CN104959437B - 一种提高6xxx系铝合金板材成形性能的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车车身用6XXX系铝合金板材的成形方法，包括以下步骤：安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；将厚度为0.8~1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至160℃~250℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3~15分钟；保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在5~25分钟范围内；成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；取出成形后板材，空冷至室温，完成温成形处理，用这种方法能够协同提高铝合金板材的成形性能及服役强度性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车车身用6XXX系铝合金板材的成形方法，用这种方法能够协同提高铝合金板材的成形性能及服役强度性能。
背景技术
近年来，在国家大力提倡低碳环保、节能减排的背景下，汽车产业正向着绿色环保和车身轻量化的方向发展，其中提高车身铝化率是非常有效的方法之一。以6009、6022、6111为典型代表的6XXX铝合金具有良好的烤漆硬化特性和较好的成形性能（相对于2XXX系铝合金），是目前车身用铝合金的首选合金，被奥迪、宝马、捷豹路虎、福特等各大汽车生产商广泛应用于车身内外板的生产，但是6XXX铝合金应用也存在一些问题，面临的最主要的问题是成形性能和服役强度性能不理想。
造成这两大主要性能不理想的原因是，板材从原材料供应商运输到汽车生产商需要一定时间，在此过程中，6XXX铝合金会发生自然时效，即“停放效应”（aging delay），形成大量早期析出相，使得板材冲压前的屈服强度过高，冲压开裂，成形性能较差。与此同时，由于自然时效生成的大量早期析出相会在烤漆条件下溶解，使主要强化相β"相在短时间烤漆条件下析出滞后，造成服役强度达不到要求。
以6016铝合金为例，行业要求供货状态屈服强度不大于130MPa，延伸率不小于24%，屈强比不大于0.55，塑性应变比不小于0.54，应变硬化指数不小于0.26，服役抗拉强度不小于220MPa。然而，一般原材料供应商以T4态供货，比如6061-T4合金屈服强度为170MPa，延伸率为25%，硬化指数为0.22，塑性应变比为0.5，因此，板材成形性能和服役强度性能无法满足汽车制造业的要求，所以，目前国内各大研究机构正着力研究汽车车身用6XXX系铝合金板材，国内外研究工作者主要通过预时效、预应变抑或温成形的方式，试图提高成形性能和（或）服役强度性能：通过预时效、预应变方法，在成形之前抑止自然时效过程早期析出物的生成，生成有利于主要强化相β"相的核点，通过此种方法来提升烤漆硬化能力和避免损害成形性能而导致的冲压开裂，然而，预时效、预应变的方法要么未明显提升甚至损害成形性能，要么对最终服役强度性能不利；而温成形方式在汽车用5XXX系铝合金方面研究较多，在6XXX系铝合金上研究较少，并且并未考虑温成形对服役强度性能的影响。
预时效处理方面，土耳其Yucel Birol教授研究了AA6016合金在固溶处理后10分钟内在60-200℃进行2-30分钟的预热处理，得出固溶后10分钟内在140-180℃温度之间时间小于10分钟的预时效制度能在保持合金冲压成形性前提下改善烘烤硬化性（烘烤硬化性能的改善有利于提高服役强度性能），但实际上此方法改善烘烤硬化的能力很有限。国内刘宏和关绍康等人分别研究了Al-Mg-Si-Cu合金固溶处理后立即进行170℃预时效5-10分钟和150℃预时效5分钟的预处理工艺，其烤漆后结果虽然高于未进行预时效烤漆后的结果，但其转移时间短不易控制且烤漆前强度过大成形性降低。田妮等人提出的固溶水淬后室温停放2小时～5天，然后在180～200℃处理7-15分钟的方法实际上是世界专利WO 00/70115和WO 2005/071127的特例，其提高服役强度的性能有限。
温成形方式方面，Daoming Li和Amit K. Ghosh研究发现铝合金成形温度在200~350℃之间可得到比较理想的成形性能，对于Al 6111-T4，在变形温度为200℃时并未产生明显的软化效果。S. Mahabunphachai等人发现，当变形温度为300℃时，液压胀形延伸率达到60、70%，拉伸试验当中至多30%，成形性能大幅提高。P.J. Bolt等人研究了100至250℃温成形提高冲压性能的可行性，对于6016-T4铝合金来说，冲头不加热，模具温度设置为175℃，盒子形状的deep-drawn成品深度提高25%，超过125mm，室温100mm。模具温度设置为250℃，圆锥stretched-drawn成品可提高65%。但是，目前有关温成形研究工作主要集中于5XXX系铝合金及其成形性能提高，6XXX系铝合金研究较少，而且，并未考虑到服役强度性能是否满足要求。
所以，尚未有一种协同大幅提高成形性能与服役强度性能的方法，为了显著协同提升其成形性能和服役强度性能，在高于室温的较高温度下变形成为一种较有效的方式。所以确定一个具有保证服役强度性能的同时大幅提升成形性能的变形温度具体范围的成形方法，具有重要意义。
发明内容
本发明是围绕解决自然时效对汽车车身用6XXX系铝合金服役强度性能以及成形性能的消极影响，发明的铝合金板材的温成形方法来协同提高服役强度性能和成形性能。
经过系统研究汽车车身板用铝合金自然时效状态下纳米沉淀相和温成形状态下的纳米沉淀相析出序列、稳定性及结构演化关系，结合析出相与性能关系的研究，本发明的温成形技术方案按以下步骤进行：
一、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
二、将厚度为0.8~1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至160℃~250℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3~15分钟；
三、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在5~25分钟范围内；
四、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
五、取出成形后板材，空冷至室温，即完成汽车车身用6XXX系铝合金板材的温成形处理。
本发明包含以下有益效果：
本发明的方法可在低于热成形（再结晶）的温度范围内对T4态6XXX系铝合金板材进行温成形，解决了室温条件下冲压开裂的情况，在大幅提升成形性能的基础上，不仅避免了对服役强度性能的损害，而且充分发掘6XXX系铝合金烘烤硬化潜能，提高服役强度。
优选方案为：
一、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
二、将厚度为0.8~1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至200℃~250℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3~10分钟；
三、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在5~20分钟范围内；
四、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
五、取出成形后板材，空冷至室温，即完成汽车车身用6XXX系铝合金板材的温成形处理。
进一步优选方案为：
一、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
二、将厚度为0.8~1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至220℃~240℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3~5分钟；
三、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在5~15分钟范围内；
四、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
五、取出成形后板材，空冷至室温，即完成汽车车身用6XXX系铝合金板材的温成形处理。
以上方案所述铝合金为6061铝合金。
本发明方法协同提高汽车冲压件服役强度性能和成形性能，使得产品性能更佳，由于成形性能的大幅提高，使其产品合格的稳定性提高，从成品率角度有效降低了生产成本，同时，对于汽车车身板，高强度性能表现出更佳的抗凹陷性能，提升了产品竞争力。以上优势将促进铝合金板材替代钢板减轻车体重量，从而在取得良好的经济效益的同时节约能源减少排放量。
附图说明
图1为试验1和3温成形工艺和室温成形工艺模拟烤漆前后硬度对比
图2为试验1~4温成形工艺和室温成形工艺模拟烤漆后服役强度对比
图3为试验1和3温成形工艺和室温成形工艺成形性能指标之一延伸率对比
图4为试验1和3温成形工艺和室温成形工艺成形性能指标之一m值对比。
具体实施方式
通过以下试验（实施方式）验证，进一步阐释并进行数据说明本发明的有益效果。为便于对比，实施例所用样品均为汽车车身板铝合金6061，其化学成分(质量分数)为：Mg1.00％，Si0.60％，Cu0.27％，Mn0.15％，Fe0.7％，Zn0.25％，Ti0.15％，其余为铝。合金硬度测试在HXD-1000T型Vickers硬度试验机上进行，实验载荷为4.9N，持续时间为10s，拉伸试验采用标准为：ASTM-E8。冲压试验在EC130板材成型试验机上进行，微观组织检测在TITAN高分辨透射电镜上进行。表1为室温成形工艺和试验1~4温成形工艺各性能指标对比。
试验1：本试验的一种汽车车身用6XXX系铝合金板材的温成形方法是按以下步骤进行：
一、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
二、将厚度为0.8~1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至160℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3~15分钟；
三、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在5分钟范围内；
四、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
五、取出成形后板材，空冷至室温，即完成汽车车身用6XXX系铝合金板材的温成形处理；
六、对温成形后试样切取样品进行硬度检测（包括烤漆前后硬度检测），并且采用ASTM-E8标准进行拉伸试样切割，用于室温拉伸最终服役强度性能检测。
本试验包含以下有益效果：
本试验温成形处理后的6XXX系铝合金板材于模拟烤漆（180℃人工时效30分钟）前形成了主要强化相β"相的有效形核点II-型团簇，烤漆后形成了主要强化相β"相。从表1及附图1~4的结果可以看出，室温成形烤漆前后硬度值分别为84HV、94HV，该试验温成形烤漆前后硬度值分别为91HV、104HV，室温成形烤漆后抗拉强度为290MPa，温成形烤漆后抗拉强度为309MPa，说明强度得到提升；评价成形性能的屈服强度、延伸率、m值分别为130MPa、31%、0.041，明显优于T4状态室温条件下的屈服强度170MPa、延伸率25%、m值0.018的数值，说明成形性能得到大幅提升。
试验2：本试验与试验1不同的是：步骤三中进行温成形处理时，控制整个冲压过程时间在20分钟范围内。其他与试验1相同。
本试验包含以下有益效果：
本试验温成形处理后的6XXX系铝合金板材于模拟烤漆（180℃人工时效30分钟）前形成了主要强化相β"相的有效形核点II-型团簇，烤漆后形成了主要强化相β"相。从表1及附图1~4的结果可以看出，室温成形烤漆前后硬度值分别为84HV、94HV，该试验温成形烤漆前后硬度值分别为101HV、110HV，室温成形烤漆后抗拉强度为290MPa，温成形烤漆后抗拉强度为320MPa，说明强度得到提升；评价成形性能的屈服强度、延伸率、m值分别为131MPa、33%、0.043，明显优于T4状态室温条件下的屈服强度170MPa、延伸率25%、m值0.018的数值，说明成形性能得到大幅提升。
试验3：本试验与试验1不同的是：步骤二中冲压凹模加热至250℃；与试验2不同的是：步骤三中进行温成形处理时，控制整个冲压过程时间在5分钟范围内。其他与试验1和二相同。
本试验包含以下有益效果：
本试验温成形处理后的6XXX系铝合金板材于模拟烤漆（180℃人工时效30分钟）前形成了主要强化相β"相的有效形核点II-型团簇，烤漆后形成了主要强化相β"相。从表1及附图1~4的结果可以看出，室温成形烤漆前后硬度值分别为84HV、94HV，该试验温成形烤漆前后硬度值分别为94HV、114HV，室温成形烤漆后抗拉强度为290MPa，温成形烤漆后抗拉强度为335MPa，说明强度得到大幅提升；评价成形性能的屈服强度、延伸率、m值分别为101MPa、42%、0.046，明显优于T4状态室温条件下的屈服强度170MPa、延伸率25%、m值0.018的数值，说明成形性能得到大幅提升。
试验4：本试验与试验1不同的是：步骤二中冲压凹模加热至250℃，步骤三中进行温成形处理时，控制整个冲压过程时间在20分钟范围内；与试验2不同的是：步骤二中冲压凹模加热至250℃；与试验3不同的是：步骤三中进行温成形处理时，控制整个冲压过程时间在25分钟范围内。其他与试验1至三相同。
本试验包含以下有益效果：
本试验温成形处理后的6XXX系铝合金板材于模拟烤漆（180℃人工时效30分钟）前形成了主要强化相β"相的有效形核点GP区和少许β"相，烤漆后形成了主要强化相β"相。从表1及附图1~3的结果可以看出，室温成形烤漆前后硬度值分别为84HV、94HV，该试验温成形烤漆前后硬度值分别为103HV、108HV，室温成形烤漆后抗拉强度为290MPa，温成形烤漆后抗拉强度为307MPa，说明强度得到提升；评价成形性能的屈服强度、延伸率、m值分别为102MPa、43%、0.047，明显优于T4状态室温条件下的屈服强度170MPa、延伸率25%、m值0.018的数值，说明成形性能得到大幅提升。
Claims (4)
1.一种提高6XXX系铝合金板材成形性能的成形方法，包括以下步骤：
S1、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
S2、将厚度为0.8～1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至160℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3～15分钟；
S3、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在5分钟范围内；
S4、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
S5、取出成形后板材，空冷至室温，完成温成形处理。
2.一种提高6XXX系铝合金板材成形性能的成形方法，包括以下步骤：
S1、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
S2、将厚度为0.8～1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至160℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3～15分钟；
S3、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在20分钟范围内；
S4、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
S5、取出成形后板材，空冷至室温，完成温成形处理。
3.一种提高6XXX系铝合金板材成形性能的成形方法，包括以下步骤：
S1、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
S2、将厚度为0.8～1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至250℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3～15分钟；
S3、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在5分钟范围内；
S4、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
S5、取出成形后板材，空冷至室温，完成温成形处理。
4.一种提高6XXX系铝合金板材成形性能的成形方法，包括以下步骤：
S1、安装模具到冲压设备，调整凹凸模具对中，冲压凹模内部含有加热器件，凸模内部有冷却装置；
S2、将厚度为0.8～1.5mm，热处理状态为T4的6XXX系铝合金板材置于冲压凹模之上，然后冲压凹模加热至250℃，凸模温度保持室温，保温过程控制在3～15分钟；
S3、保温过程之后，启动冲压机程序，进行温成形处理，控制整个冲压过程时间在20分钟范围内；
S4、成形结束后，保持压头位置不变，对板材进行保压，保压过程不超过5分钟；
S5、取出成形后板材，空冷至室温，完成温成形处理。
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