來源：金屬制品 49卷 第3期

作者：劉世杰、唐偉能

摘要：鎂合金作為 21世紀綠色工程材料，在航空航天、國防軍工、軌道交通等領域具有十分巨大的應用潛力。通過分析鎂合金特點，介紹了鎂合金加工技術的發展和新型阻燃鎂合金、高強度大規格鎂合金型材在軌道交通領域的應用現狀及面臨的技術瓶頸。新型阻燃鎂合金材料及大規格鎂合金型材制備加工技術研發能夠助力我國軌道交通的輕量化。鎂合金從非主要承載零件到主要承載零件的應用將是軌道交通車輛輕量化升級的關鍵。

  我國高鐵總里程 2018 年達到 2.9萬 km，居于全球第 1 位，超過第 2 ～ 10 位國家的總里程之和。按照我國《中長期鐵路網規劃》，到2030 年，高鐵總里程將超過 4. 5 萬km。為了進一步提高我國鐵路運輸效率，提升列車運行速度，對高速列車的材料選擇提出了更高的要求，對具有更高強度、更低重量新型材料的需求更加迫切。目前，普遍采用鋁合金、不銹鋼等制造高速列車的車體等關鍵構件。常用的金屬材料有耐候鋼、低合金高強鋼、不銹鋼和鋁合金。我國高鐵除轉向架和部分內飾材料外，全部為高性能鋁合金材料，每節車廂車體總重約11 t，其中鋁合金材料占比高達 90% 。而在所用鋁材中，鋁型材占比高達 76%，隨著軌道交通車輛運行速度的不斷提高與資源節約型社會和“雙碳”目標的建設需求，尋找適用于下一代高速列車的新型材料變得十分重要。

1 、鎂合金材料介紹

      1.1 性能特點

  鎂合金具有密度低，比強度高，阻尼減震性好的特點，其密度約為1.8 g / cm3 ，是鋁合金的2/3，比阻尼系數可以達到60%，在相同載荷下，鎂合金的減震性是鋁的100倍，是所有金屬材料中阻尼減震最好的結構材料。鎂合金與鋁合金性能對比見表1。新型的高強韌鎂合金作為重要的承力構件應用于高速鐵路是軌道交通裝備高速化發展的趨勢。數據表明，如果高鐵動車組采用鎂合金材料替代傳統的鋁合金，能夠大幅降低車體重量，減少能耗，降低運營成本。據統計，如果京滬線高鐵車身全部使用鎂合金材料制造，整車重量將減少13% ，節約能源達8% ，每月節約用電120萬kW·h 以上，折合二氧化碳減排約1146 t。這對節能減排，促進“雙碳”目標的實現具有重要意義。

  1.2 鎂合金擠壓技術發展

  傳統鎂合金的制備加工以鑄造為主，但鑄造鎂合金的綜合力學性能較低，不能滿足結構材料對高性能的需求。變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更高的綜合力學性能。變形鎂合金的主要生產方式有軋制和擠壓兩種工藝。鎂合金由于是密排六方結構，可動滑移系少，常溫下塑性變形能力較差。鎂合金軋制板材需要小壓下量、多道次的軋制工藝。鎂合金的散熱性較好，軋制過程需要考慮板材保溫的問題，鎂合金軋制板材生產周期長、生產成本高。與軋制變形不同，鎂合金在擠壓加工時處于三向壓應力狀態，能夠一次擠壓成形，同時鎂合金擠壓工藝具有較大的靈活性，能夠制備出不同形狀、尺寸的復雜產品。在常規擠壓過程中，鎂合金一般會形成平行于擠壓方向的強烈基面織構，會使鎂合金性能表現出各向異性，成形性能降低。為改善擠壓態鎂合金組織及性能，一些研究者將非對稱性加工的思想引入鎂合金擠壓過程中。LL Chang 等人通過在擠壓模具模口處設置斜面結構，在 673 K下對 AZ31合金進行非對稱擠壓制備合金板材，引入了較大的剪切應變，晶粒細化并呈現一定的梯度，在厚度方向上的織構分布不均勻，且基面織構得到弱化，塑性得到改善。JunXu等人通過在擠壓模具模口設計單邊傾斜面實現非對稱，將傳統擠壓工藝和非對稱擠壓工藝分別制備的 Mg - 3Al - 1Zn( AZ31)合金板材進行比較，發現非對稱擠壓板材由于大量剪切應變的引入，使得基面織構弱化和晶粒細化，比傳統擠壓的板材性能明顯改善。JunXu等人還提出了一種新的斜坡擠壓工藝( SE) ，制備了 Mg - 3Al -1Zn合金板材，并通過有限元模擬，對擠壓過程進行了相關研究，最后在沿擠壓方向向橫截面方向傾斜48°得到拉長弱化的雙峰織構，且相比于傳統擠壓，斜坡擠壓顯示出更低的屈服強度和更高的塑性，在橫截面方向的塑性達到了 27.3% 。QinghangWang等人通過非對稱孔模擠壓 AZ31 板材，發現相比于傳統擠壓( CE) 和對稱孔模擠壓( PE) ，非對稱孔模擠壓( APE) 引入了剪切應變，基面呈廣角分布，當非對稱孔模轉角為 90°時( APE -90) ，獲得了約 5.2μm的細小晶粒，織構弱化，成形性得到改善。在鎂合金型材方面，重慶大學經過“十一五”、“十二五”科技攻關和“十三五”重點研發計劃項目，先后制備出幅寬達 300mm，400 mm 和 500 mm 的鎂合金寬幅中空型材，為寬幅鎂合金在軌道交通領域的應用奠定了基礎。AZ31 鎂合金制備的軌道車輛車體用寬幅型材如圖 1所示。

       1.3 鎂合金擠壓模具

  鎂合金擠壓型材生產具有可連續、加工簡單等優點。鎂合金由于塑性變形能力差，變形加工困難，并且鎂與鋼鐵的親和力低，所以鎂合金型材擠壓加工后擠壓墊與材料壓余能夠分離，擠壓過程中不需要對墊片進行潤滑。在生產空心型材時，需要應用平面分流組合模具。擠壓成形過程中，擠壓機對錠坯施力，金屬經分流孔分為金屬流然后在焊合室焊合，焊合后的金屬在上模和下模間的空隙中流出，最后形成空心型材。如果鎂合金型材的形狀是對稱、截面，在設計鎂合金擠壓分流組合模時，模具的中心要和型材的截面質心重合。在設計平面分流組合模時，組合模的上模包含分流孔、分流橋、模芯等部分，其中分流孔是焊合室的通道，分流橋實現模芯的支撐，模心的主要作用是保證鎂合金型材的形狀和內腔尺寸的成形。組合模的下模包含焊合室和模孔等結構。其中在焊合室中經分流孔分開的金屬流重新焊合在一起，然后經由模孔形成不同形狀、外部尺寸的鎂合金型材。在非對稱擠壓模具設計方面，楊青山等人通過改變鎂合金型材擠壓模具的內腔結構，從而改變鎂合金在擠壓過程中的金屬流速差。由于鎂合金流速存在差值，從而在型材不同方向形成剪切應力，這些剪切應力使鎂合金的晶粒取向發生改變，從而改善了擠壓鎂合金板材的基面織構，并由此提出鎂合金漸進式非對稱擠壓和大應變非對稱擠壓工藝，鎂合金傳統擠壓模具與非對稱擠壓模具及擠壓板材(0002) 織構如圖 2 所示。

2 、鎂合金在軌道交通領域的應用

  鎂合金作為輕型商用金屬結構材料，在軌道交通領域具有巨大的應用潛力，多用于軌道交通車輛的非主要承載件或內飾件。軌道交通領域常用的鎂合金材料有AZ31、ZK60、AZ80 等，這些鎂合金的力學性能已經接近甚至超過部分鋁合金材料。

  2.1 國外鎂合金在軌道交通領域的應用

  國外有關鎂合金在軌道交通領域的應用已有較多報道。韓國 KTX 型特快列車采用鎂合金構件生產座椅基座。該座椅與原來玻璃鋼和鋁合金座椅相比重量可以減少 5kg，節約成本 8%～10% 。日本新干線 N700系列高速列車的座椅骨架同樣采用鎂合金制備而成，該座椅由背靠、扶手、底墊、底座和中央支架等組成，可以實現整車減重，具有很好的減震效果。在提升列車動力性的同時，實現了節能降本。法國的TGVDuplex 高速列車上也使用了鎂合金座椅，使用數量已超過45000個。除此之外，在座椅扶手、座椅側面面板、腳踏板等零部件上也選用了鎂合金，實現了減重減震與節能的結合。這些鎂合金座椅的重量由原來鋁合金座椅的 36 kg減少到30kg，有效降低了車體的整體重量。日本新結構材料技術研究協會使用新開發的阻燃鎂合金制造了一種用于新干線車輛的車廂地板。應用于日本新一代子彈頭列車測試車輛ALFA-X。目前這種阻燃鎂合金地板僅安裝在 ALFA-X的一輛中間車廂上，長約 9 m，寬約 3 m。通過性能測試，研究人員發現在保持隔音的情況下，新型地板可減重 23% (約50kg)。可以承受長期運行所帶來的負荷。目前這是世界上最大的鎂合金壓延材料應用于鐵路車輛的例子。

  日本新一代高速列車 FASTECH360 的原型車部分結構采用了 2017年發明的新型阻燃鎂合金材料，現在已經完成了局部車體樣件的制備，這種新的鎂合金車體與原來鋁合金車體相比能夠實現減重25%。阻燃鎂合金高速列車車體局部樣件如圖3所示。對推動鎂合金材料在軌道交通領域的應用具有促進作用。

  2.2 國內鎂合金在軌道交通領域的應用

  目前在國內部分軌道交通車輛中已采用AZ91D 鎂合金替換傳統塑料生產高速列車的小桌支臂。采用 AZ91D鎂合金制作的小桌支臂相比于原來實心塑料可減重35%，能夠滿足軌道交通裝備輕量化設計的需要，降低了軌道交通列車整體車重。同時在國內的 25G 型客車上，已經采用AZ31 鎂合金替代鋁合金材料生產部分車載構件。和諧號CRH5 動車組中的鎂合金行李架如圖 4 所示。

  在“提速客車車體輕量化的研究”項目中，中車唐山機車車輛廠使用鎂合金材料代替了約30%的木質骨架，并使用鎂合金型材替代普通線槽。除此之外，在列車內部的行李架、窗框、門框、出風口等裝飾件上也采用了鎂合金材料。在列車通風系統空調柵格以及臥鋪結構中均采用了鎂合金材料。

  銀光鎂業集團已經開發出軌道交通車輛用鎂合金精密擠壓型材，自2017年下半年以來，已經陸續成功在高鐵列車、地鐵車輛上成功列裝，裝車型材總長度達150km。

3 、鎂合金在軌道交通領域應用存在的問題與發展

  方向在材料方面，雖然近年來科研人員已經開發出了一系列高性能鎂合金，使得部分鎂合金在力學性能上能夠達到甚至超過鋁合金。但是，傳統的鎂合金燃點較低，只有750 ℃左右，因此還無法在軌道交通車輛關鍵承載件如車體、支撐梁等結構中得到應用。國外有學者通過在傳統鎂合金材料中加入適量的 Ca元素，設計研發出了新型阻燃鎂合金材料，該鎂合金的燃點相比于傳統鎂合金可以提高 200 ～300 ℃。此外，作者通過在Mg-Al系合金中添加少量的RE元素后，發現鎂合金燃點也會大幅提高，同時具有良好的綜合力學性能。但是在其他體系的阻燃鎂合金材料開發方面仍需要更大的投入。由此可見，開發高強度兼具阻燃性能的結構功能一體化鎂合金材料具有十分迫切的需求。

  在制備加工技術方面，目前科研人員已經能夠制備大尺寸寬幅鎂合金型材，但是，該型材選用的鎂合金是如 AZ31等強度較低的材料，對于強度更高，且同時具有阻燃性能的結構功能一體化的鎂合金大規格型材擠壓制備技術目前還不具備，這也嚴重制約了鎂合金在軌道交通領域的應用。因此發展高性能結構功能一體化鎂合金大規格型材擠壓加工技術具有十分重要的意義。通過非對稱擠壓模具設計、差溫恒速擠壓等技術以及多場耦合的非對稱擠壓加工技術有望在大規格鎂合金型材擠壓制備技術方面形成突破。

  在鎂合金應用技術方面，鎂合金由于電位低，化學性質較活潑，易腐蝕，需要對其進行表面處理。開發出適用于軌道交通車輛用鎂合金型材的表面處理技術仍是一個需要解決的關鍵難題。此外，常規的焊接方法并不適用于鎂合金，尤其是鎂合金與鋁合金、不銹鋼等異種金屬間的焊接技術。近年來開發的攪拌摩擦焊接技術為鎂合金構件的連接提供了較好的支撐，但是在異種金屬間連接以及復雜構件之間的連接技術方面仍需要進一步突破。

4、 結語

  我國鎂礦資源十分豐富，在鎂合金材料研發與應用方面有著巨大的資源優勢。作為一種應用潛力十分巨大的金屬結構材料，新型阻燃鎂合金材料以及大尺寸鎂合金型材制備加工技術研發能夠助力我國軌道交通的輕量化。鎂合金從非主要承載零件到主要承載零件的應用將是軌道交通車輛輕量化升級的關鍵

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。