專利名稱：鋁和鎂合金中的氫致延展性的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于在氫氣氣氛中通過處理增加鋁和鎂合金的延展性的方法，以及用于形成包括鋁和鎂合金的工件的方法。
背景技術：
延展性是一種機械性能，用于描述材料在應力下可以塑性變形而不斷裂到何種程度。當施加較低水平的應力時，變形可能是彈性的，由此通過消除應力，工件返回到被施加應力前它所具有的形狀。在外加應力水平增加時，變形變成塑性的。當外加應力超出一定水平時，工件斷裂。因此，工件的延展性與斷裂時施加的應力和變形首次變成塑性時施加的應力之間的差有關。合金的延展性是選擇在需要形成和加工合金的過程中要使用的材料的重要考慮。 例如在汽車制造中，車身板必須被形成為具有非常精確規(guī)格的復雜形狀，經常通過在合金材料上廣泛施加拉伸應力進行。高延展性的合金可用于這種應用，因為它有助于合金的整體可加工性以及成形工藝的多用性。適量增加合金的延展性，通過允許更大范圍的將不導致工件不良斷裂的工藝參數，可以顯著節(jié)約成本。因為在眾多其他所需的結構特征中，它們呈現相對高的強度重量比，鋁和鎂合金在包括汽車工程的很多領域中得到突出關注。由于相對低的延展性和缺陷的高傳播性，鋁和鎂合金會難以形成復雜的幾何形狀。出于該原因，合金通常必須在高溫下或通過使用諸如壓鑄或注模的技術予以處理。一種解決方案可能是尋求天性具備高延展性的不同合金成分。然而，尋找和生成新合金成分本身花費的努力會比嘗試改善現有合金的有用性花費更高成本。熱處理在本領域中常被用來增加鋁和鎂合金的強度及延展性。熱處理可能涉及諸如固溶退火(solution annealing)的工藝，其涉及加熱合金至剛好低于固相線溫度 (solidus temperature)并且隨后在水或另一介質中淬滅合金。熱處理可能涉及包括非常精確的溫度升溫計劃(temperature ramping schedule)的更復雜的工藝，溫度升溫計劃可以與合金的物理加工一起組合來增加該合金的延伸。熱處理一般來說會昂貴而又費時。氫致延展性是對于很多鈦基合金存在的已知現象。然而，鋁和鎂基合金在金屬成形領域一般被視為與氫氣不相容。部分由于幾個復雜的物理和電化學現象，氫氣可以使鋁和鎂合金極易脆化和應力腐蝕開裂。這在潮濕條件下尤其如此。因此，本領域仍然存在對增加鋁和鎂合金的延展性的經濟方法的需要。

發(fā)明內容
該需要通過本發(fā)明的幾個實施例來滿足，由此，當在包括干燥氫氣的氣氛中對合金進行塑性變形時，鋁和鎂合金的延展性被增加。令人驚訝的是，本發(fā)明人發(fā)現，在包括干燥氫氣的氣氛中塑性變形鋁或鎂合金引起該合金的延展性增加但沒有嚴重的脆化效應。該延展性的增加已在包括共同合金的板材、條、板上，在室溫和低如-50°C的溫度下得以證實。該效應可應用于本發(fā)明的用于塑性變形包括鋁或鎂合金的工件的方法。這種方法提供了加工具有更高延展性的工件所固有的工藝優(yōu)勢，包括避免了本領域普遍的對勞動力和成本密集型熱或物理處理的需要。根據本發(fā)明實施例，提供了一種方法，通過該方法，在包括干燥氫氣的氣氛中加工基本由金屬合金組成的工件。特別地，在可以包括惰性氣體的受控氫氣氣氛中塑性變形該金屬合金。在本發(fā)明實施例陳述的條件下，工件可被變形為延展性增加的臨時狀態(tài)。根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于在塑性變形期間增加工件的延展性的方法，該方法包括提供工件，該工件特征在于初始延展性并且包括由至少75重量百分比的鋁或鎂以及少于0.2重量百分比的鈦組成的合金。工件被置于處理室中。建立包括至少50 vol. % (體積百分比)的氫氣和一個或多個惰性氣體余量的室氣氛(chamber atmosphere)0 可以以超過該合金的屈服強度的水平向施加工件拉伸應力，從而引起塑性變形。當實現所需的變形水平時，工件可被去除拉伸應力并且可從處理室中取走。由于室條件，塑性變形在工件呈現大于初始延展性的處理延展性時發(fā)生。工件可基本具有擠出金屬板材、拉伸條、軋制板或鑄造合金的形式。室的溫度可被設定在-70°c至+50°C的范圍內。處理室可被加壓至0. 1-30 MPa (兆帕)的壓力?？梢赃M一步通過在基本充滿氫氣的氣氛中進行塑性變形來增加工件的延展性。例如，可以建立包括至少90 vol.%,99 vol. %、或99. 99 vol. %氫氣的室氣氛。優(yōu)選地，室氣氛可以包括至少 99.9999 vol. % 氫氣。根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于增加鋁合金的擠出板的延展性的方法， 該方法包括提供包括至少75重量百分比的鋁和少于0. 2重量百分比的鈦的合金的擠出板。 該合金的成分可以基本符合諸如Al 2024、Al 4032、Al 6010A、A1 6060、Al 6061、Al 6082 或Al 7075的標準規(guī)格。室的溫度可被設定在_70°C至+50°C的范圍內。處理室可被加壓至0. l-30Mpa的壓力。擠出板可以具有諸如車身板材的汽車部件的形式。按照本發(fā)明的再一方面，提供了一種用于在變形期間增加工件的延展性的方法， 該方法包括提供由包括至少75重量百分比的鎂的合金組成的工件。室的溫度可被設定在-70°C至+50°C的范圍內。處理室可被加壓至0. IMpa至30Mpa的壓力。該合金的成分可以基本符合標準規(guī)格AZ 31。本發(fā)明還提供了以下方案
1. 一種用于在變形期間增加工件的延展性的方法，所述方法包括 提供包括合金的工件，所述合金限定了初始延展性并且包括至少75重量百分比的從由鋁和鎂組成的組中選擇的金屬； 將所述工件置于處理室中； 建立室氣氛，所述室氣氛包括 至少50 vol. %氫氣； 少于2000 ppm體積的氧氣； 基本沒有水汽；以及余量惰性氣體； 使所述工件塑性變形；以及
從所述處理室取走所述工件，使得至少在向所述工件施加拉伸應力期間，所述合金限
5定了大于所述初始延展性的處理延展性。2.根據方案1所述的方法，其中，所述使所述工件塑性變形還包括向所述工件施加拉伸應力，將所述工件變形到所需形狀，并消除所述拉伸應力。3.根據方案1所述的方法，其還包括設定介于_70°C與+50°C之間的室溫度。4.根據方案3所述的方法，其還包括將所述處理室加壓至介于0. 1 MI^a與30 MPa 之間的壓力。5.根據方案4所述的方法，其中，所述室氣氛包括至少90 vol. %氫氣。6.根據方案5所述的方法，其中，所述室氣氛包括至少99 vol. %氫氣。7.根據方案6所述的方法，其中，所述室氣氛包括至少99. 99 vol. %氫氣。8. 一種用于在變形期間增加鋁合金擠出板的延展性的方法，所述方法包括 提供包括合金的擠出板，所述合金限定了初始延展性并且包括少于0. 2重量百分比的
鈦以及至少75重量百分比的鋁； 將所述擠出板置于處理室中； 建立室氣氛，所述室氣氛包括 至少50 vol. %氫氣； 少于2000 ppm體積的氧氣； 基本沒有水汽；以及余量惰性氣體； 使所述擠出板塑性變形；以及
從所述處理室取走所述擠出板，使得至少在向所述擠出板施加拉伸應力期間，所述合金限定了大于所述初始延展性的處理延展性。9.根據方案8所述的方法，其中，所述使所述工件塑性變形還包括向所述工件施加拉伸應力，將所述工件變形到所需形狀，并消除所述拉伸應力。10.根據方案8所述的方法，其還包括設定介于_70°C與+50°C之間的室溫度。11.根據方案10所述的方法，其還包括將所述處理室加壓至介于0. 1 MI^a與30 MPa之間的壓力。12.根據方案11所述的方法，其中，所述合金包括 高達1.3重量百分比的硅；
高達1.0重量百分比的鐵； 高達5.0重量百分比的銅； 高達1.0重量百分比的錳； 高達0. 40重量百分比的鉻； 高達0. 25重量百分比的鋅； 高達0.15重量百分比的鈦； 0.3至3.0重量百分比的鎂；以及余量鋁和附帶雜質。13.根據方案11所述的方法，其中，所述合金包括 11.0至13. 5重量百分比的硅；
高達1.0重量百分比的鐵；0.5至1.3重量百分比的銅； 高達0.1重量百分比的鉻； 0.5至1.3重量百分比的鎳； 高達0. 25重量百分比的鋅； 0.8至1.3重量百分比的鎂；以及余量鋁和附帶雜質。14.根據方案11所述的方法，其中，所述擠出板包括汽車部件。15.根據方案14所述的方法，其中，所述部件包括車身板。16. 一種用于在變形期間增加工件的延展性的方法，所述方法包括
提供包括合金的工件，所述合金限定了初始延展性并且包括至少75重量百分比的鎂；
將所述工件置于處理室中；
建立室氣氛，所述室氣氛包括
至少50 vol. %氫氣；
少于2000 ppm體積的氧氣；
基本沒有水汽；以及
余量惰性氣體；
使所述工件塑性變形；以及
從所述處理室取走所述工件，使得至少在向所述工件施加拉伸應力期間，所述合金限定了大于所述初始延展性的處理延展性。17.根據方案16所述的方法，其中，所述使所述工件塑性變形還包括向所述工件施加拉伸應力，將所述工件變形至所需形狀，并消除所述拉伸應力。18.根據方案16所述的方法，其還包括設定介于_70°C與+50°C之間的室溫度。19.根據方案18所述的方法，其還包括將所述處理室加壓至介于0. 1 MI^a與30 MPa之間的壓力。20.根據方案19所述的方法，其中，所述合金包括 2. 5至3. 5重量百分比的鋁；
0.6至1.4重量百分比的鋅； 0.2至0.5重量百分比的錳； 高達0.1重量百分比的硅； 高達0. 05重量百分比的銅； 高達0. 005重量百分比的鐵； 高達0. 005重量百分比的鎳；以及余量鎂和附帶雜質。21.根據方案20所述的方法，其中，所述工件包括拉伸條。22.根據方案19所述的方法，其中，所述工件包括用于汽車的部件。23.根據方案22所述的方法，其中，所述部件包括車身板。


結合附圖可以更好地理解下文對本發(fā)明具體實施例的詳細描述。
圖1是根據本發(fā)明實施例的用于在延展性增加的狀態(tài)下塑性變形合金工件的示例性方法的圖；以及
圖2是可以根據本發(fā)明所體現的方法形成的汽車以及汽車的幾個部件的圖。
具體實施例方式參考圖1，在用于塑性變形期間增加工件的延展性的方法中，可以規(guī)定工件10包括由少于0. 2重量百分比的鈦和至少75重量百分比的從鋁和鎂組成的組中選擇的金屬組成的合金。該合金限定初始延展性。工件10被置于處理室20中。處理室20可以是密封室或其他能夠保持一致的工藝氣體比而不引入有害雜質的室。在處理室20中建立包括至少50 vol. %氫氣和一個或多個惰性氣體余量的室氣氛?？梢詮臍錃庠?0供應氫氣，從單獨源35供應惰性氣體?？蛇x地，在輸送到用于將氣體噴射到處理室20中的泵25或類似設備前，可以在混合設備37中混合這些氣體。惰性氣體的適當選擇特征在于本身缺乏與氫氣以及與鋁或鎂合金的顯著反應。實例惰性氣體包括氮、 氦、氖、氬、氙和氪。優(yōu)選地，室氣氛可以包括百分比大大高于50 vol. %的氫氣。更優(yōu)選地，可以最大化該氣氛的氫氣百分比，從而該氣氛可以包括至少90vol. %>99vol. %、99. 99vol. %、 或 99. 9999vol. % 氫氣。不論其氫氣含量如何，該氣氛應當基本沒有某些雜質，這些雜質包括水；諸如硫化氫(H2S)的腐蝕性氣體；諸如CO2和NOx的含氧氣體；以及諸如CxHy的含碳氣體。在該情況下，“基本沒有”可以表示可能的最低實際數量。任何情況下，所存在的任何雜質都不應大于室氣氛的100 ppm體積，優(yōu)選地10 ppm體積，以及更優(yōu)選地Ippm體積。氧氣應限于構成不大于2000 ppm體積的室氣氛。為確保不良雜質的優(yōu)選水平，應當使用至少99. 99%純度的氣源。處理室20的總壓力應介于大氣壓(約0. 1 MPa)與30 MPa之間，優(yōu)選地壓力約 IMpa0可以例如借助泵25建立所增加的壓力。該泵可被連接到用于調節(jié)壓力的閥27。本領域普通技術人員將理解，可以通過各種方式實現所需的氣氛成分，所述各種方式可以包括或不包括向處理室一次或多次連續(xù)后送和回填工藝氣體。類似地，可以通過使用各種常用設備影響對該氣氛的加壓?？梢栽趯挏囟确秶僮魈幚硎?。優(yōu)選的溫度范圍介于-70°C與+50°C之間?？梢越柚刂圃O備40控制溫度，控制設備40可被配置為按需加熱或冷卻室。在本發(fā)明范圍內可以充分構想各種用于控制溫度的方式，并且對控制設備40的描繪不應被視為起限制作用。 最優(yōu)選的溫度可以部分地取決于工件的形狀和形式。例如，在更高溫度下，擠出板可以比拉伸條或軋制板呈現最佳的增加延展性。工件10在包括氫氣的室20中塑性變形。本領域技術人員將理解，塑性變形可以通過使用各種方式施加應力來發(fā)生。優(yōu)選地，通過施加超過工件的屈服強度但低于工件的拉伸強度的量的拉伸應力，可以發(fā)生塑料變形。例如，可以在沖壓工藝期間施加拉伸應力。 在塑性變形期間，組成工件的合金限定大于初始延展性的處理延展性。根據成品要求的規(guī)格，工件可以塑性變形任何所需量。工件變形的量可以稍微超過該規(guī)格，以考慮拉伸應力去除后任何預期變形逆轉。當實現所需塑性變形水平時，可以消除所施加的應力，從處理室取走工件。替代地，可以在室內進一步處理工件。實例成品，具
8體如用于汽車的車門，在圖1和圖2中均示出為110。在優(yōu)選實施例中，工件20具有由包括至少75%重量的鋁的合金組成的擠出板的形式。優(yōu)選地，該合金可以基本符合諸如Al 2024 T4、A1 6010A T6、A1 6060 T6、A1 6061 T6511B、A1 6082 T6和Al 7075 T651的標準規(guī)格。如此處將理解的，當包括合金的所有單元都落入表1列出的重量百分比范圍，雖然存在殘留雜質或細微添加劑但少于整個合金的 0. 05重量百分比時，該合金基本符合規(guī)格。優(yōu)選的標準合金規(guī)格表示一般的優(yōu)選成分范圍，如下所示高達1. 3 wt. %的硅， 高達1. 0 Wt. %的鐵，高達5. 0 Wt. %的銅，高達1. 0 Wt. %的錳，高達0. 40wt. %的鉻，高達 0. 25wt. %的鋅，高達0. 15wt. %的鈦，0.3至3. Owt. %的鎂，余量鋁和附帶雜質。同樣，在優(yōu)選實施例的范圍內，合金可以基本符合標準規(guī)格Al 4032 T6，標稱成分范圍如下11.0至 13. 5wt. %的硅，高達1.0 wt%的鐵，0. 5至1. 3 wt. %的銅，高達0. Iwt. %的鉻，0.5至1.3 wt. %的鎳，高達0. 25 wt. %的鋅，0.8至1.3 wt. %的鎂，余量鋁和附帶雜質。根據本發(fā)明實施例變形的擠出鋁板可用作汽車的部件。優(yōu)選的部件為車身板50。根據本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，提供一種由包括至少75重量百分比的鎂的合金組成的工件。優(yōu)選的合金成分基本符合標準規(guī)格AZ 31，標稱成分范圍為2.5至3.5襯.% 的鋁、0. 6至1. 4 wt. %的鋅，0. 2至0. 5wt. %的錳，高達0. 1 wt. %的硅，高達0. 05 wt. % 的銅，高達0.005 wt. %的鐵，高達0.005 wt. %的鎳，余量鎂和附帶雜質。包括鎂基合金的工件可以具有擠出板、拉伸條、軋制板或鑄造合金的形式。特別優(yōu)選拉伸條。以根據本發(fā)明其他實施例的方式使工件塑性變形。對于鎂拉伸條，優(yōu)選低溫度變形?，F在參考圖2，示出了根據本發(fā)明實施例變形的基于鋁和鎂合金的工件的一些潛在用途。特別地，在汽車100中，可以使用本發(fā)明實施例內包含的方法形成車身板110、前擋泥板120、保險杠組件130、發(fā)動機罩140、車頂板150或后擋泥板160。雖然車身板代表本發(fā)明的優(yōu)選實施例，要理解，鋁和鎂合金可用于在成形期間需增加延展性的很多汽車應用中。 實例用途包括外飾和內飾件、車身電器、儀表和控制、發(fā)動機配件、傳動部件、離合器部件、 懸掛轉向部件、保險杠系統(tǒng)部件、制動系統(tǒng)部件、副車架、燃料儲存系統(tǒng)部件、氫燃料電池部件、氫氣存儲部件、排氣系統(tǒng)部件和車輪。實例
表1列出了各種鋁和鎂合金的標準規(guī)格。表2列出了作為本發(fā)明實用優(yōu)選實例測試的合金的標稱成分。下文參考使用表2所列的樣本標識符的具體測試合金。為了比較，測試了兩個不銹鋼。所測試的不銹鋼具有符合表3所示標準的標稱成分。
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權利要求
1.一種用于在變形期間增加工件的延展性的方法，所述方法包括提供包括合金的工件，所述合金限定了初始延展性并且包括至少75重量百分比的從由鋁和鎂組成的組中選擇的金屬； 將所述工件置于處理室中； 建立室氣氛，所述室氣氛包括 至少50 vol. %氫氣； 少于2000 ppm體積的氧氣； 基本沒有水汽；以及余量惰性氣體； 使所述工件塑性變形；以及從所述處理室取走所述工件，使得至少在向所述工件施加拉伸應力期間，所述合金限定了大于所述初始延展性的處理延展性。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述使所述工件塑性變形還包括向所述工件施加拉伸應力，將所述工件變形到所需形狀，并消除所述拉伸應力。
3.根據權利要求1所述的方法，其還包括設定介于_70°C與+50°C之間的室溫度。
4.根據權利要求3所述的方法，其還包括將所述處理室加壓至介于0.1 MI^a與30 MPa 之間的壓力。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述室氣氛包括至少90vol.%氫氣。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述室氣氛包括至少99vol.%氫氣。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述室氣氛包括至少99.99 vol.%氫氣。
8.一種用于在變形期間增加鋁合金擠出板的延展性的方法，所述方法包括提供包括合金的擠出板，所述合金限定了初始延展性并且包括少于0. 2重量百分比的鈦以及至少75重量百分比的鋁； 將所述擠出板置于處理室中； 建立室氣氛，所述室氣氛包括 至少50 vol.%氫氣； 少于2000 ppm體積的氧氣； 基本沒有水汽；以及余量惰性氣體； 使所述擠出板塑性變形；以及從所述處理室取走所述擠出板，使得至少在向所述擠出板施加拉伸應力期間，所述合金限定了大于所述初始延展性的處理延展性。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述使所述工件塑性變形還包括向所述工件施加拉伸應力，將所述工件變形到所需形狀，并消除所述拉伸應力。
10.一種用于在變形期間增加工件的延展性的方法，所述方法包括提供包括合金的工件，所述合金限定了初始延展性并且包括至少75重量百分比的鎂； 將所述工件置于處理室中； 建立室氣氛，所述室氣氛包括 至少50 vol.%氫氣；少于2000 ppm體積的氧氣；基本沒有水汽；以及余量惰性氣體；使所述工件塑性變形；以及從所述處理室取走所述工件，使得至少在向所述工件施加拉伸應力期間，所述合金限定了大于所述初始延展性的處理延展性。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁和鎂合金中的氫致延展性。具體地，高鎂或高鋁含量工件的延展性在該工件的塑性變形期間得到增加。當該工件在包括高濃度干燥氫氣的密封室中被塑性變形時，與在空氣中被類似變形的相同成分的工件的延展性相比，該工件呈現增加的延展性。對包括鋁和鎂合金具有諸如擠出板、拉伸條、軋制板和活塞鑄造的各種形式的幾個工件，量化所增強的延展性。增強的延展性在廣泛范圍的工藝溫度下是顯而易見的，而強度特征沒有顯著下降。
文檔編號C22F1/04GK102168233SQ20111004611
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權日2010年2月26日
發(fā)明者米希勒 T. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司