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CN102712985A - 从板材形成复杂形状的部件的方法 - Google Patents

从板材形成复杂形状的部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种从Al-合金板材或Mg-合金板材形成复杂形状的部件的方法。该方法包括以下步骤：a)加热该板材至低于该合金的固溶热处理(SHT)温度的温度；b)将经加热的模具间的该经加热的板材形成复杂形状或朝复杂形状形成；c)加热该板材至至少其SHT温度并基本保持该温度直至完成SHT；以及d)对冷模间的经固溶热处理的板材进行淬火，同时完成复杂形状的形成或保持复杂形状。

Description

从板材形成复杂形状的部件的方法
技术领域
本发明涉及从铝合金板材形成复杂形状的部件。本发明还涉及从镁合金形成这种部件。
背景技术
一般来说，希望将用在汽车和航空航天应用中的部件做得尽可能的轻。较轻的部件有助于降低汽车或飞机的总重量，并因此协助提高燃油经济性。轻质部件的使用也可带来其他的优点，如，在汽车应用中改善处理性能，以及在航空航天应用中允许进行较重的负载。因为这些原因，所以希望从轻质合金(比如铝合金(Al-合金))来制备用于这些应用的部件。
然而，Al-合金的韧性较低(例如与钢合金相比)。因此，从Al-合金形成复杂形状的部件至少是困难的，且有时是不可能的。相反，复杂形状的部件有时从经热处理的铝合金实心块铣削而成。这可能会导致高比例的Al-合金被浪费，从而带来高的制造成本。当从镁合金(Mg-合金)形成部件时也存在同样的问题。
WO2008/059242中公开了一种将铝合金(Al-合金)板材形成复杂形状的部件的方法。WO2008/059242公开的方法一般包括以下步骤：
(i)加热Al-合金板材坯料至其固溶热处理(Solution Heat Treatment，SHT)温度，并保持该温度直至完成SHT；
(ii)快速将板材坯料转移至一套冷模中，以便最大幅度地降低板材坯料的热损失；
(iii)立刻关闭冷模以将板材坯料形成部件；以及
(iv)在冷却所形成的部件的过程中，将所形成的部件保持在封闭的模具内。
尽管这种方法相对于早期方法具有一定的优势，但也存在一定的不足。例如，为了该方法的成功进行，成形过程需要在板材冷却前进行。由于板材往往迅速冷却(板材薄，且具有低比热容以及高导热系数)，所以成形过程必须进行得非常快速。因此，问题在于：成形过程需要一种具有高成形力的非常快速的压力机。这种压力机是昂贵的并且高成形力往往会缩短工具的寿命。并且，也很难形成复杂部分：因为板材往往在复杂部分完全形成之前就趋于冷却。
因此，希望解决这个不足。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种从Al-合金板材形成复杂形状的部件的方法，该方法包括以下步骤：
a)加热板材至低于该合金的固溶热处理温度的温度；
b)将经加热的模具间的该经加热的板材形成复杂形状或朝复杂形状形成；
c)加热板材至至少其SHT温度并基本保持该温度直至完成SHT；以及
d)对冷模间的所述经固溶热处理的板材进行淬火，同时完成复杂形状的形成或保持复杂形状。
已经发现，Al-合金在低于SHT温度时的成形性大于在SHT温度时的成形性。这是因为合金中的夹杂物在SHT温度时变成液体，并导致在成形开始前，材料内产生微孔洞。因此，在SHT温度后以及SHT温度时成形性降低。
因此，通过使板材在低于SHT温度时至少部分成形，当成形性更大时，也就更易于形成复杂部分。本方法中的这一点是通过以下方式实现的：首先通过加热板材至低于SHT温度的温度，然后在热模间使板材至少部分形成复杂形状。另外，通过将至少部分成形的板材置于冷模中以淬火板材，在淬火操作过程中可完成该成形(或，如果板材已经完全成形，则保持成形)，从而得到所需形状的部件。
步骤(a)可包括加热板材至低于合金中夹杂物熔化的温度。步骤(a)可包括加热板材至合金的成形性比在SHT温度时的成形性大的温度。步骤(a)可包括加热板材至合金基本上具有最大成形性时的温度。
步骤(b)可包括在设置为最大幅度地降低板材的热损失的热模中成形板材。在步骤(b)中，模具可处于低于合金SHT温度的温度。在步骤(b)中，模具所处的温度与步骤(a)中板材被加热至的温度基本相同。在步骤(b)中，模具的温度可基本保持恒定。步骤(b)中的模具可包括一个或多个加热元件。
步骤(d)可包括在板材中形成孔或切口的步骤。步骤(b)中的模具可与步骤(b)中的模具具有基本相同的形状。步骤(b)中的模具可设置为引导热远离其中的板材。步骤(b)中的模具可被冷却，并可包括一个或多个冷却元件和/或冷却通道。
该方法可包括后续步骤(e)：人工老化所述得到的复杂形状的部件。
Al-合金可为2XXX系列Al-合金，如AA2024。在步骤(a)中，板材可被加热至低于493℃；板材可被加热至低于470℃；板材可被加热至430℃到470℃之间；板材可被加热至440℃到460℃之间。步骤(a)可包括：在进行步骤(b)之前，加热板材至该温度并保持该温度1到10分钟，或更长时间；并可包括加热板材至该温度并保持该温度仅仅5分钟。步骤(c)可包括加热板材至490℃到495℃，并可包括加热板材至493℃。步骤(c)可包括：在进行步骤(d)之前，加热板材至该温度，并基本保持在该温度10到20分钟，或15到20分钟；并可包括加热板材至该温度并基本保持在该温度15到20分钟，比如仅仅15分钟。
已经发现，第一方面的本方法原理同样可适用于Mg-合金。
因此，根据本发明的第二方面，提供一种从Al-合金板材或Mg-合金板材形成复杂形状的部件的方法，该方法包括以下步骤：
a)加热板材至低于该合金的固溶热处理温度的温度；
b)将经加热的模具间的所述经加热的板材形成复杂形状或朝复杂形状形成；
c)加热板材至至少其SHT温度并基本保持该温度直至完成SHT；以及
d)对冷模间的所述经固溶热处理的板材进行淬火，同时完成复杂形状的形成或保持复杂形状。
第一方面的可选特性也是第二方面的可选特性。
当方法用于从Mg-合金成形时，Al-合金可为如AZ31或AZ91的合金。在步骤(a)中，板材可被加热至低于480℃；板材可被加热至低于470℃；板材可被加热至400℃到420℃；板材可被加热至大约413℃。步骤(a)可包括：在进行步骤(b)之前，加热板材至该温度并保持该温度1到10分钟，或更长时间；并可包括加热板材至该温度并保持该温度仅仅5分钟或仅仅3分钟。步骤(c)可包括加热板材至400℃到525℃，并可包括加热板材至大约480℃。步骤(c)可包括：在进行步骤(d)之前，加热板材至该温度，并基本保持该温度10到20分钟；并可包括加热板材至该温度并基本保持在该温度15到20分钟，比如仅仅15分钟。
冷模的温度可低于50℃。
附图说明
仅通过示例的方式并参考附图来描述本发明的具体实施例，其中：
图1为在本发明中的实施例方法中Al-合金板材的温度随时间的变化图。
具体实施方式
现在，将参考图1来描述，从Al-合金板材形成复杂形状的部件的方法的实施例。
首先，将一片AA2024铝合金在加热炉中加热至450℃。这个初步加热的温度低于典型的AA2024的固溶热处理(SHT)温度(即493℃)。然后将板材在450℃下保持5分钟。图1中的线B说明了该方法的这个部分。
然后将该板材转移至一套热模中。在本实施例中，模具的温度保持在400℃以下，具体来说，在本实施例中，通过运行位于模具中的以及模具周围的加热元件使得温度保持在350℃。为了最大幅度地降低转移过程中板材的冷却，将板材立即转移至热模中。然后将这些热模组合在一起以将板材形成要形成的复杂部件的形状。图1中的线C代表了该方法的这个部分。在其他实施例中，热模可以是这样的：使得板材朝着复杂部件的形状形成，因此需要一些后续的变形以最终获得该部件。这将在后面做详细的说明。
回到本实施例中，一旦板材已经在经加热的模具间成形，就将该板材在另一个加热炉中加热至该板材的SHT温度，即493℃，并在此温度下保持15分钟，这样成形的板材的SHT就完成了。图1中的线D代表了该方法的这个部分。
在SHT完成后立即将板材转移至冷模中。在本实施例中，冷模的形状和热模的形状完全一致(尽管在其他实施例中它们可能有所不同，这将在以后描述)。然后，将这些冷模组合在一起，以使得成形的板材被保持在该部件的形状，或万一在SHT过程中发生任何形变时，使得该形状得以恢复，并使得板材被同时淬火。在本实施例中，冷模的温度保持在150℃以下。这是通过在冷模中以及冷模周围设置冷却剂通道以在其中传送冷却剂来完成的。一旦板材已经被淬火，就将其从冷模中移除出来。图1中的线E表示了该方法的这个部分。
最后，将现已形成为复杂形状的部件的板材以常规的方式进行人工老化。图1中的线F代表了该方法的这个部分。
已经发现，AA2024在其SHT温度(即293℃)下的成形性甚至要低于其在室温下的成形性。进一步的研究表明，该合金包括大的Al20Cu2Mn3夹杂物，这些Al20Cu2Mn3夹杂物在470℃到480℃(即，低于SHT温度)之间熔化，取决于加热速率。因此，这些夹杂物在SHT温度下变成液体，这就导致了在板材的微结构中孔洞的形成。这就导致了低的成形性。为此，在本方法的第一步中，板材被加热至低于SHT温度的温度。已经发现AA2024在450℃展示出最大的成形性，因此使用该温度。在其他Al-合金中发现了类似的特性。尤其是，可以设想到，通过适当的改变温度和持续时间，本方法的各实施例也可用于从AA5XXX和AA6XXX系列合金形成复杂形状的部件。
在热模间成形经加热的板材最大幅度地降低了板材的热损失，使得该板材可在等温的条件下或接近等温的条件下被成形。为此，成形过程不必像WO2008/059242中那样快的进行，或需要很大的成形力。因此，可使用价廉的成形设备并且可以预想到工具的寿命延长了。
本方法的剩余部分与WO2008/059242中描述的类似，但是例外的是，在冷模间的淬火过程中不进行板材的变形(虽然，在其他实施例中，有些变形(比如小变形)可能会发生)。本方法的这个部分的主要目的在于，在SHT后对合金进行淬火，以及在快速冷却过程中，将成形的部件的变形降至最低限度。在该方法的本部分中进行进一步的成形的实施例中，部件的形状进一步被加工至成品形状，并且可增加部件的进一步特征。
正如已经提到的那样，在其他实施例中，板材在热模间可能不完全成形至所需的部件。相反，可能在冷模间有些附加的成形。在这些实施例中，可以设想到，热模和冷模的形状将不完全相同。
如上所公开的那样，已经发现，本方法也适用于Mg-合金。因此，在另一个实施例中，本方法从Mg-合金形成复杂形状的部件，在该实施例中Mg-合金为AZ31。在原理上，参考图1并在图1中示出的前述方法的描述同样适用于本实施例。然而，考虑到合金的不同，一些温度和持续时间会有不同。这些不同将在以下描述。
AZ31的板材起初加热至413℃，并将其保持在该温度下约3分钟。再一次，图1中的线B说明了该方法的这个部分。线C说明的本方法的部分与前述相同。在由线D说明的本方法的部分中，板材加热至其SHT温度(即480℃)，并保持该温度15分钟，与前述相同。线E说明的本方法的部分与前述相同，但是冷模的温度被保持在50℃以下。最后，线F代表的人工老化如前述一样按照常规的方式进行。

Claims (13)

1.一种从Al-合金板材或Mg-合金板材形成复杂形状的部件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)加热所述板材至低于所述合金的固溶热处理(SHT)温度的温度；
b)将经加热的模具间的所述经加热的板材形成所述复杂形状或朝所述复杂形状形成；
c)加热所述板材至至少其SHT温度并基本保持该温度直至完成SHT；以及
d)对冷模间的所述经固溶热处理的板材进行淬火，同时完成所述复杂形状的形成或保持所述复杂形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括加热所述板材至低于所述合金中夹杂物熔化的温度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括加热所述板材至所述合金的成形性比在所述SHT温度时的成形性大的温度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括加热所述板材至所述合金基本上具有最大成形性时的温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括在设置为最大幅度地降低所述板材的热损失的热模中成形所述板材。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述模具所处的温度与步骤(a)中所述板材被加热至的温度基本相同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(b)的过程中，所述模具的所述温度基本保持恒定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)中的所述模具包括一个或多个加热元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(d)中的所述模具与步骤(b)中的所述模具具有基本相同的形状。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(d)中的所述模具被冷却，并可选地包括一个或多个冷却元件和/或冷却通道。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括后续步骤(e)：人工老化所述得到的复杂形状的部件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述Al-合金为2XXX系列Al-合金，比如AA2024。
13.根据权利要求1或11中任一项所述的方法，其特征在于，所述Mg-合金为AZ31或AZ91。
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