鎂合金在軌道客車上的應(yīng)用及展望

李巖 郭建強(qiáng) 孫召進(jìn) 林君山

摘 要：近年來我國軌道交通裝備行業(yè)發(fā)展迅速，軌道客車速度快、能耗低、舒適性設(shè)計、環(huán)境友好、以人為本的設(shè)計特點(diǎn)，具有其他交通方式無法比擬的優(yōu)勢。輕量化設(shè)計可以實現(xiàn)軌道客車多方面的優(yōu)化，是軌道客車關(guān)鍵技術(shù)之一。鎂合金是目前工程應(yīng)用中密度最小、比強(qiáng)度最高的結(jié)構(gòu)金屬材料，在軌道客車輕量化應(yīng)用中具有非常好的前景。

關(guān)鍵詞：軌道客車；鎂合金；輕量化；應(yīng)用

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198（2012）01-0276-02

1 鎂合金的特點(diǎn)

鎂在元素周期表中排在第十二位，屬于第二主族堿土金屬。鎂在地殼中的蘊(yùn)藏量極其豐富，其含量約占地殼總重量的2.1％，僅次于氧、硅、鋁和鐵等元素而占第八位。鎂的密度為1.738g/cm³，鎂合金比鋁合金輕36％，比鋅合金輕73％，比鋼輕77％，是目前工程應(yīng)用中密度最小、比強(qiáng)度最高的結(jié)構(gòu)金屬材料。鎂合金在材料減重方面的優(yōu)勢使得它在交通運(yùn)輸領(lǐng)域備受關(guān)注。鎂合金主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高比強(qiáng)度、比剛度和比彈性模量。鎂合金的比強(qiáng)度高于鋁合金，遠(yuǎn)高于鋼；比彈性模量和比剛度近似于高強(qiáng)度鋁合金。日本的Inoue等人用快冷粉末冶金方法得到的Mg97Zn1Y2合金，其屈服強(qiáng)度達(dá)到480MPa～610MPa，同時根據(jù)固結(jié)溫度的不同有5％～16％的大伸長率，是目前世界上強(qiáng)度最高的鎂合金。

（2）優(yōu)秀的阻尼和減振性能。與鋁合金相比，鎂合金擁有更優(yōu)秀的衰減振動和降低噪聲的能力。例如在20MPa應(yīng)力下，常用鎂合金AZ91D的衰減系數(shù)為20％，而鋁合金A380只有1％。在100MPa應(yīng)力作用下AZ91D的衰減系數(shù)可達(dá)55％，AS41鎂合金的衰減系數(shù)更是高達(dá)70％，而同樣情況下鋁合金A380的衰減系數(shù)只有4％。鎂合金還具有良好的承受沖擊載荷性能，彈性范圍內(nèi)鎂合金受到?jīng)_擊載荷時，吸收的能量可以比鋁合金件多50％，而且由于有更好的延伸率，鎂合金收到?jīng)_擊后可以吸收更多的能量而不至于斷裂。所以鎂合金是非常好的減振降噪材料。

（3）優(yōu)良的機(jī)械加工性能和鑄造性能。鎂合金在金屬中屬于非常易于加工的材料，切削阻力小可以滿足高速切削加工，并且加工完成后表面十分光潔，基本不需要磨削和拋光。鎂合金液流動性好，可以鑄造出壁厚很薄、形狀復(fù)雜的零件，而且不容易粘模具，清理模具的費(fèi)用較低。鎂合金壓鑄件尺寸精度比鋁合金壓鑄件精度高50％，同時壓鑄周期短，生產(chǎn)效率比鋁合金高25％，鎂合金加工耗能比鋁合金低50％。

（4）良好的導(dǎo)熱、電磁屏蔽性能。鎂合金的散熱性能不但比塑料高的多，比鋁合金也要好。由于鎂合金壓鑄件可以比鋁合金壓鑄件的壁厚做的更薄，所以散熱比鋁合金件更快，同時形狀也可以做得更復(fù)雜。鎂合金具有很好的屏蔽電磁干擾的性能，適合制作對電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的部件。

（5）鎂合金材料可以循環(huán)使用，保護(hù)環(huán)境。鎂合金比熱較小，與比其它金屬相比熔點(diǎn)較低，在循環(huán)利用熔解時所消耗的能源非常低，還不到新材料制造所消耗的能源的5％。

2 鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的鎂合金主要可以分為兩種，一種是鑄造鎂合金，另一種是變形鎂合金。目前壓鑄鎂合金在工業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，鎂合金經(jīng)過變形之后，可以得到更加優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能，從而滿足不同的場合需求，所以發(fā)展變形鎂合金非常有前景。

鎂合金的特點(diǎn)可滿足航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料降噪、減振、防輻射的要求，同時可大大改善飛行器的氣體動力學(xué)性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)重量。目前鎂合金在航空工業(yè)上應(yīng)用很廣泛，其中包括AZ91、AZ31、ZE41、QE22、WE43等。

節(jié)能與環(huán)保的新要求使汽車公司都設(shè)法減輕汽車的重量，從而達(dá)到降低汽油消耗和溫室氣體排放量的新標(biāo)準(zhǔn)，鎂合金的減重效果可以最大限度滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能的溫室氣體排放的要求。鎂合金具有良好的阻尼系數(shù)，減振性能好于鋁合金和鑄鐵。在座椅、方向盤、輪轂上應(yīng)用可以減少振動，在車門等殼體上應(yīng)用可以降低噪聲，提高汽車的安全性和舒適性。目前，汽車儀表、座椅架、方向操縱系統(tǒng)部件、引擎蓋、變速箱、進(jìn)氣歧管、輪轂、發(fā)動機(jī)和安全部件上都有壓鑄和變形鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用。

3 軌道客車的輕量化設(shè)計

軌道客車輕量化設(shè)計主要是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采用新材料來實現(xiàn)，它主要包括列車車體、車內(nèi)設(shè)備、車外吊掛安裝設(shè)備的輕量化。在考慮減輕列車重量的時候，必須在確保車體強(qiáng)度、剛度、動力學(xué)和動應(yīng)力等滿足要求的前提下，盡量實現(xiàn)列車的輕量化。

軌道客車輕量化設(shè)計主要考慮軸重限制、節(jié)省能源和加速制動等方面的因素。由于鐵路軌道的承受能力有限，因此必須對列車的最大軸重做出限制。列車速度越高，對軌道的沖擊力越大，當(dāng)運(yùn)行速度高于250km/h及以上時，對軌道的沖擊力就會變得很大，所以速度高于120km/h的車輛軸重必須隨車輛速度的升高而降低。軸重超過規(guī)定的車輛（包括機(jī)車、動車和拖車）不允許上線運(yùn)行。軌道客車運(yùn)行時阻力很大一部分是輪軌摩擦阻力，減小列車重量可以有效減小輪軌摩擦阻力，改善轉(zhuǎn)向架等重要部件的運(yùn)行條件，同時可以減小所需的牽引功率，節(jié)省能源。另外列車較重時慣性較大，減輕重量可以更安全快捷地起動加速和減速制動。因此，輕量化設(shè)計可以實現(xiàn)軌道客車多方面的優(yōu)化，是提升軌道客車綜合競爭力非常有效的途徑。

綜上分析，減輕軌道客車自重對減少線路損害、減少動力消耗、節(jié)約能源以及減少制動系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，都具有十分重要的意義。軌道客車實際線路運(yùn)行的環(huán)境和工況非常復(fù)雜，所以軌道客車材料必須保證在各種環(huán)境和工況下都能滿足機(jī)械強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、振動模態(tài)、理化性質(zhì)、環(huán)境友好等標(biāo)準(zhǔn)要求。要想實現(xiàn)軌道客車的輕量化設(shè)計，材料必須符合以下要求：低密度，屈服極限及強(qiáng)度極限，彈性模量及剛度較高，溫度穩(wěn)定性較好等。鎂合金的性能和特點(diǎn)比較適合軌道客車輕量化的要求，通過推廣鎂合金技術(shù)和產(chǎn)品在軌道客車上的應(yīng)用，不僅可以減輕重量、節(jié)約能源，還可提高列車的安全性、可靠性和舒適性。

4 鎂合金在軌道客車上的應(yīng)用

目前常用的鎂合金按照添加合金元素的不同可以大致分為Mg-Al系合金、Mg-Mn系合金、Mg-Zn系合金；按成型方法可以大致分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中應(yīng)用鑄造鎂合金中絕大部分是壓鑄鎂合金。工業(yè)常用的鎂合金包括AZ31B、AZ61A、AZ91D、AM60B等。表1為軌道客車常用鋁合金與可使用鎂合金的性能對比。

通過表1的性能對比可以看出，常用變形鎂合金和壓鑄鎂合金與鋁合金的力學(xué)性能相近，非常有潛力在軌道客車替代鋁合金，實現(xiàn)輕量化減重的目的。

現(xiàn)代軌道客車設(shè)計必須考慮的幾個頂層指標(biāo)分別是安全性設(shè)計、節(jié)能環(huán)保設(shè)計和舒適性設(shè)計。鎂合金有良好的吸收能量性質(zhì)，應(yīng)用在列車座椅上可以在列車出現(xiàn)碰撞事故時使座椅吸收更多的能量，從而保護(hù)乘客的安全。比如AM60合金具有突出的吸能性，同時兼有良好的強(qiáng)度和韌性，已經(jīng)在國外直升飛機(jī)座椅上得到應(yīng)用。鎂合金在列車減重節(jié)約能源方面優(yōu)勢明顯，而同時鎂合金具有優(yōu)良的模壓加工性能，可以壓鑄成為復(fù)雜的外形，從而滿足座椅的人體工程學(xué)和外觀美學(xué)設(shè)計。使用鎂合金制作列車座椅上可以把美學(xué)、人體工程學(xué)、輕量化和成型性這幾種設(shè)計很好地結(jié)合在一起。

國外軌道客車上已經(jīng)有許多鎂合金應(yīng)用的報道。法國TGV高速列車已經(jīng)在TGVDuplex雙層高速列車座椅上應(yīng)用了鎂合金件，采用鎂合金件的座椅總數(shù)量超過了45000個，應(yīng)用鎂合金的部件包括座椅小桌面板、座椅扶手、腳踏板、座椅側(cè)面面板。采用鎂合金的座椅重量明顯減輕，和原先的鋁合金座椅相比每個雙人座椅由36kg減輕到30kg。鎂合金件所需成本不高，減重之后節(jié)約了列車運(yùn)行成本。TGV列車鎂合金在座椅上的應(yīng)用實現(xiàn)了減重、節(jié)約成本和應(yīng)用功能的良好結(jié)合。韓國KTX特快列車在座椅基座上使用了鎂合金板材零件，鎂合金比之前采用鋁合金和玻璃鋼每個座椅減重5kg，并且可以節(jié)省8％～10％的成本。

日本新干線列車在輕量化減重技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先地位。目前日本新干線N700系列高速列車座椅骨架已經(jīng)采用鎂合金，包括座椅扶手、中央支撐架、底墊、底座、扶手座、背靠等（如圖1、圖2所示）。使用效果良好，實現(xiàn)了整車減重目的，提升了動車組的動力性能并減少了能耗。

圖2 組裝完成的鎂合金座椅輕量化材料中的優(yōu)勢使鎂合金在我國軌道客車應(yīng)用潛力巨大，我國某些研究機(jī)構(gòu)和主機(jī)廠也對鎂合金在列車上的應(yīng)用做了許多研究和試驗。比如使用AZ91D鎂合金替代動車組PA塑料制作小桌支臂減輕列車重量。動車組原始PA塑料小桌支臂強(qiáng)度較低，現(xiàn)車使用中有斷裂損壞的風(fēng)險，使用鎂合金制作小桌支臂，不僅強(qiáng)度完全滿足使用需求，并且可以明顯提升承載能力、斷裂伸長率和沖擊韌性等性能。首先，經(jīng)過測試鎂合金小桌支臂的抗拉強(qiáng)度和彈性模量完全優(yōu)于PA塑料小桌支臂，對兩種材料的小桌支臂做20kg載荷變形量試驗，結(jié)果顯示鎂合金支臂變形量明顯小于PA塑料支臂。PA塑料支臂為實心結(jié)構(gòu)，而鎂合金支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計得更薄更合理，所以每個AZ91D鎂合金支臂可以比原來實心PA塑料支臂減輕約35％的重量。疲勞強(qiáng)度試驗結(jié)果顯示鎂合金小桌支臂完全符合疲勞耐久設(shè)計。盡管重量有所減輕，但由于材料性能出眾，使用鎂合金材料的小桌支臂最大承載能力比以前有明顯的提升。綜合評價得出，鎂合金小桌支臂可以完全滿足國內(nèi)動車組使用需求，使用AZ91D鎂合金替代PA塑料制作小桌支臂可以滿足動車組的輕量化設(shè)計。

現(xiàn)階段軌道客車鎂合金應(yīng)用的主要研究目標(biāo)是在大部分非承載零部件上使用鎂合金材料替代鋁合金，在使用成熟后再發(fā)展到承載零部件的應(yīng)用。根據(jù)鎂合金的性能和特點(diǎn)，目前鎂合金可以在列車以下結(jié)構(gòu)上進(jìn)行使用：

·列車內(nèi)裝型材、車窗內(nèi)框架、小桌板及支臂；

·行李架邊框、座椅骨架、臥鋪框架、內(nèi)部儀表盤框架；

·車下裙板、車內(nèi)間壁面板、車下設(shè)備艙底板。

國內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)試制出了鎂合金臥鋪框架樣品和鎂合金間壁面板樣品，有相關(guān)廠家小批量試制了在行李架、座椅骨架、小桌板支臂等部位應(yīng)用的鎂合金零件，需要在列車上進(jìn)行進(jìn)一步的使用性能驗證。

5 技術(shù)難點(diǎn)及展望

盡管鎂合金有許多其他材料不具備的優(yōu)勢，但如果想進(jìn)一步擴(kuò)大在高速列車上的應(yīng)用，主要還需要解決一下一些問題：

（1）鎂合金是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過軋制或者定向擠壓等變形加工后容易產(chǎn)生基面織構(gòu)而導(dǎo)致力學(xué)性能在各個方向上不一致，需要研究如何消除內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。

（2）鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，易被氧化和腐蝕，與異種金屬表面接觸容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。需要進(jìn)一步研究表面防腐技術(shù)和鎂合金裝配防腐方法。

（3）常規(guī)焊接方法不適用于鎂合金焊接，使用新型的固相焊接方法（攪拌摩擦焊等）焊接鎂合金的性能還需要做許多驗證。

（4）鎂合金寬幅擠壓工藝還不成熟，難以制造大斷面擠壓型材。需要對鎂合金擠壓設(shè)備和擠壓工藝加以改進(jìn)。

（5）鎂合金在高溫與在室溫下強(qiáng)度差別較大，大多數(shù)鎂合金工作溫度不超過150℃。目前有添加稀土的耐熱鎂合金的研究，但成本較高，應(yīng)盡快研制成本較低的耐熱鎂合金。

我國軌道交通裝備的快速發(fā)展，對輕量化的要求也會越來越高。我國鎂資源儲量約占全球的50％以上，菱鎂礦、白云石資源豐富，這為我國的鎂合金發(fā)展提供了巨大的資源和成本優(yōu)勢。隨著鎂合金開發(fā)和應(yīng)用研究的發(fā)展，鎂合金的性能會得到不斷提升，未來趨勢是進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，從高速列車上的非承載零部件逐漸發(fā)展應(yīng)用到承載零部件，使鎂合金成為高速列車輕量化關(guān)鍵材料。

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