CN105026143B - 具有锐利的特征线的汽车车身包覆板 - Google Patents

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Abstract

在处于铝复合片材材料形式的汽车车身片材中，将包覆材料施用至芯材料的至少一侧，并且其中，所述芯材料为以wt％计具有以下组成的6xxx铝合金：Si 0.8‑1.3，Mg 0.4‑0.7，Cu<0.25，任选选自于由Ti、Fe、Mn、Cr、Zr和Zn所组成的组中的至少一种元素，不可避免的杂质以及余量的铝；其中，所述包覆材料选自于由以下6xxx铝合金构成的组，所述6xxx铝合金以wt％计具有以下组成：Si 0.3‑0.7，Mg 0.3‑0.7，Mn至多0.15，Fe至多0.35，杂质以及余量的铝；或者，所述6xxx铝合金以wt％计具有以下组成：Si 0.8‑1.3，Mg<0.4，Cu<0.25，任选选自于由Ti、Fe、Mn、Cr、Zr和Zn所组成的组中的至少一种元素，不可避免的杂质以及余量的铝；其中，所述包覆材料具有的厚度为所述复合材料的总规格的至少14％。

Description

具有锐利的特征线的汽车车身包覆板
技术领域
本发明涉及由具有足够强度的铝复合片材材料制成的汽车车身板，该片材材料提供了良好的抗凹性能以及出色的车身外表面外观，并使得能够制造出锐利的特征线。
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(temperdesignations)是指在2013年由铝业协会(Aluminum Association)出版的AluminumStandards and Data and the Registration Records中的Aluminum Associationdesignations。
除非另有说明，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。
对于本发明，“片材(sheet)产品”是指厚度超过0.15mm直到2.5mm并具有剪切(sheared)边、切开(slit)边或锯开(sawed)边的轧制产品形式。
对于本发明，“汽车车身片材”是指用于汽车车身应用(例如，外板、内板以及结构部件)的铝合金片材。
汽车板或汽车车身板通常包含外板和内板。这些外板和内板必须达到一定的性能。具体而言，外板通常必须满足足够的卷边等级(hem rating)、烤漆循环后对抗凹性能而言的足够强度、非常好的涂漆表面质量(如，无绳索圈(roping))、整体的良好的成型性、以及其它因素。为了给予当代的汽车特定的品牌相关设计，能够生产具有锐利的特征线的外车身板变得越来越重要。此类锐利的特征线已能够用不同的钢等级实现。然而，由于为了将CO2排放量减少至低于国家允许水平和国际允许水平需要减轻重量，优选或甚至必须使用铝外车身板，而生产具有锐利的特征线的铝外车身板仍然是巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供由铝复合片材材料制成的汽车车身板，所述铝复合片材材料在成型操作和烤漆循环之后提供至少160MPa、优选至少180MPa的所需的最终屈服强度；A级表面外观和出色的耐蚀性；以及非常好的延展性，该非常好的延展性不仅能提供良好的深拉制(deep drawing)行为和拉伸成型行为，而且还更加特别允许实现锐利的特征线。此外，这种复合片材材料给予了出色的卷边行为，并在卷边半径(hemmed radii)上生成A级表面。
本发明通过提供复合片材材料或者由2层或3层(即，芯层和处于一侧或两侧上的较薄的包覆层)制成的复合片材产品的使用，达到或超越了这一目的和其它目的、以及进一步的优势。
芯层由6xxx铝等级构成，所述6xxx铝等级具有在成型操作和烤漆循环之后给予至少180MPa、优选至少195MPa、更优选至少210MPa的屈服强度的组合的化学组成；并具有确保A级绳索圈和云结构(Wolkenbildung)外观的热机械加工。
包覆层也由铝等级构成，但所述铝等级在成型操作和烤漆循环之后具有145MPa、优选最大为130MPa的最大屈服强度。
除了这种低强度或较低强度，非常重要的是这种包覆层的厚度为复合片材材料的总规格的至少14％、优选至少18％。由于这两种层接受了相同的热机械加工，包覆层也将具有A级绳索圈和云结构外观。
两种极其不同的铝等级的这一组合还确保了非常好的卷边行为，这对于外车身部件非常重要。用于这两种层的正确选择的化学组成还确保了出色的腐蚀行为。
在第一实例中，这种特定的复合片材材料应该使得能够通过仅使用1个或多个冷拉制步骤，生产具有外半径小于4.5mm、优选小于3.0mm的特征线的外车身部件。
另外，与用6xxx性质的单一片材和其它铝复合材料可实现的成型性相比，使用本发明所述的复合片材材料并结合特定的成型工艺(例如，在深拉制步骤之前或在深拉制步骤之间，应用至复合材料的半温成型和局部转化退火(local reversion annealing))还产生了改善的成型性。
根据本发明，具有较高强度的复合片材的芯层由以wt％计具有以下组成的6xxx铝合金制成：
Si 0.8-1.3、优选0.90-1.2、更优选0.95-1.2；
Mg 0.4-0.7、优选0.5-0.65；
Cu <0.25、优选<0.1；
任选选自于由以下元素所组成的组中的一种或多种元素：Ti<0.15、Fe<0.4、Mn<0.3、Cr<0.15、Zr<0.15、Zn<0.2；
其它元素(或不可避免的杂质)各自<0.05、总共<0.2；以及
余量的铝。
根据本发明，具有低强度的复合片材的包覆层由选自于由以下6xxx铝合金所组成的组中的铝合金制成，所述6xxx铝合金以wt％计具有以下化学组成：
Si 0.3-0.7、优选0.4-0.6、更优选约0.5％；
Mg 0.3-0.7、优选0.4-0.6、更优选约0.5％；
Mn 至多0.15；
Fe 至多0.35；
其它元素(或不可避免的杂质)各自<0.05、总共<0.2；以及
余量的铝；
或者所述6xxx铝合金以wt％计具有以下化学组成：
Si 0.8-1.3、优选0.9-1.2、更优选0.95-1.2；
Mg <0.4、优选<0.3；
Cu <0.25、优选0.1；
任选选自于由以下元素所组成的组中的一种或多种元素：Ti<0.15、Fe<0.4、Mn<0.3、Cr<0.15、Zr<0.15、Zn<0.2；
其它元素和不可避免的杂质各自<0.05、总共<0.2；以及
余量的铝。
在本发明的实施方式中，将铝复合片材材料用作汽车门外板、行李箱盖外板或外侧板。
本发明所述的复合片材产品可包含施用至芯材料的仅一侧的仅一种包覆片材。在本发明的另一实施方式中，复合片材由在芯材料的两侧均具有低强度的包覆材料的高强度芯材料构成。此外，在这一实施方式中，重要的是包覆层具有的最小厚度为复合材料的总规格的至少14％、优选至少18％。
铝复合片材产品可形成(例如，在环境温度或升高的温度下通过冲压(stamping)、深拉制、压制、压制成型(press forming)以及轧制成型)汽车车身部件、特别是(非承重，non-leod bearing)开闭件(closures)，例如车门外板、侧板、外罩、以及行李箱盖外板。
虽然铝复合材料的尺寸能以多种方式进行变化(主要受制于具体应用和相应需求)，对于用作汽车车身板而言，复合片材材料(即，芯层和所有的包覆层一起)具有约0.5mm-2mm、优选约0.5mm-1.5mm、最优选约0.7mm-1.3mm的厚度。
在一个实施方式中，所定义的包覆片材通过轧制结合的方式附着至芯材料，从而在芯片材和包覆层之间实现所需的冶金结合(metallurgical bonding)。此类轧制结合工艺非常经济，并产生表现出期望性能的非常有效的复合片材材料。当然，轧制结合工艺可伴随有多种额外的加工步骤，例如，用于确定处于复合片材材料形式的汽车车身片材的最终性能的退火。当根据本发明实施此类轧制结合工艺来生产复合片材材料时，优选在轧制结合期间使芯材料和包覆片材经历厚度减少。
在本发明的替代实施方式中，复合片材材料通过多元合金铸造技术生产(例如，专利文件WO-2004/112992、WO-2010/000553和WO-2010/114740中所公开，通过引用并入本文)，并在铸造锭材料后，通过轧制将锭材料加工成较薄规格的材料。
如果期望的话，还可使经热处理并冷却后的复合片材材料接受受控量的拉伸(通常为约0.2％至约4％)，以在任何随后的成型操作前增加片材产品的平整度。
在热处理、冷却和任选的拉伸后，可将铝复合片材材料成型为三维成型的汽车车身板。成型操作可为用于对三维机动车部件进行成形的任何成型操作，并特别包括如下操作：例如在环境温度或升高的温度下进行的冲压、深拉制、压制、压制成型以及轧制成型。
成型之前，可用适合于待生产的结构部件的成型操作、组装和表面处理的润滑剂、油或干燥润滑剂对铝复合片材材料进行涂覆。
通常在成型操作后，如同本领域中用来制造车辆构件所常见的，将成型部件制成其它金属构件的组装件的一部分，并经受烤漆处理以固化所施用的任何涂料或漆层。此类处理在本领域中以术语“烤漆”命名，经历此类处理在本领域中以术语“烤漆循环(paint-bake cycle)”命名。在烤漆循环期间，成型的铝合金层均达到了它们期望的最终强度水平。烤漆操作或烤漆循环通常包含一个或多个连续的短暂热处理，所述热处理在约140℃至200℃下持续约10至短于40分钟、通常短于30分钟的时间。典型的烤漆循环包括在约180℃下进行20分钟的第一热处理，冷却至环境温度，然后在约160℃下进行20分钟并冷却至环境温度。取决于制造商(OEM)，此类烤漆循环可包括2个至甚至多至5个连续步骤，并包括干燥步骤。
当需要生产外车身板时，由于在压制期间实现具有所需的表面质量、刚度以及形状或尺寸精度的外车身板需要显著的拉伸成型，用处于T4回火度的铝片材实现急弯半径(sharp radii)在大多数情况下变得非常困难。
然而，通过使用本发明的复合片材材料，能够生产具有锐利的特征线的外车身部件。
附图说明
现在，参考附图对本发明进一步进行描述，其中：
图1：说明了具有两条特征线的门外板的主要形状。
图2：示出了现有技术所述的复合片材在锐利的特征线处的截面的两个不同图表。
图3：示出了在拉伸弯曲成型工艺中的本申请所述的复合片材材料的三种不同实施方式(即，变体A、变体B和变体C)以及现有技术所述的一种片材。
图4：示出了变体A、变体B和变体C以及图3的单片参比在组合的拉伸弯曲下的有限元分析(FEA)。
图5：示出了在卷边工艺中的本申请所述的复合片材材料的三种不同实施方式(即，变体A、变体B和变体C)以及现有技术所述的一种片材。
图6：示出了变体A、变体B和变体C以及图5的单片参比在卷边工艺中的有限元分析(“FEA”)。
图7：示出了变体A、变体B和变体C以及图5的单片参比在卷边工艺中的塑性等效应变(plastic equivalent strain)值。
具体实施方式
图1示出了现有技术所述的拉伸成型工艺的简化模型。这种拉伸成型工艺通过压边器(blankholder)实施，锁定了涵盖拉制冲孔区的片材的所有区域。因此，能够不对材料进行拉制，并且图像的横截面中所示的急弯半径(即，R1)在铝片材表面上施加了高程度的接触压力。
在该片材的中性膜中的高接触压力的局部叠加以及总的主要量(generalprevailing amount)的抗张应力导致铝部件的可见外侧的锐度(sharpness)丧失。
图2在左侧示出了现有技术片材在锐利的特征线处的截面(处于x/y方向)的图表。明显的是，外面的曲率显著低于预期的内曲率补偿(片材厚度的量)。在图2的右侧示出另一图表，其中，截面x针对导数dx/dy而绘制。截面曲率的导数强调了方向变化沿片材的内部面在比起外部面短的截面长度内发生。这可被定义为相比于成型工具的几何而言的显著的锐度的可见丧失。
图3示出了在拉伸弯曲成型工艺中(即，在与压模(R1)接触中),单片参比(即，现有技术所述的片材)与本发明所述的复合片材材料的三种不同实施方式(即，变体A、变体B和变体C)之间的比较。
在变体A中，具有较高屈服强度的芯材料与压模(R1)的急弯半径接触。在这种情况下，具有较低屈服强度的包覆层的外层中的应力会较高，但包覆合金能够承受这种应力，而且该包覆层具有降低复合片材的芯材料的最大拉伸外层的裂纹敏感性的有益效果。
在变体B中，本发明所述的复合片材材料在芯材料的两个表面上均具有包覆层。因此，一个包覆层与压模(R1)的急弯半径相接触。由于将具有较低屈服强度的包覆层添加至该片材的两个表面，而该包覆层的厚度比起变体A中的小，在一定程度上给予了变体A的有益效果。
变体C示出了本发明所述的复合片材材料，其中，包覆层与压模(R1)的急弯半径相接触。在这一变体中，通过包覆层使经由压模的急弯半径引入到复合片材中的应力减小，这还使得该复合片材的外(拉伸最猛烈)芯层的应力降低。
图4示出了借助于有限元分析，在图3中示出的组合的拉伸弯曲后的不同应力水平。在这一实施方式中，对于变体A和变体B而言，芯层厚度为约0.84mm，包覆层厚度为约0.20mm。对于变体C而言，芯层为约0.84mm，两个包覆层的厚度均为0.10mm。将单片实例用作参比(现有技术)，并且在图3所示的成型条件中，外横截面区显示出高于0.3的局部塑性等效应变值。毗邻冲孔的横截面区显示出低于0.05的值。相比之下，由于包覆层的屈服强度较低，变体C在该区达到高于0.05的值。有益效果为外横截面区的塑性等效应变减少至低于0.3。结果是，裂纹萌生以及局部表面质量下降的可能性降低。
图5示出了在卷边工艺中单片参比(即，现有技术所述的片材材料)与本发明所述的复合片材材料的不同实施方式(即，变体A、变体B和变体C)之间的比较。对具有类似片材厚度的内部部件进行卷边产生量为该厚度一半的半径，由此意味着，对于外蒙皮板的差不多1mm的现有技术规格而言，约为R0.5。与图3中所述的拉伸弯曲成型工艺相比之下，片材的中性膜并不经受额外的抗张应力。通常，内横截面区显示出高程度的压缩应变，而外横截面区被猛烈拉伸。如同对于拉伸弯曲模式已进行的描述，在卷边期间不同水平的屈服强度在横截面中引发了可比较的效果(参见图4)。
图6借助于有限元分析示出了在变体C中，代表着变薄的垂直方向上的应变分布(分别增密)受到包覆层的影响。0.37和更高的区域特征压缩值在大小方面增加，而-0.74和甚至更低的外部区域特征变薄值(thinning values)消失。
图7示出了在卷边工艺中的塑性等效应变值的分布。相比于单片参比，变体C将较高水平的应力从外部区域转移到内部区域。具体而言，外部区域的抗张主导的应变值(tensile dominated strain value)从0.5降低至0.4，而卷边中心的压缩主导值(compressive dominated value)增加至0.7和更高的值。然而，由于应力状态具有压缩特征，后者没有破坏的风险，因此不适于裂纹萌发和它们的扩张。更重要的是外表面的脱模效应(releasing effect)，使得作为卷边的结果而出现在铝的锐边和可视表面印痕处的典型的表面粗化得到降低或消除。变体B显示出类似的效果，但是处于比变体C低的水平。由于具有0.5的抗张主导值的区域在大小方面增加，变体A不得不面对负面效应。
本发明并不限于上文所述的实施方式，并且在所附的权利要求限定的发明范围内可广泛地变化。

Claims (25)

1.处于铝复合片材材料形式的汽车车身片材，其中，将包覆材料施用至芯材料的至少一侧，并且其中，所述芯材料由以wt％计具有如下组成的6xxx铝合金构成：
Si 0.8-1.3；
Mg 0.4-0.7；
Cu<0.25；
任选选自于由以下元素所组成的组中的一种或多种元素：Ti<0.15、Fe<0.4、Mn<0.3、Cr<0.15、Zr<0.15、Zn<0.2；
其它元素和不可避免的杂质各自<0.05、总共<0.2；以及
余量的铝；
并且其中，所述包覆材料选自以下6xxx铝合金，所述6xxx铝合金以wt%计具有以下组成：
其它元素和不可避免的杂质各自<0.05、总共<0.2，以及
余量的铝；
其中，所述包覆材料的厚度为所述复合片材材料的总规格的至少14％。
2.根据权利要求1所述的汽车车身片材，其中，用作所述包覆材料的所述6xxx铝合金具有含量为0.4wt％-0.6wt％的Si。
3.根据权利要求2所述的汽车车身片材，其中，用作所述包覆材料的所述6xxx铝合金具有含量为0.5wt％的Si。
4.根据权利要求1所述的汽车车身片材，其中，用作所述包覆材料的所述6xxx铝合金具有含量为0.4wt％-0.6wt％的Mg。
5.根据权利要求4所述的汽车车身片材，其中，用作所述包覆材料的所述6xxx铝合金具有含量为0.5wt％的Mg。
6.处于铝复合片材材料形式的汽车车身片材，其中，将包覆材料施用至芯材料的至少一侧，并且其中，所述芯材料由以wt％计具有如下组成的6xxx铝合金构成：
Si 0.8-1.3；
Mg 0.4-0.7；
Cu<0.25；
任选选自于由以下元素所组成的组中的一种或多种元素：Ti<0.15、Fe<0.4、Mn<0.3、Cr<0.15、Zr<0.15、Zn<0.2；
其它元素和不可避免的杂质各自<0.05、总共<0.2；以及
余量的铝；
并且其中，所述包覆材料选自以下6xxx铝合金，所述6xxx铝合金以wt％计具有以下组成：
Si 0.8-1.3，
Mg<0.4，
Cu<0.25，
任选选自于由以下元素所组成的组中的一种或多种元素：Ti<0.15、Fe<0.4、Mn<0.3、Cr<0.15、Zr<0.15、Zn<0.2，
其它元素和不可避免的杂质各自<0.05、总共<0.2，以及
余量的铝；
其中，所述包覆材料的厚度为所述复合片材材料的总规格的至少14％。
7.根据权利要求6所述的汽车车身片材，其中，用作所述包覆材料的所述6xxx铝合金具有含量为0.9wt％-1.2wt％的Si。
8.根据权利要求6所述的汽车车身片材，其中，用作所述包覆材料的所述6xxx铝合金具有含量为<0.3wt％的Mg。
9.根据权利要求6所述的汽车车身片材，其中，用作所述包覆材料的所述6xxx铝合金具有含量为<0.1wt％的Cu。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，所述包覆材料的厚度为所述复合片材材料的总规格的至少18％。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，在成型操作和烤漆循环之后，所述芯材料具有至少180MPa。
12.根据权利要求11所述的汽车车身片材，其中，所述芯材料具有至少210MPa的屈服强度。
13.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，在成型操作和烤漆循环之后，所述包覆材料具有145MPa的最大屈服强度。
14.根据权利要求13所述的汽车车身片材，其中，所述包覆材料具有最大为130MPa的最大屈服强度。
15.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，所述芯材料具有含量为0.90wt％至1.2wt％的Si。
16.根据权利要求15所述的汽车车身片材，其中，所述芯材料具有含量为0.95wt％至1.2wt％的Si。
17.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，所述芯材料具有含量为0.5wt％至0.65wt％的Mg。
18.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，所述芯材料具有含量少于0.1wt％的Cu。
19.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，所述复合片材材料由仅在一侧具有包覆片材的芯材料构成。
20.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，所述复合片材材料由在芯材料的两侧均具有包覆片材的芯材料构成。
21.根据权利要求1-9中任一项所述的汽车车身片材，其中，所述复合片材材料的总厚度为0.5mm-2mm。
22.根据权利要求21所述的汽车车身片材，其中，所述复合片材材料的总厚度为0.5mm-1.5mm。
23.根据权利要求22所述的汽车车身片材，其中，所述复合片材材料的总厚度为0.7mm-1.3mm。
24.由权利要求1-23中任一项所述的汽车车身片材制成的汽车车身板。
25.根据权利要求24所述的汽车车身板，其中，所述汽车车身板选自车门外板、行李箱盖外板或外侧板。
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