CN109844160A - 6xxx挤压件的热机械时效 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于结构组件如保险杠、侧面防撞梁、车辆中的座椅底梁的挤压件，更具体地说，涉及通过热机械时效(TMA)的变化来优化6XXX铝合金挤压件的强度和能量吸收的方法，包括i)在所选择的温度T1下进行人工预时效处理，持续时间为t1，以使所述挤压件的屈服强度增加5％至20％，所述温度T1通常为120℃至180℃，并且所述持续时间t1通常为1至100小时，从而获得人工预时效的挤压件，ii)使所述人工预时效的挤压件塑性变形1％至80％，以获得变形挤压件，iii)将所述变形挤压件在温度T2下进行最终人工时效处理，持续时间为t2，所述温度T2通常为140℃至200℃，并且所述持续时间t2通常为1至100小时。

Description

6XXX挤压件的热机械时效
技术领域
本发明涉及用于结构组件如保险杠、侧面防撞梁、车辆中的座椅底梁的挤压件，更具体而言，涉及通过热机械时效(TMA)的变化来优化6XXX铝合金挤压件的强度和能量吸收的方法。
本发明的另一目的是通过本发明的方法获得的产品，其提供了比常规处理的处于峰值时效状态(temper)的具有类似组成的产品更好的强度和能量吸收的折衷。
背景技术
用于汽车应用的碰撞相关部件或结构的铝的耐撞性已在车身和底盘应用中的板、挤压产品、锻造产品和铸造产品中进行了广泛的研究。最重要的是选择合适的铝材料，即合金组成和状态，其是为了达到最佳的碰撞性能而开发的。关键要求是所施用的材料具有高的能量吸收能力并且在碰撞载荷下变形良好，即，重要的是其在没有裂缝形成的情况下折叠并且在破裂期间不倾向于碎裂。另一个关键方面是所施用的材料的强度，其可减轻部件或结构的重量。特别地，对于挤压件，高强度合金增加了较薄挤压件的可能性并增加了减轻重量的机会。然而，具有有希望的拉伸屈服强度结果的合金可具有较低的能量吸收。从现有技术中可知，对于常规挤压的铝合金产品，增加的强度水平会劣化与延展性相关的性能，例如伸长率或碰撞性能。
因此需要提出强度和能量吸收之间的更好的折衷。
评估挤压件的能量吸收能力的方法有很多种。最好的解决方案是模拟插入挤压件的真实部件的冲击。例如，可提及所谓的RCAR测试协议(2010年9月发行的2.0版，可在http://www.rcar.org/Papers/Procedures/BumperTestProcedure.pdf上公开获得)，旨在评估当车辆以给定速度撞击障碍物时保险杠的抵抗力。然而，该测试成本很高。通常优选模拟RCAR测试条件的准静态测试；为此，将完整的RCAR障碍物安装在仪表化的拉伸机器上。所述障碍物完全符合标准RCAR保险杠测试协议，如协议第30和31页所述。使保险杠与障碍物接触，然后开始适当的测试：障碍物以350mm/min的恒定速度压在保险杠上。在整个准静态RCAR保险杠测试中，记录在障碍物处施加的压力和保险杠梁的后部在其中心处的位移。
然而，对真实部件的准静态测试不适用于产品开发；需要进行基本测试以评估系列合金和状态解决方案。真实的应力-应变曲线是耐撞性能力的良好指标：期望拥有在最终使用中具有最高屈服强度和伸长率的材料。通常优选T7状态以达到这样的要求。然而，仅考虑伸长率不足以预测材料折叠的能力。可通过在中空挤压件上施加平行于挤出方向的轴向力来评估所述性能，测量测试期间的力和位移并评估折叠期间的裂缝外观。该方法记载于EP2993244中。然而，该测试取决于所选择的中空挤压件几何形状。
三点弯曲试验是力学中的经典实验，用于测量梁形状的材料的机械性能。长度为L的梁置于两个滚轮支架上，并在其中心处承受集中载荷F。
VDA 238.100测试条件可用于评估在由弯曲变形(例如折叠操作)控制的成形过程期间或碰撞变形期间金属材料的成形性能和故障敏感性。
为了获得高拉伸屈服强度，通常高于240MPa，优选高于280MPa，更优选高于350MPa，甚至高于380或400MPa或450MPa或480MPa，同时保持6xxx合金的高碰撞性能，已经提出了一些技术方案。其中之一为欧洲专利EP 2 653 944中描述的方法，其中所施用的6xxx系列铝合金含有高含量的Mg和Si——用于形成硬化颗粒——以及包晶元素，例如Ti或V，并且其中需要大过量的Mg，这是因为其限制Si向晶界的扩散，因此明显提高损伤容限和耐撞性。
EP 2 993 244公开了通过以下步骤获得的铝合金挤压件：a)由6xxx铝合金铸造坯料，所述铝合金包含：Si：0.3-1.5重量％；Fe：0.1-0.3重量％；Mg：0.3-1.5重量％；Cu<1.5重量％；Mn<1.0％；Zr<0.2重量％；Cr<0.4重量％；Zn<0.1重量％；Ti<0.2重量％，V<0.2重量％，其余为铝和不可避免的杂质；其中选择共晶形成元素(Mg、Si和Cu)的含量，以便在平衡条件下存在高于5℃、优选20℃的固相线与固溶相线的差值；b)在比固相线温度低30℃至100℃的温度下使铸坯均匀化；c)在低于固相线Ts的温度——在Ts和(Ts-45℃)之间并且高于固溶相线温度——下加热均匀化的坯料；d)冷却直至坯料温度达到400℃至480℃的温度，同时确保坯料表面不会低于基本接近350℃的温度；e)在冷却操作后，将所述坯料挤压——最多几十秒——通过模具以形成至少一个挤压件；f)将挤压件淬火至室温；g)任选地拉伸挤压件；h)时效挤压件，不预先在挤压件上施加任何单独的挤出后固溶热处理，进行时效处理使得：碰撞从所述挤压件上切下的测试样品，其具有规则折叠的表面且具有最大长度为5mm的裂纹，当其轴向压缩使得压碎距离高于其长度的一半，拉伸测试样品具有Rp0.2>240MPa，优选高于280MPa。
US4082578A公开了一种特别用于汽车应用的铝合金产品，其可有利地由基本上由以下成分组成的铝基合金主体制成：按重量计，0.4至1.2％Si，0.4至1.1％Mg，0.2至0.8％Mn，0.05至0.35％Fe，0.1至0.6％Cu，余量基本上为铝和偶有元素和杂质。合金主体可在900°至1100°F的温度下均匀化，然后加工成锻造产品如板或挤压件，其经过固溶热处理和淬火以及时效至T4状态后形成汽车车身面板或保险杠等，其随后可通过加热或时效至T6状态得到强化。
US9359660公开了一种方法，包括：(a)制备具有0.1-2.0重量％的硅和0.1-3.0重量％的镁的铝合金主体，用于后固溶冷加工；(i)其中制备步骤包括铝合金主体的固溶化；(ii)其中硅和镁中的至少一种是铝合金主体除铝之外的主要合金元素；并且(iii)其中铝合金主体含有足够的溶质以促进应变硬化响应和沉淀硬化响应中的至少一种，以获得至少60ksi的长横向拉伸屈服强度；(b)在制备步骤(a)之后，将铝合金主体冷加工至少50％；以及(c)在冷加工步骤(b)之后，对铝合金主体进行热处理；其中完成冷加工和热处理步骤，以获得至少60ksi的长横向拉伸屈服强度和至少8％的长横向伸长率。
Wang等人(Mat Science和Engineering A617(2014)第313-317页)提出对6061合金板进行以下处理步骤，包括：(i)在180℃下时效2小时，(ii)冷轧(CR)——其中在室温下具有大的厚度减薄(75％)——以增加合金的强度，和(iii)在100℃下再时效(RA)48小时以获得良好的拉伸性能。
EP2883973公开了一种用于获得由6xxx铝合金制成的挤压件的制备方法，其中所述制备方法包括以下步骤：a)使由所述铝合金铸造的坯料均匀化；b)加热所述均匀化的铸坯；c)将所述坯料经由模具挤出以形成至少一个实心或中空的挤压件；d)将挤压件淬火至室温；e)任选地拉伸挤压件以获得通常在0.5％和5％之间的塑性变形；f)时效挤压件，而不在步骤d)和f)之间对挤压件施加任何单独的挤出后固溶热处理。其特征在于：i)加热步骤b)为固溶热处理，其中：b1)将铸坯加热至Ts-15℃至Ts之间的温度，其中Ts为所述铝合金的固相线温度；b2)将坯料冷却直至坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本接近400℃的温度；ii)立即——即，步骤b2)结束几十秒后——挤出如此冷却的坯料(步骤c)。该方法可对含有1.13Si-0.89Mg-0.53Cu-0.55Mn-0.19Fe-0.14Zr的化学组合物实现高拉伸性能(>400MPa)。
申请人决定开发一种制备高强度6XXX铝合金的方法，其满足强度和能量吸收性能之间的最佳折衷，如通过三点弯曲试验所评估。
除非另有说明，否则关于合金化学成分的所有信息均表示为基于合金总重量计的重量百分比。“6xxx铝合金”或“6xxx合金”表示具有镁和硅作为主要合金元素的铝合金。“AA6xxx系列铝合金”表示由铝业协会出版的“International Alloy Designations andChemical Composition Limits for Wrought Aluminium and Wrought AluminiumAlloys”中列出的任何6xxx铝合金。除非另有说明，否则将适用欧洲标准EN 515中列出的冶金状态的定义。静态拉伸机械特性——换句话说，极限拉伸强度UTS(或Rm)、0.2％塑性伸长率下的拉伸屈服强度YS(或Rp0,2)和伸长率A％(或E％)——由根据NF EN ISO 6892-1的拉伸试验确定。除非另有说明，否则能量吸收通过三点弯曲试验确定，根据VDA 238-100标准进行，在测试前没有预应变，并且矩形材料试样的宽度最大化以使边缘区域中三轴应力条件的影响最小，如果测试中空挤压件，则同时避免截断内部加强壁。具有半径为r的刀片的冲头推动测试试样，使得折叠轴垂直于挤出方向。
发明内容
本发明涉及用于汽车应用的挤压件，更具体地说，涉及通过热机械时效(TMA)的变化优化6XXX铝合金挤压件的强度和能量吸收的方法，所述6XXX铝合金包含以重量％计的Si0.1-1.2，Cu<1.2，Mn 0.05-1.2，Mg 0.1-1.2，以及Cr≤0.3％、Zn≤0.5、Ti≤0.2、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，其余为铝和杂质。
本发明的另一目的是通过所述方法获得的产品，其提供比常规加工的具有类似组成的产品更好的强度和能量吸收的折衷。
本发明的另一目的是所述挤压件在能量吸收结构如侧面防撞梁、保险杠、侧梁中的用途。
具体实施方式
本发明的第一个目的是一种制备挤压件的方法，包括以下连续步骤：
a)铸造坯料，其包含以重量％计的
Si 0.1-1.2；Cu≤1.2；Mn 0.05-1.2；Mg 0.1-1.2
Cr≤0.3％、Zn≤0.5、Ti≤0.2、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，
其余为铝和杂质，
b)热处理所述铸坯；
c)经由模头挤出所述热处理的坯料，以形成至少一个实心或中空的挤压件；
d)将所述挤压件淬火至室温；
e)自然时效所述挤压件少于100天；
f)时效所述自然时效的挤压件；
其特征在于，所述时效处理包括至少三个步骤，其依次为
i)在所选择的温度T1下进行人工预时效处理，持续时间为t1，以使所述挤压件的屈服强度相比于在步骤e)之后获得的屈服强度增加5％至20％，优选6％至19％，更优选8％至18％，所述温度T1通常为120℃至180℃，并且所述持续时间t1通常为1至100小时，以获得人工预时效的挤压件，
ii)使所述人工预时效的挤压件塑性变形1％至80％，以获得变形挤压件，
iii)将所述变形挤压件在温度T2下进行最终人工时效处理，持续时间为t2，所述温度T2通常为140℃至200℃，并且所述持续时间t2通常为1至100小时。
根据本发明，铝合金挤压件通过由6xxx铝合金铸造坯料而获得，所述铝合金包含以重量％计的：Si 0.1-1.2；Cu≤1.2；Mn 0.05-1.2；Mg 0.1-1.2；以及Cr≤0.3％、Zn≤0.5、Ti≤0.2、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，其余为铝和杂质。
优选地，Mg和Si含量相对较低，即均低于1.0％，以使合金易于挤出。优选地，与Mg2Si化学计量比相比，不存在过量的Mg。有利地，Mg/Si重量比远远低于对应于Mg2Si(1.73)的化学计量重量比，通常低于1。更优选地，Mg含量不高于0.9重量％。甚至更优选地，Mg含量不高于0.7重量％。更优选地，Si不高于1.1％。为了获得足够的强度水平，在优选的实施方案中，Mg和Si各自高于0.4％，优选高于0.5％，更优选高于0.6％。本发明的合金还优选含有铜和Mn弥散体形成元素添加剂。优选加入Cu以获得强化效果，优选以至少0.2％的含量加入。为了将可挤出性保持在相对高的速度，不超过最大含量1.2％。Cu优选保持在不超过1.0％的含量，更优选保持在不超过0.8％的含量，甚至更优选保持在不超过0.4％的含量。优选地，存在至少一种或多种其他弥散体形成元素，例如Cr、Zr、Ti、V，以获得足够的强度水平。优选Cr的最大含量为0.3％，Zr的最大含量为0.2％，V的最大含量为0.1％(不包括该值)。优选Ti的最大含量为0.2％，更优选Ti的最大含量为0.21％，甚至更优选Ti的最大含量为0.10％。还优选加入Zn作为任选的元素以强化材料。对于Cr、Zn、Ti、Zr和V中的至少一种，优选最小值为0.01，优选高于0.05％，更优选高于0.1％。
在优选的实施方案中，铸坯包含以重量％计的以下元素：Si 0.6-1.1；Cu 0.2-1.0；Mn 0.3-0.9；Mg 0.4-0.9；以及Cr≤0.3、Ti≤0.1、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，其余为铝和杂质。
杂质为非有意添加的元素。杂质具有0.5％、优选0.3％的最大铁含量，其他杂质的最大含量各自优选为0.05％，总计为0.15％。尽管Fe通常是杂质且其含量应保持在0.5％、优选0.3％的最大含量，但在某些情况下可有意添加，但其含量不超过杂质含量，即最大含量为0.5％，优选0.3％。其他杂质的最大含量各自优选为0.05％，总计为0.15％。
在本发明的一个实施方案中，热处理步骤b)包括在进行挤出步骤之前，在410℃和530℃之间预热铸坯。
在另一实施方案中，在所述预热步骤之前进行均匀化。均匀化包括在485℃至630℃的温度下加热坯料，持续时间为1小时至12小时。
在另一实施方案中，热处理步骤b)包括固溶热处理步骤。其包括在进行挤出步骤之前，在Ts-60℃至Ts的温度下进行固溶热处理，其中Ts为所述铝合金的固相线温度，以及淬火坯料直到坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本接近400℃的温度。如果步骤a)的热处理步骤包括固溶热处理，则优选不对挤压件进行额外的固溶热处理。
在另一实施方案中，热处理步骤b)包括通常在485℃至630℃的温度下使所述铸坯均匀化，时间持续1小时至12小时，以获得均匀化的坯料；在Ts-60℃至Ts的温度下固溶热处理所述坯料，其中Ts为所述铝合金的固相线温度；以及淬火直到坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本上为400℃的温度。
在优选实施方案中，已在前段中描述的固溶热处理步骤优选在含有以下元素的铸坯上进行：按重量％计，Si 0.6-1.1；Cu 0.2-1.0；Mn 0.3-0.9；Mg 0.4-0.9；以及Cr≤0.3、Ti≤0.1、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，即，已在前段中描述的固溶热处理步骤优选在包含以下元素的6XXX铝合金的铸坯上进行：按重量％计，Si 0.6-1.1；Cu 0.2-1.0；Mn 0.3-0.9；Mg 0.4-0.9；以及Cr≤0.3、Ti≤0.1、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种；以及杂质，其中Fe≤0.5％，优选Fe≤0.3％，其他杂质≤0.05％，总计0.15％。
将经热处理的坯料通过模头挤出以形成实心或中空部件。在优选的实施方案中，所述挤压件为中空部件。在该步骤之后，可将挤压件模压淬火或固溶热处理和淬火。然而，如果热处理步骤a)包括固溶溶热处理，则优选不对挤压件进行额外的固溶热处理。
任选地，在淬火之后，拉伸挤压件以减少变形和/或使产品变直。拉伸量通常为0.5％至5％。
在淬火之后，在室温下进行自然时效，持续时间小于100天，优选小于20天，更优选小于10天。为了能够获得一致的过程，优选控制自然时效并持续超过0.2小时。在更优选的实施方案中，淬火后自然时效的持续时间为0.2小时至20天，更优选1天至10天。
然后，将自然时效的产品根据热机械时效(所谓的TMA)进行时效，其包括三个步骤：
-人工预时效处理，以使所述挤压件的屈服强度相比于自然时效步骤e)后的相同合金(其对应于T4状态)的屈服强度增加5％至20％，优选6％至19％，更优选8％至18％。预时效处理的持续时间t1和温度T1分别通常为1至100小时和120℃至180℃，从而获得人工预时效的挤压件。
-使所述人工预时效的挤压件塑性变形1％至80％，优选1％至50％，更优选1％至20％，更优选2％至7％，甚至更优选2％至6％。所述塑性变形优选通过拉伸或通过任何其他技术获得，所述其他技术为例如液压成形或压制或冲压或弯曲或弯辊或拉伸弯曲或旋转拉伸弯曲或磁脉冲成形或流动成形或锻造或轧制或拉拔或深冲压或冲击或反挤压或冲孔或冲裁。所述塑性变形优选在室温下进行。在一个优选实施方案中，所述塑性变形均匀施加在所述人工预时效的挤压件上。在另一实施方案中，所述塑性变形局部施加在所述人工预时效的挤压件上。
-在温度T2下对所述变形挤压件进行最终人工时效处理，持续时间为t2，选择持续时间t2和温度T2以达到最大屈服强度或过时效状态，通常所述温度T2为140℃至200℃并且持续时间t2为1至100小时。优选地，人工时效使得170℃下的等效时间t(eq)为1至80小时，优选1至35小时，更优选2至20小时。所述最终人工时效处理可以以多个步骤进行。多个步骤包括斜升以达到平台温度T2。所述斜升可通过逐渐升高温度或通过中间平台来完成。在一个实施方案中，最终人工时效分两步完成，其中第一步骤在温度T3下进行且持续时间为t3，第二步骤在温度T4下进行且持续时间为t4；温度T3低于温度T4。
170℃下的等效时间t(eq)通过下式定义：
T(eq)＝∫exp(-Q/RT′)dt/exp〖(-(Q/RTref〗
其中T'(以开尔文计)为瞬时处理温度，其随时间t'(以小时计)变化，且Tref为设定为443K(170℃)的参考温度。T(eq)以小时表示，其中常数R＝8.31J/mol/K且Mg扩散的活化能Q＝130400J/mol。给出T(eq)的公式考虑了加热和冷却阶段。
本发明的另一目的涉及通过本发明方法获得的挤压件。
通过使用本发明的热机械时效获得挤压件，所述热机械时效包括以下步骤：
i)在温度T1下进行人工预时效处理，持续时间为t1，选择持续时间t1和温度T1，使得所述挤压件的屈服强度相比于在步骤e)之后的相同合金(对应于T4值)的屈服强度增加5％至20％，优选6％至19％，更优选8％至18％，通常所述温度为120℃(作为最小值)至180℃且持续时间为1至100小时。
ii)使所述人工预时效的挤压件塑性变形1％至80％，优选1％至50％，更优选1％至20％，更优选2％至7％，甚至更优选2％至6％。所述塑性变形优选通过拉伸或通过任何其他技术获得。所述塑性变形优选在室温下进行。在一个优选实施方案中，所述塑性变形均匀施加在所述人工预时效的挤压件上。在另一实施方案中，所述塑性变形局部施加在所述人工预时效的挤压件上。
iii)在温度T2下进行最终人工时效处理，持续时间为t2，其持续时间t2和温度T2选为140℃至200℃和1至100小时。在一个优选实施方案中，所述最终人工时效可达到最大屈服强度。在另一实施方案中，所述最终人工时效对应于过时效。所述最终人工时效处理可以以多个步骤进行。多个步骤包括斜升以达到平台温度T2。所述斜升可通过逐渐升高温度或通过中间平台来完成。在一个实施方案中，最终人工时效分两步完成，其中第一步骤在温度T3下进行且持续时间为t3，第二步骤在温度T4下进行且持续时间为t4；温度T3低于温度T4。
根据本发明，通过所述方法获得的产品的特征在于，与未经历所述热机械时效的相同合金的挤压件相比，具有改善的能量吸收。
在一个实施方案中，其中在所述时效处理的步骤ii中所述人工预时效的挤压件的所述塑性变形为2％至7％，优选3％至6％，本发明的挤压件的特征在于，与进行对应于仅步骤iii)或步骤ii)和iii)的热机械时效的相同组成的挤压件相比，具有至少额外+2％、优选+3％、更优选+5％的比吸收能量。优选地，在该实施方案中，铸坯包含以重量％计的以下元素：Si 0.6-1.1；Cu 0.2-1.0；Mn 0.3-0.9；Mg 0.4-0.9；以及Cr≤0.3、Ti≤0.1、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种；其余为铝和杂质，并且所述步骤b)的热处理包括在Ts-60℃至Ts的温度下对所述坯料进行固溶热处理，其中Ts为所述铝合金的固相线温度；以及淬火直至坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本接近400℃的温度，使得挤压件具有大于0.42J/mm3的比能量吸收。
根据VDA238-100测试的标准条件测定比能量吸收。在由其厚度t和宽度d限定的矩形试样上测定比能量吸收。所述比能量吸收对应于冲头5mm位移所吸收的能量与横截面中心处所限定的样品惯性模量W——其由W＝(d x t2)/6定义——之间的比率，所述所吸收的能量通过在5mm冲头位移内所测得的作用力的积分来定义。
在优选实施方案中，所述挤压件是中空部件。
在一个实施方案中，制备保险杠，其中主梁是根据前段中描述的方法获得的挤压件。所述保险杠的特征在于根据准静态测试测定的经校正的能量吸收，其为进行对应于所述方法的仅步骤iii)或步骤ii)和iii)的热机械时效的类似组成和几何形状的挤压件的经校正的能量吸收的至少额外5％。所述准静态测试包括将所述保险杠应用在由RCAR测试协议定义的障碍物上，并测量在障碍物处施加的压力和保险杠背部在其中心处的位移。通过将在60mm位移上所施加的压力进行积分计算能量吸收，并通过将其乘以等于(1+(塑性变形％)/100)的校正因子来计算经校正的能量吸收，其中术语“塑性变形”对应于所述方法的步骤ii)的塑性变形。
在更广泛的意义上，铸坯组分可包括注册合金，例如AA6008或AA6082或AA6060、AA6005A、AA6061、AA6110A或AA6106。有利的是，铸坯组分同时在注册合金如AA6008或AA6082或AA6060、AA6005A、AA6061、AA6110A或AA6106的组分内，并且具有Si 0.1-1.2；Cu≤1.2；Mn 0.05-1.2；Mg 0.1-1.2；以及Cr≤0.3％、Zn≤0.5、Ti≤0.21、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种。在优选实施方案中，有利的是，铸坯组分同时在注册合金如AA6008或AA6082或AA6060、AA6005A、AA6061、AA6110A或AA6106的组分内，并且具有以重量％计的Si 0.1-1.2；Cu≤1.2；Mn 0.05-1.2；Mg 0.1-1.2；以及Cr≤0.3％、Zn≤0.5、Ti≤0.2、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种。
在另一优选实施方案中，将具有前述组分的铸坯在所述方法的步骤b)——相应地固溶热处理步骤——中进行热处理。其包括在进行挤出步骤之前，在Ts-60℃至Ts的温度下进行固溶热处理，其中Ts为所述铝合金的固相线温度，以及淬火坯料直到坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本接近400℃的温度。优选不进行额外的后续固溶热处理。热机械时效的步骤ii)的塑性变形优选为1至7％，优选2％至6％。对于所述优选实施方案，观察到根据VDA 238.100标准测定的比能量吸收至少等于0.42J/mm3。在优选实施方案中，所述挤压件为中空部件，其至少具有380Mpa、更优选400MPa的屈服强度。
本发明的另一目的是通过本发明方法获得的产品在能量吸收结构如侧面防撞梁、保险杠、侧梁中的用途。
实施例
实施例1
根据以下步骤制备具有图1所示的两个空腔的挤压件：
利用表1所列组合物A铸造坯料。然后在高于520℃的温度下均匀化5小时。然后将所述均匀化的坯料在高于535℃的均热温度下固溶热处理100秒，使得所述均热温度在组合物A的固相线温度Ts(估计为589℃)和Ts-60℃之间。然后用水冷却装置淬火，产生约1kW/m2/℃的传热流，直至坯料表面温度达到460℃。45秒后，将坯料引入挤压机的容器中并挤出从而获得图1的挤压件。控制挤出速度使得表面出口温度接近550℃。然后，通过用冷却装置在离开挤压机的挤压件上喷水，将挤压件淬火至室温。
表1：以重量％计的化学组成
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zr
A 0.8 0.2 0.7 0.5 0.8 0.1 0.1
然后将挤压件在室温下储存3天，相当于3天的自然时效。
然后将所述挤压件切割成9个部件，标记为A-0至A-8。
一个部件A-0的拉伸性能恰好在自然时效后表征。其他部件进行人工时效或热机械时效。根据本发明的方法处理A-5至A-8部件。
将部件A-1在170℃下峰值时效12小时。将部件A-2拉伸5％，然后在170℃下峰值时效8小时。将部件A-3拉伸9.9％，然后在170℃下峰值时效4小时。将部件A-4在140℃下预时效8小时。将部件A-5在140℃下预时效8小时，然后拉伸3.6％，然后在170℃下峰值时效8小时。将部件A-6在140℃下预时效8小时，然后拉伸5.0％，然后在170℃下峰值时效8小时。将部件A-7在140℃下预时效8小时，然后拉伸8％，然后在170℃下峰值时效4小时。将部件A-8在140℃下预时效8小时，然后拉伸9.9％，然后在170℃下峰值时效4小时。
由于塑性变形，对于进行拉伸的部件，构成挤压件的壁的厚度减小。测定减小值且其根据所施加的应变和所考虑的网状物而变化。应变越大，减小值越高。如表2所示，对应于具有凸缘的最宽侧的挤压件的前侧具有较低的减小值。类似地，挤压件的总宽度和高度减小。由于前侧存在凸缘，因此在后侧和前侧测量高度(参见表2)。
表2：外部尺寸和壁厚的收缩测量值
室温拉伸试验根据标准ASTM E 8/E 8M，利用非比例拉伸试样进行。拉伸试样由挤压件加工而成，宽度为12.5mm，标距长度为60mm。
所述拉伸试验在根据前段中描述的条件制备的样品上测量的0.2％下的屈服强度、极限拉伸强度和伸长率方面的结果在表3中给出。
表3：拉伸特性
观察到(参见图2)，在有或没有预时效的情况下在材料上施加拉伸可增加未拉伸的峰值时效状态(A-1)的屈服强度。然而，很好地观察到，根据本发明处理的部件具有比具有类似拉伸但没有预时效的部件更高的屈服强度。根据本发明，更高的拉伸提供更高的屈服强度。通过将材料拉伸10％，可使进行本发明处理的未拉伸的峰值时效的材料的屈服强度增加14％至15％，而进行处理但未进行预时效的材料的屈服强度仅增加10％(参见图3))。
或者，根据本发明，需要比未预时效的材料少60％的应变来获得相同的屈服强度，使得材料对于给定的强度改进而言具有显著更高的延展性。
通过比较A-0和A-4的屈服强度，选择预时效条件以使自然时效的样品的屈服强度增加15％。
根据VDA 238-100(2010年12月发布)，通过“三点弯曲试验”估计碰撞行为。
样品包括矩形尺寸为30mm×60mm的试样。由挤压件加工试样且其具有平行于挤出方向的3mm厚、尺寸“60”的凸缘。将其全部轧制到2.60mm厚度。冲头半径r等于0.4mm。
在测试开始时，冲头与具有100牛顿预载荷的试样接触。一旦产生接触，冲头的运动就被指示为零。然后测试是移动冲头以进行试样的“三点弯曲”。当损坏导致与最大力相比冲头强烈下降至少60牛顿时，或当冲头达到所允许的最大行程时，停止测试。
在测试期间，记录力-位移曲线，其用于通过对一定位移的力进行积分来计算吸收能量。
表4列出了根据前段中描述的三点弯曲试验的条件对于5mm位移测得的吸收能量。
计算5mm侵入时的比能量吸收，并且对应于5mm侵入时的比能量吸收与试样中心处的惯性模量W之间的比率，所述惯性模量W根据下式计算：W＝(d x t2)/6，其中t为试样的厚度，d为其宽度。
表4：根据三点弯曲试验测得的吸收能量
图6中三点弯曲试验中5mm侵入时的比吸收能量的比较表明，在每种情况下，当拉伸小于8％时，预时效部件比未预时效部件(A-2、A-3)吸收更多的能量。获得可使吸收能量最大的最佳拉伸范围，3％至6％的拉伸。(图7)
根据准静态RCAR测试对四个完全制造的碰撞管理系统(CMS)进行测试，模拟完整RCAR测试的条件，所述测试通常在碰撞障碍物的整车上进行。
每个CMS由两个来自挤出的AA6008的碰撞盒组成，其被手工焊接至底板，然后至弯辊保险杠梁。横梁由经历不同时效的部件构成：A-1、A-3、A-5和A-8。
使用挤出方法但不使用本发明来获得参照保险杠梁(A-1)。在不施加任何预时效但施加9.9％的应变的情况下获得另一实施例保险杠梁(A-3)。根据本发明获得其他保险杠梁，其中所施加的应变为3.7％(A-5)和9.7％(A-8)。为了充分代表真正的碰撞管理系统，在焊接和峰值时效之前，在保险杠梁中按压图5中的椭圆形标记的触发器，其对应于用于准静态测试的原型CMS的CAD图。所述触发器用作铰链以在碰撞事件中减小对碰撞盒外侧上的焊缝的力。
四个碰撞管理系统RCAR的性能利用“准静态”RCAR保险杠测试进行评估。为此，将完整的RCAR障碍物安装在仪表化的拉伸机器上。该障碍物完全符合标准RCAR保险杠测试协议(2010年9月发行的2.0版，可在http://www.rcar.org/Papers/Procedures/BumperTestProcedure.pdf公开获得)，如协议第30和31页所述。将各碰撞管理系统均紧固至测试机底盘，因此设置保险杠梁和RCAR障碍物，确保它们之间在长度和宽度上100％重叠。碰撞管理系统在测试期间无法移动。
在测试开始之前，将机器调到零位，因此障碍物朝向保险杠移动，直到两者接触而没有任何障碍物的压缩，也没有碰撞管理系统的变形。然后开始适当的测试，其中障碍物以350mm/min的恒定速度压在保险杠上。在整个准静态RCAR保险杠测试中，记录在障碍物处施加的压力和保险杠梁后部在其中心处的位移。
对于各碰撞管理系统，记录障碍物处的力位移曲线，直到保险杠梁后部的中心达到100mm的入侵。由于该曲线，计算各碰撞管理系统的能量吸收，并在60mm入侵——对应于在使用测试材料时RCAR测试的典型能量要求——时对其进行比较。
表5列出了根据前段中描述的RCAR测试条件，在RCAR测试后测得的60mm位移的吸收能量。由于拉伸部件的重量低于参照部件(A-1)的事实，因此吸收能量的一对一比较是不合适的。为了补偿由于所施加的塑性应变导致的保险杠梁的不同重量以及所产生的截面差异，应用校正因子并且其对应于下式：
表5：根据RCAR测试测得的吸收能量
图8说明了在给定的等重量(iso-weight)下在RCAR测试后屈服强度和吸收能量之间的折衷。本发明的TMA可保持高屈服强度和高吸收能量。相反，与参照(A-1，有峰值时效处理而没有塑性变形)相比，没有预时效的热机械时效不能维持高吸收能量。
本发明的热机械时效(A-5)允许获得比有人工时效而没有塑性变形的情况(A-1)更高的吸收能量。图9说明了在等重量下与参照A-1(经历一步时效vs.所施加的塑性变形)相比所获得的能量吸收的提高。钟形曲线说明了在热机械时效期间应用于挤压件的塑性变形的最佳范围，其一定在2％至7％之间以获得至少5％的提高。
实施例2
根据以下步骤制备35x3mm截面的扁平挤压件：
使用表6中列出的组合物B铸造坯料。然后在高于520℃下均匀化5小时。然后将所述均匀化的坯料在接近560℃的均热温度——其在组合物B的固相线温度(估计为597℃)和“597℃-60℃”之间——下固溶热处理100秒。然后用水冷却装置淬火，产生约1kW/m2/℃的传热流，直到坯料表面温度达到460℃。30秒后，将坯料引入挤压机的容器中并挤出，得到扁平部件35×3mm。控制挤出速度使得表面出口温度接近550℃。然后，通过用冷却装置在离开挤压机的挤压件上喷水，将挤压件淬火至室温。
表6：以重量％计的化学组成
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zr
B 1.0 0.2 0.00 0.6 0.7 0.1 0.1
然后将挤压件在室温下储存15天，相当于15天的自然时效。
然后将所述挤压件切割成2个部件。一个部件B-1在175℃下峰值时效8小时。根据本发明处理一个部件B-2：在140℃下预时效8小时，通过拉伸塑性变形3％并在175℃下峰值时效4小时。
室温拉伸试验根据标准ASTM E 8/E 8M，利用非比例拉伸试样进行。拉伸试样由挤压件加工而成，宽度为12.5mm，标距长度为60mm。
所述拉伸试验在根据前段中描述的条件制备的样品上测量的0.2％下的屈服强度、极限拉伸强度和伸长率方面的结果在表7中给出。
表7：拉伸特性
实施例3
根据以下步骤制备对应于与实施例1(参见图1)相同的部件的挤压件：
使用表8中列出的组合物C铸造坯料。然后在高于520℃的温度下均匀化5小时。将所述均匀化的坯料在480℃至500℃的温度下加热，然后引入挤压机的容器中。控制挤出速度使得表面出口温度高于550℃且低于固相线温度。然后，通过用冷却装置在挤压件上喷水，将挤压件淬火至室温。
表8：以重量％计的化学组成
Si Fe Mn Mg Cr Ti
C 1.0 0.3 0.4 0.6 0.1 0.1
然后将挤压件在室温下储存9天，相当于15天的自然时效。
然后将所述挤压件切割成3个部件。一个部件C-1在170℃下峰值时效8小时。一个部件C-2通过拉伸塑性变形1.4％，并在170℃下峰值时效8小时。根据本发明处理一个部件C-3：在140℃下预时效8小时，通过拉伸塑性变形1.4％并在170℃下峰值时效8小时。
室温拉伸试验根据标准ASTM E 8/E 8M，利用非比例拉伸试样进行。拉伸试样由挤压件加工而成，宽度为12.5mm，标距长度为60mm。
所述拉伸试验在根据前段中描述的条件制备的样品上测量的0.2％下的屈服强度、极限拉伸强度方面的结果在表9中给出。
表9：拉伸特性
TMA条件(预时效+1.4％拉伸+峰值时效)可使屈服强度增加约3.4％，如图10所示。
实施例4
制备对应于65mm×6mm尺寸的实心扁平挤压件。
使用表10中列出的组合物D铸造坯料。将所述铸坯均匀化并在540℃的温度下进行固溶热处理，然后淬火直至温度达到400℃至480℃的值，然后引入挤压机的容器内并压制。然后，通过用冷却装置在挤压件上喷水，将挤压件淬火至室温。
将所述经淬火的挤压件切割成若干部件，在室温下储存，然后根据不同条件时效。D1至D8参照样品在室温下储存5小时，D9储存1000小时。
对所述部件进行不同的时效条件，并总结在表11中。
D-1在170℃下峰值时效12小时。D-8和D-9通过冷轧分别塑性变形3％和50％，并且分别在170℃下峰值时效8小时和在140℃下峰值时效30小时。
根据本发明处理D-2至D-7，通过冷轧获得3％至75％的不同塑性变形：详情参见表11。
室温拉伸试验根据标准ASTM E 8/E 8M，利用非比例拉伸试样进行。所述拉伸试验在根据前段中描述的条件制备的样品上测量的0.2％下的屈服强度、极限拉伸强度方面的结果在表11中给出。
表10：以重量％计的化学组成
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zr
D 0.8 0.2 0.8 0.5 0.7 0.1 0.1
表11：拉伸特性
观察到，相对于常规时效条件，本发明的优点为0.2％下的屈服强度。本文的常规时效条件包括：热处理，如在D-1上所进行的；或塑性变形、随后热处理，如在D-8和D-9上所进行的。特别地，在相等塑性变形下，即在3％或50％下，根据本发明处理的产品的屈服强度增加3.5％或2.2％(D2和D8之间以及D6和D9之间的比较)。

Claims (12)

1.一种用于获得由6xxx铝合金制成的挤压件的制备方法，包括以下连续步骤：
a)铸造坯料，其包含以重量％计的
Si0.1-1.2；Cu≤1.2；Mn0.05-1.2；Mg0.1-1.2
Cr≤0.3％、Zn≤0.5、Ti≤0.21、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，
其余为铝和杂质，
b)热处理铸坯；
c)经由模头挤出热处理的坯料，以形成实心或中空的挤压件；
d)将所述挤压件淬火至室温；
e)自然时效所述挤压件少于100天；
f)时效所述自然时效的挤压件；
其特征在于，时效处理包括至少三个步骤，其依次为
i)在所选择的温度T1下进行人工预时效处理，持续时间为t1，以使所述挤压件的屈服强度相比于在步骤e)之后获得的屈服强度增加5％至20％，优选6％至19％，更优选8％至18％，所述温度T1通常为120℃至180℃，并且所述持续时间t1通常为1至100小时，从而获得人工预时效的挤压件，
ii)使所述人工预时效的挤压件塑性变形1％至80％，以获得变形挤压件，
iii)将所述变形挤压件在温度T2下进行最终人工时效处理，持续时间为t2，所述温度T2通常为140℃至200℃，并且所述持续时间t2通常为1至100小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中步骤b)包括通常在410℃和530℃之间预热所述铸坯。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中步骤b)包括：对所述铸坯进行均匀化处理，通常在485℃至630℃的温度下进行1小时至12小时，以获得均匀化的坯料；以及在410℃至530℃之间预热所述均匀化的坯料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中步骤b)包括：在Ts-60℃至Ts的温度下对所述坯料进行固溶热处理，其中Ts为所述铝合金的固相线温度；以及淬火，直到坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本上为400℃的温度。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中步骤b)包括使所述铸坯均匀化，通常在485℃至630℃的温度下进行1小时至12小时，以获得均匀化的坯料；以及在Ts-60℃至Ts的温度下对所述坯料进行固溶热处理，其中Ts为所述铝合金的固相线温度；以及淬火，直到坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本上为400℃的温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法，其中步骤ii)的冷变形通过拉伸或液压成形或压制或冲压或弯曲或弯辊或拉伸弯曲或旋转拉伸弯曲或磁脉冲成形或流动成形或锻造或轧制或拉拔或深冲压或冲击或反挤压或冲孔或冲裁获得。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其中合金组合物包含以重量％计的以下元素：
Si0.6-1.1；Cu0.2-1.0；Mn0.3-0.9；Mg0.4-0.9；以及Cr≤0.3、Ti≤0.1、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，其余为铝和杂质。
8.可通过权利要求1至7中任一项所述的制备方法获得的由6xxx系列的铝合金制成的挤压件，其相比于未进行所述时效处理的相同合金的挤压件具有提高的能量吸收。
9.根据权利要求8所述的挤压件，其中在所述时效处理的步骤ii中所述人工预时效的挤压件的所述塑性变形为2％至7％，优选3％至6％，并且其中在所述时效处理的步骤iii)之后的所述挤压件的特征在于，与进行对应于所述时效处理的仅步骤iii)或步骤ii)和iii)的热机械时效的所述组成的挤压件相比，具有至少额外2％、优选5％的比弯曲能量吸收，
所述比能量吸收根据VDA238-100测试的标准条件，在由其厚度t和宽度d限定的矩形试样上测量，试样的折叠轴垂直于挤出方向，所述比能量吸收对应于冲头5mm位移所吸收的能量与横截面中心处由W＝(d x t2)/6定义的样品惯性模量W之间的比率，所吸收的能量通过在5mm冲头位移内所测得的作用力的积分来定义。
10.根据权利要求9所述的挤压件，其中合金组合物包含以重量％计的以下元素：
Si0.6-1.1；Cu0.2-1.0；Mn0.3-0.9；Mg0.4-0.9；Cr≤0.3、Ti≤0.1、Zr≤0.2、V<0.1中的一种或多种，其余为铝和杂质，
并且其中所述步骤b)的热处理包括：在Ts-60℃至Ts的温度下对所述坯料进行固溶热处理，其中Ts为所述铝合金的固相线温度；以及淬火，直至坯料平均温度达到400℃至480℃的值，同时确保坯料表面不会低于基本接近400℃的温度，
其特征在于，比能量吸收高于0.42J/mm3。
11.包含权利要求9或10所述的挤压件的保险杠，其特征在于根据准静态测试测定的经校正的能量吸收，其为进行对应于仅步骤iii)或步骤ii)和iii)的热机械时效的类似组成和几何形状的挤压件的经校正的能量吸收的至少额外5％，所述准静态测试包括将所述保险杠应用在由RCAR测试协议定义的障碍物上，并测量在障碍物处施加的压力和保险杠背部在其中心处的位移；通过将在60mm位移上所施加的压力进行积分计算能量吸收，并通过将其乘以等于(1+(塑性变形％)/100)的校正因子来计算经校正的能量吸收，其中塑性变形对应于步骤ii)中施加的塑性变形。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的挤压件作为能量吸收结构如侧面防撞梁、保险杠、侧梁的用途。
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