鎂合金在高速列車上的應用與開發(fā)＊

李瑞淳

（長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

鎂合金具有密度小、比強度、比剛度高、減振性能好、可加工、可循環(huán)利用等突出優(yōu)點，特別是其比強度和比剛度高，優(yōu)于鋁合金和鋼，接近鈦合金。隨著有色金屬冶煉、加工制造技術水平的迅速提升，鎂合金作為重要的工程材料應用于高速列車不僅已是指日可待，而且也是高速軌道交通裝備制造技術未來發(fā)展的必然趨勢。另外，相對于鋁合金，鎂合金的資源優(yōu)勢更易于推動其技術進步，并在高速列車上的應用過程中取得良好的技術經濟效益。

1 當前鎂合金的開發(fā)和應用情況

1．1 高速列車用鎂合金的開發(fā)方向

實際上，近年來鎂合金作為一種新型輕量化工程材料在國內發(fā)展的相當快，被廣泛應用于航天、航空、軍工、汽車、3C產品、紡織和印刷等領域和行業(yè)，其中以汽車工業(yè)中應用的批量為最大，航天領域中的應用次之，其技術均十分成熟。但是，在汽車工業(yè)中應用的鎂合金材料以鑄造產品為主，占應用總量的90%左右，很少有擠壓型材和板材；在航空領域中應用的鎂合金雖有板材，則均是厚度在4 mm以上的中厚板材。而對于高速列車來講，最需要的鎂合金產品主要是擠壓型材和厚度在4 mm以下的薄板。因此，還需要在其他應用領域中成熟應用的鎂合金材料技術的基礎上繼續(xù)拓展，進一步挖掘鎂合金材料的潛力，充分發(fā)揮鎂合金的優(yōu)勢，開發(fā)適合高速列車應用的鎂合金型材、板材及其零部件設計、制造和應用技術，以使其在高速列車輕量化發(fā)揮突出作用。

現階段，可以像鋁合金一樣制造出擠壓型材和板材的鎂合金主要有牌號為 AZ31（AZ31Re）、ZK60、AZ80等鎂合金材料，它們與鐵道車輛常用鋁合金材料的比較見表1。其中最典型的鎂合金AZ31與鋁合金6005A的拉伸性能比較見圖1。從圖1中可以看出，典型的鎂合金AZ31的力學性能基本接近于鐵道車輛常用鋁合金6005A，只是脆性較大，但仍可作為替代鋁合金的工程材料應用于高速列車。無論是對于高速列車制造業(yè)，還是對于鎂合金材料行業(yè)，如何用好上述典型鎂合金材料制造出高速列車所需的型材、板材及其深加工產品既是高速列車輕量化的研究方向之一，也是鎂合金材料應用技術的開發(fā)方向之一。

表1 典型鎂合金與車輛常用鋁合金化學成分及性能對照表

圖1 典型鎂合金與鋁合金拉伸性能的比較

1．2 鎂合金在鐵道車輛上的開發(fā)與應用現狀

至今為止，鎂合金材料應用比較成功的實例是25G型客車的空調系統(tǒng)通風格柵，其余還有一些諸如車窗防護欄桿、衣帽鉤等小件產品。

（1）25G行李車鎂合金空調通風格柵

產品結構：該產品應用于25G行李車中，是裝于行李車內門上的空調通風格柵，其主要功能是保證空調系統(tǒng)的回風需要，其結構如圖2所示，主要由外框和隔格等零部件組成。該產品的應用批量為76輛25G型客車。

材質：外框和格柵均采用鎂合金擠壓型材制造，型材的材料牌號是AZ31R，其化學成分和力學性能分別如表2和表3所示。

組成方式與表面處理：格柵與外框型材之間采用插接方式連接，外框本身采用焊接的方式制造，產品成型后表面進行噴塑處理。

圖2 小批量裝車運用的鎂合金空調通風口格柵

表2 鎂合金AZ31R的化學成分

表3 鎂合金AZ31R的力學性能

（2）鎂合金臥鋪框架

產品結構：現在已經開發(fā)出來，并達到裝車試驗和應用水平的鎂合金產品還有軟臥車的臥鋪框架。其主要功能是托住軟臥墊，并承受相應的載荷，其結構（試制出的產品樣件）如圖3所示，主要由臥鋪邊框、底板、扶手和支座等零部件組成。

材質：臥鋪邊框、底板、扶手等零部件均采用鎂合金制造，以上零部件使用鎂合金的材料牌號、化學成分和力學性能分別如表4和表5所示。

圖3 鎂合金臥鋪框架樣件

組成方式和表面處理：臥鋪框架及其與底板、扶手之間采取焊接的方式連接，框架與支座之間采取機械連結方式連接。正式的產品還需要根據實際運用列車的美工設計方案做不同顏色的表面噴塑處理。

1．3 高速列車用鎂合金開發(fā)與應用的主要技術攻關方向與內容

1．3．1 設計技術攻關

由于鎂合金與鋁合金各項性能指標，特別是彈性模量、泊桑比差別較大，加之絕大多數鎂合金加工材料如擠壓型材、軋制板材等具有一定的晶體學織構，由此帶來力學性能的各向異性。這對車體及其零部件的設計是一個新的挑戰(zhàn)。但是在用鋁合金取代鋼材研制高速列車車體的過程中曾遇到過同樣的問題。當初采用低彈性模量（楊氏彈性模量70 GPa）的鋁合金取代高彈性模量的鋼材（楊氏彈性模量210 GPa）制造高速列車車體，就突破了傳統(tǒng)的車體結構設計，在采用鋁合金制造車體及其零部件進行輕量化設計的同時，成功地解決鋁合金車體及其零部件的剛度和強度設計問題，保證了鋁合金車體及其零部件能夠承受列車運行過程中的縱向載荷、垂直載荷、側向載荷和扭轉載荷。因此，采用彈性模量低于鋁合金的鎂合金（楊氏彈性模量45 GPa）設計制造高速列車車體及其零部件，不可避免的要重新走過開發(fā)研制鋁合金高速列車車體相同的歷程，抓住材料彈性模量變化的特征，開展好車體結構及其零部件的拓撲優(yōu)化。

表4 臥鋪框架主要材料的化學成分

表5 臥鋪框架的主要材料的力學性能

1．3．2 制造技術攻關

（1）材料優(yōu)化

從材料性能的角度講，鎂合金要代替或部分代替鋁合金不僅需要解決彈性模量低的問題，還要解決阻燃性、耐腐蝕性和耐高溫性等方面的問題。是否可以和應該利用在鎂合金中添加價格相對低廉的鑭（La）、鈰（Ce）等稀土鎂合金元素，來進行材料優(yōu)化，全面提高鎂合金的力學性能和阻燃性、耐腐蝕性和耐高溫性等綜合性能指標，非常值得研究。

（2）材料加工技術攻關

最初鋁合金車體高速列車的研制是一個全面創(chuàng)新的過程，其技術關鍵首先是鋁合金短流程加工（擠壓）技術的成熟，大斷面（寬幅）鋁合金閉口型材和開口型材設計制造技術的成熟化。對鎂合金而言，短流程加工技術已經日趨成熟，已具備一定規(guī)模的工程化應用水平；而鎂合金板材，尤其是寬幅板材應該是鎂合金材料加工的主要技術攻關方向和內容之一。

（3）焊接技術和裝備

雖然熔化焊接模式已經成熟，大量鎂合金型材、板材的焊接技術和裝備研究對鎂合金大型結構的工程應用是很好的基礎，其中包括固態(tài)焊接模式——攪拌摩擦焊（FSW）。根據軌道列車車體的結構特點，特別是借鑒鋁合金列車的成功生產經驗，應該是更好的選擇，無疑，相應的焊接技術和裝備也都將是鎂合金應用的技術攻關方向和內容之一。

（4）表面處理技術

自然生成的鎂合金表層氧化膜的致密系數小于1，因而必須要鎂合金采取表面處理措施，以解決鎂合金的抗腐蝕防護處理問題。采用何種恰當的表面處理技術，使鎂合金表面處理的防腐性和裝飾性同時達到鋁合金表面處理的效果，將是鎂合金表面處理技術的攻關方向和目標。

2 在高速列車中的開發(fā)應用目標

（1）座椅安裝型材和地板布安裝型材

目前正準備開發(fā)應用于鐵道車輛上的鎂合金零部件還有分別如圖4和圖5所示的座椅安裝型材和地板布安裝型材。這兩個零件斷面形狀并不復雜，其成品是連續(xù)通長的制件，僅需要通過機械加工的方法鉆出若干個小圓孔，非常適合用鎂合金擠壓型材制造。

（2）全鎂合金蜂窩板

圖6所示是正在開發(fā)的鎂－鋁合金蜂窩夾層板樣件，可以用于制造鐵道車輛的間壁板和平頂板（見圖7）。現在該產品還處于試制階段，它是由鎂合金面板和鋁蜂窩芯組成的鎂－鋁合金蜂窩夾層板，還不是真正意義上的全鎂合金的蜂窩夾層板；另外，做為其面板的鎂合金板材的軋制工藝還略有欠缺，表面質量尚未達到在高速列車中實際應用內間壁和平頂板的制造質量要求。

圖4 座椅安裝型材

圖5 地板布安裝型材

圖6 鎂－鋁合金蜂窩夾層板

圖7 動車組的間 壁和平頂板

3 結束語

作為一種高速列車新材料，鎂合金的應用技術還處于起步階段，特別是大規(guī)格的高強度鎂合金加工產品的生產技術還很不成熟，需要分階段開發(fā)，分步推進，由淺入深地探索規(guī)律性的技術內容，逐步完善開發(fā)設計、制造和應用技術以及維護和維修技術，為此，歸納幾項要點如下：

（1）鎂合金是最具潛力的高速列車輕量化新材料，其開發(fā)與應用研究應該堅持不懈，要開展更為細致的工作；既要充分挖掘鎂合金材料潛力，又要開發(fā)新型鎂合金材料，以開發(fā)出高速列車真正需要的鎂合金產品。

（2）鎂合金的力學性能、加工特性、資源與回收、制造成本、環(huán)境相容性、應用安全性等每一個環(huán)節(jié)均會成為影響其應用的重要因素，過分強調或偏重于其中任何一個環(huán)節(jié)不能促進鎂合金在高速列車中應用與發(fā)展。

（3）在高速列車中，鎂合金材料及其制造零部件的開發(fā)首要目標和要取得的成果是“輕量化”，不是單純的材料代替；更不是簡單地代替鋁合金。

（4）應用鎂合金制造高速列車零部件，需采取正確的發(fā)展策略，首先從車內承載要求較低的零部件開始試制，再推廣至車內外承受一定載荷的次重要部件，（如間壁、平頂板、設備艙底板、車下裙板等），循序漸進，最終推廣應用于制造高速列車車體中的重要承載部件，達到大幅度輕量化目標，實現高速列車輕量化材料應用的飛躍。

（5）讓鎂合金在高速列車中的應用水平達到鋁合金在高速列車中的應用水平，設計制造大規(guī)模應用鎂合金的超輕量化高速列車車體，或許是未來世界高速列車的技術發(fā)展潮流。

［1］張 津，章宗和．鎂合金及其應用［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2004．

［2］權高峰，嚴 峰，劉趙銘．鎂合金與我國的軌道交通［J］．科學中國人，2007，（2）：83－87．

［3］中國科學院長春應用化學研究所．稀土鎂合金研究資料［R］．2008．

［4］權高峰，李瑞淳．中華人民共和國專利，鎂鋁蜂窩板及鎂鋁蜂窩板的制備方法［P］．200910091151．1，2009．

［5］長客鋪椅公司，權高峰．中華人民共和國專利，軌道客車鎂合金臥鋪［P］．200710127585．3，2010．