此类板产品所需的方法。经淬火的铝板可被伸展约5％以下，或如本领域已知进行平整(levelled)。已经发现，在随后的自然时效、根据本发明任选或优选的任何热处理、成型操作和烤漆期间，该板产品中的这一经重结晶的微结构得以保持。
该轧制的铝合金板以wt％计具有下述化学组成：
Zn    6.9％-8.0％，优选约6.9％-7.8％；
Mg    1.2％-2.4％，优选约1.4％-2.1％；
Cu    1.3％-2.4％，优选约1.4％-1.8％；
Mn    ＜0.3％，优选＜0.25％；
0.05％-0.25％的Cr或Zr；
Si    ＜0.3％，优选约0.1％-0.25％；
Fe    ＜0.35％，优选约0.1％-0.25％；
Ti    ＜0.1％；
不可避免的杂质和其他组分，每种＜0.05％，总共＜0.2％；
以及余量为铝。
与该板产品中的微结构一起，该板产品的化学组成连同所定义的较窄的优选范围对得到在烤漆后机械性能高的可成型产品是必不可少的。
除较高的可容许Si和Fe水平外，这一铝合金在其宽泛的定义内涵盖了AA7081和AA7085-系列铝合金。这些铝合金已知用于航空航天器(aerospace vehicles)的结构部件，已经发现：当这些铝合金以板产品的形式用于机动车的结构部件时，可容忍较高的Si和Fe含量而不会对这些应用的相关工程性质、尤其是烤漆后的强度造成不利影响。
在优选的实施方式中，Zr作为强制性的合金元素以0.04％-0.25％、更优选约0.07％-0.18％存在。与添加Cr相比，优选添加Zr。
在对合金坯料(alloy stock)(例如锭块(ingots)和方坯(billets))进行铸造期间，出于晶粒细化的目的可将Ti添加到该合金产品中。添加的Ti不应超过0.1％。添加Ti的优选下限为约0.01％。为了晶粒尺寸的控制，Ti可作为单一的元素添加，或是与作为铸造助剂的碳或硼一起添加。
本领域公知的是，7000-系列合金产品可任选进一步包含至多约0.05％的Ca、至多约0.05％的Sr和/或至多约0.004％的Be。传统上，铍的添加起到脱氧剂/锭块开裂抑制剂(ingot cracking deterrent)的作用，并可被用于本发明的合金产品中。然而由于环境、健康和安全的原因，本发明更优选的实施方式为实质上无Be。出于和Be相同的目的，可将少量的Ca和Sr单独添加或组合添加到合金产品中。优选添加约10-100ppm的Ca。
在SHT和淬火之后，可将板产品成型为机动车的成形(shaped)BIW部件。在成形以前，可用润滑剂、油或干膜润滑剂(dry lubricant)涂覆该板，其中所述润滑剂、油或干膜润滑剂适合于对将要生产的结构部件进行成型操作、组装和表面处理。也可对该板进行处理以施加表面钝化层，从而增强粘结性能(adhesive bonding performance)。由于在环境温度下发生自发的自然时效效应，经过SHT和淬火的板处于不稳定的状态(在本领域也被称为W-状态(W-condition))，优选淬火操作和成型操作之间的时间小于2周、更优选小于4天。在刚刚完成淬火操作后，轧制板产品通常具有约180-235MPa的屈服强度，并应在屈服强度达到约400MPa之前成型为BIW部件。在这一屈服强度水平，仍可通过轧制成型或弯曲对该合金板产品进行成型。
更优选地，将经过固溶热处理和淬火的板产品人工时效至峰值强度或近峰值强度，或轻微地过时效，通常为T6或T7回火(temper)。在这种状态下，板产品具有很高的强度(在最佳实施例中为540MPa以上)和相对高的Rp/Rm比值，并且通常可通过轧制成型而成型为结构组件。经成型的结构组件被制成本领域中常规用于车辆组件制造的其它金属组件的组合件的一部分，并经过烤漆操作以使所施用的任意涂料或漆层(paint or lacquer layer)固化。根据本发明发现，在成型操作前已经进行了人工时效的情况下，烤漆操作不会在已经轧制成型的组件中造成任何实质性的强度损失。在烤漆操作之后，屈服强度保持大于500MPa、优选大于540MPa。
对于那些需要使板产品发生显著或强烈变形的成型操作(例如通过拉制或冲压)，优选在储存后和成型操作前将板产品作为整体进行热处理，其中将板产品在约400℃-490℃、优选450℃-480℃的温度下均热(soaked)3s-15min、优选小于10min的时间段，然后快速冷却或例如用水进行淬火(如水淬火或喷水淬火)。已经发现，这一非常短暂的热处理有助于将板产品成型为成型产品。这一短暂的热处理应在板产品成型操作前约8h内、优选约1h内进行。这一热处理可在压制车间(press shop)中或压制车间附近于卷材上进行，然后重新卷起并切割用于成型；或者可由卷材或带材切割成毛坯(blanks)，然后进行热处理并随后成型。
在成型操作之后，成型BIW部件被制成本领域中常规用于制造车辆组件的其它金属组件的组合件的一部分，并进行烤漆操作以使所施用的任意涂料或漆层固化。该烤漆操作或过程包括一个或多个连续的短暂热处理，该热处理在140℃-190℃进行，时间为10min至小于40min、通常小于30min。通常的烤漆过程包括：在180℃进行20min的第一次热处理，冷却至环境温度；然后在160℃热处理20min，再冷却至环境温度。根据OEM，这一烤漆过程可包括2-5个连续的步骤并包括干燥步骤，但不管怎样，该铝合金产品在高温下(100℃-190℃)的累积时间小于120min。
根据本发明已经发现在烤漆过程之后，成型BIW部件上的铝合金达到了期望的大于500MPa的屈服强度，并且在最佳实施例中达到540MPa以上的屈服强度、例如约550MPa或约565MPa的屈服强度。
这一高的屈服强度水平与在航空航天应用中使用的铝合金类型T6-型(峰时效)和T76或T77-型状态得到的强度水平相当。然而T6-型和T7-型状态通常在人工时效数小时之后得到，例如如下的两步骤人工时效处理：在120℃加热5h，然后在165℃加热9h，中间不冷却至环境温度；随后淬火。
因此，已经发现在本发明的方法中使用的轧制铝合金产品具有非常强而有利的烤漆响应(paint bake response)，这可使轧制铝合金产品成型为BIW部件并具有相对低的屈服强度，同时该铝合金产品在烤漆过程后达到很高的屈服强度。迄今为止，在由AlZnMgCu板产品制造成型BIW部件中这一强的烤漆响应在本技术领域尚未被认知。
在烤漆后得到的这一高的屈服强度水平允许设计出比通常用于汽车结构应用中已知的5000-和6000-系列合金制成的类似部件更薄的部件。作为替代或除此以外，7000-系列合金在根据本发明进行加工时，可取代目前由高强度钢材制成的BIW部件，从而实现很多减轻机动车重量的机会。
在成型BIW部件的实施方式中，所定义的7000-系列铝合金具有施加在该芯材至少一面上的包覆层(clad layer)材料，该包覆层材料具有内表面和外表面，其中该内表面朝向该7000-系列材料，并且其中该包覆层材料由具有大于3.8wt％Mg的AA5xxx-系列合金组成。更优选地，包覆层材料具有大于4.8％、优选小于7％、更优选小于5.9％的Mg。
包覆层通常具有所定义的7000-系列材料厚度的2％-30％、优选3％-20％的厚度。
在更优选的实施方式中，包覆层材料为以wt％计具有下述组成的AA5xxx-系列合金：
Mg    3.8％-7.0％，优选4.8-5.9％；
Zn    0.6％-2.8％；
Mn    0-1.0％；
Cu    0-2.0％；
任选地，选自于由0.04-0.3％的Zr、0.04-0.3％的Cr、0.04-0.3％的Hf和0.01-0.2％的Ti所组成的组中的至少一种元素；
Fe    最多0.3％；
Si    最多0.3％；
不可避免的杂质；余量为铝；并且Zn含量的范围为Mg含量的函数：
Zn范围的下限：[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；并且
Zn范围的上限：[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。
随着包覆层的施用，在OEM’s使用的预处理(如磷化(phosphating)、钝化或替代方法)的特性尤其得以改进。汽车工业已知5xxx-系列铝合金；并且相比于已经用于汽车应用中的铝合金，以5xxx-系列合金作为外表面使得复合结构的表面预处理几乎不需要调整或完全不需要调整。因此，现有的合金体系没有问题。该复合结构的另一个优点为可用于制造具有高的冲击抗性或良好的碰撞性能(crash performance)的组件。由于这些合金具有良好的可弯曲性，施用Mg含量高的AA5xxx-系列包覆层使得在表面处有利地形成较少裂缝，同时所定义的7xxx-系列芯合金提供了所需的高强度。
当制造复合轧制材料(例如通过轧制接合)时，有目的地将Zn添加至包覆层材料的实施方式改进了与所定义的AA7xxx-系列材料的相容性。此外，Zn的添加改进了包覆层材料的耐腐蚀性。添加这些范围内的Zn的进一步优点在于提供了一些烤漆响应，从而使包覆层在涂漆过程(paint process)后没有强度损失。组合添加高水平的Mg和Zn也为包覆层提供了增高的强度，因而对复合材料的总强度具有贡献。
本发明另一方面涉及规格为0.5-4mm、优选约0.7-3.5mm的成型铝合金BIW部件，在依次进行固溶热处理、淬火、成型并经过烤漆过程后，该部件具有实质上经重结晶的微结构以及大于500MPa、优选大于约540MPa的屈服强度，其中该铝合金以wt％计具有如下组成：
Zn    6.9％-8.0％，优选6.9％-7.8％；
Mg    1.2％-2.4％，优选1.4％-2.1％；
Cu    1.3％-2.4％，优选1.4％-1.8％；
Mn    ＜0.3％
0.05％-0.25％的Cr或Zr；
Si    ＜0.3％；
Fe    ＜0.35％；
Ti    ＜0.1％；
杂质和其他组分，每种＜0.05％，总共＜0.2％；
余量为铝。
在成型铝合金BIW部件的优选实施方式中，板产品在成型操作之前作为整体进行热处理，其中将该板产品在400℃-490℃、优选450℃-480℃的温度均热3s-15min、优选3-10min的时间段，然后迅速地冷却或例如用水进行淬火(如水淬火或喷水淬火)。
由于这一高强度、良好的可成型性和轻的重量，本发明的BIW部件是对由双相钢(如钢种dp600和dp800)以及硼钢制成的部件进行替代的理想候选物。
本发明另一方面涉及铝合金板在成型后的汽车结构部件(structuralautomotive part)或BIW部件中的用途，该铝合金板的规格为约0.5-4mm、优选约0.7-3.5mm，并且以wt％计具有如下化学组成：
Zn    6.9％-8.0％，优选6.9％-7.8％；
Mg    1.2％-2.4％，优选1.4％-2.1％；
Cu    1.3％-2.4％，优选1.4％-1.8％；
Mn    ＜0.3％，优选＜0.25％；
0.05％-0.25％的Cr或Zr，优选0.07％-0.15％的Zr；
Si    ＜0.3％；
Fe    ＜0.35％；
Ti    ＜0.1％；
不可避免的杂质和其他组分，每种＜0.05％，总共＜0.2％；
余量为铝；
在依次进行固溶热处理、淬火、成型并经过烤漆过程后，该铝合金板优选具有实质上经重结晶的微结构以及大于500MPa、优选大于约540MPa的屈服强度。
本发明另一方面涉及整合有本发明所述成型铝合金BIW部件的机动车。
具体实施方式
接下来，将通过如下的非限制性实例对本发明进行解释。
实施例
在工业规模上，已经制造了具有AA7081化学组成的2mm板，该板已经在475℃进行了30min的SHT并淬火。铝板具有完全重结晶的微结构。已经在淬火后1h内测定机械性能，Rp为209MPa，Rm为369MPa并且均匀伸长(uniform elongation)Ag为21.4％(状态1)。
在室温下储存2周后，Rp增加352MPa(状态2)。但是通过在475℃将储存后的铝板热处理5min，Rp减少到214MPa，Rm减少到373MPa，均匀伸长Ag为21.2％(状态3)。这一实验表明，经过SHT和淬火的铝板发生自然时效使机械性能增高，但是通过短暂的热处理可将机械性能降低至接近其初始的各类性质，然后该铝板可非常良好地成型为BIW部件。
在另一实验中，通过将经过SHT和淬火的铝板在120℃保持24h使其被人工时效至T6回火，产生580MPa的Rp(状态4)，并且该铝板可例如被轧制成型为BIW部件。
处于状态3和状态4的板材也经过了模拟的3步骤烤漆过程，该烤漆过程由下述步骤组成：在180℃下进行20min的第一次处理，空气冷却至室温；接着在160℃下进行20min的第二次处理，空气冷却至室温；然后在140℃下进行20min的第三次处理，再空气冷却至室温。
处于状态3的板材在模拟的烤漆过程之后具有559MPa的Rp和583MPa的Rm，这说明板材经过烤漆过程后在强度方面得到了有利而快速的增强。
处于状态4的板材在模拟的烤漆过程之后具有579MPa的Rp，这说明当成型前的板材处在峰值强度或近峰值强度时，板材在烤漆过程后其初始屈服强度不会损失太多，而强度水平却保持在期望的高水平。
所有的拉伸性能均根据EN10002-1标准在室温下测定。
在已经充分描述了本发明的情况下，对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，可在不脱离本文所述的本发明的精神或范围的情况下进行许多变化和改进。

Claims (15)

1.机动车的成型铝合金白车身(BIW)部件的制造方法，所述BIW部件在经过烤漆过程之后具有大于500MPa的屈服强度，所述方法包括：
a.提供规格为0.5-4mm的轧制铝板产品，该产品经过了固热溶处理(SHT)并在所述SHT之后进行了淬火，其中经过SHT和淬火的铝板产品具有实质上经重结晶的微结构，并且以重量百分数计具有下述化学组成：
Zn    6.9-8.0，优选6.9-7.8；
Mg    1.2-2.4，优选1.4-2.1；
Cu    1.3-2.4；
Mn    ＜0.3；
0.05-0.25的Cr或Zr；
Si    ＜0.3，优选0.1-0.25；
Fe    ＜0.35，优选0.1-0.25；
Ti    ＜0.1；
杂质和其他组分，每种＜0.05，总共＜0.2；余量为铝；
b.使铝合金板成型，以得到成型BIW部件；
c.将所述成型BIW部件与一个或多个其他金属部件组装，以形成构成机动车组件的组合件；
d.使所述机动车组件经过烤漆过程，其中所述成型BIW部件中的铝合金板具有大于500MPa的屈服强度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述铝合金具有0.04％-0.25％、优选0.07％-0.18％的Zr。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述铝合金具有1.4％-1.8％的Cu含量。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，步骤d中的烤漆过程包括至少一个如下的热处理步骤：将构成机动车组件的组合件在140℃-190℃的温度下保持10min到短于40min的时间段。
5.如权利要求1或4任一项所述的方法，其中，在步骤b中成型前10h内，整个铝合金板已被加热至400℃-490℃的温度，并在这一温度下均热3s-15min的时间段，然后快速地冷却。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在步骤b中成型前10h内，整个铝合金板已被加热至450℃-480℃的温度，并在这一温度下均热3s-15min的时间段，然后快速地冷却。
7.如权利要求1或4任一项所述的方法，其中，在步骤b中成型之前，所述铝合金板已被人工时效至500MPa以上、优选至少540MPa的屈服强度。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述轧制铝板产品在至少一面上具有包覆层。
9.规格为0.5-3.5mm的成型铝合金BIW部件，在依次进行固溶热处理、淬火、成型并经过烤漆过程后，所述部件具有实质上经重结晶的微结构以及大于500MPa、优选大于530MPa的屈服强度，其中所述铝合金以wt％计具有如下组成：
Zn    6.9-8.0，优选6.9-7.8；
Mg    1.2-2.4；
Cu    1.3-2.4；
Mn    ＜0.3；
任选0.05-0.25的Cr或Zr；
Si    ＜0.3；
Fe    ＜0.35；
Ti    ＜0.1；
杂质和其他组分，每种＜0.05，总共＜0.2；
余量为铝。
10.规格为约0.5-4mm的铝合金板在成型的汽车结构部件中的用途，所述铝合金板以重量百分数计具有如下的化学组成：
Zn    6.9％-8.0％；
Mg    1.2％-2.4％；
Cu    1.3％-2.4％；
Mn    ＜0.3％；
0.05％-0.25％的Cr或Zr；
Si    ＜0.3％；
Fe    ＜0.35％；
Ti    ＜0.1％；
杂质和其他组分，每种＜0.05％，总共＜0.2％；
余量为铝；
其中BIW部件已进行固溶热处理、淬火、成型并经过烤漆过程。
11.如权利要求10所述的用途，其中，所述铝合金板具有6.9％-7.8％的Zn含量。
12.如权利要求10或11所述的用途，其中，所述铝合金板具有1.4％-2.1％的Mg含量。
13.如权利要求10-12中任一项所述的用途，其中，所述铝合金板具有1.4％-1.8％的Cu含量。
14.如权利要求10-13中任一项所述的用途，其中，所述铝合金板具有0.07％-0.18％的Zr含量。
15.机动车，所述机动车整合有通过如权利要求1-8中任一项所述的方法得到的成型车身铝BIW部件或如权利要求9所述的成型车身铝BIW部件。
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