CN103180471A - 由轧制的Al-Zn合金制造汽车结构部件的方法 - Google Patents

由轧制的Al-Zn合金制造汽车结构部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制造机动车成型铝合金结构部件或白车身（BIW）部件的方法，所述方法包括以下步骤：（a）提供轧制铝板产品，其中，铝合金为AA7000系列铝合金，规格为0.5mm至4mm，并且经固溶热处理且已冷却；（b）对铝合金板进行成型，获得三维成型部件；（c）将所述三维成型部件加热至50℃至250℃之间的至少一个预时效温度；以及（d）对所成型并预时效的机动车组件进行烤漆过程。

Description

由轧制的Al-Zn合金制造汽车结构部件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造机动车的成型铝合金结构部件或白车身(body-in-white，BIW)部件的方法，其中，所述铝合金为AA7000系列合金。
背景技术
在下文中将会明了的是，除非另有说明，铝合金牌号和状态代号(temper designations)是指在2010年由美国铝业协会(AluminumAssociation)出版的Aluminum Standards and Data and the RegistrationRecords中的Aluminum Association designations。
对于合金组成或优选的合金组成的任何描述而言，除非另有说明，所有提及百分比之处都是指重量百分比。
白车身由汽车的结构组件组成，不包括开闭件(closures)(例如车门盖板、发动机罩板和后备箱罩板)。
在生产特殊铝合金材质的机动车中，AA5xxx系列合金和AA6xxx系列合金如5051、5182、5454、5754、6009、6016、6022和6111，已被用于制造汽车结构部件以及白车身(“BIW”)部件。
对于尤其是用于成型结构部件以及BIW部件的铝合金的使用存在需求，所述铝合金可成型、特别是在经烤漆过程(paint bake cycle)后强度提升。另外，对于这些部件，通常需要的特性包括：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(deep drawing)或轧制成型(roll forming)来进行；烤漆后的高机械强度，以能够使规格降低，从而将部件重量最小化；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。
国际专利申请WO-2010/049445-A1(Aleris)公开了一种由铝合金板产品制造的汽车结构组件，所述铝合金板产品规格为0.5mm至4mm，并且其组成以重量百分比计由下述物质组成：Zn5.0-7.0、Mg1.5-2.3、Cu最高0.20、Zr0.05-0.25、任选的Mn和/或Cr、Ti最高0.15、Fe最高0.4、Si最高0.3，余量由杂质和铝构成。所述板产品已经过固溶热处理(solutionheat treatment，SHT)并在所述SHT之后冷却，时效处理至屈服强度为至少390MPa，在时效后成型获得汽车成型结构组件，随后与一个或多个其它金属部件组装得到形成机动车组件的组合件(assembly)，并进行烤漆过程。
发明内容
本发明的目的是提供制造由AA7000系列板合金产品制成的成型结构部件的方法。
本发明的另一目的是提供制造由AA7000系列板合金产品制成的汽车成型结构部件的方法。
本发明达到或超过了这些和其它目的以及进一步的优点，本发明提供了对机动车成型铝合金结构部件或白车身(BIW)部件进行制造的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供轧制铝板产品，其中铝合金为AA7000系列铝合金，其规格为约0.5mm至4mm、优选约0.7mm至3.5mm；在冷却操作之后，在位于实现实质强化的铝合金相区温度下进行热处理，所述热处理包括经常应用的固溶热处理(“SHT”)继以淬火；
b.对铝合金板进行成型，获得三维成型部件；
c.将所述三维成型部件加热到50℃至250℃之间的预时效温度；以及
d.对成型并预时效后的部件进行烤漆过程，其中所述烤漆过程使得在所述AA7000系列合金产品中，屈服强度为至少350MPa、更优选至少400MPa。
根据本发明发现，在板产品成型后、但在烤漆过程之前进行预烘烤或预时效处理，显著降低了由AA7000系列铝合金板产品制成的成型铝部件延迟断裂的敏感度(delayed fracture sensitivity)。已经发现AA7000系列板合金当例如通过冲压为三维部件时，在例如压制车间内的环境温度和环境气氛下可对断裂裂缝(fracture cracking)敏感，因此通常在非侵蚀性腐蚀性环境中进行。这导致冲压的组件可能在成型操作期间或成型操作完成时不直接显出显著的形成裂缝的倾向，但在周围环境下，在一定延迟后(仅数小时或甚至数天后首次)显出所述倾向。本文也将这种现象称为对延迟裂缝形成的敏感度。然而，当将成型组件进行预时效处理时，所述对延迟裂缝形成的敏感度显著降低，并且通过根据成型操作和所使用的合金优化所述预时效处理，甚至能克服所述敏感度。
所述预时效处理可由一个单次热处理组成，但还可在不同温度下以一系列的两次或多次热处理进行。并可作为等温热处理来进行；或在所描述的温度-时间范围内，作为非等温热处理来进行。
预时效温度的优选上限为约210℃、优选约190℃、更优选约140℃。过高温度可导致在烤漆过程后对于强度水平的副作用。
预时效温度的优选下限为约70℃、更优选约100℃。
限定温度范围内的预时效处理优选如下进行：成型产品在预时效温度下不超过5小时，以避免生产能力降低，并且更优选不超过约1小时。最短时间为约1分钟。通常，预时效处理在预时效温度下进行数分钟、例如2分钟至30分钟、如4分钟或8分钟。
已经发现，提高预时效时间(尤其是在温度范围较高端值下运行的情况)可趋向于峰值时效或近峰值时效产物(peak-aged or near-peak agedproduct)，在烤漆过程后产生过时效合金(over-aged a11oy)。过时效材料通常具有改善的腐蚀性能，但强度水平相应地降低。后者在根据本发明的板材应用方面是不希望的。
典型的加热速度将为5℃/hr至300℃/hr。
已经发现在预时效处理期间形成的沉淀相当稳定，以至从预时效温度降至环境温度的冷却速率并非至关重要。因此已经发现，常规的空气冷却或环境冷却至环境温度是方便的冷却方式。优选避免使用通过空气、喷雾或水进行强制冷却，这是因为可能不利地提高成型部件的畸变量。
本发明的方法可应用于大范围的7000系列铝合金，且某些合金比其它合金更易于对延迟裂缝形成具有敏感度，并且还可能影响到成型操作、尤其是成型板产品的形变度。由于这一理由，成型操作与预时效处理之间的时间延迟可在某种程度上改变，但理想情况是保持相对较短。优选地，所述预时效处理在成型操作之后约30小时内进行，优选在约20小时内进行，更优选在约12小时内进行。
应当提及的是，在制造汽车组件时进行预时效热处理在本领域中是已知的。然而，这些处理是在SHT和淬火之后以及任何成型操作(例如冲压、深拉)之前，为增强所谓的烤漆响应(在汽车烤漆过程中显著强化合金板)而对AA6000系列板合金产品进行的热处理。预时效处理的应用增强了沉淀动力学，并降低了沉淀尺寸且缩小了颗粒平均间距。因此涉及将预时效处理应用于不同系列的铝合金、应用于生产过程期间的不同时刻，并且产生了不同的技术效果。
轧制铝合金板可通过本领域已知的方法获得，所述方法包括对轧制材料进行连续铸造或DC铸造、均化作用和/或对轧制材料进行预热、热轧和/或冷轧，直至最终规格通常为约0.5mm至4mm的范围内。根据合金组成以及冷加工的量，可在冷轧操作之前或在冷轧操作期间进行中间退火。
板产品的热处理(如SHT)以及淬火可作为连续操作进行，例如使用连续退火线(continuous annealing line)，随后将所述板产品再次卷绕。卷绕的板产品随后可运送至压制车间以进一步处理为成型部件。
由于在环境温度下发生自发的自然时效效应，经SHT和淬火的板产品处于不稳定状态(本领域中也称为W状态)，因而淬火操作和成型操作之间的时间优选短于2周、更优选短于4天。
在替代的实施方式中，SHT和淬火之后的板产品在温度范围50℃至250℃内进行人工时效处理。例如处理至欠时效的T6态(under-aged T6temper)，例如根据EN515的T61、T64或T65。在优选的实施方式中，将板产品时效处理至过时效的T7x态、例如T79态。使用过时效态的优点为在烤漆过程期间基本上不再进一步过时效，使得所述板产品没有明显的由烤漆过程导致的强度损失。
在替代的实施方式中，于冷却操作之后，在位于实现实质强化的铝合金相区温度下对冷轧的板产品进行热处理；所述热处理可特别为SHT继以淬火，在压制车间附近或压制车间之内进行所述处理，从而缩短冷却和成型操作之间的停留时间。根据物流安排，仍然将所述产品制成卷绕产品或先不进行卷绕，随后切割为具有较小尺寸的独立的板产品，对切割后的板产品单独或以小批次进行热处理，随后冷却并优选在冷却后4小时内成型，得到三维成型部件或组件。
如果希望，也可将热处理并冷却后的板通常在0.5％至4％的范围内进行受控量的拉伸，从而在任何后续的成型操作之前提高板产品的平整度。在替代途径中，将板产品通常在1％至5％的范围内例如使用冲模(die)操作进行压缩。
在热处理和冷却以及任选的拉伸或压缩步骤之后，可将板产品成型为机动车的三维成型BIW部件或其它结构组件配置。
成型操作可为用于对三维机动车组件进行成形(shape)的任何成型操作，并特别包括如冲压、深拉、压制、压制成型以及轧制成型的操作，上述操作在环境温度下或升温(elevated temperature)下进行。
在成形之前，可用润滑剂、油或干膜润滑剂(dry lubricant)对板产品进行涂覆，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。
在成型操作和预时效处理之后，所述成型部件通常构成其它金属组件(制造车辆组件的领域的常规组件)的组装件的一部分，并进行烤漆工序以使所使用的任何涂层或漆层硬化。
或者，成型部件首先构成其它本领域常规金属部件的组装件、例如B柱(B-pillar)的一部分，随后将整个组装件进行预时效处理并构成车身结构的一部分，随后单独进行烤漆工序，从而使所使用的任何涂层或漆层硬化。
组装操作可包括连接操作，例如包边(hemming)、焊接、钳接或铆接。
烤漆操作是明显不同于本发明所述预时效处理的热处理。这两种热处理之间的时间延迟主要由批量生产中制造单个部件、以及包括多个操作步骤时的物流限制所决定。所述时间延迟为多于约1小时，并且可以是数天或甚至数周。
在烤漆过程期间，成型的AA7000系列合金产品达到其所希望的最终强度水平。所述烤漆操作或烤漆过程通常包含一个或多个连续的短暂热处理过程，所述过程在140℃至200℃的范围内进行10分钟至短于40分钟、通常短于30分钟的时间段。通常的烤漆过程将包含约180℃20分钟的首次热处理、冷却至环境温度、随后约160℃20分钟、以及冷却至环境温度。根据OEM，这一烤漆过程可包含从2个到至多5个连续步骤，并包括干燥步骤，但不管怎样，铝合金产品在升温下(100℃至200℃)的累计时间短于120分钟。
本发明的方法可应用于大范围的AA7000系列合金，尤其是显出自然时效效应倾向的合金。在优选的实施方式中，铝合金选自于由下列合金所组成的组：AA7021、AA7136、AA7075、AA7081、AA7181、AA7085、AA7050、AA7150、AA7055以及上述合金的变型。
在另一个优选的实施方式中，AA7000系列合金按wt％计包含：
Figure BDA00003109998700061
其它元素和不可避免的杂质，各自至多为0.05，总量至多为0.20；余量为铝。
在一个实施方式中，AA7000系列铝合金板产品已经在至少一侧设有金属包层，其中所述金属包层材料具有内表面和外表面，且其中所述内表面朝向AA7000系列材料。
包层通常比芯板薄许多，且各包层构成复合板总厚度的约1％至25％。包层更通常构成复合板总厚度的约1％至14％左右。
包层材料可由AA3000、AA4000、AA5000、AA6000或与芯合金不同的AA7000系列铝合金制成。
在一个实施方式中，包层材料由AA5000系列合金组成，所述合金具有多于3.8％的Mg。更优选地，所述包层材料具有多于4.8％的Mg，并优选少于7％、更优选少于5.9％。通过应用所述包层，特别是在预处理方面(如磷酸盐处理、钝化或OEM使用的替代工序)的特性得以改进。AA5000系列铝合金对于汽车工业是已知的，并且与已经用于汽车应用的铝合金相比，具有AA5000系列合金作为外表面使得复合结构表面预处理几乎不需要或完全不需要校正。因此，与现有合金体系不存在问题。复合结构的另一个优点在于，其可用于制造具有高抗冲击性或良好的碰撞性能的组件。应用Mg含量高的AA5000系列包层可使得有利地在表面形成更少的裂缝(由于这些合金具有良好的可弯曲性)，而所定义的AA7000系列芯合金提供了所需的高强度。
在一个实施方式中，包层合金材料由AA6000系列铝合金组成，从而增强成型部件的总体腐蚀特性。优选的合金为AA6016和AA6005系列合金。
由于这种烤漆过程后的高屈服强度、良好的可成型性以及轻的重量，根据本发明制造的BIW部件是替代由双相钢(如钢号dp600、dp800)和硼钢制成的部件的理想候选物，使得有机会在机动车中相当大地降低重量。
在本发明进一步的方面，所述方法用于制造汽车结构部件或构件(member)、优选选自于下组中的结构部件：门梁(door beam)、顶梁(roofbeam)、侧梁(side beam)、仪表面板支撑梁、柱加强件、风道(tunnel)、B柱加强件、白车身部件。
本发明所述方法的优选应用为生产柱加强件，尤其是B柱加强件。
在本发明进一步的方面，涉及机动车成型结构部件或机动车BIW部件，所述部件由规格为0.5mm至4mm、优选0.7mm至3.5mm的AA7000系列铝合金制成，其中所述部件已经过SHT、淬火、由板成型为三维成型部件，并在成型后通过将其保持于50℃至250℃、最优选70℃至170℃的温度下进行预时效处理，从而降低在环境温度下产生延迟裂缝的敏感度。随后，可对预时效后的成型部件进行烤漆过程，从而提供至少350MPa、更通常至少400MPa的屈服强度。
在本发明的另一方面，涉及包含有根据本发明所述方法获得的成型铝合金BIW部件的机动车。
提供下列实例以进一步说明本发明的目的和优点。然而，并不意味着以任何方式限定本发明的范围。
实施例
已经使用常规加工途径制造了规格为1.2mm的铝合金板，其组成为约7.3％Zn、约1.95％Mg、约0.07％Cu、约0.1％Zr、余量为杂质和铝。已经对该板进行重固溶(resolutionized)和淬火处理(所谓的“新W态(fresh W-temper)”)，并立即在环境温度和环境气氛下使用公知的Erichson杯突测试(drawn-cup-test)拉制成杯。在环境温度和环境气氛下，所拉制的杯在24小时内显出在杯中严重地形成一系列裂缝，如图1所示。
然而，当在约1小时内对所拉制的杯在130℃进行4小时的热处理，则该杯并未形成裂缝，并在5天后成功地对热处理后的杯进行了模拟烤漆过程。
在对杯进行拉制后约0.5小时和10小时加以热处理时，产生了类似的效果。
还发现可在130℃下使用较短的热处理时间来避免形成裂缝。
对于在拉制前已经过固溶热处理、淬火、并过时效处理至T79态的相同板材，所拉制的杯在环境温度和环境气氛下也发生延迟断裂。此时同样，本发明的预时效热处理使得避免在所拉制的杯中形成裂缝，且在5天后成功地对这些预时效处理后的所拉制的杯进行了模拟烤漆过程。
虽然已经详细描述了本文所述技术的多种实施方式，但显然对于本领域技术人员来说，将想到那些实施方式的改进和变形。然而，应当清楚理解的是，这些改进和变形处于本发明公开的技术的精神和范围之内。

Claims (15)

1.一种对机动车的成型铝合金结构部件或白车身（BIW）部件进行制造的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供轧制铝板产品，其中，铝合金为AA7000系列铝合金，所述铝合金规格为0.5mm至4mm，并且经固溶热处理且已冷却；
b.对所述铝合金板进行成型，获得三维成型部件；
c.将所述三维成型部件加热到50℃至250℃之间的至少一个预时效温度；以及
d.对成型并预时效后的部件进行烤漆过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述预时效温度在70℃至210℃之间。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述预时效温度在100℃至190℃之间。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中，所述成型部件处于所述预时效温度下的时间不超过5小时，优选不超过1小时。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其中，使用环境冷却将所述成型部件从预时效温度冷却至环境温度。
6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中，在烤漆过程之前的预时效成型部件与一个或多个其它金属部件组装，得到形成机动车组件的组装件。
7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其中，成型操作与预时效处理之间的时间延迟小于20小时，优选小于12小时。
8.如权利要求1至7任一项所述的方法，其中，预时效处理和所述烤漆过程作为独立的热处理来进行。
9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其中，对于所述成型部件，在烤漆过程期间处于升温下的累计时间小于120分钟。
10.如权利要求1至9任一项所述的方法，其中，所述轧制铝板产品在至少一侧具有金属包层。
11.如权利要求1至10任一项所述的方法，其中，所述铝板产品具有AA7021、AA7136、AA7075、AA7081、AA7085、AA7050或AA7055中的化学组成。
12.如权利要求1至10任一项所述的方法，其中，所述铝板产品以wt%计具有以下组成：
Figure FDA00003109998600021
其它元素和不可避免的杂质，各自至多为0.05，总量至多为0.20；余量为铝。
13.如权利要求1至12任一项所述的方法，其中，所述成型结构部件选自于下组：门梁、顶梁、侧梁、仪表面板支撑梁、柱加强件、风道、以及B柱加强件。
14.如权利要求1至12任一项所述的方法，其中，所述成型结构部件为柱加强件，特别是B柱加强件。
15.一种包含有成型车身铝BIW部件的机动车，所述部件通过权利要求1至14任一项所述的方法获得。
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