淺談動車組用主要鋁合金材料及其服役性能

張偉

摘 要：鋁合金由于具有質(zhì)量輕、強度高抗腐蝕性能強等優(yōu)點廣泛運用于動車組制造中。由于材料的成分、加工工藝與性能之間存在緊密的關(guān)系，本文綜述各種鋁合金材料的成分、加工工藝和性能，指出其制造與服役性能中存在的問題與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：動車組 鋁合金 服役性能

引言：

高速列車啟動快、速度高、安全舒適、振動與噪聲小等優(yōu)點，列車運行速度提高后， 運行阻力增大、輪軌間作用力和噪聲劇增。列車輕量化對提高列車運行速度延長車輛和線路的壽命具有重要意義。為了降低重量、增強抗腐蝕性能和隔音性能，列車曾經(jīng)相繼使用了如耐候鋼.、不銹鋼以及鋁合金等材料。其中鋁合金材料由于具有高的比強度、比剛度、良好的耐蝕性獲得了最為廣泛的應(yīng)用。

目前國內(nèi)高速列車主要應(yīng)用了以下幾種鋁合金：2014為代表的2系鋁合金，5083為代表的5系鋁合金、6N01為代表的6系鋁合金以及7N01為代表的7系鋁合金。并通過各種不同加工工藝獲得不同的使用性能。各系列鋁合金具有不同的成分，并且加工制造工藝不同，本文將對其進(jìn)行概述，分析典型鋁合金性能以及存在的問題指出其發(fā)展方向。已經(jīng)應(yīng)用在動車組列車上的鋁合金牌號有Al-Cu-Mg-Si2014、Al-Mg5083、Al-Mg-Si6N01、 Al-Zn-Mg7N01。各種牌號鋁合金材料主要成分差別在Cu，Mg，Zn，Si四種元素的含量。材料的性能除了受成分的顯著影響外還受到熱處理工藝、成形工藝、拉伸性能的影響。合金系列Al-Cu2014-T6采用鍛造工藝；Al-Mg5083-O、Al-Mg-Si6N01S-T5 Al-Mg-Si6005A-T6采用擠壓或軋制工藝；Al-Zn-Mg7N01-T5采用鍛造或擠壓。五種合金均作為結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用于鋁合金車體及轉(zhuǎn)向架上部分承載結(jié)構(gòu)件上，其中2014鋁合金強度最高，用來設(shè)計制造承受較大載荷的部件，其他四種合金強度值相當(dāng)一般用來制造車體頂部、側(cè)墻、端墻、地板、吊鉤等結(jié)構(gòu)。除了強度值的要求，制造工藝也決定了合金的應(yīng)用范圍，如Al-Mg-Si合金一般采用擠壓成形，適合制作大尺寸復(fù)雜截面的型材。

2××× 鋁合金

2系合金為高強度鍛鋁合金，其強化相為CuAl2 （θ）， Al2CuMg （S） and Al3Mg2 （β），可以進(jìn)性熱處理強化，具有高強度和優(yōu)異的熱加工性能，便于鍛造，由于合金中的銅元素含量較高，使得其乃是性能較差，具有晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的傾向。其焊接性能較好，切削加工性能較好。一般用來制造要求高強度、高硬度、并承受高載荷的構(gòu)件。

國外2014材料對應(yīng)牌號有A2014（JIS），EN AW2014（EN），AlCuSiMn/3.1255（DIN），2014（AA）等。

2系鋁合金一般在熱處理之后產(chǎn)生較明顯的腐蝕敏感性，所以應(yīng)進(jìn)行表面陽極氧化處理和表面涂漆防止產(chǎn)生斷裂失效。

5××× 系列鋁合金

5083合金為Al-Mg系防銹鋁合金，由于第二相β（Mg2Al3）比較難以析出形核，析出強化效果不明顯，所以不可熱處理強化；并且析出相容易聚集在晶界處并對應(yīng)力腐蝕比較敏感，不宜進(jìn)行時效處理。同時其強度比較低，而合金的塑形較好，其耐蝕性和焊接性較好，退火狀態(tài)時切削加工性很差，5083合金常用來制造要求中等強度并具有良好耐蝕性的焊接部件。

國外5083材料對應(yīng)牌號有A5083（JIS），EN AW5083（EN），AlMg4.5Mn/3.3347（DIN），5083（AA）等。

由于5083合金優(yōu)良的耐蝕性，列車的無涂裝車體曾經(jīng)大量使用其制造。但由于其擠壓成形性能不如6系鋁合金，所以后來逐漸被6系鋁合金所代替，目前只有少量部位采用5083合金板材制造。

6××× 系列鋁合金

6系鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金。可以通過第二相β（Mg2Si）進(jìn)行析出強化，所以為可熱處理強化鋁合金。此系列鋁合金具有優(yōu)良的擠壓加工性能并且具有較寬的淬火溫度、低淬火敏感性，廣泛應(yīng)用于制造大型復(fù)雜擠壓型材，型材可以通過淬火與人工時效進(jìn)行強化。其中6N01合金來源于6005合金，兩種合金用于制造高速列車上空心結(jié)構(gòu)車體的各部分。

6005與 6N01大型型材主要通過焊接工藝組裝組成車體結(jié)構(gòu)，但是傳統(tǒng)的焊接工藝方式焊前需要進(jìn)行復(fù)雜的準(zhǔn)備與處理工藝，并且容易造成焊接缺陷與較大的焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。比如熔焊鋁合金車體焊縫中存在氣孔使得接頭的疲勞性能嚴(yán)重降低，甚至在焊接組裝過程中形成了熱裂紋導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。如今攪拌摩擦焊在鋁合金結(jié)構(gòu)的連接方面已經(jīng)發(fā)展比較成熟，由于其無焊接殘余應(yīng)力，不需要焊前打磨和開坡口，不會產(chǎn)生氣孔與焊接裂紋所以具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

7××× 系列鋁合金

7系鋁合金屬于Al-Zn-Mg合金. 目前常溫服役強度最高的鋁合金系列，其可以通過η （MgZn2）沉淀相進(jìn)行強化，所以屬于可熱處理強化合金。常用語制造承受較大載荷的結(jié)構(gòu)部件，如梁、框架和桿等。

由于 7N01合金良好的溫成形性能，較寬的淬火溫度范圍以及 良好的可焊性所以7N01S-T5常用語制造梁和各種框架。但由于其具有應(yīng)力腐蝕敏感性，特別是焊接結(jié)構(gòu)的焊縫處，應(yīng)當(dāng)特別注意應(yīng)力腐蝕開裂的傾向。

綜述：

鋁材具有明顯的減重效果、節(jié)能效果和環(huán)保效果，有助于提高交通運輸工具行駛的平衡性、舒適性和安全性，是實現(xiàn)交通運輸業(yè)輕量化、現(xiàn)代化、高速化的最理想的關(guān)鍵材料。隨著高速列車對服役性能以及可靠性要求的提高，新型鋁合金材料一方面將朝著高性能方向發(fā)展，比如：高強度、高韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能；另一方面，將朝著具有良好的加工工藝性能方向發(fā)展，比如：優(yōu)異的可焊性、優(yōu)良成形性以及成形精度等方面。

鋁材在軌道車輛上的應(yīng)用范圍和比例日增，全鋁化的現(xiàn)代交通運輸工具大量涌現(xiàn)。交通運輸業(yè)已成為鋁材的第一大用戶，鋁材的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用將逐漸替代鋼鐵成為交通運輸業(yè)的基礎(chǔ)材料。