CN103052732B - 机动车板材成形件及制造机动车板材成形件的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的机动车板材成形件是以热变形技术从由不可时效硬化的铝合金构成的板材制成的，所述板材按照欧洲标准EN515：1993处在H12、H14、H16、H18、H19、H22、H24、H26、H28、H32、H34、H36或者H38材料状态，并且除了铝之外至少还含有镁和任选的锰作为合金成分。所述机动车板材成形件经过变形之后至少局部具有在室温下高于铝合金的极限变形曲线的变形率。为了制造机动车板材成形件，可在1～60秒时间之内将板材至少局部加热到200℃～400℃之间的温度。接着将加热后的板材放入成形压机的成形模具之中，并且使其变形成为机动车板材成形件。

Description

机动车板材成形件及制造机动车板材成形件的方法
技术领域
本发明涉及一种由不可时效硬化的铝合金制成的机动车板材成形件以及一种制造机动车板材成形件的方法。
背景技术
已知用铝板材制造受高应力的汽车部件，其中使用可以初级时效硬化的合金。常见的生产路径在此是将较小强度的铝板材预成形，接着进行时效硬化，从而实现提高的强度。
在无法通过热处理(冷时效硬化或者热时效硬化)实现硬度提高的那种铝合金的情况下，只能通过变形实现强度提高。为了也能由这些合金的板材制造复杂的几何形状，通常情况下与可时效硬化的合金一样也在柔软状态下使其变形。也就是说，例如预先将这些不可时效硬化的铝合金软化退火。
缺点是，对软化退火的不可时效硬化的铝板材进行变形而制成的压制件仅仅在高变形率的区域中经历明显的强度提高，结果是用由经济上有利的不可时效硬化的铝合金制成的成形件实现轻结构的潜力比较小。这也是导致如下事实的原因：不可时效硬化的铝合金主要用于底盘区域中作为厚壁构件。不可时效硬化的铝合金通常具有非常好的耐腐蚀性的特点。此外它们经常用于不受高负荷的构件，然而并没有关注特定的轻结构。
为了满足当前和将来的车辆重量优化的要求，必须尝试节省所有构件的重量。这也涉及由不可时效硬化的铝合金制成的构件。这些铝合金可供用作通过冷轧或者通过定向回火进行冷轧制成的较高强度和高强度的板材。但是由这些市场上可以买到的半成品尽管由于可能的重量减轻和材料节省而是经济上感兴趣的，但是迄今为止仍无法制造复杂的构件。
JP 2009 012041 A公开了由处于材料状态H1x或H2x的铝-镁合金制成的板材成形件。制造由板材剪切件进行，将其在2-30秒内加热至230-350℃并且变形并再次从模具中取出。
通过DE 60 2004 009 545 T2同样将由处于状态H1x或H2x的铝-镁合金制成的板材成形件归属为现有技术，为了该板材成形件的制造使板材剪切件在小于10秒内达到150-350℃并将其变形。变形过程在至少局部加热的模具中并且在存在与随后的工序相容的润滑剂的情况下进行。
发明内容
本发明的任务在于揭示一种用铝合金制成的高品质机动车板材成形件，其具有改进的构件性能，尤其具有高的强度和/或在相同强度下更高的延展性。
本发明的任务还在于揭示一种如何可由轧制硬化的不可时效硬化的铝合金制成的板材以变形工艺制成高强度复杂构件的可能性。
所述任务的物质部分的解决方案在于根据权利要求1的机动车板材成形件。
机动车板材成形件是采用不可时效硬化的铝合金制成的，其按照欧洲标准EN 515：1993处在H12、H14、H16、H18、H19、H22、H24、H26、H28、H32、H34、H36或者H38材料状态，并且除了铝之外至少还含有镁和任选的锰作为合金成分。机动车板材成形件以热变形工艺制成，其中对起始板材进行至少局部地加热，接着使其变形成为机动车板材成形件。机动车板材成形件至少局部具有在室温下高于铝合金或起始板材的极限变形曲线的变形率。
极限变形曲线是一种重要的变形参数。每种材料均有其各自的极限变形曲线，其通常根据Nakajima或者Marciniak利用在板材试样上进行杯突试验的方式确定。极限变形曲线描述了一种材料的最大可变形性。如果变形率超过变形极限值并且高于极限变形曲线，则可能在构件中在这些临界部位上出现局部缩颈或者裂纹。由于过度伸长的并且不允许的材料厚度减小的区域，无法保证构件的安全性。
根据本发明，提供常规无法制造的用由轧制硬化的铝合金构成的板材制成的机动车板材成形件。本发明所述的机动车板材成形件至少局部具有在室温下无法从起始材料制得或者以常规方式制造时至少局部会出现主变形和副变形的组合的变形率，所述材料在低温状态或者室温下不可能不产生裂纹地经受所述主变形和副变形的组合。如果以常规方式生产，在室温下在变形时超过材料的变形能力，并且会发生由裂纹引起的失效。本发明所述的机动车板材成形件中不出现此类裂纹。
本发明所述的机动车板材成形件由一种不可时效硬化的铝合金或者由这种铝合金构成的板材构成。以变形工艺将这种板材变形成为复杂的三维机动车板材成形件。在此至少局部进行的变形率是所述构件在低温下无法用例如根据标准EN 515的H111状态下的板材制成的设计。只有在本发明范围内进行的热变形才能够实现制成本发明所述的高品质机动车板材成形件，而不会出现材料缺陷或材料削弱，具有高强度，或者在强度相同的情况下具有比常规方式制成的由铝合金构成的机动车板材成形件更高的延展性。
在板材变形中，为描述可变形性，如前所述，采用所谓的极限变形曲线(也称作极限变形曲线图)。极限变形曲线描述了不同形变和应力状态下的失效极限。在极限变形曲线中，具体对于相应材料对于不同应力状态而言描述由于缩颈或者出现撕裂而引起的失效。在各种试验中确定失效的这些位置，然后对不同的材料制作极限变形曲线，其通过记录主变形率随副变形率的变化的关系进行。
极限变形曲线提供了确定板材材料变形中的工艺极限的可能性，从而用于评估板材的变形性能。原则上适用的是，对经变形的构件所测量的变形与极限变形曲线之间的距离就是拉伸部件生产中安全性的量度。利用变形分析并且与极限变形曲线进行比较，因此可靠评估板材的变形过程。可通过极限变形曲线直观定义材料的品质，从而有利于用户选择正确的材料。本发明就以此为出发点。本发明范围内认识到，可以用所要求保护的类型的铝合金生产机动车板材成形件，以制造强度和/或者延展性高的构件，其中所述机动车板材成形件具有常规无法实现的变形率。本发明所述机动车板材成形件的特征因此在于其至少局部具有在室温下高于铝合金或者由该铝合金构成的起始板材的极限变形曲线的变形率。
本发明所述机动车板材成形件的屈服强度Rp0，2与起始板材相比减小了最多30％(权利要求2)。此外，机动车板材成形件的屈服强度Rp0，2与使用根据欧洲标准EN 515：1993的O/H111状态下的铝合金构成的板材形成的可比机动车板材成形件的屈服强度相比高出至少20％(权利要求3)。状态O表示软化退火。可以用状态O标识那些可通过热变形工艺实现软化退火状态所需性能的产品。
状态H111表示经退火的以及通过随后的工序(例如拉伸或较直)略微冷作硬化(低于H11)。
如前所述，本发明所述机动车板材成形件的屈服强度Rp0，2与传统方式制成的机动车板材成形件相比明显提高了至少20％。用厚度为1mm、屈服强度Rp0，2常规为110N/mm2的板材制成的机动车板材成形件现在所具有的屈服强度Rp0，2为132N/mm2或者更高。在用厚度为1mm～3mm的板材制成的机动车板材成形件的情况下，常规要求屈服强度Rp0，2为105N/mm2。本发明所述这种壁厚的机动车板材成形件的屈服强度Rp0，2至少为126N/mm2。壁厚大于3mm的板材制成的机动车板材成形件的屈服强度Rp0，2常规应为100N/mm2。按照本发明所述，这种壁厚和符合要求的铝合金的机动车板材成形件的屈服强度Rp0，2至少为120N/mm2。
通过根据权利要求4的特征的方法，解决了该任务的根据方法的部分。
本发明所述机动车板材成形件的制造方法可以描述如下：
本发明的主要步骤是，将板材(起始板材)加热到的温度范围在200℃～400℃之间，尤其小于370℃，并且在1～60秒时间范围之内完成构件的加热和压制工艺生产，然后将加热后的板材放入成形压机的成形模具中，使其变形成为板材成形件。
然后，在加热后的60秒之内使板材冷却到低于200℃的温度。
优选通过在温度低于200℃的模具中进行变形，或者变形之后在装置中冷却到200℃以下而进行所述冷却。
尤其可将加热后的板材放入冷的成形模具之中，其中所述冷的成形模具指的是未加热或者没有经过外部加热的成形模具。
在本发明范围内，主动冷却变形后的板材。
如果采用常见的加热方法加热到300℃左右的温度，会在炉内加热时丧失大部分强度。但是发现，不仅再结晶而且结构组织的再生均与温度-时间阈值有关。因此设计，对根据欧洲标准EN515：1993(在此将其公开内容通过参考引入)处在H12、H14、H16、H18、H19、H22、H24、H26、H28、H32、H34、H36或者H 38材料状态并且除了铝之外还至少含有镁和任选的锰作为合金成分的轧制硬化的不可时效硬化的铝板材用极高的速度进行加热，然后在冷的成形模具中迅速将其变形，使得整个构件中的大部分强度得以保持。按照权利要求2所述，所制成的机动车板材成形件的屈服强度Rp0，2与起始板材相比减小了最多30％。实验已经表明，从与合金有关的温度和保持时间的阈值开始，重新冷却的构件的性能发生陡降，其中尤其是屈服强度Rp0，2回降很大。在此，尤其是受温度制约的工艺窗口极限很窄，但是当接近于温度-时间阈值时，保持时间也会变得越来越重要。由此变形能力是充分大的，但是视构件几何形状而定，需要最高至300℃的比较高的温度以实现变形，由此视合金而定可能产生比较小的工艺窗口。一般地，该生产方法在成形工艺所需的温度下会随着加热时间和保持时间的增加而带来强度略有损失的问题，因此按照本发明所述争取尽可能短的总的达到温度的时间。由于技术上几乎无法做到或者只能以不经济的花费才能做到不超过对于板材加热和压出之后进行处理所确定的周期时间，因此尽可能快速的加热提供制造强度接近于起始板材的构件的最佳可能方法。为此必须将板材加热到最低200℃和最高400℃、优选250℃～370℃、特别是270℃～300℃的温度。本发明方法的所属的加热时间为1～60秒，因此明显低于常见的炉加热到所述温度可能的时间。因此可以优选采用电阻、传导、感应或电容方式进行加热。在此，如上所述，加热时间优选比较短并且低于45秒，尤其当温度高于250℃时应低于30秒。
如前所述，优选在1～30秒时间内加热板材，将其在最多60秒内变形并且至少局部冷却到260℃以下。
欧洲标准EN515规定了如何标识铝半成品的基础状态。字母H表示冷作硬化。该标识适用于那些为了保证规定的机械性能在软化退火之后(或者热变形之后)对其进行冷变形，或者进行冷变形和再生退火或稳定化处理的组合的产品。在字母H后面是两个数字，第一个数字用于标识热处理方式，第二个数字用于标识冷作硬化程度。
所谓冷变形指的是金属在温度和速度下的塑性变形，该塑性变形引起冷作硬化。冷作硬化是由冷变形引起的金属组织变化，这种变化使得强度和硬度提高，在此可成形性下降。
状态标识H1x表示仅仅冷作硬化的产品，其为了实现所需的强度在没有附加热处理的情况下被冷作硬化。
状态标识H2x表示经冷作硬化和回火。这适用于那些经冷作硬化超过了所需最终强度、然后通过回火而软化到所需强度的产品。
状态标识H3x表示经冷作硬化和稳定化，并适用于那些通过低温热处理或者在加工过程中进行加热的方式使其机械性能稳定化的冷作硬化的产品。稳定化一般来说改进变形能力。该标识仅适用于那些无需稳定化处理通过在室温下存放就软化的合金。
H后面的第二个数字表示冷作硬化的最终程度，其以抗拉强度的最小值表示。数字8归属于通常制成的最硬状态。数字9表示其最低抗拉强度高于状态H8x为10MPa或者更多的状态。数字2、4和6表示中间状态。相应地，H12表示冷作硬化1/4硬的，H14表示冷作硬化-1/2硬的，H16表示冷作硬化-3/4硬的，H18表示冷作硬化-4/4硬的(完全硬化)。相应地，冷作硬化和回火的材料被分类在状态H22/24/26/28下，或者冷作硬化和稳定化的材料被分类在状态数据H32/34/36/38下。总而言之，因此应使用轧制硬化并且因此通过轧制经历了冷作硬化的板材。
本发明的优点在于，可以由轧制硬化的不可时效硬化的铝合金制造比较复杂且完全或者在局部区域内具有高强度的构件。特别之处是，强度高的局部区域与变形和引入的变形率无关。由此与那些由于半成品成本明显较高和对构件进行持续最多24小时的热处理而导致生产成本高的可时效硬化的合金相比，得到一种替代的制造路径。
本发明意义内的开放式板材成形件是一种由板材坯件、也就是由基本上平坦的初始状态经压制工艺制成的构件。通过滚轧到特定目标值使得起始材料冷作硬化。本发明意义内的开放式板材成形件并非指空心型材。
在本发明范围内，优选应将轧制硬化的不可时效硬化的铝板材完全加热并且使其变形。但是也可想到的是进行部分热变形，通过如下方式进行：在变形之前将板材局部加热到不同的温度。也可想到的是，板材具有经加热的时间长度不同的区域，无论是达到不同的目标温度，或者是通过加热持续时间影响板材的局部变形性能或目标强度。
优选可采用电阻、传导、感应或者电容方式对板材进行加热。
可以在变形之后在装置中将板材或板材成形件的一部分继续保温或者加热。
采用本发明所基于的方法也可以实现仅仅应在特定区域中具有高强度的构件，其中这些构件在其它区域中可以按目标方式具有较小的强度，同时改进的延展值。这里所追求的目标是提供一种通常比完全硬的构件改进的构件，其尤其是在事故情况下的变形特性方面具有更有利的性能，无论是在能量吸收方面，或者是在减轻重量方面。
按照本发明所述，也可以在变形过程中以不同长度的时间和幅度对板材继续进行局部加热。为此，成形模具具有的模具空腔可以具有至少一个被加热的区域。作为对模具中被加热部位的替代或补充方案，也可以设计被冷却的区域。通过成形模具中的被加热的区域使得可以将工件在一段附加时间范围内保持在较高的温度，通过如下方式进行：首先将特定区域以较长时间持续加热。
在多步变形方法中，也可以在其它模具阶段中设计被部分加热的模具空腔。同样可以在变形之后的工艺步骤中利用局部作用的炉子或者感应器进行时间上继续进行的或者更高的加热。当然视为合适的是，尤其是在变形之前而不是在变形之后实现更高的加热温度的变化方案。
当今优选可以可时效硬化的合金制造并且将来可有利地被本发明所述机动车板材成形件替换的汽车部件如下：
●A、B、C立柱
●纵梁(门槛，中间底槽)
●横梁(座椅-/车顶-)
●碰撞吸能盒
●保险杠横梁
●普通加强板
●底部区域的加强板
●前围板横梁(上、中、下)
●脚踏板横梁
●车门扶手
●减振支柱罩
当今优选可由不可时效硬化的软合金制造并且将来可有利地被本发明所述机动车板材成形件替换的汽车部件如下：
●车门内板
●剪力区
●底板
●汽车后门内板+引擎罩内板
●横梁(座椅-/车顶-)
●普通加强板
●底部区域的加强板
●前围板横梁(上、中、下)
●脚踏板横梁
●纵梁(门槛，中间底槽)
碰撞试验表明，本发明所述或者按照本发明制成的机动车板材成形件在碰撞过程中表现出令人惊奇地高的延展性，即构件的大变形是可能的，而不会出现由裂纹引起的失效。此外在试验过程中还可以表明，在同时发生侵入的情况下发生的碰撞情况下的能量吸收比使用相同合金但是没有按照本发明方法制成的板材成形件高15％。直至开始出现塑性变形时的能量吸收的差异更大，由高的Rp0，2导致。这对于应当传递高的(碰撞)力而自身不应塑性变形的构件而言很重要(例如保险杠横梁)。

Claims (9)

1.从由不可时效硬化的铝合金构成的板材制成的机动车板材成形件，所述板材按照欧洲标准EN 515:1993处在H12、H14、H16、H18、H19、H22、H24、H26、H28、H32、H34、H36或者H38材料状态，并且除了铝之外至少还含有镁和任选的锰作为合金成分，其中所述板材至少部分经过加热并且已变形成为机动车板材成形件，其特征在于，所述机动车板材成形件至少局部具有在室温下高于铝合金的极限变形曲线的变形率，其中该机动车板材成形件通过如下方法制造，该方法包括以下步骤：
a)准备由不可时效硬化的铝合金构成的板材，所述板材按照欧洲标准EN515:1993处在H12、H14、H16、H18、H19、H22、H24、H26、H28、H32、H34、H36或者H38材料状态，并且除了铝之外至少还含有镁和任选的锰作为合金成分；
b)在1～60秒时间之内将板材至少局部加热到200℃～400℃之间的温度；
c)将加热后的板材放入成形压机的冷的成形模具之中，并将板材变形成为板材成形件，其中所述冷的成形模具指的是未加热或者没有经过外部加热的成形模具；
d)在加热后的60秒之内，使板材成形件冷却到低于200℃的温度。
2.根据权利要求1所述的机动车板材成形件，其特征在于，所述机动车板材成形件的屈服强度Rp0,2与板材相比减小了最多30％。
3.根据权利要求1或2所述的机动车板材成形件，其特征在于，所述机动车板材成形件的屈服强度Rp0,2与由按照标准EN 515:1993处在O/H111状态下的铝合金构成的板材形成的可比机动车板材成形件的屈服强度相比高出至少20％。
4.由轧制硬化的不可时效硬化的铝合金制造开放式板材成形件的方法，包括以下步骤：
a)准备由不可时效硬化的铝合金构成的板材，所述板材按照欧洲标准EN515:1993处在H12、H14、H16、H18、H19、H22、H24、H26、H28、H32、H34、H36或者H38材料状态，并且除了铝之外至少还含有镁和任选的锰作为合金成分；
b)在1～60秒时间之内将板材至少局部加热到200℃～400℃之间的温度；
c)将加热后的板材放入成形压机的冷的成形模具之中，并将板材变形成为板材成形件，其中所述冷的成形模具指的是未加热或者没有经过外部加热的成形模具；
d)在加热后的60秒之内，使板材成形件冷却到低于200℃的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在变形之前将板材加热到250℃～370℃之间的温度。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在变形之前将板材加热到270℃～350℃之间的温度。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在1～30秒时间之内加热板材，在最多60秒之内使其变形并且至少局部冷却到260℃以下。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在变形之前局部地将板材加热到不同的温度。
9.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，局部地以不同长度的时间加热板材。
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