TWI811106B - 高強度鋁合金及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種高強度鋁合金的製造方法，包含以下步驟：提供一鋁合金材料；將該鋁合金材料進行一固溶化處理及一人工時效處理；將經該固溶化處理及該人工時效的該鋁合金材料置入一加熱裝置中，使該鋁合金升溫到150℃至250℃的一第一溫度；將升溫到該第一溫度的該鋁合金材料於一轉移時間內轉移至一經加熱的模具中，其中該經加熱的模具的一上模具和一下模具的模面溫度控制在150℃至300℃的一第二溫度；將該經加熱的模具的該上模具和該下模具合模後，對該鋁合金材料進行10秒以內的保壓後，開模取出該鋁合金材料以獲得一高強度且低回彈量的鋁合金部件。
Description
本發明係關於高強度鋁合金及其製造方法，特別是關於一種通過加熱模具以獲得高強度且低回彈量的鋁合金及其製造方法。
高強度鋁合金（如6xxx/7xxx系列）在進行冷沖壓時，常常面臨以下問題：（1）常溫下材料成形性不佳容易產生破裂；以及（2）回彈量大造成零件尺寸精度控制不易。傳統的溫成形方式採用經固溶化與人工時效處理後（T6）的板材先在加熱爐中提高板材溫度，再傳送到常溫模具上進行沖壓成形。然而，經溫成形沖壓後之零件一般觀察到有強度減損與明顯回彈等問題。
因此，有必要提供一種高強度且低回彈量的鋁合金及其製造方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種高強度鋁合金之加熱模具成形方法，使用經過預處理後之鋁合金（T4或T6），鋁合金在加熱爐內加熱後傳送至模具，透過高溫的模具進行沖壓成形與短時間的合模保壓，進而改善高強度鋁合金成形後的回彈問題。
本發明又一目的在於提供一種高強度鋁合金之加熱模具成形方法，進而提升零件尺寸精度，使得經成形與烤漆實施例熱處理後之零件強度也可維持接近T6狀態之水準。
為達上述之目的，本發明提供一種高強度鋁合金的製造方法，包含以下步驟：提供一鋁合金材料；將該鋁合金材料進行一固溶化處理及一人工時效處理；將經該固溶化處理及該人工時效的該鋁合金材料置入一加熱裝置中，使該鋁合金升溫到150℃至250℃的一第一溫度；將升溫到該第一溫度的該鋁合金材料於一轉移時間內轉移至一經加熱的模具中，其中該經加熱的模具的一上模具和一下模具的模面溫度控制在150℃至300℃的一第二溫度；將該經加熱的模具的該上模具和該下模具合模後，對該鋁合金材料進行10秒以內的保壓後，開模取出該鋁合金材料以獲得一高強度且低回彈量的鋁合金部件。
在本發明一實施例中，其中經該固溶化處理及該人工時效處理後的該鋁合金材料到達T4或T6狀態。
在本發明一實施例中，該鋁合金材料為6xxx或7xxx系列的鋁合金材料。
在本發明一實施例中，該第一溫度為150℃至200℃。
在本發明一實施例中，當該鋁合金材料到達該第一溫度後，不需進行持溫即將該鋁合金材料轉移至該經加熱的模具中。
在本發明一實施例中，該製造方法還包含以下步驟：在該鋁合金部件開模取出後，對該鋁合金部件進行一自然空冷步驟。
在本發明一實施例中，該經加熱的模具通過內嵌於模具中的一加熱棒進行加熱。
在本發明一實施例中，該上模具的模面溫度和該下模具的模面溫度不同。
在本發明一實施例中，該上模具的模面溫度和該下模具的模面溫度相同。
再者，本發明提供一種通過如上所述的高強度鋁合金的製造方法製造的高強度鋁合金，其中該高強度鋁合金具有一抗拉強度在541 MPa至579 MPa之間，及一回彈量可控制在-0.5毫米至0.5毫米之間。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
如本文所用的，提及變量的數值範圍旨在表示變量等於該範圍內的任意值。因此，對於本身不連續的變量，該變量等於該數值範圍內的任意整數值，包括該範圍的端點。類似地，對於本身連續的變量，該變量等於該數值範圍內的任意實值，包括該範圍的端點。作為例子，而不是限制，如果變量本身是不連續的，描述為具有0-2之間的值的變量取0、1或2的值；而如果變量本身是連續的，則取0.0、0.1、0.01、0.001的值或≥0且≤2的其他任何實值。
本文所用術語「6XXX系列鋁合金」是指主要添加鎂與矽的鋁合金，藉由鎂與矽形成β-Mg
2Si的析出強化相，均勻分布在α-Al基地組織當中，以獲得材料的強度。其具備良好的抗蝕性、極佳的擠製性及熔接性，主要應用於建築、車輛、船舶、機械。
本文所用術語「7XXX系列鋁合金」是指主要添加鋅、鎂與銅。鋅鎂會結合形成η-MgZn
2析出相，為主要強化來源。其兼具高強度，高韌性及良好的塑性加工性，主要應用於航空、汽車、運動、3C科技產品。
本文所用術語「T4」是指固溶化處理後經自然時效處理。經固溶化熱處理後，未經冷加工，而經自然時效硬化至穩定狀態者。
本文所用術語「T6」是指固溶化處理後施以人工時效處理。此為熱處理合金代表性的熱處理，無須施以冷加工便能獲得優越的強度。於固溶化處理後為提高尺寸精度或矯正而施以冷加工。
請參照圖1，本發明實施例提出一種高強度鋁合金的製造方法100，包含以下步驟：提供一鋁合金材料（步驟101）；將該鋁合金材料進行一固溶化處理及一人工時效處理（步驟102）；將經該固溶化處理及該人工時效的該鋁合金材料置入一加熱裝置中，使該鋁合金升溫到150℃至250℃的一第一溫度（步驟103）；將升溫到該第一溫度的該鋁合金材料於一轉移時間內轉移至一經加熱的模具中，其中該經加熱的模具的一上模具和一下模具的模面溫度控制在150℃至300℃的一第二溫度（步驟104）；將該經加熱的模具的該上模具和該下模具合模後，對該鋁合金材料進行10秒以內的保壓後，開模取出該鋁合金材料以獲得一高強度且低回彈量的鋁合金部件（步驟105）。
在本發明一實施例中，其中經該固溶化處理及該人工時效處理後的該鋁合金材料到達T4或T6狀態。較佳地，該鋁合金材料為6xxx或7xxx系列的鋁合金材料。在本發明另一實施例中，將經該固溶化處理及該人工時效的該鋁合金材料置入該加熱裝置中後僅升溫到150℃至200℃的溫度。可選地，該加熱裝置為一加熱爐。
在本發明一實施例中，當該鋁合金材料到達該第一溫度後，不需進行持溫於10秒內將該鋁合金材料轉移至該經加熱的模具中，其中該經加熱的模具已被預加熱至上模具和下模具的模面溫度控制在150℃至300℃。
可選的，對該鋁合金材料進行10秒以內的保壓後，開模取出該鋁合金材料後對該鋁合金部件進行一自然空冷步驟。
在本發明一實施例中，該經加熱的模具具有一凸模與一凹模構成（本實施例為上模具為凸模、下模具為凹模），模具在沿著模面造型的下方皆有例如鑽孔嵌入的加熱棒，以對模具進行加熱。另外，可選地，可在接近模面處嵌入熱電耦以量測模面溫度。此外，可在模具四周設置隔熱板以減少熱量散失。在本發明一實施例中，該上模具的模面溫度和該下模具的模面溫度不同。替代地，該上模具的模面溫度和該下模具的模面溫度相同。
相較於將鋁合金或鎂合金板材加熱至大於環境溫度的成形溫度，接著將加熱板材轉移至常溫模具，接著上下模具關閉將板材成形，板材在模具內進行降溫的製造方法，板材先經過加熱後再送到常溫模具上進行成形，對於經過人工時效處理後之高強度板材（如6061-T6或7075-T6）成形後之零件會有明顯的回彈現象，且零件成形後有強度減損之問題，零件尺寸精度不佳會造成後續次總成件組立之困難。
另外，先將凹模溫度加熱至160至250℃，凸模溫度則保持室溫，將厚度為0.8至1.5毫米的6XXX-T4板材不經加熱放置於模具上進行成形，成形結束後模具需進行保壓，保壓過程時間低於5分鐘，接著取出成形後之板材空冷至室溫。此製程需在模具成形後進行約5分鐘內之保壓以得到主要強化相β，然過長的保壓時間將會降低生產速率。
此外，將經固溶處理且經回火的T4板材（2XXX/ 6XXX/ 7XXX/ 8XXX/ 9XXX）加熱至150至350℃並持續2至6分鐘，加熱後之板材在15秒內傳送到模具進行成形，經上述製程成形後之板材具約T6的狀態。但T4狀態之板材在沖壓前需先進行升溫後並加熱爐內持溫2至6分鐘以讓更多強化相析出以提升板材強度達到T6狀態，在加熱爐的持溫時間將造成生產速率降低，然板材是在接近T6強度下進行沖壓，因強度高沖壓後零件會有較明顯的回彈現象。
本發明提出一種用於高強度鋁合金（如6xxx/7xxx）的模具加熱成形方式，將經過固溶化與人工時效處理過（T4或T6狀態）的鋁板放到加熱爐升溫，待板材溫度提高至150至250℃後不需額外進行持溫即可取出，將板材傳送至高溫模具上進行沖壓。模具的凸模與凹模分別利用加熱棒進行加熱以達到特定之模面溫度（150至300℃），模具合模後維持閉模保壓狀態5至10秒，接著開模取出成形後之零件進行自然空冷。相較於常溫模具的沖壓，使用高溫模具進行沖壓成形可減少零件上下表面的應力差，可使零件的回彈獲得改善，具較佳的尺寸精度，且經烤漆實施例熱處理後的零件強度也可達到與T6狀態相當之水準。
本申請的試驗方式使用厚度2毫米的7075-T6板材，針對不同的板材溫度（150與200℃）與不同的模具溫度（25/150/200/250/300℃）搭配進行沖壓實驗，成形後的零件模擬一般車廠採用的烤漆實施例進行熱處理（185℃/20min），其零件抗拉強度測試數據如表1所示。
[表1]
| 實施例 | 板料溫度 （℃） | 上模（凸模）溫度（℃） | 下模（凹模）溫度（℃） | 烤漆熱處理實施例 | 零件抗拉強度（MPa） |
| 1 | 150 | 25 | 25 | 185℃ 20分鐘 | 537 |
| 2 | 150 | 150 | 548 | ||
| 3 | 200 | 546 | |||
| 4 | 250 | 541 | |||
| 5 | 300 | 579 | |||
| 6 | 200 | 25 | 25 | 574 | |
| 7 | 200 | 200 | 573 | ||
| 8 | 250 | 572 | |||
| 9 | 300 | 571 |
由表1之數據可觀察到，板溫加熱至200℃再進行沖壓的零件整體強度表現（571至574 MPa）較板溫加熱至150℃的數據（537至579 MPa）高，實施例1至實施例4的數據顯示當板溫與模溫不夠高時，成形後之零件強度下降（537至541 MPa）。
反觀實施例5至實施例9在板溫與模溫較高的狀態下進行成形，所得到之零件強度接近於原素材T6之強度（572 MPa）水準，代表材料在升溫/沖壓與烤漆熱處理之過程可能經歷強化相的回溶與再析出，本製程相較於傳統溫成形會造成強度損失，具有維持零件強度的優勢。
接著，本申請的製造方法相較傳統之溫成形（實施例1）也具有改善回彈之優點，實施例1至實施例9的零件尺寸精度掃描結果如圖2至圖10所示。零件上標柱之數字代表測得實際零件與標準圖面尺寸的偏差量。可觀察到板溫150℃與200℃的掃描結果皆顯示，採用傳統溫成形常溫模具實施例1（圖2）與實施例6（圖7）進行沖壓的零件尺寸精度表現最差，在側壁底端與凸緣處觀察到+1.77mm的最大偏差量。隨著凹模溫度的提升（圖3至圖6與圖8至圖10），零件尺寸精度獲得改善。實施例9（圖10，板溫200℃，凸模溫度200℃，凹模溫度300℃）進行沖壓的零件有最佳的尺寸精度表現，在側壁底端與凸緣處觀察到的最大偏差量降低至+0.28mm。
再者，本發明提供一種通過如上所述的高強度鋁合金的製造方法製造的高強度鋁合金，其中該高強度鋁合金具有一抗拉強度在541 MPa至579 MPa之間，及一回彈量可控制在-0.5毫米至0.5毫米之間。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
101～105:步驟
[圖1]：本發明實施例的高強度鋁合金的製造方法的示意流程圖。
[圖2]：本發明的實施例1的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫150℃，凸模25℃，凹模25℃）。
[圖3]：本發明的實施例2的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫150℃，凸模150℃，凹模150℃）。
[圖4]：本發明的實施例3的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫150℃，凸模150℃，凹模200℃）。
[圖5]：本發明的實施例4的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫150℃，凸模150℃，凹模250℃）。
[圖6]：本發明的實施例5的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫150℃，凸模150℃，凹模300℃）。
[圖7]：本發明的實施例6的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫200℃，凸模25℃，凹模25℃）。
[圖8]：本發明的實施例7的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫200℃，凸模200℃，凹模200℃）。
[圖9]：本發明的實施例8的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫200℃，凸模200℃，凹模250℃）。
[圖10]：本發明的實施例9的高強度鋁合金零件的尺寸精度掃描圖（板溫200℃，凸模200℃，凹模300℃）。
101~105:步驟
Claims (8)
- 一種高強度鋁合金的製造方法，包含以下步驟：(a)提供一鋁合金材料，其中該鋁合金材料為6xxx或7xxx系列的鋁合金材料；(b)將該鋁合金材料進行一固溶化處理及一人工時效處理；(c)將經該固溶化處理及該人工時效的該鋁合金材料置入一加熱裝置中，使該鋁合金升溫到150℃至250℃的一第一溫度；(d)將升溫到該第一溫度的該鋁合金材料於一轉移時間內轉移至一經加熱的模具中，其中當該鋁合金材料到達該第一溫度後，不需進行持溫即將該鋁合金材料轉移至該經加熱的模具中，及該經加熱的模具的一上模具和一下模具的模面溫度控制在150℃至300℃的一第二溫度；(e)將該經加熱的模具的該上模具和該下模具合模後，對該鋁合金材料進行10秒以內的保壓後，開模取出該鋁合金材料以獲得一高強度且低回彈量的鋁合金部件。
- 如請求項1所述的高強度鋁合金的製造方法，其中經該固溶化處理及該人工時效處理後的該鋁合金材料到達T4或T6狀態。
- 如請求項1所述的高強度鋁合金的製造方法，其中該第一溫度為150℃至250℃。
- 如請求項1所述的高強度鋁合金的製造方法，包含以下步驟：在該鋁合金部件開模取出後，對該鋁合金部件進行一自然空冷步驟。
- 如請求項1所述的高強度鋁合金的製造方法，其中該經加熱的模具通過內嵌於模具中的一加熱棒進行加熱。
- 如請求項1所述的高強度鋁合金的製造方法，其中該上模具的模面溫度和該下模具的模面溫度不同。
- 如請求項1所述的高強度鋁合金的製造方法，其中該上模具的模面溫度和該下模具的模面溫度相同。
- 一種通過請求項1至7所述的高強度鋁合金的製造方法製造的高強度鋁合金，其中該高強度鋁合金具有一抗拉強度在541MPa至579MPa之間，及一回彈量控制在-0.5毫米至0.5毫米之間。
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