用于形成具有特制的机械性能的铝合金部件的方法

摘要

一种用于由可热处理的铝合金坯件制作成形部件的方法，该方法包括将坯件设置处于硬化回火状态，例如T6或其他合适的回火状态。所提供的坯件经受选择性加热，使得坯件的第一部分被加热至预定第一温度持续预定第一时间长度并且坯件的第二部分被加热至预定第二温度持续预定第二时间长度。已加热的坯件然后形成为成形部件的期望形状并且冷却至环境温度。选择性加热大幅增加了延展性以促进坯件形成为成形部件的期望形状，并且选择性加热提供与坯件的第一部分和第二部分相对应的成形部件的第一部分和第二部分内的期望的机械性能。

说明书

该PCT专利申请要求于2013年7月12日提交的题为“PROCESS FORFORMINGALUMINUMALLOYPARTSWITHTAILORED MECHANICALPROPERTIES”的美国临时专利申请No.61/845,514 的权益，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分并 且由此通过参引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于制作成形部件的方法，并且更特别地涉 及一种用于将可热处理的铝合金坯件形成为具有特制的机械性能的成 形部件的方法。

背景技术

对环境以及能源成本上升的关注已经导致了近些年开发比先前 型号更省油的车辆的推进。减轻重量长期以来已被确定为提高汽车燃 油经济性的有效方式，诸如例如通过用包括铝和镁合金的较轻的重量 材料来代替钢。事实上，车身和动力系的包括发动机缸体和缸盖、车 轮以及一些车身面板的若干部件已经由铝合金制造。使用在车身面板 应用中的铝的合金不仅趋于能够更容易地形成而且趋于强度更低，如 5xxx系列合金。不幸的是，结构部件比如B柱需要使用较高强度的 材料，以满足顶部挤压和侧面冲击安全标准。

高强度铝合金是在汽车结构部件中使用的高强度钢的可行的替 代。特别地，可热处理的铝合金比如2xxx、6xxx、7xxx和8xxx系列 合金可以使用适当的热处理工艺和人工时效工艺来硬化。由于这种合 金在其硬化回火状态诸如例如T6回火状态下的不良可形成性，因此 通常将用于形成部件的坯件设置在较软的回火状态诸如例如T4。坯 件形成为部件的期望形状，然后，部件经受热处理和人工时效以实现 期望的机械性能。不幸的是，该方法导致生产时间可能会不切实际的 长，原因在于要在从几分钟至数小时范围的整个时间段内进行热处理 工艺和人工时效工艺。该方法的另外的问题在于在热处理步骤和老化 步骤期间可能会发生成形部件的翘曲，由此需要额外的步骤来校正形 状。因此，该方法可能不太适于汽车制造行业或者需要在短的时间尺 度内生产大量部件的其他高容量应用。

在Trans.NonferrousMet.Soc.China22(2012)1-7的文章 “WarmformingbehaviorofhighstrengthaluminumalloyAA7075” 中，Wang等人讨论了升高的温度对特定的7xxx系列铝合金的机械 性能的影响。根据Wang等人，温成形(warmforming)的关键要 素是保持高强度回火，尽管文章中呈现的结果表明屈服强度和硬度两 者在约180℃与260℃之间的温度下形成之后均较低。此文章的作者 得出结论：为了获得不具有任何进一步的热处理的部件，形成温度不 应当超过220℃。当然，Wang等人使铝合金经受热处理持续长达 300s，这换算成每小时仅约12个加热循环，并且因此，在高容量应 用中使用是不切实际的。

另一研究已显示在175℃下温成形含铜AA7075型合金持续一分 钟或两分钟对强度几乎没有影响，并且已显示略微升高至200℃减小 了强度约50MPa。该研究得出结论：在常见的5步烤漆循环期间， 部件的机械性能在较高水平上变得均匀。不幸的是，即使是持续仅一 分钟或两分钟的这些相对短的加热时间，由此产生的生产速度仍然太 低以致于不能在高容量应用例如汽车工业中非常有用。

在一些包括具有预定挤压区域的结构部件的制造的应用中，期望 能够生产具有整体非均匀机械性能的部件。例如，有利的是形成具有 上端和下端的B柱，其中，上端的特征在于高的机械强度，下端的 特征在于相对较低的机械强度。在碰撞期间，当B柱的下端变形时， 吸收一些冲击力，由此形成对车辆的乘员的改进的保护。不幸的是， 目前正用于在硬化回火状态下由铝合金坯件形成成形部件的方法不 支持以这种方式对机械性能进行特制。

因此，期望的是提供一种克服上述限制中的至少一些限制以及现 有技术的缺点的方法。

发明内容

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于由可热 处理的铝合金坯件制作成形部件的方法，该方法包括：将可热处理的 坯件设置处于硬化回火状态；将坯件的第一部分加热至介于约150℃ 与约300℃之间的预定第一温度持续少于约40秒诸如例如在约5秒 与约40秒之间的预定第一时间长度；将坯件的第二部分加热至介于 约150℃与约300℃之间的预定第二温度持续少于约40秒诸如例如在 约5秒与约40秒之间的预定第二时间长度；以及在第一部分和第二 部分中的任一者冷却至低于约130℃的温度之前，使在第一部分和第 二部分内的坯件形成为成形部件的形状。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于由可热 处理的铝合金坯件形成成形部件的方法，该方法包括：将可热处理的 坯件设置处于硬化回火状态；使坯件的不同部分经受不同的加热条 件，包含将坯件的不同部分中的每个不同部分选择性地加热至介于约 150℃与约300℃之间的相应的预定温度，对坯件的不同部分中的每 个不同部分的加热持续少于约40秒，诸如例如在约5秒与约40秒之 间；以及在坯件的不同部分中的任何不同部分冷却至低于约130℃的 温度之前，使所述坯件形成为成形部件的形状使得坯件的不同部分形 成成形部件的相对应的不同部分，成形部件的不同部分具有不同的预 定机械性能，其中，不同的加热条件被选择用于产生成形部件的不同 部分的不同的预定机械性能。

根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于由可热 处理的铝合金坯件制作成形部件的方法，该方法包括：提供由2xxx、 6xxx、7xxx和8xxx系列铝合金中的一者制造的铝合金坯件，坯件被 设置处于T6回火状态；将坯件的第一部分加热至介于约150℃与约 300℃之间的预定第一温度持续少于约40秒诸如例如在约5秒与约 40秒之间的预定第一时间长度；将坯件的第二部分加热至介于约 150℃与约300℃之间的预定第二温度持续少于约40秒诸如例如在约 5秒与约40秒之间的预定第二时间长度；以及使坯件形成为成形部 件的形状使得坯件的第一部分形成成形部件的具有预定第一机械性 能的相对应的第一部分并且坯件的第二部分形成具有成形部件的不 同于预定第一机械性能的预定第二机械性能的相对应的第二部分，其 中，第一预定机械性能和第二预定机械性被选择为使得成形部件的第 一部分和成形部件的第二部分两者均具有下述方面中的至少一者：比 所提供的坯件的相对应的第一部分和第二部分更柔软以及比所提供 的坯件的相对应的第一部分和第二部分更具延展性。

具体实施方式

提出以下描述使本领域技术人员能够做出并使用本发明，并且以 下描述是在特定应用及其需求的环境下提供的。对所公开的各实施方 式的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在不背离 本发明的范围的情况下，本文中所限定的一般原理可以应用于其他实 施方式和应用。因而，本发明并非旨在限制所公开的各实施方式，而 是旨在符合与本文所公开的原理和特征相一致的最广泛的范围。

在根据本发明的实施方式的用于形成成形部件的方法中，由可热 处理的铝合金制造的坯件被设置处于硬化回火状态。例如，可热处理 的铝合金选自包括2xxx、6xxx、7xxx和8xxx系列铝合金的组。通过 具体和非限制性示例，硬化回火状态为T6回火状态。可选地，硬化 回火状态为T4、T5或T7，例如T7x(例如，T76或T79)回火状态 或其他合适的回火状态。按照惯例，在这种形成工艺中，坯件的形状 具有与成形部件的期望形状大致相一致的外轮廓。例如，成形部件为 用于汽车的B柱并且坯件具有与B柱的最终形状大致相一致的外轮 廓。

所提供的坯件经受选择性加热步骤，在该选择性加热步骤期间， 坯件的第一部分被加热至预定第一温度持续预定第一时间长度，并且 坯件的第二部分被加热至预定第二温度持续预定第二时间长度。特别 地，预定第一温度在约150℃与约300℃之间，并且预定第一时间长 度少于约40秒，诸如例如在约5秒与约40秒之间。类似地，预定第 二温度在约150℃与约300℃之间，并且预定第二时间长度少于40秒， 诸如例如在约5秒与约40秒之间。接着，在第一部分或第二部分中 的任一者冷却至低于约130℃的温度之前，坯件形成为成形部件的期 望形状。在形成期间，坯件的第一部分形成成形部件的相对应的第一 部分，并且坯件的第二部分形成成形部件的相对应的第二部分。

预定第一温度和预定第一时间长度被选择成使得成形部件的第 一部分具有预定第一机械性能。类似地，预定第二温度和预定第二时 间长度被选择成使得成形部件的第二部分具有预定第二机械性能。可 选地，预定第一时间长度与预定第二时间长度相同，在这种情况下， 预定第一温度与预定第二温度不同。替代性地，预定第一时间长度与 预定第二时间长度不同，在这种情况下，预定第一温度可以或者与预 定第二温度相同或者与预定第二温度不同。一般而言，预定第一温度 和预定第一时间长度的乘积与预定第二温度和预定第二时间长度的 乘积不同，但这不是严格的必要条件。根据实施方式，铝合金坯件的 在第一部分内的温度在第一部分的加热期间不超过约230℃，并且铝 合金坯件的在第二部分内的温度在第二部分的加热期间不超过约 230℃。

坯件的选择性加热可以以多种不同方式中的任何方式来实现。任 何合适的加热系统或者甚至不同加热系统的组合可以用于执行选择 性加热。例如，可以使用红外灯阵列、感应加热线圈阵列、加热流化 床、烘箱等来加热坯件。可选地，在坯件的其他部分正被加热的时间 期间，坯件的一些部分诸如例如通过使用隔热板或主动冷却元件而受 到保护不被加热。可选地，仅坯件的一部分被插入加热区域，使得坯 件的其他部分受到保护不被加热。此外可选地，坯件的至少一个部分 没有被加热成使得与坯件的至少一个部分相对应的成形部件的一部 分具有与所提供的坯件的机械性能大致相同的机械性能。例如，坯件 的没有被加热的至少一个部分为在形成步骤期间未成形的部分，并且 所述至少一个部分趋于在最终部件中具有高的机械强度和/或硬度。

坯件的第一部分和坯件的第二部分的相对位置取决于成形部件 中的机械性能的期望分布。坯件的第一部分可以紧邻坯件的第二部分 而设置。替代性地，限定了坯件的第三部分，该第三部分将坯件的第 一部分与坯件的第二部分分开。在一些应用中，坯件的第三部分与成 形部件的具有与所提供的坯件的机械性能大致相同的机械性能的第 三部分相对应。在其他应用中，坯件的第三部分与成形部件的具有介 于预定第一机械性能与预定第二机械性能之间的机械性能的第三部 分相对应。例如，坯件的第三部分是用于在预定第一机械性能与预定 第二机械性能之间过渡的过渡区域。在这种情况下，选择性加热包括 将坯件的第三部分加热至预定第三温度持续预定第三时间长度。替代 性地，坯件的第三部分与成形部件的具有介于所提供的坯件的机械性 能、第一机械性能和第二机械性能之间的机械性能的第三部分相对 应。

例如通过下述来执行形成步骤：将坯件设置在安装在压力机中的 相对的工具半部之间并且然后使相对的工具半部中的一个工具半部 朝向另一工具半部相对地移动以使坯件与相对的工具半部的形成表 面相符合。在第一种方法中，在将坯件设置在相对的工具半部之间之 前执行对坯件的选择性加热。在第二种方法中，在将坯件设置在相对 的工具半部之间之后至少部分地执行对坯件的选择性加热。例如，工 具半部可选地包括用于在形成期间加热坯件的第一部分和/或第二部 分的加热插入件。工具半部不需要用于使坯件的第一部分或坯件的第 二部分冷却的任何特殊插入件，并且成形部件在形成步骤之后不再淬 火。这样，成形部件被从工具半部之间简单地移除并且放置于支架上 或运输装置上且允许冷却至周围环境温度。当然，在该示例中，为了 简化，已经假设用于形成成形部件的工具仅有两个半部。实际上，工 具可以是具有多于两个部件的多部件工具，并且可选地，部件中的一 些部件可以具有沿着其形成表面设置的加热插入件。可选地，提供绝 缘材料来替代加热插入件，用于降低形成期间坯件的选择部分内的冷 却速度。

如上所述，坯件被设置处于硬化回火状态，诸如例如沉淀硬化和 人工时效T6回火状态。所提供的坯件的可形成性差，并且因此不能 很好地适于形成为成形部件。然而，坯件的选择性加热大幅增加了被 加热的部分的延展性且有助于形成。在成形部件形成并且冷却至环境 温度之后，坯件的被选择性加热的部分的机械性能与所提供的坯件的 机械性能不同。特别地，在成形部件的第一部分和第二部分内的材料 具有下述方面中的至少一者：比所提供的坯件的相对应的第一部分和 第二部分内的材料更柔软以及比所提供的坯件的相对应的第一部分 和第二部分内的材料更具延展性。尽管已使用T6回火状态作为特定 的和非限制性示例，但是应当理解的是，坯件可以被替代性地设置处 于其他硬化回火状态，诸如例如T4、T5、T7、T7x(例如T76或T79) 等。

已经就用于形成机动车辆的B柱的方法的具体和非限制性示例 方面对本发明的各实施方式进行了描述。应当理解的是，可以使用本 文中所描述的方法来形成用于机动车辆的其他结构部件。此外，本文 中所描述的方法可以用于形成用于机动车辆的非结构部件以及用于 飞行器、船舶和甚至非车辆应用中的部件。

尽管以上描述构成本发明的多个实施方式，但是应该理解的是，在 不背离所附权利要求的真实含义的情况下，易于对本发明进行另外的修 改和改变。