CN108474091A - 用于冲压的可热处理合金的快速老化方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于人工老化材料的方法，包括根据预先确定的温度曲线加热所述材料，其中所述温度曲线包括可变的目标温度；和向所述材料施加油漆烘烤周期。

Description

用于冲压的可热处理合金的快速老化方法

领域

本发明涉及用于制备材料的老化工艺。特别地，但不是唯一地，本发明涉及老化材料以改善当使用固溶热处理冷模成形和淬火工艺成形所述材料时的硬度性质。

背景

存在持续的改善用于制造业中的材料的性能的需求。例如，在汽车工业中，存在减少车辆重量同时保留必要的结构性质的需求。这在车辆使用中的总效率方面有显著的益处，允许运行成本更低且更加环境可持续的车辆。

为了减少能量消耗和环境影响，在汽车工业中，轻量和相对低成本的铝合金获得了越来越多的关注。这例如是与广泛使用的钢相比较而言的。然而，虽然钢的密度是铝的三倍左右，但是钢也是一种显著更便宜的材料。为了实现基于铝合金的建筑的经济效益，重要的是使用这种材料的制造工艺自身是有效率的。

通常，经处理以实现合适的材料性质的铝合金随后在低温(即室温)下被成形成期望的几何形状。然而，该工艺的困难包括铝工件可能不具有足够的延展性和可锻性以允许这种成形而没有失败的风险。为了克服这些问题，进行了广泛的研究和工业试验以全面探索铝合金在生产线中的潜能，以便有效形成高质量部件。

已经开发了一种新的名为固溶热处理冷模成形和淬火(HFQ)工艺的成形工艺以形成高强度复杂形状的面板组件。该工艺可以使提供用以确保合适的材料性质的热处理与成形工艺整合，以采用期望的几何形状。特别地，在HFQ工艺中，将可热处理的铝片加热到固溶热处理(SHT)温度，热冲压并且随后在冷模中淬火。在冷模中冷却之后，然后应用人工老化工艺，以增加部件的成形后强度。

以上提到的HFQ工艺最初是基于传统铝合金在热处理条件下开发的，这需要长的加工时间以使材料完全老化。然而，当成形工艺与热处理工艺整合时，这是特别低效的，因为在生产线中长时间的等待是不利的。这种长时间的老化工艺有效地减少了可以由HFQ工艺获得的益处。

特别地，与HFQ成形工艺相比，常规的人工老化的时间(对于6xxx系列的铝合金，通常8-10小时)相对较长。此外，通过HFQ工艺以复杂形状成形的组件比缠绕的片材占据多得多的空间。因此，对于同时在给定的炉内可以老化的部件的数量有较低的限制。因此，当已经成形的部件准备老化时，老化炉可能仍然被来自更早工艺的部件占据。

鉴于熔炉的数量/配置相同，等待熔炉空间变得可用将浪费更多的时间，这导致低生产率并使得工艺不能实现大批量生产。一种解决方案可以是增加各炉的体积或者提供更多数量的炉以增加整个生产线的老化容量。然而，这种方法将需要大量的财务投资。

此外，即使解决了容量的问题，常规人工老化的长持续时间也意味着大量的能量消耗和相关成本。

因此，期望改善用于处理材料例如金属合金(特别是铝合金)的工艺的效率，特别是在制造工艺过程中用于成形部件的HFQ工艺的情况下。

概述

根据本发明的第一方面，提供了一种用于人工老化材料的方法，包括根据预先确定的温度曲线加热所述材料，其中所述温度曲线包括可变的目标温度；和向所述材料施加油漆烘烤周期。

通过将油漆烘烤周期整合到老化工艺中，可以提供更有效率的方法，因为所述油漆烘烤周期在许多制造工艺中是需要的。一般来说，提出预老化处理整合的油漆烘烤工艺作为快速老化法来替代常规的老化工艺。与在常规方法中在恒温下老化不同，该提出的方法是在加热材料步骤(预老化热处理)的过程中使用变化的目标温度曲线。例如，该步骤可以包括两个温度步骤或逐渐改变温度路线。该方法是在对沉淀成核和生长机制全面理解的基础上设计的。原理是在低温(能量)水平下实现快速和细微分散成核，并使得核在高温(能量)水平下快速生长成期望的相，这可适用于任何可热处理的铝合金。

在优选的实施方案中，预先确定的温度曲线包括第一时间段和第二时间段，并且在第二时间段期间的目标温度是恒定的。在优选的实施方案中，在第二时间段期间的目标温度超过第一时间段的一些或全部期间的目标温度。第二时间段可以被设计成促进在第一时间段期间实现的分散的成核的快速生长。第二时间段可以在第一时间段之后，并且可以在第一时间段后直接开始或在这两个时间段之间有一些间隔。第二时间段可以是短的并且实际上可以是瞬间的。

优选地，在第二时间段期间的目标温度超过Guinier-Preston溶线温度。在第二时间段期间的目标温度也可以低于目标相溶线温度。在第二时间段期间适当选择目标温度可以帮助获得期望的老化结果。在一些优选的实施方案中，在第二时间段期间的目标温度在180℃至270℃，更优选180℃至240℃的范围内。在一个特别优选的实施方案中，在第二时间段期间的目标温度为210℃。

任选地，在第一时间段的至少部分期间，目标温度低于Guinier-Preston(GP)溶线温度。在第一时间段期间的目标温度可以总是低于GP溶线温度或可以变化使得其在一些点超过该温度。在第一时间段期间适当选择目标温度可以确保成核成功。特别地，可以选择第一相期间的目标温度用于获得核的最佳密度和尺寸。

在一些优选的实施方案中，在第一时间段期间的目标温度是恒定的。可以最佳地选择恒定的温度用于获得期望的老化工艺。恒定的目标温度可以在50℃至130℃，更优选70℃至110℃的范围内。

在其它优选的实施方案中，在第一时间段期间的目标温度是可变的。例如，在第一时间段期间的目标温度可以连续升高直到其等于第二时间段期间的目标温度。据发现，这种方法在大规模的炉中是实用的，以提供温度控制而没有与不连续的转换事件相关的间接费用，而同时相比传统方法提供改进的老化工艺。在一些实施方案中，在第一时间段之后不需要第二时间段。

第一时间段的持续时间优选至少等于第二时间段的持续时间。在优选的实施方案中，第一时间段的持续时间可以大于第二时间段的持续时间，优选至少是第二时间段的持续时间的两倍，更优选至少为第二时间段的持续时间的三倍。已经发现这种方法提供显著的益处。

在优选的实施方案中，在加热步骤之后应用油漆烘烤周期。以这种方式，可以设置油漆烘烤周期以产生峰值老化材料。

材料优选为铝合金，特别是可热处理的铝合金。在特别优选的实施方案中，材料是6xxx系列的铝合金(由国际合金命名系统定义)，但也可以是例如7xxx系列或2xxx系列。在优选的实施方案中，合金包含铝、镁和硅，但其可以额外或供选择地包含一种或多种其它元素。材料可以使用固溶热处理冷模成形和淬火工艺成形。

根据另一方面，提供了一种用于人工老化材料的方法，包括根据预先确定的温度曲线加热材料，其中所述温度曲线包括可变的目标温度，其中所述目标温度在第一时间段期间升高，直到其达到在第二时间段期间应用的恒定的目标温度。第一方面的优选的特征可以同样应用于第二方面。

在另一方面中，可以包括用于制造组件的方法，其包括将材料成形为期望的几何形状，然后实施第一或第二方面的方法。成形的步骤可以包括加热材料。成形的步骤可以是固溶热处理冷模成形和淬火工艺。

本发明提供了一种方法，其可以涉及应用于已经成形的铝合金组件的固溶热处理冷模成形和淬火工艺(HFQ)(描述于英国专利申请GB2473298和国际专利申请WO 2010/032002 A1)制造工艺以实现高强度的有效的快速老化过程。其可以将快速预老化处理与油漆烘烤周期整合，所述油漆烘烤周期常常应用于汽车生产线。预老化处理可以是两步预老化或双重预老化。对于两步预老化，该过程为首先加热淬火状态的铝合金至Guinier-Preston(GP)区溶线温度以下的温度，提供能量以形成细微分散的核。然后将铝合金加热至更高的温度以获得峰值前老化状态。对于双重预老化，该过程为逐渐加热淬火状态的铝合金直到获得在GP区溶线温度和目标相溶线温度之间的最佳温度。然后将该温度保持一定时间以产生峰值前老化状态。在预老化之后应用油漆烘烤工艺，这允许进一步利用老化潜力并产生合金的期望的条件(例如，峰值老化T6)。

附图简要说明

现将参照附图来描述本发明的实施方案，其中：

图1是HFQ工艺和随后的常规人工老化的温度曲线的图示。

图2是6xxx系列铝合金的沉淀物的TTT曲线的示意图。

图3是快速老化法和微结构演变的示意图。

图4是包括双重老化步骤的工艺的示意图。

图5显示了针对在不同双重老化温度的保持时间下的后力学性能，(a)硬度和(b)极限屈服强度(UTS)和伸长率；和

图6示出了预变形对沉淀硬化的作用：(a)后硬度和(b)后强度，显示了极限抗拉强度(UTS)和屈服强度(YS)。

详述

参照图1，示意性地说明了固溶热处理冷模成形和淬火工艺(HFQ)，随后应用常规老化工艺。在HFQ工艺期间可以看出，温度升高至固溶热处理温度(SHT)。然后将材料热冲压并随后在冷模中淬火。

然后应用常规人工老化工艺。当新成形的材料置于炉中时，对于该工艺的整个持续时间选择固定目标温度。老化工艺通常需要数小时(约9或10小时)来完成并且对于有效实施这样的工艺而言是显著的障碍。

在图1中，材料是铝合金。这样的合金在许多制造工艺，例如车辆构造中，具有特别的益处。为了理解本发明的益处，以下详细讨论AA6xxx(其是在车体结构中最广泛使用的铝合金系列)的沉淀机制和工艺设计。

老化硬化是使超饱和固溶体(SSSS)获得足够的驱动力以生长至细微分散的β″的工艺，其被认为是6xxx系列铝合金的主要硬化相。相演变的顺序如下：SSSS→共簇(co-cluster)→Guinier-Preston(GP)区(I)→GP区(II)/β″→β′→β。共簇是由Mg和Si在铝基质中以未限定的结构形成。当共簇进一步生长，将在Al基质内出现具有球形结构的GP区。β″相，组成为MgSi，被证实为材料的最高后强度的峰值老化条件。这是因为β″的尺寸足够大以提供切割位错的高强度阻力，并且适当的小以避免弯曲。然而，较长时间的老化将使材料经过β″→β′→β相，这将引起过老化，并因此降低强度。对应于不同相的形成的最佳温度和时间范围可以由温度时间转变(TTT)曲线示出。

图2示意性示出在典型的可热处理的铝合金中的沉淀物的TTT曲线。T1、T2、T3和T4代表对于GP区、β″、β′和β成核并生长的最佳温度。由更高的热处理温度提供的更高的能量将产生更快的生长但是更低的沉淀物的分散。合理的老化方案将允许沉淀物的密度和尺寸的良好平衡。

在图3中给出了快速老化法的示意性温度曲线。在老化处理之前，应用固溶热处理例如HFQ以产生成形材料(例如HFQ成形材料)。随后，在油漆烘烤之前提供具有不同保持温度的两个步骤的热处理，其表示两步预老化处理。第一步(T1×t1)控制温度在GP区溶线温度以下，为GP区提供合适的低能量以快速成核并充分分散。第二步(T2×t2)为提供能量水平高得多的材料，使得在第一步形成的GP区可以快速生长至主要硬化相β″。(T1×t1)和(T2×t2)分别代表第一和第二步的保持温度和时间。它们应当被适当限定以对油漆烘烤响应产生正面影响，并使材料实现峰值老化。由于预老化的两个步骤相互作用，在(T1×t1)和(T2×t2)之间应当找到最佳的权衡。如果在第一步中形成的GP区太小，它们将在第二加热步骤的过程中溶解。此外，小的GP区不提供核，而是将对老化工艺不利。这是因为小的GP区可以吸收足够的能量以在第二步期间溶解并在形成β″时占据一部分老化能量。因此，在第一步中形成的GP区应当足够大以通过T2并充当核以快速生长达到β″。同时，T1应当不太高，因为高温将导致沉淀物密度降低。在图3中也示意性示出了微结构演变。

两步预老化需要将HFQ形成的组件转运至两个炉腔内。为了简化操作，提出“双重”预老化处理，并且在图3中由短划线显示温度曲线。通过在第一时间段期间缓慢加热材料至第二时间段的恒定目标温度，仍然可以实现沉淀密度和生长之间的良好平衡。因此，仅需要一个最终目标温度。这种处理使得工业实施更容易而且更实用。

以下列出快速老化法的一些优点：

1.通过遵照以上描述的沉淀机制，可以用短得多的时间获得期望的条件，例如峰值老化，这必然会提高生产率。

2.由于减少了老化时间，显著节约了能量。

3.时间减少还意味着当实现相同的生产周期速率时，可以使用可能更小的炉。工业可以得益于更容易和更便宜购买和设置这些设备。

4.通过应用双重预老化处理，老化工艺进一步简化并且更容易实施。

5.使用油漆烘烤周期作为老化工艺以进一步节约能量。

以上所有的优点将产生大量的经济节约，而不牺牲产品的机械性能。

实施例 铝合金-AA6082

参照图3，现在将描述用于特定6xxx合金(AA6082)的快速老化法的实施方案。已应用两步预老化和双重预老化两者整合的油漆烘烤来热处理AA6082–SSSS状态。

参照图2，给出了一系列AA6082的临界温度范围：GP区成核的最有效温度范围是70-110℃(T1)，GP区生长至峰值老化状态β″的最有效温度范围是240-250℃(T2)，沉淀物尺寸进一步增加至产生过老化状态β′和β的最有效温度范围分别是290-320℃(T3)和450℃(T4)。基于这些，设计并进行热处理实验以最优化预老化条件。

两步预老化工艺

对于两步预老化工艺，首先使合金(AA6082-SSSS)经受GP区成形温度(50℃至130℃定义的条件)，维持第一保持时间段(0分钟至60分钟定义的条件)。然后转移到β″生长温度(220℃至270℃定义的条件)，维持一段时间段(15分钟至55分钟定义的条件)，接着进行模拟的油漆烘烤工艺(180℃×30分钟)。进行了正交实验。为了评估热处理条件，测量硬度和强度。通过与常规工艺中老化的合金的后强度相比，确定最佳条件。

双重预老化工艺

对于双重预老化工艺，对合金(AA6082-SSSS)应用逐渐加热。设计关于加热时间和保持温度的测试条件，加热时间(即，温度升高的第一时间段)为10分钟至30分钟，保持时间段(即，第一时间段之后的第二时间段)的目标温度为180℃至270℃。同样地，进行正交实验并根据后硬度和强度确定最佳条件。

与AA6082的常规老化工艺(190℃×9小时)相比，两步预老化工艺实现了约91％的时间减少，双重预老化工艺实现了约96％的时间减少，保证了>90％的后硬度和强度。

另外的实验结果

现参照图4至6提供实验结果的进一步细节。这些实验使用双重老化工艺与油漆烘烤一起进行，接着是被设计成与HFQ条件匹配的SHT工艺。使用硬度为120HV的商品级AA6082-T6片作为材料。按照由美国标准测试方法(ASTM)定义的小尺寸狗骨形，将测试片设计成标准单轴拉伸试样。测量部分的尺寸为6mm x 25mm(厚度为1.5mm)。

在图4中示意性示出了要应用于试样的设计程序。试样在老化之前被固溶热处理(快速加热至530C×2分钟浸泡)和淬火。测试可分为两组：(I)定义不同的加热时间段、不同的保持温度和时间来确定最佳老化条件；(II)将淬火试样延伸到不同的应变水平来模拟HFQ工艺的预变形，然后在(I)中确定的最佳条件下老化。在双重老化步骤之后，所有的试样在油漆烘烤周期(180C×30分钟)的热条件下经历另外的步骤。由硬度测试和单轴拉伸测试评估热处理的试样的后力学性能。

使用实验室箱式炉进行热处理。将K-型热电偶连接于试样来使用热数据记录器监测温度。使用ZHU硬度测试机，用5kg的载荷力来测试试样的维氏硬度(HV)。使用INSTRON材料测试机(5584型)进行拉伸测试，伸长计用于应变测量。

由静止结果发现，对于双重老化，逐渐加热时间(即，温度曲线的第一时间段的长度)在10-20分钟的范围内的影响对于老化条件和材料后性能不敏感。因此加热时间固定为15分钟，随后改变保持条件用于最优化。图5显示了在不同条件下老化的材料的后力学性能。对于老化温度为250℃、240℃和230℃，随着保持时间增加(即，第一时间段之后的第二时间段的长度)，硬度下降，这意味着材料的过老化。这也由极限拉伸强度(UTS)的趋势来体现。相反地，对于210℃，显示了硬度增加的趋势，这意味着需要一定的保持时间以允许在油漆烘烤之后实现峰值老化。考虑到材料的后性能和工艺稳定性，确定220℃×5分钟为最佳保持条件。然而，应当认识到保持时间段可以是瞬间的(即时间段长度为零)。在油漆烘烤之前双重老化工艺的总加工时间将仅为20分钟。

HFQ的部件的人工老化的关注点是最终强度分布的均匀性。成形的组件的老化响应可以受到成形过程中产生的位错密度的程度的影响，这需要考察。值得注意的是，由于试样在室温下变形，应变水平应当比热成形的应变小得多，以显示相同程度的位错密度。如图6所示，在如上定义的最佳老化条件下，沉淀硬化随着最高达0.005的小的预应变水平升高，并且随着进一步的应变而降低，直到变得稳定。这种现象的原因可以解释为：由预变形产生的位错可以提供点缺陷作为成核位点，并且降低沉淀物形成和生长对活化能的需要。因此可以加强沉淀硬化。然而，随着由于位错增加而进一步降低所需的活化能，材料可以被过老化。当铝基质中的位错逐渐变得饱和，材料的硬度和强度倾向于接近恒定值。对于所研究的合金，可以保证90％的全硬度和强度。

对于本领域技术人员来说变化和修改将是显而易见的。这样的变化和修改可以包括等价特征和其它已知的和可以用于代替本文描述的特征或本文描述的特征以外的特征。在不同的实施方案的上下文中描述的特征可以在一个实施方案中组合提供。相反地，在一个实施方案的上下文中描述的特征也可以分开提供或以任何合适的子组合提供。

本发明的工作接受了来自欧洲联盟第七框架计划(FP7/2007-2013)根据资助协议n°604240的资金。

Claims (10)

1.一种用于人工老化材料的方法，其包括

根据预先确定的温度曲线加热所述材料，其中所述温度曲线包括可变的目标温度；和

向所述材料施加油漆烘烤周期。

2.根据权利要求1的方法，其中所述预先确定的温度曲线包括第一时间段和第二时间段，并且其中在所述第二时间段期间的目标温度是恒定的。

3.根据权利要求2的方法，其中在所述第二时间段期间的目标温度超过Guinier-Preston溶线温度。

4.根据权利要求2或3的方法，其中在第一时间段的至少部分期间目标温度低于Guinier-Preston溶线温度

5.根据权利要求2至4中任一项的方法，其中在所述第一时间段期间的目标温度是恒定的。

6.根据权利要求2至4中任一项的方法，其中在所述第一时间段期间的目标温度连续升高直到其等于所述第二时间段期间的目标温度。

7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在所述加热步骤之后施加所述油漆烘烤周期。

8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述材料是铝合金，特别是可热处理的铝合金。

9.一种制造组件的方法，其包括

将材料成形为期望的几何形状；和

实施前述权利要求中任一项的方法。

10.根据权利要求9的方法，其中成形的步骤包括固溶热处理冷模淬火工艺。