本发明涉及一种铝硅合金车身支架及其高压真空压铸制备方法，属于汽车零部件技术领域。
背景技术：
汽车车身支架是汽车中的承载受力件，与汽车安全性密切相关。在汽车车身中，许多支架装在车身结构的节点上并与其它部件连接形成抗变形的高强度框架，这类支架通常具有尺寸大、壁薄、结构复杂等特征。由于在行驶中要保证汽车可靠的安全性，所以对车身支架的力学性能要求高，一般要求抗拉强度≥240 MPa，0.2％屈服强度大于180MPa,伸长率≥8％, 传统的汽车支架大多采用铁或钢质材料，通过冲压、锻造、焊接、铆接等工艺生产。
在世界汽车市场的激烈竞争中，各国都在向高质量、高可靠性、重量轻、节能、低成本方向发展，尤其是随着新能源汽车的快速发展，在材料方面表现为轻量化，用铝合金代替部分钢(铁)件，以达到汽车向高质量、低成本的发展的要求；在工艺方面表现为用先进工艺取代传统的工艺以达到提高毛坯精度，减少加工余量，减少原材料消耗，降低成本的目的；目前，多数铝合金高强度铸件一直是采用重力铸造或低压铸造生产，用这些传统的工艺制造出的车身支架在外观呈现冷隔、凹陷、裂纹等不同程度的质量问题，而在内部往往会出现气孔、缩孔、针孔等致命的缺陷，从而严重影响了产品的性能，同时，因成品率较低，资源和能源利用率低，铝废料再生利用率不高，环境污染严重等缺陷，使铝合金在车身支架上的应用受到了极大的限制。
压铸工艺具有生产率高、铸件精密等一系列优点，用压铸工艺生产车身支架不但可以缩短生产周期，还可达到高精密接近净成形，省去大量的机加工序，节约成本，因此，压力铸造是生产铝、镁合金汽车结构件极具竞争力的一种工艺。但由于车身支架需要优秀的机械性能，为使铝合金支架获得高性能，往往需要热处理，如果支架与其他构件连接，还需要良好的焊接性或铆接性，显然，常规的压铸工艺无法满足车身支架的生产要求，结构件的压铸生产需要进行新的材料及工艺开发。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题：
1、为了提高铝硅合金的强度，通常是提高铜、铁、镁等固溶强化合金的百分比，但这些合金组分的增加会同时带来合金延展性的下降，延伸率不能满足车身之架的要求，本发明需要解决车身之架满足高强度的同时满足高延伸率的要求。
2、由于高压压铸采用热做模具钢做为模具成型部分的材料，在高温、高速、高压的生产过程中，铝合金会对模具材料产生侵蚀，导致粘模、拉伤、变形等严重缺陷，通常解决粘模倾向是保持0.6-1.0％的Fe含量，但含铁量高时，铁相的增加会严重降低铝合金的强度与延展性，本发明需要解决铝合金粘模与高强度、高延伸率的需求。
3、本发明需要解决铝合金熔解过程的吸氢与氧化导致的铝合金脆性问题。
4、要达到车身支架要求的高强度、高延伸率，铸件必须进行固溶强化处理，另外，车身支架可能会要求与其他车身部件进行焊接、铆接装配，在固溶强化或焊接时，如果铸件内部含有气泡，高温时就会膨胀，导致产品表面鼓泡报废，如何解决高压、高速压铸填充过程的金属紊流导致的卷入性气孔，是本发明需要解决的一个工艺问题。
5、由于汽车轻量化的要求，车身支架通常采用网状、框架类设计结构，依靠结构整体强度满足车身的承载要求，在固溶及人工时效的高温下，产品容易产生变形，如何防止铸件变形，保证车身支架的与整车装配结构的位置精度是本发明需要解决的问题。
本发明所要解决的技术问题是克服现在常规制造方法在材料、产品性能、模具、制造工艺的技术不足，提供一种高强度、高延展性、无气孔、可焊接、生产效率高和低成本的铝合金车身支架的制备方法。
本发明的技术方案及实施工艺：1. 铝硅合金车身支架，车身支架采用的铝合金材料组分的重量百分比为：9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.3～0.5％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，0.01-0.03%Sr，其余为Al。
铝硅合金车身支架的高压真空压铸制备方法，按以下步骤进行：
1）选取原料：组分的重量百分比为9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.34～0.55％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，其余为Al；
2）铝合金熔炼与除气：将铝合金材料加入中央熔化炉中进行熔化，利用烟气的余热把铝锭与回收料预热到400-450°C，熔解室气氛温度控制880-900°C，保温室铝液温度控制750-770°，保持室内的铝液，每6-10小时一次，打开扒渣口，用涂过被覆剂并充分干燥的工具，将铝合金表面一层氧化浮渣打出；
取用铝液时，把铝液放到浇包中，用燃气加热装置预热浇包，预热温度400-450°C，向浇包中放铝液时，预先将占铝液重量百分比0.03-0.06％的AL-Sr中间合金放在浇包底部，AL-Sr合金中Sr含量的重量百分比为50％，铝液放到浇包容积的80-90％；
放到浇包中的铝液，采用旋转叉车转运到除气位置，采用惰性气体脱出溶解在铝合金液内的氢气，除气时，先将旋转喷头插入铝液中高速旋转，同时从喷头的孔中吹出高纯度高纯氮气，氮气流量流量10-20升/分中，氮气吹入压力3-3.5bar，低于3bar自动报警，喷头转速250-450转/分钟，在喷头插入铝液旋转25-50秒后，石墨挡板插入，氮气总吹入时间2-6分钟，除气完成先把旋转喷头与挡板提起，铝液静置后用涂过被覆剂并充分干燥的工具，把铝液表面的氧化浮渣打出；
3）定量给汤：除气处理后合格的铝液转到压铸车间，倒入机边定量给汤炉，给汤炉内铝液温度控制670±5°C，给汤炉采用密闭结构防止铝合金氧化及热量散失，采用辐射式电加热保证铝液温度符合工艺要求，生产过程中每2-6小时一次从保温炉中取样进行化学成分的光谱分析，重点监控Sr与Mg元素是否符合要求；
4）压铸模具：车身支架的压铸模具成型部分采用热做模具钢材，经过高频真空淬火及回火后达到基体硬度HRC46±1，表面采用软氮化处理，氮化层厚度0.08-0.1mmm，表面硬度HV900以上，
模具采用一模一腔的布局，采用扇形内浇口，浇口厚度小于2mm，内浇口填充速度设计48-60米/秒，模具内部设计循环水通道，用恒温机控制模具温度平衡，恒温机的介质为水，水压7-12bar，出口温度120-180°C，在压铸过程中，每一模产品取出后，用自动喷雾机将水基离型剂雾化喷到模具表面，雾化气压4-8bar，喷雾时间1-4秒，喷雾结束后用压缩空气清吹模具表面，吹干残余的水分并使离型剂在模具表面形成一层0.003-0.008mm的膜，便于铸件成型后从模具中脱出；
5）压力铸造：定量给汤炉的定量泵把铝合金液注入容杯后，压铸机的冲头启动，依次按照慢速启动、慢压射、快压射、增压压射四级把铝合金注入模具型腔：先以0-0.15m/s的匀加速移动，铝合金承受压力为零，使冲头的铍青铜密封环经过容杯入料口位置后，封闭冲头与容杯的间隙；然后进行慢压射，以0.2-0.3m/s的速度，铝合金承受压力为零，缓慢移动冲头，使铝合金液在容杯内的液面平稳上升，到达模具内浇口部位；快压射，在铝合金液到达模具内浇口部位的压射行程点称为高速转换点，冲头经过高速转换点后，以300-700m/s²的加速度达到2-6m/s的高速压射速度，铝合金通过模具内浇口的速度为48-60m/s，此时铝合金承受压力为300-350bar,通过高速、高压把铝合金注入模具型腔，铝合金的高速填充时间控制30-45ms；增压压射，随着铝合金充满型腔，压射冲头由于运动阻力加大，速度迅速下降，当冲头速度低于1.5m/s时，压铸机给出增压信号，增压阀打开，在20-30ms时间内达到850bar的增压压力，并保持这个金属压力直至铝合金在模具内完全凝固；
在压射冲头达到移动行程点的位置，压铸机给出抽真空启动的信号，真空系统控制模具与容杯两个区域的真空阀打开抽真空，抽真空分为两个区，第一个区为容杯内部，在抽真空启动2-5秒后关闭，第二个区为模具型腔内部，在铝合金充满型腔到达真空阀的一级感应位置后，一级感应阀芯感知到金属的压力驱动后通过机械传动把真空阀芯在5ms内关闭，整个压铸过程，要求抽真空的真空度小于50mbar,从抽真空开始到达到50mbar的真空度时间小于1秒；
6）精切边：产品在模具中冷却后，压铸机打开模具，取件机器人把产品从模具中取出，把产品先放置到风冷架上冷却，产品温度达到60°以下后，机器人把产品放到油压切边机上，切除飞边及流道、集渣包等余料，经过切边后得到车身支架毛坯；
7）固溶处理：把压铸好的车身支架固定在专用夹具上，固定点采用支架与车身连接的安装位置，采用全自动通过式固溶热处理炉做固溶强化，固溶恒温结束后，传送辊道将产品在10秒以内转移到淬火区域，淬火采用风冷直至室温；
8）整形：对车身支架进行整形满足尺寸要求；
9）人工时效：经过整形的尺寸合格的车身支架，采用人工时效达到稳定的强度与延伸率；
10）机械加工：产品经过对装配区域简单的铣平面、钻孔、攻丝后得到车身支架成品。
所述2）步骤中新的铝锭与压铸过程的二次余料按照60-100：0-40的比例加入，回用材料比例小于40％，熔解过程必须保证投料塔里面的料是满的并安装缺料报警装置；放完铝液后，用一种多孔性碳化硅塞子将中央熔炉的出铝口塞住。
所述2）步骤中，除气装置带有一个石墨做成的中空多孔的旋转喷头，喷头外圆做成不规则凸凹结构，以使喷头旋转式带动铝液形成强的漩涡，除气设备另带有一个石墨挡板，挡板与喷头距离300mm，挡板的扰动作用有助于吹入的惰性气体更弥散化，喷头的孔中吹出高纯度99.999％的高纯氮气。
压铸模具上有抽真空的阀口，阀口的打开由压铸机压射行程点的某个位置信号驱动，阀的关闭靠一套机械杠杆结构，当感知到铝合金到达压力后关闭，工艺要求真空阀芯的关闭应答时间小于5ms，为保证模具抽真空过程能够达到需要的真空度，对模具的顶杆外圆、分型面等需要密封的部分用矽胶密封圈密封，密封圈要求耐高温350°C以上，模具的容杯与冲头之间采用浮动的铍青铜冲头环密封。
所述7）步骤中，固溶温度400-450°C，从室温升至400-450°C固溶温度升温时间20-30分钟，固溶恒温时间30-50分钟，控制固溶区不同区域的温差小于5°C，
固溶温度410°C，从室温升至410°C固溶温度升温时间25分钟，固溶恒温时间40分钟，控制固溶区不同区域的温差小于5°C。
所述7）步骤中风冷强度要求从540°C到150°C的冷却速度大于4°/秒，
所述8）步骤中：固溶处理后的车身支架，放在专用的检测、校正夹具上，检测各个安装点的位置精度，对超出尺寸要求的位置用油压压头进行整形，直至符合装配的尺寸要求。
所述9）步骤中：人工时效采用全自动通过式热处理炉，采用专用夹具，固定点采用支架与车身连接的安装位置，时效温度215°C，从室温到215°C升温时间45分钟，控制时效区不同区域的温差小于5°C，时效时间110分钟，然后出炉空冷至室温，得到最终的车身支架毛坯。
本发明所采用的铝合金成分尤其是微量元素的含量、Sr元素的加入方式、热处理工艺等保证车身支架同时具有高的强度与延展性的关键，经产品切片试验，T7处理后的抗拉强度大于240MPa;0.2%屈服强度大于180MPa，延伸率大于8％，完全满足承载式车身零部件的机械性能要求。
高效的脱氢除气工艺，高真空的铸造工艺是保证铸件内部达无气孔的关键，满足了固溶处理以及与其他零部件焊接、铆接装配的要求。
高压压铸高的生产效率、高的尺寸精度、小的切削余量，满足了汽车车身支架大批量、低成本的批量生产要求。
铝合金重量轻，结构强度高的特点，满足了新能源汽车更高的轻量化要求。
本发明的铝合金车身支架高压真空铸造制备方法，能够适满足承载式车身支架对机械性能、生产效率、成本的要求，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
1、原材料采购：车身支架采用的铝合金材料组分的重量百分比为：9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.3～0.5％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，0.01-0.03%Sr，其余为Al；
Si含量控制在铝硅合金共晶点附近，改善金属的流动性，添加一定比例的Mn元素，改善铝合金对模具钢材的亲和力，避免铝与模具侵蚀产生粘模，由于Mn的作用，可以降低Fe的含量，以提高合金的延展性，Mg是在铸件固溶时的强化相，有助于提高铝合金强度，但控制Mg含量小于0.5％，否则会降低金属的延展性，加入微量的Ti/Sr元素在合金中起到变质作用，细化结晶组织的晶粒度，Sr元素为熔炼过程中加入，Fe/Cu/Zn为杂质元素，严格控制最大上限。
外购铝合金采用00#电解铝配置，组分的重量百分比为9.5-11.5％Si，Fe＜0.1％，Cu＜0.03％，0.5～0.7％Mn，0.34～0.55％Mg，Zn＜0.07％，0.04-0.15%Ti，其余为Al，为防止压铸过程Mg含量烧损导致Mg含量低于要求影响强度，外购铝锭中Mg的含量略微提高，Sr为后加入成分。
2、铝合金熔炼与除气：将铝合金材料加入中央熔化炉中进行熔化，新的铝锭与压铸过程的二次余料按照60-100：40-0的比例加入，回用材料比例小于40％，铝料采用自动投料机构投入到投料塔中，利用烟气的余热把铝锭与回收料预热到400-450°C，同时，由于铝料的封闭作用，在熔解室形成还原性气氛，防止铝合金氧化，熔解过程必须保证投料塔里面的料是满的并安装缺料报警装置，熔解室气氛温度控制880-900°C，保温室铝液温度控制750-770°，保持室内的铝液，每8小时一次，打开扒渣口，用涂过被覆剂并充分干燥的工具，将铝合金表面一层氧化浮渣打出。
取用铝液时，把铝液从中央熔炉放到用高氧化铝浇铸料做成的浇包中，浇包不使用时，用燃气加热装置预热，自动预热温度400-450°C，向浇包中放铝液时，预先将占铝液重量百分比0.03-0.06％的AL-Sr中间合金放在浇包底部，AL-Sr合金中Sr含量的重量百分比为50％，靠铝液自身温度把中间合金熔解，依靠铝液冲入的动能使中间合金与铝液充分搅拌，均匀混合，对铝合金液进行变质处理，铝液放到浇包容积的80-90％，放完铝液后，用一种多孔性碳化硅塞子将中央熔炉的出铝口塞住。
熔炼过程中，由于盐类的成分会显著降低铝合金的延展性，所以熔炼过程的除渣、除气不能使用用常规含盐类成分的变质剂。
放到浇包中的铝液，采用旋转叉车转运到除气位置，采用惰性气体脱出溶解在铝合金液内的氢气，除气装置带有一个石墨做成的中空多孔的旋转喷头，喷头外圆做成不规则凸凹结构，以使喷头旋转式带动铝液形成强的漩涡，除气设备另带有一个石墨挡板，挡板与喷头距离300mm，挡板的扰动作用有助于吹入的惰性气体更弥散化。除气时，先将旋转喷头插入铝液中高速旋转，同时从喷头的孔中吹出纯度99.999％的高纯氮气，氮气流量流量15升/分中，氮气吹入压力3-3.5bar，低于3bar自动报警，喷头转速350转/分钟，在喷头插入铝液旋转30秒后，石墨挡板插入，氮气总吹入时间4分钟，除气完成先把旋转喷头与挡板提起，铝液静置1分钟后，用涂过被覆剂并充分干燥的工具，把铝液表面的氧化浮渣打出。用小的专用坩锅杯从铝液中取2个小样，一个在常压下凝固，一个在500mbar下凝固，利用阿基米德定律计算代表铝合金含氢量的密度指数，密度指数＝（常压下密度－真空下密度）*100/常压下密度，要求密度指数小于等于3，密度指数不合格，浇包内铝液做为不合格材料重新回炉。
3、定量给汤：除气处理后合格的铝液转到压铸车间，倒入机边定量给汤炉，给汤炉内铝液温度控制670±5°，给汤炉采用密闭结构防止铝合金氧化及热量散失，采用辐射式电加热保证铝液温度符合工艺要求，生产过程中每4小时一次从保温炉中取样进行化学成分的光谱分析，重点监控Sr与Mg元素是否符合要求。给汤炉向压铸机供铝液时，用气压定量泵根据设定的给汤量对应的金属体积，给压铸机供铝液，铝液用定量泵压出后，通过导液槽流入压铸机的容杯中。
4、压铸模具：车身支架的压铸模具成型部分采用热做模具钢材，经过高频真空淬火及回火后达到基体硬度HRC46±1，表面采用软氮化处理，氮化层厚度0.08-0.1mmm，表面硬度HV900以上。压铸模具上有抽真空的阀口，阀口的打开由压铸机压射行程点的某个位置信号驱动，阀的关闭靠一套机械杠杆结构，当感知到铝合金到达压力后关闭，工艺要求真空阀芯的关闭应答时间小于5ms，为保证模具抽真空过程能够达到需要的真空度，对模具的顶杆外圆、分型面等需要密封的部分用矽胶密封圈密封，密封圈要求耐高温350°C以上，模具的容杯与冲头之间采用浮动的铍青铜冲头环密封。模具采用一模一腔的布局，采用扇形内浇口，浇口厚度小于2mm，内浇口填充速度设计48-60米/秒，模具内部设计循环水通道，用恒温机控制模具温度平衡，恒温机的介质为水，水压9bar，出口温度140°，在压铸过程中，每一模产品取出后，用自动喷雾机将水基离型剂雾化喷到模具表面，雾化气压6bar，喷雾时间1.5秒，喷雾结束后用6bar压缩空气清吹模具表面，吹干残余的水分并使离型剂在模具表面形成一层0.003-0.008mm的膜，便于铸件成型后从模具中脱出。
4、压力铸造：定量给汤炉的定量泵把铝合金液注入容杯后，压铸机的冲头启动，依次按照慢速启动、慢压射、快压射、增压压射四级把铝合金注入模具型腔：先以0-0.15m/s的匀加速移动，铝合金承受压力为零，移动行程200mm，使冲头的铍青铜密封环经过容杯入料口位置后，封闭冲头与容杯的间隙；然后进行慢压射，以0.25m/s的速度，铝合金承受压力为零，缓慢移动冲头，使铝合金液在容杯内的液面平稳上升，到达模具内浇口部位；快压射，在铝合金液到达模具内浇口部位的压射行程点称为高速转换点，冲头经过高速转换点后，以500m/s²的加速度达到4m/s的高速压射速度，铝合金通过模具内浇口的速度为48-60m/s，此时铝合金承受压力为300-350bar,通过高速、高压把铝合金注入模具型腔，铝合金的高速填充时间控制30-45ms；增压压射，随着铝合金充满型腔，压射冲头由于运动阻力加大，速度迅速下降，当冲头速度低于1.5m/s时，压铸机给出增压信号，增压阀打开，在20-30ms时间内达到850bar的增压压力，并保持这个金属压力直至铝合金在模具内完全凝固；
在压射冲头达到200mm行程点的位置，压铸机给出抽真空启动的信号，真空系统控制模具与容杯两个区域的真空阀打开抽真空，抽真空分为两个区，第一个区为容杯内部，在抽真空启动2.5秒后关闭，第二个区为模具型腔内部，在铝合金充满型腔到达真空阀的一级感应位置后，一级感应阀芯感知到金属的压力驱动后通过机械传动把真空阀芯在5ms内关闭，整个压铸过程，要求抽真空的真空度小于50mbar,从抽真空开始到达到50mbar的真空度时间小于1秒，以能够把模具内的空气完全抽出，得到无气孔的车身支架。
5、精切边：产品在模具中冷却12秒后，压铸机打开模具，取件机器人把产品从模具中取出，把产品先放置到风冷架上，冷却6分钟，产品温度达到60°以下后，机器人把产品放到油压切边机上，切除飞边及流道、集渣包等余料，经过切边后得到车身支架毛坯。
6、固溶处理：把压铸好的车身支架固定在专用夹具上，固定点采用支架与车身连接的安装位置，采用全自动通过式固溶热处理炉做固溶强化，固溶温度410°C，从室温至410°C固溶温度升温时间25分钟，固溶恒温时间40分钟，控制固溶区不同区域的温差小于5°C，恒温结束后，传送辊道将产品在10秒以内转移到淬火区域，淬火采用风冷，风冷强度要求从540°C到150°C的冷却速度大于4°/秒，风冷直至室温。
7、整形：固溶处理后的车身支架，放在专用的检测、校正夹具上，检测各个安装点的位置精度，对超出尺寸要求的位置用油压压头进行整形，直至符合装配的尺寸要求。
8、人工时效：经过整形的尺寸合格的车身支架，采用人工时效达到稳定的强度与延伸率，人工时效采用全自动通过式热处理炉，采用专用夹具，固定点采用支架与车身连接的安装位置，时效温度215°C，从室温到215°C升温时间45分钟，控制时效区不同区域的温差小于5°C，时效时间110分钟，然后出炉空冷至室温，得到最终的车身支架毛坯。
9、机械加工：产品经过对装配区域简单的铣平面、钻孔、攻丝后得到车身支架成品。
上述出现的各个具体参数可在实际生产中根据实际情况在规定区域内做出相应改变。