鋁基復合材料和成型方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于成型由鋁基復合材料構成的板材的方法，該鋁基復合材料具 有AA 5xxx或AA 6xxx類型錯芯合金和至少一個單面或雙面設置的外部錯合金層，其中，該 鋁基復合材料在成型工具中成型而且單面或雙面的外部鋁合金層在已軟化退火或已固溶 退火的狀態(tài)下具有25MPa至60MPa的屈服極限R pa2。除此之外，本發(fā)明還涉及該鋁基復合 材料在相應的成型方法中的使用以及由該鋁基復合材料構成的成型的板材件。
【背景技術】
[0002] 由AA 6xxx類鋁合金構成的板材在汽車制造中使用在車身中和用于車身安裝件 (車門、擋板、發(fā)動機蓋等）。通常使用的合金，例如ΑΑ6016或ΑΑ6014,既在交貨狀態(tài)下（Τ4) 表現(xiàn)出良好的成型性又在例如通過陰極浸漆的烤漆循環(huán)（Lackeinbrennzyklus)之后表現(xiàn) 出顯著增加的強度。該板材在狀態(tài)Τ4下進行固溶退火。對于可見區(qū)域的構件，即所謂的外 表面構件，另一個使用鋁合金的前提條件是，良好的表面觀感，即少條痕或無條痕的質(zhì)量。
[0003] 在市場中對于成型性優(yōu)化的并同時可以用于外表面構件的鋁材能夠用于對成型 性有高要求的構件。但是，這些對成型性優(yōu)化的板材卻不能滿足關于成型性的新的要求。由 于鋁有輕量化潛力，目前正為尚不能由鋁制成的外表面構件尋求基于鋁的解決方案。例如， 機動車的大面積的側壁件應作為一件式的構件由單個鋁合金板制成。由于鋁材有限的成型 性，目前還不能生產(chǎn)這類大面積的板材件。由于缺少基于鋁的解決方案，該類大面積的車身 構件由鋼材制成或該構件設計為多件式的鋁構件，這會通過額外的接合步驟導致制造中增 加的支出。
[0004] 申請人已開發(fā)了一種材料，該材料滿足了對成型性提出的非常高的要求而且以Τ4 狀態(tài)下的高應變數(shù)值為特征。該鋁基復合材料已經(jīng)在國際申請WO 2013/037918Α1中公開。 但是該材料的制造方法目的在于材料的最大成型性，在實際中仍能夠看到由制造條件所造 成的條痕效應（Roping Effekte)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，擴大鋁合金的成型極限，特別是機動車制造所需要的AA6XXX 和AA5XXX型鋁合金的成型極限，并且提供一種成型方法，該方法實現(xiàn)了大面積的、強度成 型的鋁合金板材件的制造，特別是以外表面質(zhì)量級的制造。除此之外，還應提出該鋁基復合 材料的應用以及提供相應制成的板材件。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一教導，通過用于由鋁基復合材料制成的板材的成型方法實現(xiàn)了 上述目的，其中，芯的鋁合金的屈服應力和至少一個外層在已軟化退火或已固溶退火的狀 態(tài)下的屈服應力的比率適用kf，外層/kf，芯< 0· 5,優(yōu)選kf，外層/kf，芯< 0· 4,而且在錯基見合材 料的成型期間在成型工具中的至少一個局部位置上，工具和鋁基復合材料之間的摩擦剪切 應力τ ,在接觸面中達到外部鋁合金層的剪切屈服應力k 。
[0007] 根據(jù)庫倫摩擦定律，在成型工具和鋁基復合材料的外部鋁層之間的接觸面中的摩 擦剪切應力適用：
[0008] τΕ|= min(k, μ X |pN|) (I)
[0009] 其中τκ為摩擦剪切應力，μ為摩擦系數(shù)，p N為產(chǎn)生摩擦的接觸標準壓或表面壓 力而且k為鋁基復合材料的較軟外層的剪切屈服應力。
[0010] 以上述的函數(shù)（1)得到了摩擦剪切應力絕對值的兩個范圍：
[0011] 1.) τκ= μ X |PN| 其中 μ X |PN| < k和
[0012] 2·) τκ= k 其中 μ X |PN| 彡 k。
[0013] 在最簡單的情況中，μ在成型過程中保持恒定，從而在增加的表面壓力下摩擦剪 切應力^線性增高。但當τ R達到與成型工具相接觸的材料的剪切屈服應力k時，該摩擦 剪切應力限定為該剪切屈服應力k。
[0014] 根據(jù)馮?米塞斯（von Mi ses)理論，對于待成型的材料的剪切屈服應力k和屈服 應力kf適用：
[0015] k=kr/V3,
[0016] 其中在0. 2%的塑性應變下的kf相當于拉伸試驗中確定的屈服極限Rpa2。
[0017] 較軟的外部鋁合金層與成型工具相接觸，該外部鋁合金層的屈服應力kfjhS及其 剪切屈服應力k^g也明顯小于鋁芯合金的屈服應力k f, s。因此，對于在成型期間成型工具 和鋁基復合材料之間的接觸中的摩擦剪切應力至少在一個局部位置上適用：
[0018] τ r= k 外層。
[0019] 由此可以明顯看出，外部鋁合金層的剪切屈服應力或者確切的說其屈服應力 kfjhs的數(shù)值越小，在工具中相反于材料的運動方向的摩擦力就越小。結果是，由該鋁基復 合材料構成的板材在這種情況下更容易地進入到例如深沖工具中。只要較軟的外部鋁合金 層基本與成型工具產(chǎn)生接觸，這也適用于單面設置有外部鋁合金層的鋁基復合材料。
[0020] 還發(fā)現(xiàn)，要求保護的材料組合實現(xiàn)了，在鋁基復合材料的成型期間在至少一個局 部位置上，鋁基復合材料中的摩擦剪切應力τ κ達到所述外部鋁合金層的剪切屈服應力K # ]1并限定于該數(shù)值，該材料組合由ΑΑ5ΧΧΧ或ΑΑ6ΧΧΧ型鋁合金的芯合金和單面或雙面設置 的較軟的外部鋁合金層組成，該外部鋁合金層與芯合金的屈服應力比小于〇. 5,優(yōu)選小于 0. 4。與由芯合金構成的單片式板材相比，以此實現(xiàn)了鋁基復合材料的明顯改善的成型性。
[0021] 由于本發(fā)明為了達到成型程度而在技術教導中包括了在成型過程中對摩擦剪切 應力的影響，因此不同于申請人所有的W02013/037918A1中的方式本發(fā)明開創(chuàng)了一種全新 的方式。與目前的處理方法相反，在此利用了通過較軟的外部鋁合金層的剪切屈服應力限 制摩擦剪切應力這一效應。
[0022] 通過十字形工具在實驗室標準下的成型技術試驗中顯示，只要保持所涉及的鋁合 金的上述屈服應力比k fjhS/kf, s，那么在相同的工具形狀和能夠比較的潤滑條件下壓緊力 可以至少提高2. 6倍。在十字形工具試驗中，從更高的可能的壓緊力可以推斷出相應的鋁 基復合材料明顯改善的成型性，特別是在深沖過程中的成型性。因為與鋁芯合金的剪切屈 服應力相比，較軟的外部層的剪切屈服應力相對較低，因此在成型中摩擦剪切應力顯著地 減小，這實現(xiàn)了更大的工藝窗口。這開啟了這樣一種可能性，例如機動車的一件式的側壁件 能夠由以外表面質(zhì)量的鋁利用AA6 XXX型鋁合金制成，以此相對于多件式的基于鋁的解決 方案產(chǎn)生了更大的成本節(jié)約的潛力。
[0023] 這同樣適用于主要使用在內(nèi)部部分和結構部分中的AA5xxx型的AlMg鋁芯合金， 從而也可以制造要求較高成型程度的大面積的內(nèi)部部分或結構部分。
[0024] 根據(jù)該方法的另一個實施方式，成型包括深沖過程和/或拉伸過程。在成型過程 中，摩擦剪切應力τκ使板材材料與成型工具間的相對運動變得困難。如上所實施的，摩擦 剪切應力τ 制為較軟的外部鋁合金層的剪切屈服應力K 的低值會導致深沖過程或拉 伸過程得到改善。因此可以實現(xiàn)明顯更高的成型程度，因為可以以更小的力在賦形的成型 工具中拉伸該材料。
[0025] 如果根據(jù)按照本發(fā)明的方法的另一個實施方式，至少一層的外部鋁合金層優(yōu)選地 具有整個鋁基復合材料的厚度的5%至15%，這樣可以利用按照本發(fā)明的方法的技術效 果，而鋁基復合材料的強度沒有通過該外部層和其在鋁基復合材料的總厚度中所占的比例 過度減小。
[0026] 優(yōu)選該摩擦剪切應力τ κ在成型期間通過表面壓力的增加而變大，直到該摩擦剪 切應力在成型工具中的至少一個局部位置上達到外部鋁合金層的剪切屈服應力I^ hs。在目 前的成型方法中，表面壓力通常恰好選擇這樣的大小，即在工具中沒有褶皺形成，而與目前 的成型方法相反，為了達到鋁基復合材料對于成型極限的擴大而言的有利的效應，例如可 以增大表面壓力。另外還能夠考慮的是，復合材料盡管具有更高摩擦系數(shù)的低成本表面形 貌但仍可以成功地成型。低成本的表面形貌例如可以通過"壓光（Mill Finish)"板材的表 面形貌而提供，與在較大成型程度中通常設置的具有潤滑劑凹口（Schmiermitteltaschen) 的形貌相比，該表面形貌省去了一個以額外的軋制步驟形式的、用于賦予特殊的表面形貌 的操作步驟。
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