專利名稱：由軋制的Al-Zn合金制造汽車結(jié)構(gòu)部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造機動車的成型招合金結(jié)構(gòu)部件或白車身(body-1n-white,BH)部件的方法，其中，所述鋁合金為AA7000系列合金。
背景技術(shù)：
在下文中將會明了的是，除非另有說明，鋁合金牌號和狀態(tài)代號(temperdesignations)是指在 2010 年由美國招業(yè)協(xié)會(Aluminum Association)出版的 AluminumStandards and Data and the Registration Records 中的 Aluminum Associationdesignations。對于合金組成或優(yōu)選的合金組成的任何描述而言，除非另有說明，所有提及百分比之處都是指重量百分比。白車身由汽車的結(jié)構(gòu)組件組成，不包括開閉件(closures)(例如車門蓋板、發(fā)動機罩板和后備箱罩板)。在生產(chǎn)特殊招合金材質(zhì)的機動車中，AA5xxx系列合金和AA6xxx系列合金如5051、5182、5454、5754、6009、6016、6022和6111，已被用于制造汽車結(jié)構(gòu)部件以及白車身(“BIW”)部件。對于尤其是用于成型結(jié)構(gòu)部件以及BIW部件的鋁合金的使用存在需求，所述鋁合金可成型、特別是在經(jīng)烤漆過程(paint bake cycle)后強度提升。另外，對于這些部件，通常需要的特性包括:用于成 型操作的高可成型性，該成型操作通常通過沖壓(stamping)、深拉(deep drawing)或軋制成型(roll forming)來進行；烤漆后的高機械強度，以能夠使規(guī)格降低，從而將部件重量最小化；在用于機動車制造的各種組裝方法(如點焊、激光焊接、激光釬焊、鉗緊(clinching)或鉚接(riveting))中的良好表現(xiàn)；以及對于大量生產(chǎn)來說可接受的成本。國際專利申請W0-2010/049445-A1 (Aleris)公開了一種由鋁合金板產(chǎn)品制造的汽車結(jié)構(gòu)組件，所述鋁合金板產(chǎn)品規(guī)格為0.5mm至4mm，并且其組成以重量百分比計由下述物質(zhì)組成:Zn5.0-7.0、Mgl.5-2.3、Cu 最高 0.20、Zr0.05-0.25、任選的 Mn 和 / 或 Cr、Ti最高0.15、Fe最高0.4、Si最高0.3，余量由雜質(zhì)和鋁構(gòu)成。所述板產(chǎn)品已經(jīng)過固溶熱處理(solution heat treatment, SHT)并在所述SHT之后冷卻，時效處理至屈服強度為至少390MPa,在時效后成型獲得汽車成型結(jié)構(gòu)組件，隨后與一個或多個其它金屬部件組裝得到形成機動車組件的組合件(assembly)，并進行烤漆過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供制造由AA7000系列板合金產(chǎn)品制成的成型結(jié)構(gòu)部件的方法。本發(fā)明的另一目的是提供制造由AA7000系列板合金產(chǎn)品制成的汽車成型結(jié)構(gòu)部件的方法。
本發(fā)明達到或超過了這些和其它目的以及進一步的優(yōu)點，本發(fā)明提供了對機動車成型鋁合金結(jié)構(gòu)部件或白車身(BIW)部件進行制造的方法，所述方法包括以下步驟:a.提供軋制鋁板產(chǎn)品，其中鋁合金為AA7000系列鋁合金，其規(guī)格為約0.5mm至4mm、優(yōu)選約0.7mm至3.5mm ;在冷卻操作之后，在位于實現(xiàn)實質(zhì)強化的鋁合金相區(qū)溫度下進行熱處理，所述熱處理包括經(jīng)常應用的固溶熱處理(“SHT”)繼以淬火；b.對鋁合金板進行成型，獲得三維成型部件；c.將所述三維成型部件加熱到50°C至250°C之間的預時效溫度；以及d.對成型并預時效后的部件進行烤漆過程，其中所述烤漆過程使得在所述AA7000系列合金產(chǎn)品中，屈服強度為至少350MPa、更優(yōu)選至少400MPa。根據(jù)本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在板產(chǎn)品成型后、但在烤漆過程之前進行預烘烤或預時效處理，顯著降低了由AA7000系列鋁合金板產(chǎn)品制成的成型鋁部件延遲斷裂的敏感度(delayedfracture sensitivity)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AA7000系列板合金當例如通過沖壓為三維部件時,在例如壓制車間內(nèi)的環(huán)境溫度和環(huán)境氣氛下可對斷裂裂縫(fracture cracking)敏感，因此通常在非侵蝕性腐蝕性環(huán) 境中進行。這導致沖壓的組件可能在成型操作期間或成型操作完成時不直接顯出顯著的形成裂縫的傾向，但在周圍環(huán)境下，在一定延遲后(僅數(shù)小時或甚至數(shù)天后首次)顯出所述傾向。本文也將這種現(xiàn)象稱為對延遲裂縫形成的敏感度。然而，當將成型組件進行預時效處理時，所述對延遲裂縫形成的敏感度顯著降低，并且通過根據(jù)成型操作和所使用的合金優(yōu)化所述預時效處理，甚至能克服所述敏感度。所述預時效處理可由一個單次熱處理組成，但還可在不同溫度下以一系列的兩次或多次熱處理進行。并可作為等溫熱處理來進行；或在所描述的溫度-時間范圍內(nèi)，作為非等溫熱處理來進行。預時效溫度的優(yōu)選上限為約210°C、優(yōu)選約190°C、更優(yōu)選約140°C。過高溫度可導致在烤漆過程后對于強度水平的副作用。預時效溫度的優(yōu)選下限為約70°C、更優(yōu)選約100°C。限定溫度范圍內(nèi)的預時效處理優(yōu)選如下進行:成型產(chǎn)品在預時效溫度下不超過5小時，以避免生產(chǎn)能力降低，并且更優(yōu)選不超過約I小時。最短時間為約I分鐘。通常，預時效處理在預時效溫度下進行數(shù)分鐘、例如2分鐘至30分鐘、如4分鐘或8分鐘。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提高預時效時間(尤其是在溫度范圍較高端值下運行的情況)可趨向于峰值時效或近峰值時效產(chǎn)物(peak-aged or near-peak aged product),在烤漆過程后產(chǎn)生過時效合金(over-aged alloy)。過時效材料通常具有改善的腐蝕性能,但強度水平相應地降低。后者在根據(jù)本發(fā)明的板材應用方面是不希望的。典型的加熱速度將為5°C /hr至300°C /hr。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在預時效處理期間形成的沉淀相當穩(wěn)定，以至從預時效溫度降至環(huán)境溫度的冷卻速率并非至關(guān)重要。因此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的空氣冷卻或環(huán)境冷卻至環(huán)境溫度是方便的冷卻方式。優(yōu)選避免使用通過空氣、噴霧或水進行強制冷卻，這是因為可能不利地提高成型部件的畸變量。本發(fā)明的方法可應用于大范圍的7000系列鋁合金，且某些合金比其它合金更易于對延遲裂縫形成具有敏感度，并且還可能影響到成型操作、尤其是成型板產(chǎn)品的形變度。由于這一理由，成型操作與預時效處理之間的時間延遲可在某種程度上改變，但理想情況是保持相對較短。優(yōu)選地，所述預時效處理在成型操作之后約30小時內(nèi)進行，優(yōu)選在約20小時內(nèi)進行，更優(yōu)選在約12小時內(nèi)進行。應當提及的是，在制造汽車組件時進行預時效熱處理在本領(lǐng)域中是已知的。然而，這些處理是在SHT和淬火之后以及任何成型操作(例如沖壓、深拉)之前，為增強所謂的烤漆響應(在汽車烤漆過程中顯著強化合金板)而對AA6000系列板合金產(chǎn)品進行的熱處理。預時效處理的應用增強了沉淀動力學，并降低了沉淀尺寸且縮小了顆粒平均間距。因此涉及將預時效處理應用于不同系列的鋁合金、應用于生產(chǎn)過程期間的不同時刻，并且產(chǎn)生了不同的技術(shù)效果。軋制鋁合金板可通過本領(lǐng)域已知的方法獲得，所述方法包括對軋制材料進行連續(xù)鑄造或DC鑄造、均化作用和/或?qū)堉撇牧线M行預熱、熱軋和/或冷軋，直至最終規(guī)格通常為約0.5_至4_的范圍內(nèi)。根據(jù)合金組成以及冷加工的量，可在冷軋操作之前或在冷軋操作期間進行中間退火。板產(chǎn)品的熱處理(如SHT)以及淬火可作為連續(xù)操作進行，例如使用連續(xù)退火線(continuous annealing line),隨后將所述板產(chǎn)品再次卷繞。卷繞的板產(chǎn)品隨后可運送至壓制車間以進一步處理為成型部件。由于在環(huán)境溫度下發(fā)生自發(fā)的自然時效效應，經(jīng)SHT和淬火的板產(chǎn)品處于不穩(wěn)定狀態(tài)(本領(lǐng)域中也稱為W狀態(tài))，因而淬火操作和成型操作之間的時間優(yōu)選短于2周、更優(yōu)選短于4天。在替代的實施方式中， SHT和淬火之后的板產(chǎn)品在溫度范圍50°C至250°C內(nèi)進行人工時效處理。例如處理至欠時效的T6態(tài)(under-aged T6temper),例如根據(jù)EN515的T6UT64或T65。在優(yōu)選的實施方式中，將板產(chǎn)品時效處理至過時效的T7x態(tài)、例如Τ79態(tài)。使用過時效態(tài)的優(yōu)點為在烤漆過程期間基本上不再進一步過時效，使得所述板產(chǎn)品沒有明顯的由烤漆過程導致的強度損失。在替代的實施方式中，于冷卻操作之后，在位于實現(xiàn)實質(zhì)強化的鋁合金相區(qū)溫度下對冷軋的板產(chǎn)品進行熱處理；所述熱處理可特別為SHT繼以淬火，在壓制車間附近或壓制車間之內(nèi)進行所述處理，從而縮短冷卻和成型操作之間的停留時間。根據(jù)物流安排，仍然將所述產(chǎn)品制成卷繞產(chǎn)品或先不進行卷繞，隨后切割為具有較小尺寸的獨立的板產(chǎn)品，對切割后的板產(chǎn)品單獨或以小批次進行熱處理，隨后冷卻并優(yōu)選在冷卻后4小時內(nèi)成型，得到三維成型部件或組件。如果希望，也可將熱處理并冷卻后的板通常在0.5%至4%的范圍內(nèi)進行受控量的拉伸，從而在任何后續(xù)的成型操作之前提高板產(chǎn)品的平整度。在替代途徑中，將板產(chǎn)品通常在1%至5%的范圍內(nèi)例如使用沖模(die)操作進行壓縮。在熱處理和冷卻以及任選的拉伸或壓縮步驟之后，可將板產(chǎn)品成型為機動車的三維成型BIW部件或其它結(jié)構(gòu)組件配置。成型操作可為用于對三維機動車組件進行成形(shape)的任何成型操作，并特別包括如沖壓、深拉、壓制、壓制成型以及軋制成型的操作，上述操作在環(huán)境溫度下或升溫(elevated temperature)下進行。在成形之前，可用潤滑劑、油或干膜潤滑劑(dry lubricant)對板產(chǎn)品進行涂覆，所述潤滑劑、油或干膜潤滑劑適合于對將要生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)部件進行成型操作、組裝和表面處理。在成型操作和預時效處理之后，所述成型部件通常構(gòu)成其它金屬組件(制造車輛組件的領(lǐng)域的常規(guī)組件)的組裝件的一部分，并進行烤漆工序以使所使用的任何涂層或漆
層硬化?；蛘?，成型部件首先構(gòu)成其它本領(lǐng)域常規(guī)金屬部件的組裝件、例如B柱(B-Pillar)的一部分，隨后將整個組裝件進行預時效處理并構(gòu)成車身結(jié)構(gòu)的一部分，隨后單獨進行烤漆工序，從而使所使用的任何涂層或漆層硬化。組裝操作可包括連接操作,例如包邊(hemming)、焊接、鉗接或鉚接?？酒岵僮魇敲黠@不同于本發(fā)明所述預時效處理的熱處理。這兩種熱處理之間的時間延遲主要由批量生產(chǎn)中制造單個部件、以及包括多個操作步驟時的物流限制所決定。所述時間延遲為多于約I小時，并且可以是數(shù)天或甚至數(shù)周。在烤漆過程期間，成型的AA7000系列合金產(chǎn)品達到其所希望的最終強度水平。所述烤漆操作或烤漆過程通常包含一個或多個連續(xù)的短暫熱處理過程，所述過程在140°C至200°C的范圍內(nèi)進行10分鐘至短于40分鐘、通常短于30分鐘的時間段。通常的烤漆過程將包含約180°C §20分鐘的首次熱處理、冷卻至環(huán)境溫度、隨后約160°C §20分鐘、以及冷卻至環(huán)境溫度。根據(jù)0ΕΜ，這一烤漆過程可包含從2個到至多5個連續(xù)步驟，并包括干燥步驟，但不管怎樣，鋁合金產(chǎn)品在升溫下(100°C至200°C )的累計時間短于120分鐘。

本發(fā)明的方法可應用于大范圍的AA7000系列合金，尤其是顯出自然時效效應傾向的合金。在優(yōu)選的實施方式中，鋁合金選自于由下列合金所組成的組:AA7021、AA7136、AA7075、AA7081、AA7181、AA7085、AA7050、AA7150、AA7055 以及上述合金的變型。在另一個優(yōu)選的實施方式中，AA7000系列合金按wt%計包含:
Zn 6 至 7
Mg 1.5 至 2.1
Cu O 乍 0.35
Mn O 至 0.15,優(yōu)選 O 至 0.05
Zr 0.04.傘:0.25
Ti O Φ: 0.15
Fe O 至 0.35
SiO 至 0.25其它元素和不可避免的雜質(zhì)，各自至多為0.05，總量至多為0.20 ;余量為鋁。在一個實施方式中，ΑΑ7000系列鋁合金板產(chǎn)品已經(jīng)在至少一側(cè)設有金屬包層，其中所述金屬包層材料具有內(nèi)表面和外表面，且其中所述內(nèi)表面朝向ΑΑ7000系列材料。包層通常比芯板薄許多，且各包層構(gòu)成復合板總厚度的約1%至25%。包層更通常構(gòu)成復合板總厚度的約1%至14%左右。包層材料可由ΑΑ3000、ΑΑ4000、ΑΑ5000、ΑΑ6000或與芯合金不同的ΑΑ7000系列鋁
合金制成。
在一個實施方式中，包層材料由AA5000系列合金組成，所述合金具有多于3.8%的Mg。更優(yōu)選地，所述包層材料具有多于4.8%的Mg，并優(yōu)選少于7%、更優(yōu)選少于5.9%。通過應用所述包層，特別是在預處理方面(如磷酸鹽處理、鈍化或OEM使用的替代工序)的特性得以改進。AA5000系列鋁合金對于汽車工業(yè)是已知的，并且與已經(jīng)用于汽車應用的鋁合金相比，具有AA5000系列合金作為外表面使得復合結(jié)構(gòu)表面預處理幾乎不需要或完全不需要校正。因此，與現(xiàn)有合金體系不存在問題。復合結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點在于，其可用于制造具有高抗沖擊性或良好的碰撞性能的組件。應用Mg含量高的AA5000系列包層可使得有利地在表面形成更少的裂縫(由于這些合金具有良好的可彎曲性)，而所定義的AA7000系列芯合金提供了所需的高強度。在一個實施方式中，包層合金材料由AA6000系列鋁合金組成，從而增強成型部件的總體腐蝕特性。優(yōu)選的合金為AA6016和AA6005系列合金。由于這種烤漆過程后的高屈服強度、良好的可成型性以及輕的重量，根據(jù)本發(fā)明制造的BIW部件是替代由雙相鋼(如鋼號dp600、dp800)和硼鋼制成的部件的理想候選物，使得有機會在機動車中相當大地降低重量。在本發(fā)明進一步的方面,所述方法用于制造汽車結(jié)構(gòu)部件或構(gòu)件(member)、優(yōu)選選自于下組中的結(jié)構(gòu)部件:門梁(door beam)、頂梁(roof beam)、側(cè)梁(side beam)、儀表面板支撐梁、柱加強件、風道(tunnel)、B柱加強件、白車身部件。本發(fā)明所述方法的優(yōu)選應用為生產(chǎn)柱加強件，尤其是B柱加強件。在本發(fā)明進一步的方面，涉及機動車成型結(jié)構(gòu)部件或機動車BIW部件，所述部件由規(guī)格為0.5mm至4mm、優(yōu)選0.7mm至3.5mm的AA7000系列招合金制成,其中所述部件已經(jīng)過SHT、淬火、由板成型為三維成型部件，并在成型后通過將其保持于50°C至250°C、最優(yōu)選70°C至170°C的溫度下進行預時效處理，從而降低在環(huán)境溫度下產(chǎn)生延遲裂縫的敏感度。隨后，可對預時效后的成型部件進行烤漆過程，從而提供至少350MPa、更通常至少400MPa的屈服強度。 在本發(fā)明的另一方面，涉及包含有根據(jù)本發(fā)明所述方法獲得的成型鋁合金B(yǎng)IW部件的機動車。提供下列實例以進一步說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點。然而，并不意味著以任何方式限定本發(fā)明的范圍。
實施例已經(jīng)使用常規(guī)加工途徑制造了規(guī)格為1.2mm的鋁合金板，其組成為約7.3%Zn、約1.95 % Mg、約0.07% Cu、約0.1% Zr、余量為雜質(zhì)和鋁。已經(jīng)對該板進行重固溶(resolutionized)和淬火處理(所謂的“新W態(tài)(fresh ff-temper)，，),并立即在環(huán)境溫度和環(huán)境氣氛下使用公知的Erichson杯突測試(drawn-cup-test)拉制成杯。在環(huán)境溫度和環(huán)境氣氛下，所拉制的杯在24小時內(nèi)顯出在杯中嚴重地形成一系列裂縫，如

圖1所示。然而，當在約I小時內(nèi)對所拉制的杯在130°C進行4小時的熱處理，則該杯并未形成裂縫，并在5天后成功地對熱處理后的杯進行了模擬烤漆過程。在對杯進行拉制后約0.5小時和10小時加以熱處理時，產(chǎn)生了類似的效果。還發(fā)現(xiàn)可在130°C下使用較短的熱處理時間來避免形成裂縫。
對于在拉制前已經(jīng)過固溶熱處理、淬火、并過時效處理至T79態(tài)的相同板材，所拉制的杯在環(huán)境溫度和環(huán)境氣氛下也發(fā)生延遲斷裂。此時同樣，本發(fā)明的預時效熱處理使得避免在所拉制的杯中形成裂縫，且在5天后成功地對這些預時效處理后的所拉制的杯進行了模擬烤漆過程。雖然已經(jīng)詳細描述了本文所述技術(shù)的多種實施方式，但顯然對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，將想到那些實施方式的改進和變形。然而，應當清楚理解的是，這些改進和變形處于本發(fā)明公開的技術(shù)的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對機動車的成型鋁合金結(jié)構(gòu)部件或白車身(BIW)部件進行制造的方法，所述方法包括以下步驟: a.提供軋制鋁板產(chǎn)品，其中，鋁合金為AA7000系列鋁合金，所述鋁合金規(guī)格為0.5_至4mm,并且經(jīng)固溶熱處理且已冷卻； b.對所述鋁合金板進行成型，獲得三維成型部件； c.將所述三維成型部件加熱到50°C至250°C之間的至少一個預時效溫度；以及 d.對成型并預時效后的部件進行烤漆過程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述預時效溫度在70°C至210°C之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述預時效溫度在100°C至190°C之間。
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其中，所述成型部件處于所述預時效溫度下的時間不超過5小時,優(yōu)選不超過I小時。
5.如權(quán)利要求1至4任一項所述的方法，其中，使用環(huán)境冷卻將所述成型部件從預時效溫度冷卻至環(huán)境溫度。
6.如權(quán)利要求1至5任一項所述的方法，其中，在烤漆過程之前的預時效成型部件與一個或多個其它金屬部件組裝，得到形成機動車組件的組裝件。
7.如權(quán)利要求1至6任一項所述的方法，其中，成型操作與預時效處理之間的時間延遲小于20小時，優(yōu)選小于12小時。
8.如權(quán)利要求1至 7任一項所述的方法，其中，預時效處理和所述烤漆過程作為獨立的熱處理來進行。
9.如權(quán)利要求1至8任一項所述的方法，其中，對于所述成型部件，在烤漆過程期間處于升溫下的累計時間小于120分鐘。
10.如權(quán)利要求1至9任一項所述的方法，其中，所述軋制鋁板產(chǎn)品在至少一側(cè)具有金屬包層。
11.如權(quán)利要求1至10任一項所述的方法，其中，所述鋁板產(chǎn)品具有AA7021、AA7136、AA7075、AA7081、AA7085、AA7050 或 AA7055 中的化學組成。
12.如權(quán)利要求1至10任一項所述的方法，其中，所述鋁板產(chǎn)品以wt%計具有以下組成:Zn 6 個:7Mg 1.5 M 2.1Cu O 個:0.35Mn O I'.: 0.15Zr 0.04 個:O 2^ Ti O ^ 0.15 Fe O 個:0.35 SiO 乍 0.25 其它元素和不可避免的雜質(zhì)，各自至多為0.05,總量至多為0.20 ;余量為招。
13.如權(quán)利要求1至12任一項所述的方法，其中，所述成型結(jié)構(gòu)部件選自于下組:門梁、頂梁、側(cè)梁、儀表面板支撐梁、柱加強件、風道、以及B柱加強件。
14.如權(quán)利要求1至12任一項所述的方法，其中，所述成型結(jié)構(gòu)部件為柱加強件，特別是B柱加強件。
15.一種包含有成型車身鋁BIW部件的機動車，所述部件通過權(quán)利要求1至14任一項所述的方法獲 得。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造機動車成型鋁合金結(jié)構(gòu)部件或白車身(BIW)部件的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供軋制鋁板產(chǎn)品，其中，鋁合金為AA7000系列鋁合金，規(guī)格為0.5mm至4mm，并且經(jīng)固溶熱處理且已冷卻；(b)對鋁合金板進行成型，獲得三維成型部件；(c)將所述三維成型部件加熱至50℃至250℃之間的至少一個預時效溫度；以及(d)對所成型并預時效的機動車組件進行烤漆過程。
文檔編號C22C21/10GK103180471SQ201180051885
公開日2013年6月26日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者阿克塞爾·亞力山大·馬里亞·斯梅伊爾斯, 蘇尼爾·科斯拉 申請人:阿萊利斯鋁業(yè)迪弗爾私人有限公司