CN115279931A

CN115279931A - 压铸构件、具有该压铸构件的车身部件、具有该车身部件的机动车以及用于制造该压铸构件的方法

Info

Publication number: CN115279931A
Application number: CN202080079803.4A
Authority: CN
Inventors: 马可·胡梅尔; 马里乌斯·科尔黑普; 罗宾·米勒; 海因茨·维尔纳·豪佩尔; 维尔纳·弗拉格纳
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-11-01
Also published as: HUE061156T4; US20230008295A1; PL3825428T3; HUE061156T2; EP3825428B1; EP3825428A1; MX2022006232A; WO2021105229A1

Abstract

本发明示出了一种用于制造压铸构件的方法和以其制造的压铸构件。根据本发明，当压铸构件具备具有以下合金成分的能硬化的铝合金时可实现优异的冲铆适用性：5.0至9.0重量％的硅(Si)、0.25至0.5重量％的镁(Mg)和并且其余的是铝以及制造导致的不可避免的杂质，杂质分别具有最大0.05重量％并且总计具有最多0.15重量％，其中，压铸构件具有大于190MPa屈服强度(Rp0.2)和大于等于7％的断裂伸长率(A5)，并且均匀伸长率(Ag)和颈缩伸长率(Az)满足条件Az≥Ag/2。

Description

压铸构件、具有该压铸构件的车身部件、具有该车身部件的机动车以及用于制造该压铸构件的方法

技术领域

本发明涉及压铸构件和用于制造该压铸构件的方法。

背景技术

为了在薄壁的压铸构件中，例如机动车的结构构件中达到强度(R_p0.2、R_m)和延展性(或断裂伸长率A₅)彼此间的期望的比例，以此例如满足汽车领域中的与碰撞有关的FDI值[FDI＝强度-延展性指数，其由材料特征值R_m、R_p0.2和A₅计算出，即FDI＝(R_m+3*R_p0.2)/4*A₅/100]，EP3176275A1提出对Al-Si铝合金进行具有两阶段退火、淬火和三阶段人工时效的热处理。这种方法也导致了良好的冲铆适用性(即通过改型的接合)，这基本上取决于压铸构件的延展性。特别是，与另外的模具(平模、球模等)相比，在使用圆顶模具的情况下在冲铆时要求压铸构件具有最高的变形能力。如果材料的变形能力不足，在压铸构件中在模具一侧就会出现裂缝。通过提高延展性来进一步改善冲铆适用性又会造成强度的损失，这不利地降低与碰撞有关的FDI值。

发明内容

从开头描述的现有技术出发，本发明所提出的任务是，提供一种压铸构件，其与已知的压铸构件相比，特点在于在断裂伸长率和强度不变的情况下改善了冲铆适用性。

本发明通过权利要求1的特征解决所提出的问题。

压铸构件具有能硬化的铝合金，能硬化的铝合金具有5.0至9.0重量％％的硅(Si)和0.25至0.5重量％的镁(Mg)，并且其余的是铝以及制造导致的不可避免的杂质，这些杂质分别具有最大0.05重量％并且总计具有最多0.15重量％，由此，可以实现大于190MPa的相对高的屈服强度(R_p0.2)，以及大于等于7％的断裂伸长率A₅。

Si：5.0至9.0重量％的硅(Si)，这与现有技术相比表现为降低了的份额，可以显著减少诱发裂纹的初级相(即共晶硅颗粒)的份额。因此降低了其在通过改型来接合时的负面影响。

Mg：0.25至0.5重量％的镁(Mg)可以实现大于190MPa的屈服强度(R_p0.2)。

然而特别地，压铸构件的冲铆适用性得到了改善，这是因为均匀伸长率(A_g)和颈缩伸长率(A_z)满足条件A_z≥A_g/2。因此，即使在薄壁地实施的情况下，这种高强度的压铸构件也可以通过改型，例如冲铆或贯穿接合的方式无裂纹地接合。

附加于Si和Mg，铝合金还可以有选择地具有以下组的其中一种或多种合金元素：直至0.8重量％的锰(Mn)，0.08至0.35重量％的锌(Zn)，0.08至0.35重量的铬(Cr)，直至0.30重量％的锆(Zr)，直至0.25重量％的铁(Fe)，直至0.15重量％的钛(Ti)，直至0.20重量％的铜(Cu)，直至0.025重量％的锶(Sr)，直至0.2重量％的钒(V)和/或直至0.2％重量的钼(Mo)。

当压铸构件具有至少6％的均匀伸长率(A_g)和至少4％的颈缩伸长率(A_z)时，可进一步改善上述的冲铆适用性。

此外，在根据本发明的铝合金中，硅(Si)和/或锌(Zn)和/或镁(Mg)和/或锰(Mn)和/或铜(Cu)和/或铁(Fe)和/或钛(Ti)和/或锶(Sr)的以下一种或多种含量是可以设想的：

·多于6.5至9.0重量％的硅(Si)，

特别是多于6.5至8重量％的硅(Si)，

·0.3至0.5重量％的镁(Mg)，

·0.3至0.6重量％的锰(Mn)，

·0.15至0.3重量％的锌(Zn)，

特别是0.15至0.25重量％的锌(Zn)，

·0.10至0.20重量％的铜(Cu)，

·0.10至0.25重量％的铁(Fe)，

特别是0.15至0.25重量％的铁(Fe)，

·0.05至0.15重量％的钛(Ti)，

·0.015至0.025重量％的锶(Sr)。

当能硬化的铝合金具有多于6.5至9.0重量％的硅(Si)，特别是多于6.5至8重量％的硅(Si)时，可以达到特别高的FDI值。

Si：6.5<硅(Si)重量％≤9.0例如可以在合金的可铸性足够良好的情况下也减少诱发裂纹的初级相，这可以进一步改善通过改型来接合，当满足6.5<硅(Si)重量％≤8.0的条件，就更能够改善。

在铝合金具有0.15至0.3重量％的锌(Zn)和/或0.3至0.5重量％的镁(Mg)时，可进一步改善强度和延展性。

Zn：含量为0.15至0.3重量％的锌(Zn)可以进一步改善压铸构件的延展性。优选地，锌(Zn)的含量为0.15至0.25重量％。

Mg：含量为0.3至0.5重量％的镁(Mg)可以进一步提高屈服强度(R_p0.2)。

在铝合金具有0.3至0.6重量％的锰(Mn)时，可以进一步改善压铸合金的可铸性。

利用含量为0.10至0.20重量％的铜(Cu)，可以进一步提高铝合金的强度。

此外，由于铜的这种含量，铝合金可以具有更高的再生铝含量，这在铝合金具有0.15至0.25重量％的铁(Fe)时则可进一步提高。当铝合金中具有0.15至0.25重量％的铁(Fe)时，尤其是如此。

通过0.05至0.15重量％的钛(Ti)可以改善铝合金的延展性和强度，其中，0.015至0.025重量％的锶(Sr)可以进一步优化延展性。

可以进一步设想，铝合金具有直至0.05重量％的锰(Mn)和/或直至0.05重量％的铜(Cu)。

Mn：含量直至0.05重量％的锰(Mn)可以导致延展性的显著提高。对锰含量的这种限制实际上可以进一步减少诱发裂纹的初级相(含锰的金属间相)的份额，其将在结构上削弱铸造构件，特别是在通过改型来接合时。

Cu：含量直至0.05重量％的铜(Cu)也可以进一步减少形成裂纹的趋势，这可以使通过改型来接合变得容易，或进一步改善冲铆适用性。

根据本发明的压铸构件特别适合作为机动车的车身部件。优选地，通过自冲铆接件使压铸构件与另外的构件牢固连接。压铸构件是机动车的一部分，优选作为车身部件。

从开头描述的现有技术出发，本发明所提出的任务是对方法进行改变，以便在压铸构件的FDI值几乎保持不变的情况下进一步改善冲铆适用性。此外，该方法应能够易于操作并且可重复地实施。

本发明通过权利要求9的特征解决了所提出的关于方法的任务。

如果能硬化可硬化的铝合金具有5.0至9.0重量％的硅(Si)和0.25至0.5重量％的镁(Mg)并且其余的是铝以及制造导致的不可避免的杂质，这些杂质分别具有最大0.05重量％并且总计具有最多0.15重量％，则可以执行特殊的热处理。

Si：通过5.0至9.0重量％的硅(Si)，首先由于5.0重量％的下限，即使在复杂轮廓的情况下，也能确保铝合金的可铸性。此外，由于硅(Si)的上限为9.0重量％，可以使铝合金对在更高的温度情况下的退火处理做好准备。

Mg：通过0.25至0.5重量％的镁(Mg)，可以使铝合金准备好达到提高的强度，特别是屈服强度(R_p0.2)。

在这样的Si含量和Mg含量的基础上，使Al-Si合金对在延展性降低的情况下提高强度做好准备，其方式是：在320℃(摄氏度)至450℃的温度范围内进行在20分钟至75分钟的持续时间内的第一次退火，并且在510℃至540℃的温度范围内进行在5分钟至35分钟的持续时间内的第二次退火(即与现有技术水平相比温度被提高)。通过在退火后以大于4K/s的范围内的温度梯度进行淬火来调整压铸构件的特性(在延展性降低的情况下提高强度)。

机械特性从延展性向强度的转变可以接下来通过借助至少三个阶段的人工时效对压铸构件的过度老化来补偿。

已经发现有利的是，在100℃至180℃的温度范围内进行在40分钟至150分钟的持续时间内的第一次人工时效，在180℃至300℃的温度范围内进行在30分钟至100分钟的持续时间内的第二次人工时效，并且在230℃至300℃的温度范围内进行在5分钟至120分钟的持续时间内的第三次人工时效。据此，可以达到压铸构件的T7状态，其不仅满足由强度(R_p02、R_m)和延展性或断裂伸长率A₅算出的预定的FDI值，而且令人惊讶地还具有明显提高的冲铆适用性。

研究表明，根据本发明的方法对颈缩伸长率(A_z)和均匀伸长率(A_g)之间的比例有特别的影响，颈缩伸长率A_z由等式A_z＝A(或A₅)-A_g确定。根据本发明，在Al-Si铝合金处于T7状态中的相对高强度的情况下得到了大于等于A_g/2的颈缩伸长率A_z，这确保了无裂纹的自冲铆接件，特别是也确保了使用圆顶模具的自冲铆接件，这在模具侧要求压铸构件的特别高的变形能力。

这在例如用于车身结构的薄壁的压铸构件的情况下也能被实现，该薄壁的压铸构件当前还不能可靠地通过改型来实现接合，特别是冲铆。

此外，与已知的其它方法相比，根据本发明的方法只需要在温度和保持持续时间上进行适配，这能相对简单地操作并因此改善了方法的可重复性。

通过根据本发明的方法可以确保制造如下的压铸构件，其具有大于190MPa的屈服强度(R_p0.2)和大于等于7％的断裂伸长率(A₅)并且其均匀伸长率(A_g)和颈缩伸长率(A_z)满足条件A_z≥A_g/2。

优选地，所制造的压铸构件可以具有至少6％的均匀伸长率(A_g)和至少4％的颈缩伸长率(A_z)。

附加于Si和Mg，铝合金还可以有选择地具有如下另外的合金元素：即，直至0.8重量％的锰(Mn)，0.08至0.35重量％的锌(Zn)，0.08至0.35重量的铬(Cr)，直至0.30重量％的锆(Zr)，直至0.25重量％的铁(Fe)，直至0.15重量％的钛(Ti)，直至0.20重量％的铜(Cu)，直至0.025重量％的锶(Sr)，直至0.2重量％的钒(V)和/或直至0.2重量％的钼(Mo)。

当第一次退火在390℃至410℃的温度范围内和/或在50分钟至70分钟的持续时间内进行时，可以进一步改善颈缩伸长率A_z。此外，这种相对窄的温度和时间范围能够以更加能重复的方式对制成的压铸构件的机械特性造成影响。

如果第二次退火在520℃至535℃、特别是525℃至535℃的温度范围内和/或在25分钟至30分钟的持续时间内进行，则例如由于相对短的保持持续时间能够避免压铸构件的翘曲。这也改善了方法的可重复性。

当以7K/s至20K/s的温度梯度范围进行淬火时，强度值可以被设定在相对窄的范围内。这种加速的冷却可以例如通过在流动的空气中冷却等来实现。

优选地，第一次人工时效在140℃至160℃的温度范围内和/或110分钟至130分钟的持续时间内进行，以便使压铸构件首先经历T64状态。

通过在190℃至210℃的温度范围内和/或在50分钟至70分钟的持续时间内进行第二次人工时效，达到压铸构件的T6状态。

如果在230℃至270℃的温度范围内和/或在10分钟至30分钟的持续时间内进行第三次人工时效，则可以对压铸构件的强度和延展性进行更精确的调整。然而，特别是由此可以实现相对高的颈缩伸长率(A_z)，这可以进一步降低压铸构件在冲铆时的裂纹风险。

附图说明

为了证明所取得的效果，以压铸方法从不同的铸造合金制造出薄壁的铸造构件。在图中例如示出了本发明的主题。其中：

图1示出根据本发明的热处理的流程的视图；

图2a示出两个冲铆的构件的剖开的横向剖面图，其中，靠下的构件是根据现有技术的压铸构件；

图2b示出图2a的三维的模具侧的视图；

图3a示出两个冲铆构件的剖开的横向剖面图，其中，靠下的构件是根据本发明的压铸构件；并且

图3b示出图3a的三维的模具侧的视图。

具体实施方式

所研究的合金的组成列于表1中，其中，该表中所列的合金元素之外其余的是铝和制造导致的不可避免的杂质，这些杂质分别具最大0.05重量％并且总计具最多0.15重量％。

表1：铝合金的概览

合金AlSi7Mg0.4在根据本发明的根据独立权利要求的含量限制内变动。与合金AlSi7Mg0.4相比，合金AlSi10Mg0.4Mn具有明显较高的Si含量，因此在根据本发明的含量限制之外。

根据表2，用各自的Al-Si铝合金对压铸构件P1(现有技术)和I1(根据本发明)进行了以下热处理。

表2:热处理的概览

图1中更详细地示出了根据本发明的热处理的流程。首先，进行两个阶段的退火，即第一次退火1.1和随后的第二次退火1.2，然后是淬火2，并且在一定的储存时间后，进行三个阶段的人工时效，其具有第一次加热3.1，随后的第二次加热3.2和之后的第三次加热3.3。在这个热处理流程中，铸造构件I1经历了从T4、T6x、T6直至T7的各种状态，如图1所示。

在图1中还能看出在第二次退火1.2时本发明I1与现有技术P1之间的差异。现有技术P1中的第二次退火是在明显低于本发明I1的温度下进行的。

与本发明不同的是，铸造构件P1缺少第三次人工时效。在第二次退火的参数中也发现了明显的差异—这些差异总体上导致的是：在热处理后，铸造件P1处于T6状态。

最后，对两个压铸构件P1和I1的机械特性进行了研究。为此，确定了屈服强度R_p0.2，抗拉强度R_m，断裂伸长率A₅和均匀伸长率A_g。获得的测量值被总结在表3中。颈缩伸长率A_z是由断裂伸长率A₅和均匀伸长率A_g计算出来的。

构件	R<sub>p0.2</sub>[MPa]	R<sub>m</sub>[MPa]	A<sub>5</sub>[％]	A<sub>g</sub>[％]	A<sub>z</sub>[％]＝A<sub>5</sub>-A<sub>g</sub>
						P1	195	277	12.8	8.7	3.7
I1	195	250	12.4	6.7	6.1

表3：机械特征值

根据表3，根据本发明的压铸构件I1具有明显更高的颈缩伸长率(A_z)，这意味着压铸构件I1具有特别良好的冲铆适用性或一般地特别适用于通过改型的接合。

这种适用性通过使用圆顶模具进行冲铆来验证，确切地说，在使用铆接元件N的情况下，将6xxx系列的铝板材A在模具侧用压铸构件P1或用压铸构件I1在模具侧进行冲铆。这种冲铆的结果见图2a、2b和3a、3b。

因此，在根据图2a的针对T6状态中的AlSi10Mg0.4Mn的横向剖面图中可以识别到多个裂纹R，而在根据图3a的针对高强度T7状态中的根据本发明的AlSi7Mg0.4合金的横向剖面图中，识别不到裂纹。

此外，根据图2b的AlSi10Mg0.4Mn T6在模具侧示出大量很深的裂纹，而在AlSi7Mg0.4 T7的情况下裂纹则明显表现得更细微。虽然它们的数量较高，但由于其宽度和深度很小而并不重要。根据本发明，与现有技术水平相比，铆接结果得到了显著改善。

由于该原因，根据本发明的压铸构件I1还具有例如针对车辆，优选是机动车的车身的薄壁的模制件特别良好的适用性。

Claims

1.由能硬化的铝合金制成的压铸构件，所述能硬化的铝合金具有如下的合金成分：

5.0至9.0重量％的硅(Si)，

0.25至0.5重量％的镁(Mg)

和可选的

直至0.8重量％的锰(Mn)，

0.08至0.35重量％的锌(Zn)，

0.08至0.35重量％的铬(Cr)，

直至0.30重量％的锆(Zr)，

直至0.25重量％的铁(Fe)，

直至0.15重量％的钛(Ti)，

直至0.20重量％的铜(Cu)，

直至0.025重量％的锶(Sr)，

直至0.2重量％的钒(V)，

直至0.2重量％的钼(Mo)，

并且其余的是铝以及制造导致的不可避免的杂质，杂质分别具有最大0.05重量％并且总计具有最多0.15重量％，

其中，所述压铸构件具有

大于190MPa的屈服强度(R_p0.2)和

大于等于7％的断裂伸长率(A₅)，并且

均匀伸长率(A_g)和颈缩伸长率(A_z)满足条件A_z≥A_g/2。

2.根据权利要求1所述的压铸构件，其特征在于，所述压铸构件具有

至少6％的均匀伸长率(A_g)，以及

至少4％的颈缩伸长率(A_z)。

3.根据权利要求1或2所述的压铸构件，其特征在于，所述能硬化的铝合金具有

多于6.5至9.0重量％的硅(Si)，

和/或

0.3至0.5重量％的镁(Mg)，

和/或

0.3至0.6重量％的锰(Mn)，

和/或

0.15至0.3重量％的锌(Zn)，

和/或

0.10至0.20重量％的铜(Cu)，

和/或

0.10至0.25重量％的铁(Fe)，

和/或

0.05至0.15重量％的钛(Ti)，

和/或

0.015至0.025重量％的锶(Sr)。

4.根据权利要求3所述的压铸构件，其特征在于，所述能硬化的铝合金具有

多于6.5至8重量％的硅(Si)，

和/或

0.15至0.25重量％的锌(Zn)，

和/或

0.15至0.25重量％的铁(Fe)。

5.根据权利要求1或2所述的压铸构件，其特征在于，所述能硬化的铝合金具有

直至0.05重量％的锰(Mn)，

和/或

直至0.05重量％的铜(Cu)。

6.用于机动车的车身部件，所述车身部件具有根据权利要求1至5中任一项所述的压铸构件(I1)。

7.根据权利要求6所述的车身部件，所述车身部件具有至少一个自冲铆接件(N)和另外的构件(A)，其中，通过所述自冲铆接件(N)使所述压铸构件(I1)与所述另外的构件(A)牢固地连接。

8.具有根据权利要求6或7所述的车身部件的机动车。

9.用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的压铸构件的方法，其中，所述方法包括具有以下以给定顺序进行的步骤的热处理：

至少两个阶段的退火，所述退火至少包括

在320℃至450℃的温度范围内的在20分钟至75分钟的持续时间内的第一次退火，以及

在510℃至540℃的温度范围内的在5分钟至35分钟的持续时间内的第二次退火，

具有在大于4K/s的范围中的温度梯度的淬火，和

至少三个阶段的人工时效，所述人工时效至少包括

在100℃至180℃的温度范围内的在40分钟至150分钟的持续时间内的第一次人工时效，

在180℃至300℃的温度范围内的在30分钟至100分钟的持续时间内的第二次人工时效，以及

在230℃至300℃的温度范围内的在5分钟至120分钟的持续时间内的第三次人工时效。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一次退火在390℃至410℃的温度范围内和/或在50分钟至70分钟的持续时间内进行。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第二次退火在520℃至535℃的温度范围内和/或在25分钟至30分钟的持续时间内进行。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二次退火在525℃至535℃的温度范围内进行。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述淬火以在7K/s至20K/s的范围中的温度梯度进行。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一次人工时效在140℃至160℃的温度范围内和/或在110分钟至130分钟的持续时间内进行。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二次人工时效在190℃至210℃的温度范围内和/或在50分钟至70分钟的持续时间内进行。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述第三次人工时效在230℃至270℃的温度范围内和/或在10分钟至30分钟的持续时间内进行。