CN105940124A - 高强度铝的冲压 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制造用于机动车辆应用中的由铝合金形成的部件的方法，该部件例如为需要高强度、重量轻和复杂的三维形状的部件。该方法以提供由铝合金形成的坯料开始，该坯料已经进行固溶热处理和回火并且由此具有约T4的回火代号。该方法还包括将坯料加热到150℃至350℃、优选地190℃至225℃的温度。该方法其次包括将坯料快速地转移至热成形设备或温成形设备、以及对坯料进行冲压以形成复杂的三维形状。紧接着成形步骤之后，该部件具有约T6、但优选地不大于T6的回火代号，并且由此准备好用于机动车辆应用中而无需任何后热处理或机加工。

Description

高强度铝的冲压
现有申请的交叉引用
本PCT专利申请要求于2014年1月24日提交的、名称为“HighStrength Aluminum Hot Stamping(高强度铝的热冲压)”的美国临时专利申请序列号No.61/931,254的权益，该申请的全部公开内容被视为本申请的公开内容的一部分并且在此通过参引并入。
背景技术
1.技术领域
本发明总体上涉及制造由铝合金形成的部件的方法，并且更具体地涉及用在机动车辆应用中的部件。
2.相关技术
诸如保险杠和加强件之类的用于机动车辆应用的结构部件由于铝合金的重量更轻而往往由铝合金形成而非由钢形成。通常，该部件根据其所使用的特定应用形成为复杂的三维形状。在成品部件中通常还需要高强度和特定的回火代号。
高强度、重量轻的铝部件可以利用温成形过程或热成形过程来制造。例如，可以使用包括在烘箱中进行热处理和后回火的冲压过程以获得期望强度和回火代号。然后，冲压过程之后会接着将部件机加工成复杂的三维形状。然而，具有后回火过程和后机加工过程的热冲压或温冲压需要较高的制造成本和资本投资，这最终增加了铝部件的价格并且可能会超过其他益处。
发明内容
本发明提供了一种以降低的制造成本和资本投资制造由铝合金形成并具有复杂的三维形状的高强度、重量轻的部件的方法。该方法包括提供由选自包括2000系列铝合金、6000系列铝合金、7000系列铝合金、8000系列铝合金以及9000系列铝合金的组的铝合金形成的坯料，其中，该铝合金已经进行固溶热处理和回火。该方法还包括将经热处理且经回火的坯料加热到150℃至350℃的温度；以及在加热步骤之后使坯料成形为具有三维形状的部件。在成形步骤期间或者紧接着该成形步骤之后，该铝合金的拉伸强度和屈服强度接近其最大拉伸强度和最大屈服强度，并且由此不需要后热处理过程。此外，可以在成形步骤期间获得复杂的三维形状，使得不需要后机加工过程。
本发明还提供了一种用于机动车辆应用中的具有三维形状的部件。铝合金选自包括2000系列铝合金、6000系列铝合金、7000系列铝合金、8000系列铝合金以及9000系列铝合金的组，并且成品部件的铝合金具有接近T6的回火代号。该回火代号通过在使经固溶热处理且经回火的由铝合金形成的坯料形成为三维形状之前将该坯料加热到150℃至350℃的温度来获得。
附图说明
在结合附图考虑时通过参照以下详细描述，本发明的其他优点将变得更好理解，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个示例性实施方式的制造由铝合金形成的产品的方法。
具体实施方式
本发明提供了一种制造用于机动车辆应用中的具有复杂的三维形状的部件10——例如保险杠或加强件——的方法。部件10由铝合金形成，以获得高强度和重量轻的部件。此外，与用于制造类似的高强度、重量轻的部件的其他方法相比，该方法可以以降低的制造成本和减少的资本投资来执行。图1示出了根据示例性实施方式的这种改进的制造方法。
首先，该方法包括提供由铝合金形成的坯料12。坯料12通常为片材，但是可以根据成品部件10的期望尺寸和形状包括任意的尺寸和形状。用于形成坯料12的铝合金为2000系列铝合金、6000系列铝合金、7000系列铝合金、8000系列铝合金或9000系列铝合金，这些铝合金为国际标准化的合金并且在本领域中是公知的。每个系列均代表不同类型的合金，并且一系列内的每个合金均由铝业协会(AA)登记。例如，2000系列中的铝合金被称为高强度合金并且通常包括镁和作为主合金元素的铜。6000系列和7000系列中的合金也被称为高强度合金并且通常经由使其主合金元素沉淀通过热处理来强化，这些主合金元素对于6000系列来说为硅和镁并且对于7000系列来说为铜、锌和镁。8000系列合金包括使用不太频繁的合金元素，如铁或锡。9000系列合金为不属于其他系列中的一者的合金，并被看作没有归属(unassigned)的合金。
提供了在已经进行固溶热处理和回火之后的由铝合金形成的坯料12。经固溶热处理且经回火的坯料12可以设置有期望形状，或者可以从已经进行固溶热处理和回火的更大的材料块切割下来。固溶热处理一般包括通过加热来使铝合金软化以及保持合金处于高温以使得所有的合金元素呈单相固溶体。回火一般包括通过加热来提高铝合金的强度和/或硬度。在固溶热处理和回火过程之后，坯料12的铝合金通常具有T4的回火代号或接近T4的回火代号。回火代号T4和其他回火代号T1至T10也由铝业协会登记并且在本领域中是公知的。所有已登记的回火代号的列表发表在美国国家标准协会(ANSI)H35.1中。
其次，该方法包括在烘箱或炉14中将经固溶热处理且经回火的坯料12加热至高温，如图1中所示。加热步骤的温度应足够高以使得在从炉14移除坯料12时，坯料12可以转移至成形设备16并且在至少150℃的温度下成形。优选地，加热步骤的温度和持续时间是受控的以获得理想的拉伸强度和屈服强度。在一个实施方式中，加热步骤包括在炉14中将坯料12加热到190℃至225℃的温度或至少204℃的温度。加热步骤还包括要保持坯料12处于该温度范围内达2分钟至6分钟的持续时间。在示例性实施方式中，炉14的总停留时间和加热步骤的持续时间通常为100秒至800秒。
加热时间和温度应选择成使得所得到的部件10的回火代号为约T6或接近T6，但是优选地不超过可能会导致过时效问题和腐蚀问题的T6回火。加热步骤的时间和温度还可以用于在成品部件10中获得期望的屈服强度和/或拉伸强度。例如，对于7000系列铝合金来说，如果加热步骤包括保持坯料12处于204℃并持续6分钟，则7000系列铝合金在加热步骤之后的屈服强度和拉伸强度为屈服强度比和拉伸强度比的约75％，即最大拉伸屈服(或“最大屈服强度”)和最大拉伸强度的75％；并且成品部件10的屈服强度和拉伸强度为拉伸强度比和屈服强度比的约80％。在另一实施方式中，其中，加热步骤在232℃下进行6分钟，铝合金在加热步骤之后的屈服强度和拉伸强度是屈服强度比和拉伸强度比的约50％，并且所得到的部件10中的铝合金的屈服强度和拉伸强度为屈服强度比和拉伸强度比的约70％。如果加热步骤在275℃下进行6分钟，则铝合金在加热步骤之后的屈服强度和拉伸强度是屈服强度比和拉伸强度比的约30％，并且所得到的部件10中的铝合金的屈服强度和拉伸强度是屈服强度比和拉伸强度比的约60％。
该方法包括在加热步骤之后将加热的坯料12快速地转移至成形设备16，如图1中所示。转移步骤的持续时间不大于15秒、例如1秒至15秒、并且优选地不大于12.5秒，使得坯料12保持处于适当温度以便成形。替代性地，坯料12可以在成形步骤之前在成形设备16中加热以使得不需要炉14。
在图1的示例性实施方式中，成形设备16包括彼此间隔开的上成形工具18和下成形工具20，并且加热的坯料12布置在上成形工具18与下成形工具20之间的空间中。上成形工具18包括压力机22和上模具24，上模具24根据待成形的部件10的期望形状呈现出第一预定形状。下成形工具20包括下模具26，下模具26也根据待成形的部件10的期望形状呈现出第二预定形状。模具24、26可以设计成使得成品部件10的三维形状较复杂并且可以用在机动车辆应用中。
一旦加热的坯料12布置在成形设备16中，该方法就包括在坯料12仍然处于高温——例如处于至少150℃、或150℃至350℃、或190℃至225℃、或至少204℃的温度——的同时使加热的坯料12成形。成形步骤通常包括在上成形工具18与下成形工具20之间对坯料12进行冲压或压制。然而，可以使用其他技术以在将经固溶热处理且经回火的坯料12加热到150℃至350℃的温度并且在15秒内将加热的坯料12转移至炉之后使坯料12形成为期望形状。合金组分和加热步骤的温度允许在成形步骤期间形成复杂的三维形状而无需任何后机加工，这降低了制造成本。
在成形步骤之后，成品部件10如图1中所示从成形设备16移除并且准备好用于机动车辆应用中，而无需后回火过程或将包括在成形步骤之后将部件10加热到至少90℃的温度并持续至少65分钟的任何其他后热处理过程。尽管不需要常规的后回火过程，但是部件10会经受常规的涂涂料过程，例如包括在用于机动车辆应用中之前将部件10加热到范围为135℃至185℃的温度并持续总共60分钟的过程。
上述方法提供了在加热步骤之后具有高回火代号和强度的坯料12，并且允许铝合金在成形步骤期间及其之后保持高回火代号和强度。例如，当在这个过程的开始时(在加热步骤之前)提供的经固溶热处理且经回火的坯料12具有约T4的回火代号时，则成品部件10具有约T6且优选地略微低于T6的回火代号。约T6的回火代号在成形步骤期间或者紧接着该成形步骤之后获得。换句话说，成品部件10的铝合金的拉伸强度等于或大于回火代号为约T6的相同铝合金的最小拉伸强度。因此，部件10足够牢固以用于诸如保险杠和加强件之类的许多机动车辆应用中，而无需昂贵的后加热步骤。
该方法还可以包括在成形步骤之后对部件10进行冷却或淬火。然而，冷却或淬火步骤不改变部件10的铝合金的物理或化学特性。例如，冷却步骤可以包括将部件10冷却至室温，例如约30℃的温度。在一个实施方式中，冷却步骤例如通过常规的水冷却而在成形设备16中进行。在另一实施方式中，部件10在成形设备16外在室温下自然地冷却。
本发明的另一方面提供了用于机动车辆应用中的具有复杂的三维形状并根据上述方法制造的部件10。部件10由选自2000系列铝合金、6000系列铝合金、7000系列铝合金、8000系列铝合金以及9000系列铝合金的铝合金形成。成品部件10的铝合金还具有接近T6且优选地不大于T6的回火代号。如上所述，成品部件10的回火代号通过在使经固溶热处理且经回火的由铝合金形成的坯料12形成为三维形状之前将坯料12加热到150℃至350℃的温度来获得。优选地，成品部件10的铝合金的拉伸强度等于或大于由约T6的回火代号提供的最小拉伸强度。在一个实施方式中，部件10用在保险杠或加强件应用中，但是部件10还可以用在各种其他的应用、特别是要求重量轻和高强度的应用中。
根据以上教示，本发明的许多改型和变型都是可能的，并且在所附权利要求的范围内可以以除了如所具体描述的之外的其他方式实施。

Claims (15)

1.一种制造由铝合金形成的部件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供由选自包括2000系列铝合金、6000系列铝合金、7000系列铝合金、8000系列铝合金以及9000系列铝合金的组的铝合金形成的坯料，其中，所提供的坯料的铝合金被固溶热处理并且被回火；
将经固溶热处理且经回火的坯料加热到150℃至350℃的温度；以及
在所述加热步骤之后使所述经固溶热处理且经回火的坯料成形为具有三维形状的部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热步骤包括保持所述经固溶热处理且经回火的坯料处于190℃至225℃的温度并持续2分钟至6分钟。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述加热步骤包括保持所述经固溶热处理且经回火的坯料处于至少204℃的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成形步骤在所述加热步骤之后的15秒内发生。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述加热步骤在炉中发生，所述成形步骤在成形设备中发生，并且所述方法包括在1秒至15秒内将加热的所述坯料从所述炉转移至所述成形设备。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述坯料在所述成形步骤期间处于至少150℃的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，紧接着所述成形步骤之后，所述部件的所述铝合金具有约T6的回火代号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金选自包括6000系列铝合金、7000系列铝合金和8000系列铝合金的组；所述坯料的所述铝合金在所述加热步骤之前具有约T4的回火代号；所述加热步骤包括将所述经固溶热处理且经回火的坯料加热到190℃至225℃的温度；并且紧接着所述成形步骤之后，所述部件的所述铝合金具有约T6的回火代号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金为7000系列铝合金；并且紧接着所述成形步骤之后，所述部件的所述铝合金的屈服强度为所述7000系列铝合金的最大屈服强度的至少75％。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成形步骤包括在成形设备的上成形工具与下成形工具之间对所述坯料进行冲压，所述上成形工具包括压力机和呈现出第一预定形状的上模具，并且所述下成形工具包括呈现出第二预定形状的下模具。
11.根据权利要求1所述的方法，包括在所述成形步骤之后对所述部件进行冷却，其中，所述部件的所述铝合金的特性在所述冷却步骤期间不变。
12.根据权利要求1所述的方法，不包括在所述成形步骤之后对所述部件进行后热处理，其中，所述后热处理会包括将所述部件加热到至少90℃的温度并持续至少65分钟。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述坯料的所述合金选自包括6000系列铝合金、7000系列铝合金和8000系列铝合金的组，并且所述坯料的所述铝合金在所述加热步骤之前具有约T4的回火代号；
所述加热步骤包括在炉内保持所述经固溶热处理且经回火的坯料处于190℃至225℃的温度并持续2分钟至6分钟；
所述成形步骤在成形设备中发生，并且紧接着所述成形步骤之后，所述部件的所述铝合金具有约T6的回火代号；并且
所述方法还包括以下步骤：
将加热的所述坯料从所述炉转移至所述成形设备并且在所述加热步骤之后的15秒内在所述成形设备中开始所述成形步骤；以及
在所述成形步骤之后对所述部件进行冷却，其中，所述部件的所述铝合金的特性在所述冷却步骤期间不变。
14.根据权利要求13所述的方法，不包括在所述成形步骤之后对所述部件进行后热处理，其中，所述后热处理步骤会包括将所述部件加热到至少90℃的温度并持续至少65分钟。
15.一种用于机动车辆应用中的具有三维形状的部件，所述部件包括：
铝合金，所述铝合金选自包括2000系列铝合金、6000系列铝合金、7000系列铝合金、8000系列铝合金以及9000系列铝合金的组；以及
所述部件的所述铝合金具有约T6的回火代号；并且所述铝合金通过在使经固溶热处理且经回火的由所述铝合金形成的坯料形成为三维形状之前将所述坯料加热到150℃至350℃的温度获得约T6的回火代号。
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