CN108138266A - 用于使处于t4回火状态的可时效硬化铝合金温成形的方法 - Google Patents

Abstract

描述用于使处于T4回火状态的可时效硬化的铝合金，例如2XXX、6XXX以及7XXX铝合金，或者由此类合金制成的制品，包括铝合金薄板，成形的方法。所述方法涉及在成形步骤前和/或与成形步骤同时地对所述薄板或制品进行加热。以在3℃/s至600℃/s范围内的指定加热速率，例如3℃/s至90℃/s，将所述薄板加热到在100℃至600℃范围内的指定温度。温度与加热速率的这种组合形成了薄板特性的有利组合。

Description

用于使处于T4回火状态的可时效硬化铝合金温成形的方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2015年10月8日提交的美国临时专利申请序列号62/239,014的优先权和申请权益，所述临时专利申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及铝合金领域和相关领域。

背景技术

铝合金将低密度与结构强度和耐撞性相结合，这使得它们对于机动车行业中的结构零件和车身零件的生产具有吸引力。然而，与拉伸级别钢相比，铝合金的成形性较低。在一些情况下，铝合金的相对较低的成形性会导致难以获得良好的零件设计，并且会因裂缝或起皱而造成故障。因为铝合金在高温下显示出增强的成形性，所以在机动车行业中利用铝合金薄板的温成形来克服这些问题。通常，温成形是在高温下使金属变形的加工方法。温成形可以使金属的展性最大化，但也会引起其自身的问题。在一些情况下，加热会对铝合金薄板的机械特性造成负面影响。被加热的铝合金薄板在冲压操作期间可能显示降低的强度，并且在合金薄板冷却后降低的强度特性可能继续存在。铝合金薄板的加热也会导致在冲压操作期间铝合金零件的减薄率增加。铝合金薄板或零件也可能会经历其冶金状态下的不良变化。

常常用于生产机动车覆盖件的、可热处理的可时效硬化的铝合金，例如2XXX、6XXX以及7XXX铝合金，通常以处于韧性T4回火状态的铝薄板的形式提供给制造商，从而使制造商能够通过冲压或压制而生产所需的汽车覆盖件。为了生产符合所需强度规范的功能性机动车零件，通常在生产后对由处于T4回火状态的铝合金所生产的零件进行热处理接着进行时效硬化，从而形成处于T6回火状态的零件或薄板。在温成形步骤期间升高可热处理的可时效硬化的铝合金的温度会过早地将铝合金零件或薄板转变为T6回火状态，从而不仅导致成形性的降低(这可能会对后继的成形步骤造成负面影响)而且还对制造商在生产后的热处理和/或时效过程中硬化零件的能力造成不利影响。

因此，铝合金零件的制造商需要改进的温成形方法来生产他们制造零件所用的铝。

发明内容

本发明所涵盖的实施例是由权利要求所限定，而不是由本发明内容所限定。本发明内容是对本发明的各个方面的高度概述，并且引入在下面的具体实施方式章节中作进一步描述的部分概念。本发明内容并非旨在确定要求保护的主题的重要或基本特征，也并旨在单独地用于确定要求保护的主题的范围。应当通过参考整个说明书的适当部分、任何或所有的附图和每一权利要求来理解所述主题。

公开了用于使可时效硬化的铝合金成形的方法。所公开的方法允许在提高合金的成形性同时保持合金的适当强度特性的条件下对可时效硬化的铝合金进行温成形。本文中所描述的方法也可以限制在冲压期间合金零件的减薄率，并且保持合金零件的冶金状态和硬化能力。这些新颖方法生产的铝合金零件在拉伸伸长率方面可以出人意料地与钢相匹敌，同时保留T4特性，例如强度、伸长率以及时效性能，从而具有在一些应用中代替钢零件并减轻车辆重量的能力。这些铝合金零件可以接纳再生铝作为输入金属，并且提高车辆的燃料效率。

在一些实例中，用于使可时效硬化的可热处理的铝合金制品成形的方法包括以约3℃/s至约90℃/s的加热速率将所述制品加热到约100至600℃的温度，并且使所述制品成形。可在成形步骤之前和/或与成形步骤同时地对铝合金进行加热。在一些情况下，将制品加热到一定温度可以包括加热到约150℃至450℃、约250℃至450℃和/或约350℃至500℃的温度。

在一些情况下，制品是薄板。在一些情况下，制品可以是2XXX、6XXX和7XXX铝合金。在一些情况下，在加热步骤前制品可以处于T4回火状态。在一些情况下，在加热步骤前后制品处于T4回火状态。

在所公开的温成形方法中，以在约3℃/s至约600℃/s范围内，例如约3℃/s至约200℃/s或者约3℃/s至约90℃/s的指定加热速率，将由铝合金制成的制品，如铝合金薄板加热到在约100℃至约600℃范围内(例如约150℃至450℃、约250℃至450℃和/或约350℃至500℃)的指定温度。温度与加热速率的这种组合可以形成铝合金薄板特性的有利组合。在一些情况下，以本文中描述的加热参数所进行的热处理可以增强铝合金的成形性，同时将其强度保持在容许限度内并且限制冲压期间铝合金零件的减薄率。在一些情况下，伸长率可以充当成形性的一个指标；具有较高伸长率的薄板和制品可以具有良好的成形性。在一些情况下，被加热制品的工程应变为40％至90％。在一些情况下，根据本文中所描述的方法，与加热之前的制品相比，制品的伸长率可以增加高达约30％。在一些情况下，可以用减薄率值来表征被加热制品，例如，在成形后所述制品的减薄率可以小于约22％。在一些情况下，热处理后，被加热铝合金薄板或制品的强度特性和时效性能可以得到保持。

在一些情况下，用于使制品成形的方法可以任选地包含使成形制品冷却的步骤。在一些情况下，用于使制品成形的方法可以任选地包括在冷却步骤后的附加的成形步骤。

在一些实例中，通过感应加热来完成热处理，但是也可以采用其它加热方法，如下文更详细地论述。所公开的方法可以并入在运输和机动车行业，例如，用于铝零件(如汽车车身覆盖件，或者列车、飞机、船舶、小船和航天器的零件)制造的运输业中所采用的生产线和工艺中。所公开的方法并不局限于汽车行业，或更概括地，机动车行业，并且可以有利地用于其它涉及铝制品制造的领域中。

本文中还描述了根据所公开方法而生产的成形铝合金制品。在一些情况下，所述成形铝合金是机动车覆盖件。在一些情况下，所述成形铝合金制品可以具有至少约150MPa的极限抗拉强度。在一些情况下，所述成形铝合金制品可以具有约10MPa至150MPa的极限抗拉强度。

根据以下的详细说明，本发明的其它目的和优点将显而易见。

附图说明

图1是用于拉伸试验的示例性铝合金试样的照片图。

图2是显示通过感应加热以90℃/s的加热速率加热到各种温度(如图中所示)的AA6016合金样品的加热曲线的线图。箭头表示拉伸试验的开始。

图3是显示通过感应加热以90℃/s的加热速率加热到各种温度(如图中所示)的AA6016合金样品的应力-应变曲线的线图。还示出了在室温下AA6016和钢样品(下文中分别称为“RT”和“冷钢”)的应力-应变曲线。钢样品是DX56D，从奥钢联集团(Voestalpine)(奥地利，Linza)得到的低碳钢。垂直的点线代表室温钢样品的总伸长率。

图4是显示通过感应加热以90℃/s的加热速率加热到各种温度(如图中所示)，水淬火，并且在室温下进行时效达一周的AA6016合金样品的应力-应变曲线的线图。还示出了保持在室温的AA6016合金样品(“REF T4”)的应力-应变曲线。

图5是显示图4的代表性应力-应变曲线(下面的一组曲线；“T4”)和用于比较的通过感应以90℃/s的加热速率被加热到各种温度，水淬火，在室温下进行时效达一周，在180℃下热处理达10小时，然后冷却到室温的AA6016合金样品的代表性应力-应变曲线(上面的一组曲线；“T6”)的线图。在所示出的示例性曲线中提供的各种温成形温度包括150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃和500℃。在上面的一组曲线中，尚未经历温成形的AA6016样品的应力-应变曲线以最上面的点线示出。

图6是显示AA6016合金样品的比较电导率测量的结果的柱状图。在电导率测量之前，通过感应加热以90℃/s的速率将“T4”样品(各对的左直方图柱)加热到各种温度，水淬火，接着在室温下进行时效达一周。通过感应加热以90℃/s的速率将“T6”样品(各对的右直方图柱)加热到各种温度，水淬火，在室温下进行时效达一周，在180℃下热处理达10小时，然后冷却到室温。水平线表示处于T4回火状态的AA6016样品的预期电导率水平。

图7是显示通过感应加热以90℃/s(上面的一组曲线)和3℃/s(下面的一组曲线)的加热速率加热到各种温度(如图中所示)，水淬火，在室温下进行时效达一周，在180℃下热处理达10小时，然后冷却到室温的图4的AA6016合金样品的应力-应变曲线的线图。还示出了保持在室温的AA6016合金样品的应力-应变曲线(“RT”)。

图8是显示通过感应加热以90℃/s(各对的右直方图柱)和3℃/s(各对的左直方图柱)的速率加热到各种温度，水淬火，在室温下进行时效达一周，在180℃热处理达10小时，然后冷却到室温的AA6016合金样品的比较电导率测量的结果的柱状图(如图中所示)。在400℃、450℃和500℃下的左3℃/s直方图柱(用黑色表示)表示过时效。

图9是显示减薄试验中所使用AA6016合金样品的应力-应变曲线的线图。通过感应加热以90℃/s的加热速率将这些样品加热到各种温度(如图中所示)。在所示的温度下执行45％、65％和85％的预应变。

图10是用于减薄率测量的一个示例性铝合金试样的侧视图的照片图。水平线显示减薄率测量的位置。

图11是说明通过感应加热以90℃/s的加热速率被加热到各种温度(如图中所示)的预应变AA6120合金样品(在图7中所示的应力-应变曲线)的“减薄率图”的点图。典型的理想减薄率范围取决于最终应用并且在15％和20％之间变化。

图12是说明通过感应加热以90℃/s的加热速率被加热到各种温度(如图中所示)的预应变AA6111合金样品(在图7中所示的应力-应变曲线)的“减薄率图”的点图。典型的理想减薄率范围取决于最终应用并且在15％和20％之间变化。

图13是说明通过感应加热以90℃/s的加热速率被加热到各种温度(如图中所示)的预应变AA6170合金样品(在图7中所示的应力-应变曲线)的“减薄率图”的点图。典型的理想减薄率范围取决于最终应用并且在15％和20％之间变化。

图14是未经预热的用于试验的冲压AA6170合金的照片图。

图15是未经预热的用于试验的冲压AA6170合金的照片图。

图16是冲压前被预热到200℃的用于试验的冲压AA6170合金的照片图。

图17是冲压前被预热到350℃的用于试验的冲压AA6170的照片图。

图18是显示用于实例5中所描述冲压试验的AA6170合金的应力-应变曲线的线图(在室温、200℃、350℃的预热温度下)。

具体实施方式

本文中所使用的术语“发明(invention)”、“本发明(the invention)”、“本发明(this invention)”和“本发明(the present invention)”意在广泛地指代本专利申请和所附权利要求的全部主题。含有这些术语的陈述应当被理解成不限制本文中所描述的主题或者限制所附专利权利要求的含义或范围。

在本描述中，提到了用AA数字和其它相关牌号，例如“系”或“7xxx”，所标示的合金。为了理解最常用于命名和标示铝及其合金的所述数字牌号方法，参见由铝业协会出版的《变形铝及铝合金的国际合金牌号与化学成分(International Alloy Designationsand Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought AluminumAlloys)》或者《铸件和铸锭形式的铝合金的铝业协会合金牌号与化学成分的注册记录(Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and ChemicalCompositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot)》。

除非上下文中另有明确规定，否则本文中所使用的“一个”、“一种”和“所述”的含义包括单数和复数所指对象。

在以下的实例中，铝合金以其元素组成来描述(单位是重量百分比(重量％)。在各合金中，所有杂质总和的最大重量％为0.15％，而余下的是铝。

除非本文中另有说明，室温是指在约20℃至约25℃之间的温度，包括20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或25℃。

除非另有说明，热处理通常是指将合金薄板或制品加热到足以使合金薄板或制品温成形的温度。用于温成形的热处理可以在成形步骤之前和/或与成形步骤同时执行，以便对被加热铝合金薄板或制品进行成形。

铝合金和制品

所公开的方法可以用任何铝合金(例如含有A1、Mg、Si和任选地Cu的铝合金)来实施，并且能够显示时效硬化响应。可以进行所公开方法的铝合金包括可热处理的可时效硬化的铝合金(例如，可通过热处理和/或时效而强化的合金)，例如2XXX、6XXX和7XXX系合金。非限制性例包括AA6010、AA6013、AA6056、AA6111、AA6016、AA6014、AA6008、AA6005、AA6005A、AA6120、AA6170、AA7075、AA7085、AA7019、AA7022、AA7020、AA2013、AA2014、AA2008、AA2014、AA2017和AA2024。

除铝以外，示例性铝合金可包含以下成分(均用重量百分比(重量％)表示)：Si：0.4重量％至1.5重量％、Mg：0.3重量％至1.5重量％、Cu：0重量％至1.5重量％、Mn：0重量％至0.40重量％以及Cr：0重量％至0.30重量％。在另一个实例中，除铝以外，铝合金可包含以下成分：Si：0.5重量％至1.4重量％、Mg：0.4重量％至1.4重量％、Cu：0重量％至1.4重量％、Mn：0重量％至0.35重量％以及Cr：0重量％至0.25重量％。在又一个实例中，除铝以外，铝合金可包含以下成分：Si：0.6重量％至1.3重量％、Mg：0.5重量％至1.3重量％、Cu：0重量％至1.3重量％、Mn：0重量％至0.30重量％以及Cr：0重量％至0.2重量％。在再一个实例中，除铝以外，铝合金可包含以下成分：Si：0.7重量％至1.2重量％、Mg：0.6重量％至1.2重量％、Cu：0重量％至1.2重量％、Mn：0重量％至0.25重量％以及Cr：0重量％至0.15重量％。

铝合金的成分可能会影响其对于热处理的响应。例如，在热处理期间或之后的强度会受到合金中存在的Mg或Cu-Si-Mg析出物的量的影响。用于本文中所公开方法的合适的铝合金以T4回火状态提供。牌号“T4”回火表示对铝合金进行固溶热处理然后自然时效到大致稳定的状态(而不进行人工时效)。其它合适的铝合金是以F回火状态提供，即以制造的状态。在本文所描述方法的一些实例中，在温成形步骤后铝合金保持与温成形步骤前相同的状态(例如处于T4回火状态)。相比之下，其它温成形方法可能会将铝合金从T4转变到T6回火；“T6”牌号表示对铝合金进行固溶热处理接着进行人工时效。

可以进行所公开的温成形方法的铝合金制品可被称为“起始制品”或“起始材料”，并且包括薄板、板、管、管道、型材和其它(只要实现加热速率)。在本文中，术语“制品”、“材料”和“零件”可以互换使用。可在所公开方法中用作起始材料的铝合金薄板可以以薄板的形式以期望的厚度(厚度尺寸)生产，例如以适合于机动车零件生产的厚度。铝合金薄板可以是由铝合金铸锭、坯料、板坯、带材等所生产的轧制铝薄板。

可采用不同方法来制造铝薄板或板，只要所述铝薄板或板在温成形方法前处于T4状态。例如，可利用以下方法来生产铝合金薄板，包含：将铝合金直接冷铸成铸锭；对铸锭进行热轧以制造薄板；以及将薄板冷轧成最终厚度尺寸。可采用连续铸造或板坯连铸代替直接冷铸来制造被加工成薄板的起始材料。铝合金薄板生产方法也可以包括退火或固溶热处理，即将合金加热到合适温度并将其保持在所述温度持续足够长的时间从而使一个或多个成分进入固溶体，然后使其快速冷却足够长的时间以将这些成分保持在固溶体中的方法。在一些情况下，铝合金薄板和/或板可以具有从约0.4mm至约10mm或者从约0.4mm至约5mm的厚度。

在实施所公开方法之前，铝合金薄板可以是未轧制或扁平的。这些铝合金制品包括二维和三维成形铝合金制品。合金制品的一个实例是未轧制或扁平的薄板，另一个实例是从薄板上切割且未进一步成形的扁平制品。另一个实例是利用涉及一个或多个三维成形步骤，例如弯曲、冲压、压制、冲压成形或拉伸，的方法所生产的非平面铝合金制品。这种非平面铝合金制品可以被称为“冲压的”、“压制的”、“冲压成形的”、“拉伸的”、“三维成形的”或其它类似术语。在根据所公开的温成形方法进行成形之前，可以利用另一种“温成形”或“冷成形”方法、布骤或步骤的组合对铝合金制品进行预成形。利用所公开方法生产的铝合金制品(可以被称为成形制品或产品)包括在本发明的范围内。

所公开的方法可以有利地应用于运输和机动车行业，包括但不限于：汽车制造、卡车制造、船舶和小船的制造、列车制造以及飞机和航天器制造。机动车零件的一些非限制性实例包括地板镶板、后壁、边梁、电机护罩、挡泥板、车顶、门面板、B柱、纵梁、车身侧部、边梁或碰撞构件。本文中所使用的术语“机动车”和相关术语并不局限于汽车，并且包括各种车辆类别，如汽车、小轿车、客车、摩托车、海上运输工具、越野车、轻型货车、卡车或大卡车。然而，铝合金制品并不局限于机动车零件；根据本申请中描述的方法所制造的其它类型的铝制品也是可设想的。例如，所公开方法可以有利地应用于机械装置和其它装置或机器(包括武器、工具、电子器件的主体等)的各种零件的制造。

铝合金制品可以由多个零件组成或者由多个零件组装而成。例如，机动车零件可由多于一个的零件(例如，具有内和外覆盖件的汽车发动机罩或者具有内和外覆盖件的车门或者至少具有多个覆盖件的至少部分组装的机动车车身)组装而成。此外，由多个零件组成或者由多个零件组装而成的此类铝合金制品在其被组装或部分组装之后可适用于所公开的温成形方法。另外，在一些情况下，铝合金制品可包含非铝零件或部分，例如包含其它金属或金属合金(例如，钢或钛合金)或由其制造的零件或部分。在一些实例中，铝合金制品可具有芯与包层结构，其中包层在芯层的一侧或两侧上。

加执

使铝薄板或由此类薄板制成的制品成形的所公开的方法涉及对合金、薄板或制品进行加热。在一些实例中，以指定的加热速率或者以在指定范围内的加热速率将合金、薄板或制品加热到指定温度或者加热到在指定范围内的温度。温度、加热速率或其范围或者这些的组合可以被称为“加热参数”。在本文所描述的方法中，将薄板或制品加热到约450℃至600℃、400℃至600℃、350℃至600℃、300℃至600℃、250℃至600℃、200℃至600℃、150℃至600℃、100℃至600℃、450℃至550℃、400℃至550℃、350℃至550℃、300℃至550℃、250℃至550℃、200℃至550℃、150℃至550℃、100℃至550℃、450℃至500℃、400℃至500℃、350℃至500℃、300℃至500℃、250℃至500℃、200℃至500℃、150℃至500℃、100℃至500℃、400℃至450℃、350℃至450℃、300℃至450℃、250℃至450℃、200℃至450℃、150℃至450℃、100℃至450℃、350℃至400℃、300℃至400℃、250℃至400℃、200℃至400℃、150℃至400℃、100℃至400℃、300℃至350℃、250℃至350℃、200℃至350℃、150℃至350℃、100℃至350℃、250℃至300℃、200℃至300℃、150℃至300℃或100℃至300℃，例如高达约100℃、125℃、150℃、175℃、200℃、225℃、250℃、275℃、300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃、525℃、550℃、575℃或600℃的温度。

可采用3℃/s至90℃/s、10℃/s至90℃/s、20℃/s至90℃/s、30℃/s至90℃/s、40℃/s至90℃/s、50℃/s至90℃/s、60℃/s至90℃/s、70℃/s至90℃/s或80℃/s至90℃/s的加热速率。在一些实例中，可采用约90℃/s的加热速率。在其它实例中，可采用约3℃/s至约100℃/s、110℃/s、120℃/s、150℃/s、160℃/s、170℃/s、180℃/s、190℃/s或200℃/s的加热速率。在另一个实例中，可采用约90℃/s至约150℃/s的加热速率。在其它实例中，可采用约200℃/s至约600℃/s的加热速率。例如，可采用约200℃/s至约250℃/s、300℃/s、350℃/s、400℃/s、450℃/s、500℃/s、550℃/s或600℃/s的加热速率。本领域技术人员可基于薄板或制品的期望特性用可利用的设备来调整加热速率。

在加热方法中可以采用各种加热参数。在一个实例中，采用加热到100℃至600℃温度的约90℃/s的加热速率。在另一个实例中，采用加热到100℃至450℃温度的约90℃/s的加热速率。在又一个实例中，采用加热到250℃至350℃温度的约90℃/s的加热速率。在再一个实例中，采用加热到250℃至450℃温度的约90℃/s的加热速率。基于多种因素来选择加热参数，例如铝合金或铝合金制品的各特性的理想组合。

以上的温度和温度范围是用来表示“加热到”的温度。在所公开的方法中，将加热方法应用于薄板或制品，直到达到“加热到的”温度。换句话说，“加热到”的温度是在成形步骤之前将薄板或制品所加热到的温度。在成形步骤期间可利用适当的加热方法来保持“加热到”的温度，或者可在成形步骤前停止加热方法，在此情况下，在成形步骤期间薄板或制品的温度可低于指定的“加热到”的温度。薄板或制品的温度可以用或者可以不用适当的过程和仪器进行监测。例如，如果未对温度进行监测，那么“加热到”的温度可以是计算的温度和/或试验推导的温度。

可以通过选择适当的热处理、加热方法或系统实现加热速率，从而将铝合金薄板加热。通常，所采用的加热方法或系统应当输送充足的能量以实现上面指定的加热速率。例如，可以通过感应加热完成加热。可以采用的加热方法的一些非限制性实例是接触加热、感应加热、电阻加热、红外辐射加热、用气体燃烧器加热和直接电阻加热。通常，可对加热系统和方案进行设计和优化，以便控制热流量和/或实现薄板或制品的期望特性。

特性

在如本文中所公开过程中的薄板或制品的加热形成了各特性的有利组合。例如，实现薄板或制品的成形性与强度特性的有利组合。在一些其它情况下，薄板也可以显示在成形期间有利地低减薄率。另外，薄板或制品在加热前后保持相同的冶金状态，并且与加热之前薄板或制品所具备的特性相比，一旦被冷却则保持某些特性和行为。

所公开的方法增强薄板或制品的成形性。薄板或制品的成形性是其在断裂或过度减薄之前可以经受的变形的量的量度。伸长率可以用作成形性的一个指标；具备较高伸长率的薄板和制品具有良好的成形性。通常，伸长率是指在断裂前材料可以被弯曲、拉伸或压缩的程度。薄板或制品的伸长率和其它影响成形性的特性、成形方法的结果和所得产品的质量可以通过拉伸试验而确定。

样品的拉伸试验是根据在相关出版物，例如美国材料与试验协会(ASTM)所提供的那些，中所描述的材料科学领域中已知的标准过程来执行。题为《金属材料的抗拉试验方法(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)》的ASTM E8/EM8(DOI：10.1520/E0008E0008M-15A)具体说明了用于金属材料的拉伸试验过程。简单地说，在本领域技术人员已知的标准拉伸试验机中执行拉伸试验。样品是通常是具有标准形状的扁平试样，具有两个肩部(可以容易地被机器夹持)和截面较小的标准尺寸面积。在试验期间，将试样置于试验机中并单轴向拉伸直到其断裂，同时记录相对于所施加力合金试样的标准尺寸界面的伸长率。伸长率是试样永久拉伸的量，并且以测试试样标距长度的增加来衡量。因为影响伸长率值，所以测试试样的标距长度是指定的。在拉伸试验期间测量并用于表征铝合金的一些特性是工程应力、工程应变以及断裂伸长率。伸长率测量可以用于计算“工程应变”或者标距长度变化与原长度的比率。工程应变可以用百分比(％)报告。断裂伸长率，也可以报告为总伸长率，是在试样断裂时的工程应变的量。工程应力是通过将施加到试样的负荷除以测试试样的初始截面积进行计算。可以将工程应变和工程应力数据点绘入应力-应变曲线。

与在室温下相同的薄板或制品相比，在所公开的温成形方法中采用的加热步骤提高了薄板或制品的伸长率。例如，与加热之前的状态相比，加热步骤可提高薄板或制品的伸长率高达约30％、高达约20％、高达约15％、至少15％、至少5％、约5％至15％、5％至20％或约5％至30％。在一些情况下，提高伸长率达约5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％。在一些情况下，薄板或制品的加热导致至少约40％、至少约45％、至少约50％、至少约55％、至少约60％、至少约70％、至少约75％、至少约80％、至少约85％或者约35％至85％、35％至80％、35％至75％、35％至70％、35％至65％、35％至60％、40％至85％、40％至80％、40％至75％、40％至70％、40％至65％、40％至60％、45％至85％、45％至80％、45％至75％、45％至70％、45％至65％、45％至60％、50％至85％、50％至80％、50％至75％、50％至70％、50％至65％或50％至60％的伸长率(以工程应变来衡量)。在一些实例中，实现了与室温下所测量的钢伸长率值(约53％)相当的铝薄板或制品的伸长率值。

在所公开方法中采用的加热步骤提高了被加热薄板或制品的伸长率，同时将强度特性(例如，抗拉强度，以工程应力来衡量)保持在适合于工业成形方法的范围内。例如，被加热铝薄板或制品可具有至少约10MPa、至少约20MPa、至少约30MPa、至少约40MPa、至少约50MPa、至少约60MPa、至少约70MPa、至少约80MPa、至少约90MPa、至少约100MPa、至少约110MPa、至少约120MPa、至少约130MPa、至少约140MPa、至少约150MPa、约10MPa至150MPa、约10MPa至140MPa、约10MPa至130MPa、约10MPa至120MPa、约10MPa至110MPa、约10MPa至100MPa、约10MPa至90MPa、约10MPa至80MPa、约10MPa至70MPa、约10MPa至60MPa、约10MPa至50MPa、约20MPa至150MPa、约20MPa至140MPa、约20MPa至130MPa、约20MPa至120MPa、约20MPa至110MPa、约20MPa至100MPa、约20MPa至90MPa、约20MPa至80MPa、约20MPa至70MPa、约20MPa至60MPa、约20MPa至50MPa、约30MPa至150MPa、约30MPa至140MPa、约30MPa至130MPa、约30MPa至120MPa、约30MPa至110MPa、约30MPa至100MPa、约30MPa至90MPa、约30MPa至80MPa、约30MPa至70MPa、约30MPa至60MPa、约30MPa至50MPa、约40MPa至150MPa、约40MPa至140MPa、约40MPa至130MPa、约40MPa至120MPa、约40MPa至110MPa、约40MPa至100MPa、约40MPa至90MPa、约40MPa至80MPa、约40MPa至70MPa、约30MPa至60MPa或约30MPa至50MPa的极限抗拉强度(以在拉伸试验期间的工程应变来衡量)。

可对热处理条件进行选择以提高成形性同时限制薄板或制品的减薄率。温成形方法的一个问题是，在成形步骤期间，由于应变局部化，高温通常会增加(有时显著地)铝零件的减薄率。举例而言，在制造方法中高于15％的减薄率值(利用标准试验方案测量)是不可接受的，但温成形步骤可导致40％至50％的减薄率值。在所公开方法中采用的加热参数导致小于或等于约40％、35％、30％、25％、20％、15％或10％，例如5％至10％、5％至15％、5％至20％、5％至25％、5％至30％、5％至35％、5％至40％、10％至15％、10％至20％、10％至25％、10％至30％、10％至35％、10％至40％、15％至20％、15％至25％、15％至30％、15％至35％、15％至40％、20％至25％、20％至30％、20％至35％或20％至40％的观测减薄率值。在试验期间，结合试验试样的指定预应变对减薄率值进行观测。例如，可观测到在约55％预应变下的约15％的减薄率或在约65％预应变下的约22％的减薄率。为了表征减薄率特性，根据在相关材料，例如由美国材料与试验协会(ASTM)所提供的那些，中所描述的材料科学领域中已知的标准过程对铝合金样品进行测试。题为“用手动超声脉冲回波接触法测量厚度的实施规范(Standard Practice for Measuring Thickness by Manual UltrasonicPulse-Echo Contact Method)”的ASTM E797具体说明了用于金属材料的相关试验过程。在下面的题为“减薄试验”的实例4中对这些过程进行了说明。

对可以用于所公开温成形方法的热处理条件进行选择，以便保持铝薄板或制品的冶金状态和时效行为和特性。在加热期间，铝合金中沉淀析出与溶解过程的竞争常常导致处于T4回火状态的合金转变为不同的回火状态，例如T6、过时效、随之而来的强度损失以及时效硬化特性的损失，这是因为合金的硬化成分在加热步骤期间沉淀析出。在这种情况下，在加热之后且目的是硬化的方法步骤将不具有期望的效果。例如，已知，当在温成形步骤期间采用相对较低的加热速率，例如0.1℃/s，时产生以上效果。所公开的方法通过采用较高的加热速率避免了这些缺点。

在所公开的温成形方法之前或期间采用的加热步骤保持了冷却后薄板或制品的强度特性(例如，抗拉强度，以工程应力来衡量)，任选地，然后在适合于制造规范的范围内进行时效硬化和/或热处理。例如，在一些实例中，在利用水淬火进行冷却后，在室温下进行一周的时效硬化以及任选地在180℃下热处理达10小时的拉伸试验期间，以工程应变为衡量，薄板或制品具有至少约10MPa、至少约20MPa、至少约30MPa、至少约40MPa、至少约50MPa、至少约60MPa、至少约70MPa、至少约80MPa、至少约90MPa、至少约100MPa、至少约110MPa、至少约120MPa、至少约130MPa、至少约140MPa、约10MPa至150MPa、约10MPa至140MPa、约10MPa至130MPa、约10MPa至120MPa、约10MPa至110MPa、约10MPa至100MPa、约10MPa至90MPa、约10MPa至80MPa、约10MPa至70MPa、约10MPa至60MPa、约10MPa至50MPa、约20MPa至150MPa、约20MPa至140MPa、约20MPa至130MPa、约20MPa至120MPa、约20MPa至110MPa、约20MPa至100MPa、约20MPa至90MPa、约20MPa至80MPa、约20MPa至70MPa、约20MPa至60MPa、约20MPa至50MPa、约30MPa至150MPa、约30MPa至140MPa、约30MPa至130MPa、约30MPa至120MPa、约30MPa至110MPa、约30MPa至100MPa、约30MPa至90MPa、约30MPa至80MPa、约30MPa至70MPa、约30MPa至60MPa、约30MPa至50MPa、约40MPa至150MPa、约40MPa至140MPa、约40MPa至130MPa、约40MPa至120MPa、约40MPa至110MPa、约40MPa至100MPa、约40MPa至90MPa、约40MPa至80MPa、约40MPa至70MPa、约30MPa至60MPa或约30MPa至50MPa的极限抗拉强度。

在所公开的温成形方法中采用的加热步骤保持了冷却后合金的冶金状态，任选地，然后在适合于制造规范的范围内进行时效硬化和/或热处理。冶金状态可以用根据标准方案测量的电导率来表征。题为《用电磁(涡流)法测定电导率的标准试验方法(StandardTest Method for Determining Electrical Conductivity Using the Electromagnetic(Eddy-Current)Method)》的ASTM E1004具体说明了用于金属材料的相关试验过程。例如，在一些实例中，6XXX铝合金薄板具有26至27.5毫西每米(MS/m)的电导率，在利用水淬火冷却后，在室温下进行一周的时效硬化，以及任选地在180℃下热处理达10小时。

根据所公开温成形方法成形的制品可以以各种方式将上述各特性结合。例如，薄板或制品可具有下列特征中的一个或多个：350℃下57％的伸长率、350℃下51MPa的极限抗拉强度、经历350℃的热处理，然后进行水淬火并在室温下时效一周之后197MPa的极限抗拉强度和在经历350℃的热处理，然后进行水淬火并在室温下时效一周之后27MS/m的电导率。所述薄板或制品可显示其它值或值的范围，例如在本章节中的前面所列出的那些。

成形

所公开的方法可包括在加热步骤期间或之后的至少一个成形步骤。本文中所使用的术语“成形”可包括切割、冲压、压制、冲压成形、拉伸或者对于本领域技术人员已知的可以形成二维或三维形状的其它方法。将对由可时效硬化的可热处理的铝合金制成的制品进行加热，如在本文前面所论述的，并且使被加热制品成形。上述成形步骤可以包括在温成形方法中。可以通过冲压或压制进行温成形。在冲压或压制方法步骤中，概括来说，通过在具有互补形状的两个模具之间压制来使制品成形。可以在等温条件或非等温条件下执行温成形。在等温条件下，将铝合金坯件(aluminum alloy blank)和所有工具组件，例如模具，加热到相同温度。在非等温条件下，工具组件可具有与坯件不同的温度。

除上述温成形步骤以外，所公开的方法可包括另外的成形步骤。例如，在温成形之前，可以利用温成形或冷成形方法或步骤中的一个或多个的组合来使铝合金制品成形。例如，在进行温成形之前可将薄板切割，例如通过切割成前体制品，或者形成所谓的“坯件”，例如“冲压坯件”，即用于冲压的前体。因此，可采用将铝薄板切割成“冲压坯件”以便在冲压压制中进一步成形的步骤。也可在温成形之前，通过冲压使薄板或坯件成形。

工业过程

将所公开的方法并入现有的用于铝合金制品，例如冲压铝制品(如冲压汽车覆盖件)生产的方法和生产线中，从而以合理且经济的方式改进方法和所得制品。用于执行这些方法和生产本文中所描述制品的装置和系统述包括在本发明的范围内。

用于生产冲压铝合金制品，例如机动车覆盖件，的一个示例性方法包括在一系列冲压机(“冲压生产线”)中冲压制品的若干(两个或以上，例如两个、三个、四个、五个、六个或更多)步骤。所述方法包括在一个或多个冲压步骤之前或期间的不同过程点执行的一个或多个热处理步骤。在第一冲压步骤前提供冲压坯件。可在第一冲压步骤前对冲压坯件实施加热步骤(亦即，在冲压生产线的入口处)。加热步骤也可包括在一个或多个第一或中间压制步骤之后。例如，如果冲压生产线包括五个冲压机和相应的步骤，那么加热步骤可包括在一个或多个第一、第二、第三、第四和第五中间冲压步骤之前。

可将加热步骤以各种组合包括在生产方法中，并且当决定加热步骤在生产方法中的特定组合和设置时可考虑各种因素。例如，加热步骤可发生在其中期望较高成形性的一个或多个冲压步骤之前。所述方法可包括一个或多个温成形步骤和一个或多个冷成形步骤。例如，在两步方法中，可在温成形步骤中使铝薄板成形，然后是冷成形步骤。可替代地，冷成形步骤可在温成形步骤之前。

还公开了用于执行生产或制造铝合金制品的方法的系统，这些系统包括用于实施所公开方法的设备。一个示例性系统是用于生产冲压制品，例如覆盖件，的冲压生产线，所述冲压生产线包括在产生线各点的温成形工位或系统。

所公开的方法可以包括在铝制品生产中采用的其它步骤，例如切割、卷边、连接、与成形同时或在成形后执行的其它热处理步骤、冷却、时效硬化或者用合适的漆或涂层涂覆或涂装制品的步骤。这些方法可以包括烘漆步骤，这可以被称为“烘漆”、“烤漆”、“烤漆循环”或其它相关术语。在铝制品生产或制造方法中采用的一些步骤，例如成形后热处理步骤和烤漆循环，可能会影响制造所述制品的铝合金的时效，并因此影响其机械特性，例如强度。所得制品可处于不同于T4回火的回火状态，例如处于T6回火状态。

生产或制造铝制品的一个示例性方法可包括以下步骤：以3℃/s至90℃/s的加热速率将铝合金坯件加热到100℃至600℃的温度，迅速地将坯件转移到冲压工具中，通过在冲压工具中进行冲压使坯件成形，在冲压后进行切割、卷边和连接步骤中的一个或多个，然后进行热处理步骤。生产或制造铝制品的另一个示例性方法可包括以下步骤：以3℃/s至90℃/s的加热速率将铝合金坯件加热到100℃至500℃的温度，迅速地将坯件转移到冲压工具中，通过在冲压工具中冲压使坯件成形，在冲压后进行切割、卷边和连接步骤中的一个或多个，然后进行热处理步骤。

以下的实例将用来进一步说明本发明，但同时不构成对本发明的任何限制。相反，应清楚理解的是，在不背离本发明的精神的前提下，在阅读本文中的描述之后，本领域技术人员可参考各种实施例，想到本发明的修改和等同物。

实例1

高温拉伸试验

进行了AA6016合金样品的高温拉伸试验。试验样品是成形的AA6016合金的试样，如图1中所示。这些试样具有1.2mm的厚度。就高温试验而言，通过感应加热以90℃/s的加热速率将试样加热到各种温度。使用高温计来测量各试样的温度。在拉伸试验期间，保持各试样的指定试验温度。图2示出了在拉伸试验之前和期间的AA6016样品的加热曲线，其中箭头表示，一旦这些试样达到目标温度就开始拉伸试验。还在室温下对AA6016试样和钢试样(从奥钢联集团(Voestalpine)(奥地利，Linz)得到的DX56D(低碳钢))进行了测试。在室温下进行测试的钢样品在图3中被称为“冷钢”，而在室温下进行测试的AA6016试样在图3中被称为“RT”。

图3示出了被测试AA6016样品和钢样品的应力-应变曲线。垂直的点线代表钢样品的总伸长率。拉伸试验表明：与在室温下AA6016样品显示的总伸长率相比，将AA6016样品加热到250℃或更高温度导致总伸长率增加。将AA6016样品加热到300℃导致总伸长率增加约15％。出人意料地，将AA6016样品加热到350℃显示约与室温钢样品相同的总伸长率。这些结果表明，用本发明方法处理的铝样品在一些应用中可代替钢。高于350℃的温度提供比钢样品更大的伸长率，尽管在部分这些较高温度下减薄率可能增加。在试验期间所测量的工程应力水平表明：在AA6016合金的温成形期间，随着温度的升高，需要施加的力将越来越小。

实例2

热处理后拉伸试验

进行了AA6016合金样品的热处理后拉伸试验。试验样品是成形的AA6016合金的试样，如图1中所示。这些试样具有1.2mm的厚度。就热处理后试验而言，通过感应加热以90℃/s的加热速率将这些试样加热到各种温度，在水中冷却(“水淬火”)，然后淬火，在室温下进行一周的时效。还对保持在室温的AA6016的试样(“室温试样”)进行了测试，用于比较。图4示出了热处理后AA6016试样的应力-应变曲线。图4中所示的热处理后应力-应变曲线具有大致相似的形状和幅值，并且也和室温试样(ref T4)的应力-应变曲线类似。图4中所示的应力-应变曲线表明，在试验中采用的热处理并未改变AA6016试样的机械特性或冶金状态。

图5示出了与图4有关的应力-应变曲线(下面的一组曲线；REF T4、室温成形样品RT以及示例性样品T4的代表性应力-应变曲线)，和用于比较的通过感应加热以90℃/s的加热速率加热到各种温度，水淬火，在室温下自然地时效达一周，在180℃下热处理达10小时，然后冷却至室温的AA6016合金样品的应力-应变曲线(上面的一组曲线；合金AA6016未经温成形(最上面的点线)和示例性样品T6的代表性应力-应变曲线)。图6是显示以与用于形成图5的拉伸试验试验相同的方式处理的AA6016合金样品的比较电导率测量的结果的柱状图。水平线表示处于T4回火状态的AA6xxx合金展示的最小电导率值。通过感应加热以90℃/s的加热速率将AA6016合金样品加热到各种温度，水淬火，在室温下自然地时效达一周，从而导致T4回火。测量T4样品的电导率并且以各组中的左直方图来表示。接着，将这些样品在180℃下热处理达10小时，然后冷却到室温，从而导致T6回火。在冷却时，测量此刻的T6样品的电导率，并且以各组中的右直方图进行表示。基于所述电导率数据，当保持在室温达一周时，所有的AA6016样品仍然保持热处理后的T4回火状态。相比之下，后续在180℃下进行热处理达10小时的AA6016样品显示出失效相关硬化且转变到T6回火状态。以上数据表明能够在温成形后保持T4回火状态并且避免AA6016铝合金的时效硬化达一段时间。所述现象意味着温成形合金薄板的持久成形性，这可允许在温成形后执行其它冲压步骤。以上数据也表明经热处理的AA6016合金样品保持了其时效硬化可能性，并因此在温成形之后可时效硬化(例如，通过烘漆期间热处理或成形后热处理)。

实例3

以不同加热速率加热的样品的热处理后拉伸试验

进行了以不同加热速率加热的AA6016合金样品的热处理后拉伸试验。试验样品是AA6016合金的试样，如图1中所示。这些试样具有1.2mm的厚度。就热处理后试验而言，通过感应加热以90℃/s的加热速率(图7中上面的一组曲线，和图8中各组中的左直方图)或3℃/s的加热速率(图7中下面的一组曲线，和图8中各组中的右直方图)将这些试样加热到(在图7和图8中被称为“HT”)各种温度，在水中冷却(即，被称为水淬火的“WQ”)，在室温下自然地时效达一周，在180℃下热处理达10小时，然后冷却到室温。还对保持在室温的AA6016(在图7和图8中被称为“RT”)进行了测试，用于比较。图7示出了被测试AA6016试样的应力-应变曲线。图8是显示以与用于形成图7的试验中的样品相同的方式处理的AA6016合金样品的比较电导率测量的结果的柱状图。

图7和图8中所示的试验数据表明当以3℃/s的加热速率将合金加热到400℃和以上的温度时发生了AA6016的过时效，和随之而来的强度损失(参见图7中下面的一组曲线和图8中的直方图柱对的400℃、450℃和500℃的左直方图柱)。电导率测量确认当在以上条件下进行热处理时AA6016过时效，如超过30MS/m的电导率值所指示。以上数据也表明，应仔细地选择加热和温成形参数以避免过时效。较高的加热速率(90℃/s)用于其中不发生过时效的更宽范围的加热温度。

实例4

减薄试验

进行了AA6016合金样品的拉伸预应变和其减薄率测量。试验样品是成形的AA6016合金的试样，如图1中所示。这些试样具有1.2mm的厚度。在各指定温度下通过感应加热以90℃/s的加热速率使各试样预应变达45％、65％以及85％。还在室温下对AA6016试样(在图9中被称为“RT”)进行了测试。于室温下在图10中所示的位置的预应变后测量各样品的减薄率，图10是用于减薄率测量的示例性铝合金试样的纵向侧视图的照片图。水平线表示其中进行减薄率测量的位置；利用最小的厚度测量来计算减薄率值。就减薄率测量而言，在各温度下使各试样温成形并预应变到45％、65％或85％，或者在各温度下温成形并且不预应变(在图9中表示为“WF”)。图9示出了在高达失效温度下的拉伸试验期间AA6016试样的应力-应变曲线，以及在预应变步骤期间在指定温度下所测量的应力-应变曲线。垂直的点线代表先前测量的钢样品的总伸长率。所述试验显示发生预应变的样品距离失效有多远。

图11、图12和图13示出了在各种预应变和温度值下的试样的“减薄率图”。图11、图12和图13所使用的数据表明温度范围在150℃和450℃之间，例如，250℃至350℃，其中被测试合金同时地显示总伸长率的增加高达30％，例如5％至15％，和受限制的减薄率(例如，约20％或以下)。不同合金的减薄率图(AA6120(图11)、AA6111(图12)和AA6170(图13)的比较也表明通过调节合金成分可以调节减薄现象。

实例5

试验室规模冲压

将铝合金AA6170薄板(1mm厚度)切割成270cm×270cm坯件并进行冲压。任选地，根据本文中所描述的方法对正方形件进行加热。将四个样品用于冲压试验。样品1和样品2未在环境温度(约25℃)进行加热和冲压。将样品3加热到200℃的冲压温度。将样品4加热到350℃的冲压温度。测试参数和结果见表1。

表1

样品编号	预热温度(℃)	拉伸深度(mm)	结果
				1	N/A	40	未失效
2	N/A	43	失效
				3	200	40	失效
4	350	70	未失效

将样品1拉伸到40mm的深度并且未出现表示材料失效的裂缝，如图14中所示。将样品2拉伸到43mm的深度且裂缝明显可见，如在图15中所示。这些结果表明在室温下对件进行冲压时40mm是最大可实现拉伸深度。

当预热到200℃时，在40mm的拉伸深度处，样品3产生裂缝并显示失效，如图16中所示。当被预热到350℃时，在70mm的拉伸深度处，样品4未出现裂缝，如图17中所示，这表明当预热到350℃时，冲压75mm的拉伸深度是可实现的且未失效。

在实例5中描述且在图14至图17中所示出的冲压结果与基于图18中所提供拉伸曲线测得的材料伸长率是一致的。例如，样品4的拉伸曲线(350℃)与具有较低工程应变值的样品1和样品2(室温，在图18中被称为“RT”)以及样品3(200℃)的拉伸曲线相比，显示出较高的工程应变值(x轴)。室温和200℃拉伸曲线的工程应变值是相似的，这与在43mm深度处于样品2中观察到的裂缝和在40mm深度处于样品3中观察到的裂缝的试验结果是一致的。这些薄板的成形性可以用冲压零件在无裂缝情况下可实现的拉伸深度来表征。较大的拉伸深度可以表示较大的成形性。

上面所引用的所有专利、专利申请、公布和摘要通过引用整体并入本文。已描述了本发明的各种实例，以便实现本发明的各种目的。这些实例仅仅是本发明原理的例证。在不背离如所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围的前提下，本发明的许多修改和调整对本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (20)

1.一种使由可时效硬化的可热处理铝合金制成的制品成形的方法，所述方法包含：

以约3℃/s至约90℃/s的加热速率将所述制品加热到约100℃至约600℃的温度；并且

使所述制品成形。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述制品是薄板。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述制品由2XXX系合金、6XXX系合金或7XXX系合金制成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在所述加热步骤前所述制品处于T4回火状态。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在所述加热步骤前后制品处于T4回火状态。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包含使所述成形制品冷却。

7.根据权利要求6所述的方法，还包含在所述冷却步骤后的第二成形步骤。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述被加热制品的工程应变为40％至90％。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中与加热前的所述制品相比，所述制品的伸长率增加高达约30％。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述温度为约150℃至450℃。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述温度为约250℃至450℃。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述温度为约350℃至500℃。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中在所述第一成形步骤后所述制品的减薄率小于约22％。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中使所述制品成形包含冲压、压制或冲压成形。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述加热包含感应加热。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述方法生产机动车覆盖件。

17.一种利用根据权利要求1至16中任一项所述的方法生产的成形铝合金制品。

18.根据权利要求17所述的成形铝合金制品，其中所述制品是机动车覆盖件。

19.根据权利要求18所述的成形铝合金制品，具有至少约150MPa的极限抗拉强度。

20.根据权利要求18所述的成形铝合金制品，具有约10MPa至150MPa的极限抗拉强度。