CN112264498B - 一种铝合金预强化热冲压成形方法 - Google Patents

一种铝合金预强化热冲压成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝合金预强化热冲压成形方法，将固溶淬火后W态的铝合金板在较低温度范围内进行预强化处理，获得批量供货的热冲压坯料。将预强化处理后的板料转移到热冲压生产线进行加热，保温30秒～5分钟后进行热冲压过程。热冲压板料经预强化处理后可以形成比T4态尺寸更大、更加稳定的GP区组织，因此在后续的热冲压工序中有利于预析出组织向亚稳定强化相进行转化，加之热冲压过程中产生的加工硬化效应，使得成形后零件的性能可以超过T6态甚至接近T8态。该工艺方法通过预强化铝合金坯料的批量供货，能够有效提高热冲压生产效率，同时保证产品的使用性能。

Description

一种铝合金预强化热冲压成形方法
技术领域
本发明涉及金属板材成形加工技术领域，具体涉及一种铝合金预强化热冲压成形方法。
背景技术
近年来，铝合金在航空航天、汽车等领域发挥着越来越重要的作用。目前，国内外针对铝合金零部件的成形方法主要有两种即冷成形和热成形。由于铝合金成形性能较差，因此通常只有中强度的5xxx系和6xxx铝合金用于冷成形，多以O态和T4态为主,且多用于简单构件。对于高强度铝合金如7xxx系铝合金，其在成形性能方面的劣势明显，因此通常以热成形为主。如今铝合金的热成形已经得到了快速的发展，并且已成为铝合金尤其是复杂铝合金零部件的重要成形加工方法，在生产中应用极为广泛。
对于可热处理强化铝合金，在热成形过程中，同时存在着加工硬化和回复、再结晶软化两个相反的过程，为了保证合金成形后的使用性能，通常需要增加后续人工时效步骤来提高强度。传统的热成形工艺一般需将坯料进行一定时间的固溶处理，再将温度降至设定温度进行冲压，成形过程结束后进行淬火处理，最后通过时效处理提高强度。该过程工序繁多，生产周期长，且在淬火过程中零件受热不均，极易产生热变形导致成形精度难以保证。在此基础上，英国帝国理工大学的林建国教授首先提出了热成形-淬火一体化工艺(Solution Heat Treatment，Forming and Cold-Die Quenching，
Figure BDA0002712220390000011
)，该工艺将铝合金的热成形与热处理相结合，即将固溶处理后的铝合金板快速转移到水冷模具上迅速合模成形，并且在成形完成后保持合模，使零件在模具内进行保压淬火，最后进行时效处理以提高强度。模内淬火有利于保证淬火效率和零件的尺寸精度。但该工艺对冲压模具要求较高，且生产周期没有得到明显缩短。
专利文献CN109628861A公开了一种同步提高7系列铝合金板材强度和延伸率的热处理方法。依次采用固溶处理、预强化处理、回归加热处理、再时效处理。该工艺虽然能够获得兼顾强度和韧性，但工序繁杂，且对于加热和冷却速率有一定要求，因此设备成本较高，而最后的再时效处理需耗时20-30小时，不利于提高效率。
专利文献WO2015/112799A1公开了一种高强度铝合金冲压成形方法，将具有接近T4状态的铝合金坯料加热至150-350℃，然后快速转移到模具上进行成形。成形过程结束后零件具有接近但不超过T6状态的性能，可用于汽车车身。
专利文献CN108380722A公开了一种轻量化铝合金车身构件的热冲压成形方法，将原始T6态的铝合金板加热至固溶温度以下50-300℃，加热保温时间1-5分钟，然后快速转移至水冷模具进行冲压成形和保压淬火，无需进行后续人工时效。所获得的零件能够在较大程度上保留原始T6态坯料的力学性能，从而缩短生产周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金预强化热冲压成形方法，该方法在热冲压成形工序之前，对铝合金坯料进行预强化处理，经预强化处理的合金组织中，尺寸较大的GP区占主导地位，这些大尺寸GP区热稳定性高，能够在后续热冲压的加热保温工序中直接作为亚稳定强化相(如2000系铝合金中的θ″相和S′相，6000系铝合金中的β″相，7000系铝合金中的η′相)的形核核心，因此能够促进热冲压工序中GP区向亚稳定强化相的转化；同时，预强化处理的合金具有比T6态更好的塑性，加上高温下的成形条件，使材料能够获得较好的成形性能的同时，保证冲压后零件的力学性能。另外，铝合金坯料的预强化处理是由板料供应商提前完成的，且板料在室温下的组织稳定性保证了批量供货的可靠性，因此进货后可直接投入热冲压生产线进行冲压成形，从而有效缩短热冲压生产周期，降低成本，提高生产效率。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种铝合金预强化热冲压成形方法，其特征在于，包括下列步骤，
步骤1：将可热处理强化铝合金板料进行固溶和淬火处理，获得W态铝合金板料，该步骤可以由铝合金板料生产厂家完成；
步骤2：对W态铝合金板料进行预强化处理，2000系铝合金处理温度为50-100℃，6000系铝合金处理温度为60-100℃，7000系铝合金处理温度为60-100℃，预强化处理时间为1-24小时。板料经过预强化处理后,其析出相中直径为1-10nm的GP区占比为50％～100％，该步骤可以由铝合金板料生产厂家完成；
步骤3：将预强化处理完成后的板料作为热冲压批量供货坯料；
步骤4：将预强化处理后的坯料转移至热冲压生产线进行加热，2000系铝合金加热至230-270℃，6000系铝合金加热至210-260℃，7000系铝合金加热至180-220℃，保温时间为30秒-5分钟，使先前存在于坯料组织内的GP区快速转化为亚稳定强化相，如2000系铝合金的θ″相或S′相，6000系铝合金的β″相，7000系铝合金的η′相；2000系铝合金的亚稳定强化相分为两种情况，取决于合金中Cu元素和Mg元素的原子浓度比，当Cu元素和Mg元素的原子浓度比大于8时，主要是θ″相，当Cu元素和Mg元素的原子浓度比大于1.5小于4时，主要是S′相。
步骤5：加热完成后快速转移至冲压模具进行热冲压，冲压完成后保持合模进行保压，获得最终制件，无需后续时效热处理。
进一步地，步骤1中所述可热处理强化铝合金包括2000系、6000系、7000系铝合金板。
进一步地，步骤5中所述，坯料加热后转移至水冷模具的时间不超过7秒。
进一步地，步骤5中所述冲压模具采用水冷模具、温模或冷温复合模。
本发明的有益效果是：
(1)热处理过程对加热速率无特殊要求，因此设备成本低；经过预强化处理后的铝合金坯料处于组织稳定状态，不会因自然时效产生组织变化，因此便于存储、运输，有利于板料供应商进行批量处理和供货，提高生产效率，降低成本。
(2)由于预强化后的合金本身具有优于T6态合金的塑性，加之高温下的成形条件，可使材料的成形性大大提高，有利于成形复杂构件；同时预强化处理可获得尺寸较大、热稳定性较高的GP区组织，该组织在后续的热成形过程中可以直接作为亚稳定强化相的形核核心，从而能够快速转化为亚稳定强化相；另外，本工艺所采用的热冲压温度较低，冲压变形使材料内部形成大量位错且不会完全回复，增大了材料的变形抗力，因而产生显著的加工硬化效应。形变和相变的双重作用使成形后零件达到较高的强度。可超过T6态达到接近T8态的力学性能。
(3)使用本发明所述热冲压工艺，成形生产过程得到明显简化，效率提高，以预强化态铝合金板作为坯料，热冲压工序可由8道
Figure BDA0002712220390000031
减少到6道(如图3和图4所示)，全工序耗时减少了12小时以上；由于冲压工序能够得到充足的力学性能，因此后续不再需要固溶、时效等热处理步骤，大大降低了热冲压过程的能耗，同时缩短了生产周期，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明所述预强化热成形工艺路线图；
图2为传统铝合金热冲压工序流程图；
图3为铝合金热成形-淬火一体化工艺(HFQ)工序流程图；
图4为本发明所述预强化热成形工艺工序流程图；
图5是本发明通过本发明制得的铝合金零件的实物图；
图6是图5中铝合金零件的应变-应力曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及特征更加清楚明白，下面结合具体实施例对本发明作详细说明。此处所阐述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将可热处理强化铝合金板料进行固溶和淬火处理，获得W态铝合金板料；
(2)对W态铝合金板料进行预强化处理，2000系铝合金处理温度为50-100℃，6000系铝合金处理温度为60-100℃，7000系铝合金处理温度为60-100℃，预强化处理时间为1-24小时。板料经过预强化处理后,其析出相中直径为1-10nm的GP区占比为50％～100％；
(3)将预强化处理完成后的板料作为热冲压批量供货坯料；
(4)将预强化处理后的坯料转移至热冲压生产线进行加热，2000系铝合金加热至230-270℃，6000系铝合金加热至210-260℃，7000系铝合金加热至180-220℃，保温时间为30秒-5分钟，使先前存在于坯料组织内的GP区快速转化为亚稳定强化相，如2000系铝合金的θ″相和S′相，6000系铝合金的β″相，7000系铝合金的η′相；
(5)加热完成后快速转移至冲压模具进行热冲压，冲压完成后保持合模进行保压，即可获得超过T6态接近T8态力学性能的零件，无需后续时效热处理。
实施例一：
以2024铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将2024铝合金坯料置于电阻炉中加热至487-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至50℃，并保温24小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至270℃,并保温30秒；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达452MPa，屈服强度可达357MPa。
实施例二：
以2024铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将2024铝合金坯料置于电阻炉中加热至487-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至100℃，并保温1小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至230℃,并保温5分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达446MPa，屈服强度可达348MPa。
实施例三：
以2024铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将2024铝合金坯料置于电阻炉中加热至487-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至75℃，并保温12小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至250℃,并保温3分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达447MPa，屈服强度可达350MPa。
实施例四：
以6082铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将6082铝合金坯料置于电阻炉中加热至515-579℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至60℃，并保温24小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至260℃,并保温30秒；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达294MPa，屈服强度可达253MPa。
实施例五：
以6082铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将6082铝合金坯料置于电阻炉中加热至515-579℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至100℃，并保温1小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至210℃,并保温5分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达284MPa，屈服强度可达242MPa。
实施例六：
以6082铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将6082铝合金坯料置于电阻炉中加热至515-579℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至80℃，并保温12小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至235℃,并保温3分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达286MPa，屈服强度可达241MPa。
实施例七：
以7075铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将7075铝合金坯料置于电阻炉中加热至460-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至60℃，并保温24小时；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至220℃,并保温30秒；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达575MPa，屈服强度可达506MPa。
实施例八：
以7075铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将7075铝合金坯料置于电阻炉中加热至460-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至100℃，并保温1小时；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至180℃,并保温5分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达566MPa，屈服强度可达494MPa。
实施例九：
以7075铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将7075铝合金坯料置于电阻炉中加热至460-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至80℃，并保温12小时；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至200℃,并保温3分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达569MPa，屈服强度可达502MPa。
对比例一：
以2024铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将2024铝合金坯料置于电阻炉中加热至487-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至150℃，并保温24小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至280℃,并保温3分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度为396MPa，屈服强度为317MPa。
对比例二：
以6082铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将6082铝合金坯料置于电阻炉中加热至515-579℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至150℃，并保温24小时，获得热冲压成形坯料；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至270℃,并保温3分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度为258MPa，屈服强度为219MPa。
对比例三：
以7075铝合金为坯料，一种铝合金预强化热冲压成形方法，包括如下步骤：
(1)将7075铝合金坯料置于电阻炉中加热至460-499℃并保温30分钟，获得W态铝合金板；
(2)在10分钟内将W态铝合金板进行预强化处理，即加热至150℃，并保温24小时；
(3)将坯料转移至热冲压生产线，加热至230℃,并保温3分钟；
(4)将加热后的坯料在7秒内快速转移至水冷模具进行热冲压并进行模内保压冷却，获得最终制件，无需后续时效热处理。
在冲压成形后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度为509MPa，屈服强度为447MPa。
综上所述，在本发明所述实施例和对比例中，在不同的预强化制度和热冲压制度条件下，冲压完成后所得零件力学性能总结如表1所示：
表1实施例和对比例中零件力学性能总结
Figure BDA0002712220390000071
Figure BDA0002712220390000081

Claims (3)

1.一种铝合金预强化热冲压成形方法，其特征在于，包括下列步骤，
步骤1：将可热处理强化铝合金板料进行固溶和淬火处理，获得W态铝合金板料；
步骤2：对W态铝合金板料进行预强化处理，2000系铝合金处理温度为50-100℃，6000系铝合金处理温度为60-100℃，7000系铝合金处理温度为60-100℃，预强化处理时间为1-24小时；板料经过预强化处理后,其析出相中直径为1-10nm的GP区占比为50％～100％；
步骤3：将预强化处理完成后的板料作为热冲压批量供货坯料；
步骤4：将预强化处理后的坯料转移至热冲压生产线进行加热，2000系铝合金加热至230-270℃，6000系铝合金加热至210-260℃，7000系铝合金加热至180-220℃，保温时间为30秒-5分钟，使先前存在于坯料组织内的GP区快速转化为亚稳定强化相，2000系铝合金的亚稳定强化相为θ″相或S′相，6000系铝合金的亚稳定强化相为β″相，7000系铝合金的亚稳定强化相为η′相；
步骤5：加热完成后快速转移至冲压模具进行热冲压，冲压完成后保持合模进行保压，即可获得最终零件，无需后续时效热处理。
2.根据权利要求1所述的铝合金预强化热冲压成形方法，其特征在于，坯料加热后转移至冲压模具的时间不超过7秒。
3.根据权利要求1所述的铝合金预强化热冲压成形方法，其特征在于，所述冲压模具采用水冷模具、温模或冷温复合模。
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