CN112210734B - 7000系铝合金制构件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的7000系铝合金制构件的制造方法，对于T1调质的铝合金挤压型材实施塑性加工而产品化时，防止塑性加工时的裂纹发生，并且进一步降低产品的拉伸残余应力，使抗应力腐蚀开裂性提高。使T1调质的7000系铝合金挤压型材升温至150℃以上的温度范围后，在所述温度范围内进行塑性加工，接着冷却后，进行人工时效处理。设从升温开始起的时间为t(s)，时间t的所述挤压型材的温度为T(t)(℃)，升温过程中截至所述挤压型材达到140℃的时间为t₁，冷却过程中截至所述挤压材再次达到140℃的时间为t₂时，使t₁≤t≤t₂的区间的{T(t)－140}的积分值(＝F₁₄₀)处于5×10⁵(℃²·s)以下而进行限制。

Description

7000系铝合金制构件的制造方法

技术领域

本发明涉及7000系铝合金制构件的制造方法，特别是涉及对于T1调质的7000系铝合金挤压型材进行塑性加工而制造7000系铝合金制构件的方法。

背景技术

铝合金由于密度约为2.7gcm^－3，是钢的大约1/3，所以近年来，面向重视轻量化的运输设备领域的应用，特别是面向汽车的应用扩大。尤其是铝合金制挤压型材，其具有如下特长：不用附加的加工，便能够得到具有任意的壁厚分配的闭合截面的长条材，从而面向汽车的骨架零件和吸能零件等的积极的采用得到扩大。作为这样的骨架零件，有踏板、侧构件、立柱等，作为吸能零件，有车门加强材、保险杠加强材、车顶加强材等。

将汽车零件从钢零件置换成用铝合金制挤压型材制造的零件所得到的轻量化效果，非常依赖于铝合金的强度(屈服强度)。因此，面向汽车的骨架零件和吸能零件，高强度铝合金的开发被推进。

作为高强度铝合金，代表性的有作为析出强化型合金的6000系(Al－Mg－Si－(Cu)系)和7000系(Al－Zn－Mg－(Cu)系)。一般来说，6000系铝合金以0.2％屈服强度计为200～350MPa左右，7000系铝合金以0.2％屈服强度计为300～500MPa左右，通过T5、T6或T7调质而取得。特别是7000系铝合金可获得高强度，能够期待高轻量化效果。

另一方面，在高强度的7000系铝合金中，在腐蚀环境下不断发生拉伸应力的位置产生的裂纹，即应力腐蚀开裂(SCC)成为问题。因为该应力腐蚀开裂敏感，所以进展快速，被强烈规避。

应力腐蚀开裂一般越是高强度材越容易发生，应力腐蚀开裂成为瓶颈，也往往造成7000系铝合金面向汽车零件的采用受到搁置。

应力腐蚀开裂，因拉伸应力发生并达到一定阈值以上的位置被曝露在腐蚀环境下而发生。该拉伸应力多是以制造中的塑性加工、切削加工、热处理工序中产生的拉伸残余应力为要因而发生。

为了使铝合金挤压型材成为汽车零件，一般来说，需要进行塑性加工和切削加工等的附加加工。塑性加工是借助机械力使材料变形，将材料成形为规定的形状、尺寸的产品的手段，其中包括：使铝合金挤压型材的纵长方向的形状变化的弯曲加工、由压力机压溃或扩大截面的变截面加工、由压力机进行开孔或切断的剪切加工等。

铝合金制构件(对于铝合金挤压型材实施附加加工和热处理所得到的构件)的拉伸残余应力，因附加加工(塑性加工和切削加工)或热处理而发生。特别构成问题的，是因塑性加工而发生的拉伸残余应力。对于铝合金挤压型材进行的塑性加工的代表例，是上述的弯曲加工、变截面加工和剪切加工。

弯曲加工中有各种方法，但总的来说，是在弯曲内侧(凹侧)和侧面的一部分沿着纵长方向而发生高拉伸残余应力。变截面加工，是沿着伴随变截面加工而弯曲变形的边的凹侧一面的截面周向而发生高残余应力。如此，在弯曲加工和变截面加工中，基本上是在弯曲内侧发生高拉伸残余应力。在剪切加工中，一般多是在剪切变形部(因剪切加工而发生塑性变形的位置)发生拉伸残余应力。在切削加工中，很少在表面发生高拉伸残余应力。

作为抑制7000系铝合金制构件中发生的拉伸残余应力的技术，在专利文献1中记载有对于T1调质的7000系铝合金挤压型材以规定的条件实施回归处理(热处理)后，在常温下实施塑性加工，其后实施人工时效处理。还有，所谓T1调质，意思是在挤压加工后，除了自然时效以外未进行调质处理的状态。

另外，在专利文献2中记载有对于7000系铝合金挤压型材实施固溶处理和淬火后，实施50～100℃×1～30分钟的热处理，接着升温至100～200℃，在此温度范围内进行塑性加工(温加工)，冷却后，实施人工时效处理。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利第5671422号公报

【专利文献2】日本特开2009－114514号公报

根据专利文献1的技术，能够避免发生裂纹而在常温下对T1调质的7000系铝合金挤压型材进行塑性加工，能够降低产品(铝合金制构件)的拉伸残余应力而使抗应力腐蚀开裂性提高。但是，要求抗应力腐蚀开裂性的进一步提高。

根据专利文献2的技术，能够避免发生裂纹而对W调质或T4调质的铝合金挤压型材进行塑性加工，引用文献2记载有产品的抗应力腐蚀开裂性优异。但是，专利文献2的技术并非适用于能够更低成本化的T1调质的铝合金挤压型材，另外，固溶处理与温加工之间需要其他的热处理，工序也复杂。

发明内容

本发明其目的在于，在对于T1调质的7000系铝合金挤压型材实施塑性加工而使之产品化时，防止塑性加工时的裂纹发生，并且进一步降低产品(铝合金制构件)的拉伸残余应力，使抗应力腐蚀开裂性提高。

本发明是一种7000系铝合金制构件的制造方法，将7000系铝合金挤压型材从大致室温进行升温而到达规定的温度范围内的温度后，在所述温度范围内进行塑性加工，接着冷却后，进行人工时效处理，其特征在于，所述7000系铝合金挤压型材是T1调质材，所述温度范围为150℃以上，设从升温开始的时间为t(单位：s)，时间t内的所述挤压型材的温度为T(t)(单位：℃)，升温过程中所述挤压型材达到140℃为止的时间为t₁，冷却过程中所述挤压型材再次达到140℃为止的时间为t₂时，t₁≤t≤t₂的区间中的{T(t)－140}²的积分值为5×10⁵(单位：℃²·s)以下。

根据本发明，在对于T1调质的7000系铝合金挤压型材实施塑性加工而产品化时，能够防止塑性加工造成的裂纹发生，不会牺牲产品(7000系铝合金制构件)的强度，而能够降低产品的拉伸残余应力，使抗应力腐蚀开裂性提高。

而且，根据本发明，能够以如下比较简单的方法得到上述效果：在升温－塑性加工－冷却的过程中，在150℃以上进行塑性加工，且使所述积分值为5×10⁵(单位：℃²·s)以下。

另外，在本发明中，因为以T1调质的7000系铝合金挤压型材作为原材使用，所以能够以低成本制造有强度要求的车门加强材、保险杠加强材、车顶加强材等的吸能零件，和踏板、侧构件、立柱等的汽车骨架零件。

附图说明

图1是本发明的工艺的流程图。

图2是说明升温－塑性加工－冷却的工序中的7000系铝合金挤压型材的温度履历(温度与时间的关系)的图。

图3是将实施例1的温度履历测量用试验材插入到设定为500℃的空气炉中后所得到的所述试验材的温度履历。

图4是表示实施例1所得到的7000系铝合金挤压型材的塑性加工时的温度与裂纹发生状况的关系的图。

图5是实施例2中使用的7000系铝合金挤压型材的剖面示意图(5A)，塑性变形后的侧面示意图(5B)，和图5B的I－I、II－II、III－III的各剖视图(5C)。

图6是表示t₁≤t≤t₂的区间中的{T(t)－140}²的积分值(F₁₄₀)，与以现有工艺为基准时的0.2％屈服强度的比例(百分率)的关系的图。

图7是表示t₁≤t≤t₂的区间中的{T(t)－140}²的积分值(F₁₄₀)，与以现有工艺为基准时的抗拉强度的比例(百分率)的关系的图。

具体实施方式

以下，对于本发明的7000系铝合金制构件的制造方法，更具体地加以说明。该制造方法，如图1所示，包括如下5个工序：制造T1调质的7000系铝合金挤压型材的工序(P1)；将挤压型材从室温(R.T.)以规定的升温速度升温至150℃以上的温度的工序(P2)；在所述温度范围对挤压型材进行塑性加工的工序(P3)；将挤压型材以规定的冷却速度冷却至室温的工序(P4)；及时效处理(P5)。

(T1调质的7000系铝合金挤压型材)

在本发明的7000系铝合金制构件的制造方法中，作为原材，使用7000系铝合金挤压型材的T1调质材。

本发明适用的7000系(Al－Mg－Zn(－Cu)系)铝合金的组成没有特别限定。但是，作为优选的组成，能够列举如下组成：含有Zn：3.0～9.0质量％、Mg：0.4～2.5质量％、Cu：0.05～2.0质量％、Ti：0.005～0.2质量％，还含有Mn：0.01～0.3质量％、Cr：0.01～0.3质量％、Zr：0.01～0.3质量％的一种或两种以上，余量由Al和不可避免的杂质构成。

在本发明中，所谓T1调质材，意思是在挤压加工后只实施自然时效的调质处理的材料。另外，在本发明中，所谓挤压型材，意思是遵循JISH4100所规定的型材的定义的挤压材，和遵循JISH4080所规定的管的定义的挤压材，包括空心型材和实心型材这两种。

作为7000系铝合金制构件的例子，可列举车门加强材、保险杠加强材、车顶加强材等的吸能零件，和踏板、侧构件、立柱等的汽车骨架零件。

(挤压型材的温度履历)

图2是表示在图1所示的P2～P4的一系列的工序(升温→塑性加工→冷却)中，挤压型材的温度与时间的关系(温度履历)的一例的图。在图2中，直角坐标的横轴是从升温开始的时间t(单位：s)，纵轴是时间t内的挤压型材的温度T(单位：℃)。

在升温工序中，挤压型材从室温(R.T.)以规定的升温速度被升温，到达150℃以上的温度(到达温度)，对于挤压型材进行塑性加工，在冷却工序中以规定的冷却速度被冷却至室温。

7000系铝合金挤压型材具有越长时间曝露在高温下，人工时效处理后的0.2％屈服强度(和抗拉强度)越降低的倾向，特别是长时间曝露在高于140℃的高温下时，该影响显著发生。因此在本发明中，选择时刻t时的挤压型材的温度T(t)超过临界温度(140℃)时的超过温度{T(t)－140}，作为表现本发明的参数。

设升温工序中挤压型材达到140℃为止的时间为t₁，设冷却过程中所述挤压型材再次达到140℃为止的时间为t₂时，在本发明中，t₁≤t≤t₂的区间内的{T(t)－140}²的积分值F₁₄₀限制在5×10⁵(单位：℃²·s)以下。该积分值F₁₄₀由下式(1)表示。还有，如后述的实施例(图6、7)所示，作为整理温度履历对于铝合金挤压型材的强度的影响的因素，通过采用该积分值F₁₄₀，能够高精度地线性整理温度履历与屈服强度比(YS/YS₀)和抗拉强度比(TS/TS₀)的关系。

【算式1】

所述积分值F₁₄₀为5×10⁵℃²·s以下时，能够制造出与现有的制造方法相比几乎不逊色的、具有高强度的7000系铝合金构件。另一方面，该积分值F₁₄₀高于5×10⁵℃²·s时，与现有的制造方法相比，7000系铝合金构件的人工时效处理后的0.2％屈服强度和抗拉强度的降低显著化。

升温工序中的升温速度、到达温度、到达温度下的保持时间及冷却工序中的冷却速度，能够在所述积分值F₁₄₀为5×10⁵℃²·s以下的条件内适宜选择。

还有，本发明中作为主要对象的汽车构件，以大量生产为前提，从经济性的观点出发，周期时间(用于生产一个零件所需要的时间)的极小化也很重要。在升温和塑性加工的工序中，因为通过加热装置和压力装置对铝合金挤压型材一个一个地进行处理，所以为了周期时间的极小化，需要缩短升温和塑性加工的工序所花费的时间。汽车业界的一般的周期时间目标是60s以下(每小时60个以上的生产率)，为此，优选在60s以下结束升温和塑性加工的工序，升温速度优选为3℃/s，更优选为5℃/s以上。

另一方面，在冷却工序中，因为能够由冷却装置连续地处理多个产品(铝合金构件)，所以不需要基于周期时间的观点来选择冷却速度。但是，冷却速度越大，则人工时效处理后的0.2％屈服强度(和抗拉强度)越上升，因此冷却速度优选为3℃/s以上。

(塑性加工)

在本发明中，使7000系铝合金挤压型材从室温升温至150℃以上的温度(到达温度)，对于升温后的位置实施塑性加工(温加工)后，对该位置进行冷却。所述到达温度的上限值，只要能够将所述积分值F₁₄₀保持5×10⁵℃²·s以下，使没有特别限制，但现实来看，优选为300℃以下。由升温工序使铝合金挤压型材升温的位置，至少包含预定进行塑性加工的位置即可，可以是铝合金挤压型材的整体(全长)，也可以是纵长方向的一部分(例如进行塑性加工的位置及其附近)。在塑性加工中，一般包括弯曲加工、变截面加工和剪切加工。还有，为了防止塑性加工时的温度降低，优选将塑性加工时与挤压型材接触的模具、夹具等，预先保持在升温工序的到达温度或其邻近温度。

通过在150℃以上对于7000系铝合金挤压型材进行塑性加工，能够防止塑性加工时的裂纹的发生，并且能够降低因塑性加工而在产品(7000系铝合金制构件)中发生的拉伸残余应力。但是，塑性加工时的温度低于150℃时，防止裂纹发生的效果不充分，即使不发生裂纹，也不能充分降低因塑性加工而在产品中发生的拉伸残余应力。从降低拉伸残余应力的观点出发，塑性加工时的温度优选为170℃以上，更优选为200℃以上。为了使人工时效处理后的0.2％屈服强度(和抗拉强度)提高，优选塑性加工后的冷却以3℃/秒以上的冷却速度进行。

(人工时效处理)

人工时效处理，是为了使产品(7000系铝合金制构件)的力学特性，特别是使0.2％屈服强度值提高而进行。人工时效处理的条件没有特别限定，能够以通常的7000系铝合金所进行的一般的时效处理条件进行，例如120～160℃×6～24小时。或者，能够以与一般的时效处理相比更加高温、长时间的条件进行时效处理(过时效处理)。

【实施例1】

将T1调质的7000系铝合金挤压型材从室温升温，使到达温度进行各种变化，在该到达温度实施塑性加工(温加工)，调查没有发生裂纹的温度条件。该7000系铝合金中，含有Mg：1.4质量％、Zn：6.5质量％、Cu：0.15质量％、Zr：0.15质量％、Cr：0.03质量％、Ti：0.025质量％，余量由Al和杂质构成。所述挤压型材由如下构成：具有截面为高约50mm×宽约150mm的矩形轮廓，具有2个中空部，壁厚为2～4mm，长约150mm的一对凸缘；和以等间隔连接所述一对凸缘的3个长约50mm的腹板。该挤压型材，例如作为保险杠加强件的原材使用。

将所述挤压型材相对于挤压方向垂直地切断为一定长度，制成温度履历测量用的试验材与多个塑性加工用的试验材。

所述试验材的升温在设定为500℃的空气炉中进行。首先，在温度履历测量用的试验材的腹板上设置热电偶，装入所述空气炉中，测量所述试验材的温度履历。其结果显示在图3中。根据所述温度履历，求得所述试验材从装入到所述空气炉中起至到达各种温度(到达温度)的时间(到达时间)。还有，如图3所示，至350℃的升温速度约5℃/s。

其次将塑性加工用的试验材一个个地装入所述空气炉中，在到达规定的到达温度后(即，刚经过规定的到达时间后)，将所述试验材从所述空气炉中取出，立即实施塑性加工(温加工)。塑性加工使用通常的压力机，将上下平行的模具保持在所述到达温度，进行压溃加工，直至使所述试验材的截面高度成为20mm。

在被压溃加工后的位置，腹板大幅弯曲变形，根据所述到达温度，在腹板的弯曲外侧，可确认到与弯曲的棱线平行的裂纹和表面粗糙发生。在图4中显示标绘所述到达温度与腹板的弯曲外侧的外观品质的关系(×，△，○)。在图4中，×意思是有明确裂纹发生，△意思是有轻微的龟裂发生，○意思是只有表面粗糙发生。

如图4所示，塑性加工时的温度(到达温度)为150℃以上时，塑性加工(压溃加工)中无裂纹发生。

【实施例2】

对于T1调质的7000系铝合金挤压型材，以高于室温的各种温度实施塑性加工，调查塑性加工温度与拉伸残余应力的关系。该7000系铝合金的组成与实施例1的相同。所述挤压型材，是例如作为车门防撞梁的原材使用的型材，如图5A所示，由相互平行的一对凸缘和连接所述一对凸缘的一对腹板构成，高度为35mm，所述凸缘与腹板彼此垂直。一对凸缘之中一个凸缘(薄壁侧凸缘)，壁厚为2.2mm，宽约34mm，另一个凸缘(厚壁侧凸缘)，壁厚为5.6mm，宽为40mm。另外，所述腹板壁厚均为2mm，长度均27.2mm。

将所述挤压型材相对于挤压方向垂直地切断成一定长度，切除厚壁侧凸缘的突出部，制成多个试验材。

将所述试验材插入到设定为500℃的空气炉中加热，到达500℃后，从空气炉中取出，用接触式温度计管理温度并进行冷却，在达到各试验温度(300℃、250℃、200℃、150℃、50℃)的时刻，立即进行塑性加工。塑性加工使用通常的压力机，将上下平行的模具保持在所述试验温度，对于所述试验材的从前端起至长度200mm，进行压溃加工，直至截面高度成为25mm。还有，在各试验温度下对于各2个试验材，分别进行相同的压溃加工。

压溃加工后的试验材，直接强制空冷至室温。

在被压溃加工后的位置，腹板大幅弯曲变形。

使用压溃加工后的试验材(时效处理前)，利用X射线应力测定装置MSF－3M(リガク株式会社制)，测量因压溃加工而在腹板的弯曲外侧发生的残余应力。测量位置为，实施过压溃加工的区域(截面高度25mm的区域)和未实施压溃加工的区域(截面高度为35mm的区域)之间的区域的厚壁侧凸缘附近位置(测量处A)，和实施过压溃加工的区域的厚壁侧凸缘附近位置(测量处B)。测定条件和分析条件显示在表1中，测量处A、B在图5B、5C中由○标记表示。测量处A大致平坦，测量处B是凹部。

塑性加工温度与测量结果显示在表2中。表2所示的拉伸残余应力的值是2个试验材的平均值。在表2中，带有－的数值是压缩残余应力。

【表1】

表1 X射线应力测定和分析条件

【表2】

表2 残余应力测量结果

如表2所示，可确认塑性加工温度在接近R.T.的50℃时，在测量处A、B这两方都发生高拉伸残余应力，但塑性加工温度为150℃以上时，拉伸残余应力降低至50℃时的60％以下。若另外，塑性加工温度高于150℃，则拉伸残余应力的降低显著。还有，可确认塑性加工温度为150℃以上时，在腹板发生的拉伸残余应力的大小十分低，其值没有因人工时效处理而大幅变化。

【实施例3】

使用与实施例1相同的T1调质的7000系铝合金挤压型材，从其凸缘以纵长方向为挤压平行方向的方式制成JIS13B号试验片(No.1～23)。该试验片的厚度为3mm。其中，将No.1～20的试验片从室温升温，使到达温度进行各种变化，在该到达温度保持规定时间，接着以各种冷却速度冷却至室温后，实施时效处理，测量力学特性。

No.1～20的试验片的到达温度为150℃、200℃、250℃、275℃的任一个，向所述到达温度的升温，以保持在所述到达温度的油浴器(150℃、200℃)或硝石炉(250℃、275℃)进行。所述到达温度下的保持时间为30s、60s、90s、150s、180s的任一个，冷却方法为自然空冷或水冷。从所述到达温度至140℃的冷却速度，自然空冷时约为1℃/s，水冷时约为100℃/s。还有，在各试验片上以Kapton(注册商标)胶带附设T热电偶，测量各试验片的温度履历。

另外，为了与现有技术进行比较，再加热No.21～23的试验片而进行固溶处理后(以480℃保持3600s后，风扇空冷)，以与No.1～20的试验片相同的条件进行时效处理，测量力学特性。

使用时效处理后的试验片(No.1～23)，依据JISZ2241(2011)实施拉伸试验，测量力学特性(0.2％屈服强度、抗拉强度、断裂延伸率)。

在表3中，显示No.1～20的试验片的到达温度、到达温度下的保持时间、冷却方法、抗拉强度、0.2％屈服强度、断裂延伸率及F₁₄₀的值，和No.21～23的试验片的固溶处理条件(保持温度、保持时间)、0.2％屈服强度、抗拉强度及断裂延伸率。

此外，以经由现有技术处理的试验片(No.21～23的试验片)的0.2％屈服强度的平均值作为基准值(YS₀)，求得No.1～20的各试验片的0.2％屈服强度值(YS)相对于所述基准值的比例((YS/YS₀)×100)，并记述在表3中。另外，以经由现有技术处理的试验片(No.21～23的试验片)的抗拉强度的平均值作为基准值(TS₀)，求得No.1～20的各试验片的抗拉强度(TS)相对于所述基准值的比例((TS/YS₀)×100)，并记述在表3中。

以表3的数据为基础，将(YS/YS₀)×100与F₁₄₀的关系，和(TS/YS₀)×100与F₁₄₀的关系显示在图6、7的图中。

【表3】

如图6、7所示，No.1～20的试验片之中，在满足F₁₄₀≤5×10⁵(℃²·s)的试验片中，作为(YS/YS₀)×100或(TS/YS₀)×100的值，能够得到90％以上。即，F₁₄₀≤5×10⁵(℃²·s)时，与现有技术(No.21～23)比较时的0.2％屈服强度的变化率(降低率)，大约能够抑制在10％以下。还有，在强度构件中，力学特性之中0.2％屈服强度最受重视。

如以上的[实施例1]～[实施例3]所示，对于T1调质的7000系铝合金挤压型材施加塑性加工而制造铝合金构件时，塑性加工时的温度为150℃以上时，可在塑性加工中防止裂纹的发生，且拉伸残余应力降低。另外，在塑性加工时的7000系铝合金挤压型材的温度履历中，F₁₄₀为5×10⁵(℃²·s)以下时，时效处理后能够得到与现有材相比毫不逊色的高强度。

Claims (7)

1.一种7000系铝合金制构件的制造方法，将7000系铝合金挤压型材从室温起进行升温而达到规定的温度范围内的温度后，在所述温度范围内进行塑性加工，接着冷却后，进行人工时效处理，其特征在于，所述7000系铝合金挤压型材是T1调质材，所述温度范围为150℃以上，设从升温开始起的时间为t，时间t的所述挤压型材的温度为T(t)，升温过程中所述挤压型材达到140℃为止的时间为t₁，在冷却过程中所述挤压型材再次达到140℃为止的时间为t₂时，t₁≤t≤t₂的区间中的{T(t)－140}²的积分值F₁₄₀为5×10⁵℃²·s以下，其中，所述积分值F₁₄₀由下式(1)表示，所述时间t、t₁、t₂的单位为s，所述温度T(t)的单位为℃，

2.根据权利要求1所述的7000系铝合金制构件的制造方法，其特征在于，升温速度为3℃/s以上。

3.根据权利要求1所述的7000系铝合金制构件的制造方法，其特征在于，塑性加工后的冷却以3℃/秒以上的冷却速度进行。

4.根据权利要求2所述的7000系铝合金制构件的制造方法，其特征在于，塑性加工后的冷却以3℃/秒以上的冷却速度进行。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的7000系铝合金制构件的制造方法，其特征在于，所述塑性加工是变截面加工、弯曲加工、剪切加工中的任一种。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的7000系铝合金制构件的制造方法，其特征在于，所述7000系铝合金制构件是吸能零件或汽车骨架零件。

7.根据权利要求5所述的7000系铝合金制构件的制造方法，其特征在于，所述7000系铝合金制构件是吸能零件或汽车骨架零件。

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