高速列车中的铝合金应用

1.铝合金在列车车体中的应用

高速列车对车体材料提出了新的要求，世界各国在制造高速列车车体时，为减轻自重和提高耐蚀性，对传统材料都进行了革新，采用高强度耐腐蚀材料，如铝合金、不锈钢、耐候钢、纤维增强材料等。

目前各国高速列车车体的用材情况是：普通钢质材料正在逐渐被淘汰；耐候钢很少应用，不锈钢在日本、俄罗斯、美国用得多；铝合金在欧洲和日本普遍应用，俄罗斯也开始应用，美国主要用于货车；纤维复合增强塑料在德国、日本、俄罗斯、美国、瑞典等已均有应用，但还只是用于制造车体的部分构件。日本从20世纪80年代起先后采用6000系、7000系、8000系铝合金制造地铁车辆车体，意大利米兰市地铁及奥地利维也纳、新加坡地铁车辆也采用了铝合金车体。上海市和广州市的地铁车辆也是铝合金的2010年底，我国拥有铝合金车体地铁约1900辆，占地铁车辆总数3500辆的35％，到2050年我国城轨系统对铝合金城轨车的需求量约为5万辆。如图6-4所示的是我国2005年首次批量生产的铝合金结构高速豪华型“子弹头”列车。

图6-4 2005年我国首次批量生产的铝合金结构 高速豪华型“子弹头”列车

铝合金得到发展的原因主要有以下几个方面：

1）挤压性能好的新型Al-Mg-Si合金的开发及大型薄壁铝型材的应用。新型Al-Mg-Si合金6005（欧洲）及6N0l（日本）的开发，使铝合金的加工性能和焊接性得到很大改善，大型挤压铝型材宽达700～800mm，长度可达30m（与车辆同长），使车辆制造工艺大为简化，减少了工序，全车仅有纵向焊缝，又可用自动焊机进行TIG、MIG焊有些车甚至不用点焊，因此总的制造工作量比钢质车体减少了40％。虽然铝材的材料费较高，但由于制造工艺简化，节省了大量加工费，所以总成本与钢制车体相当，比不锈钢车体还低一些。

2）减重效果好，刚性可达到要求。组装车辆用的大型挤压铝合金型材为薄壁、中空结构，且减少了很多横向构件，板材为带筋板材，使铝合金车辆重量大幅度降低。钢制车辆、不锈钢车辆、铝合金车辆车体三者的质量比为10∶7∶5。大型挤压铝型材经组焊制成的车辆刚性好，符合车辆相撞时要求达到的载荷标准。

3）运行性能好。铝合金车辆由于自重小，大大节省了牵引的能量消耗，而且加速性提高，制动力小，动力性能改善，舒适度提高，噪声降低。并能保证由于高速通过隧道时气压迅速变化对车辆提出的高的密封性要求。

4）维修费低。铝合金车辆运行时对线路和车辆本身损伤小，减少了维修费用。

5）耐蚀性好、美观。铝合金耐蚀性优良，车辆可以不涂装使用，且车体外表美观

国外高速列车用的铝合金主要为5×××系（Al-Mg系）、6×××系（Al-Mg-Si系），日本主要用5005、5052、5083、6061、6063、6N01、7N01、7003等合金；法国主要用5754（板材）、6005A（型材），其中，6005A合金用得最多；德国ICE高速列车板材用AlMgSi₄.5 Mn（相当于5083），型材用AlMgSi_0.7（相当于6005A），俄罗斯主要用1915合金。国外高速列车车体主要采用的铝合金的牌号、性能和用途见表6-5。

表6-5　国外高速列车车体用主要铝合金的牌号、性能和用途

铝车辆的外板和骨架如不涂装，从耐蚀性和焊接性考虑，可采用5083合金；车顶板、地板用耐蚀性和加工性能好的5005合金；底架用强度高的和焊接性优良的7N01合金。但是对大型挤压铝型材结构来说，日本侧墙板多采用20世纪80年代初开发的挤压性好又兼有适当焊接性和强度的6N01合金；从强度和挤压性能考虑也有一部分采用7003合金。

从高速列车用材的发展趋势看，在大型挤压铝型材的三个发展阶段中，用材情况也在变化。第一阶段7N01、5083合金占主导地位；第二阶段，由于大型薄壁宽幅带筋板材和中空型材在车辆上使用比例增加，挤压性能好的Al-Mg-Si系材料（6N01或6005A）在高速列车上的用量则不断增加。(www.xing528.com)

200系车辆是日本1980年开发的东北上越新干线全程车辆，其运行速度为210km h。该车车体用型材是日本轻金属株式会社（KOK）和有关会社合作最早开发的车辆用薄壁宽幅型材，从型材断面来看比较简单，宽度也较窄，厚度最薄2mm，主要是带筋板材。从车体所用材料来看，型材主要采用7N01，也用了7003合金，板材主要采用5083合金。

300系车辆是日本1981年开发的山阳新干线全程车辆，由于采用大型薄壁宽幅中空挤压铝型材，大幅度地降低了车体重量，节省了焊接工时和材料费用。这种车辆的型材使用质量比例：型材／全铝合金材达78.8％；在型材中，中空型材的比例大大增加中空型材／全部型材达64.3％。这些型材也是由KOK在93.1MN挤压机上挤压出的，型材最大宽度：车顶板567mm，地板558mm。型材长度等于车体全长，为18.3m，厚度最薄为1.6mm。

由于车辆型材挤压件要求大型、薄壁、宽幅、中空，因此，采用了挤压性能极好强度值中高、耐蚀性好、焊接性也好的Al-Mg-Si系合金（6N01），它是欧洲6005A合金的JIS（日本工业标准）化。内部骨架等采用了5083（型材）-H112，底架枕梁等采用了7N0IP（板材）-T4及7N0lS-TS，短纵梁采用5083P-O。

在日本，随着车辆中使用大型薄壁中空铝型材的增加，6×××系（Al-Mg-Si系）材料用量也在增加，特别是6N01材料。在欧洲国家也有类似的情况，如德国ICE高速列车车体型材主要用AlMgSi_0.7（相当于6005A），板材用AlMg4.5 Mn（相当于5083）；车底架是各向异性的中空桁架式结构，由五块拼装组成；侧墙板宽700～800mm，上墙板宽560mm；车顶由5块挤压型板焊成，型板宽599mm，两侧为大的宽346mm、高320mm中空断面的上边梁。以上型材与车同长（25.8m），所以全长均为纵向焊缝。

随着运营速度的提高，大型挤压铝型材的壁更薄，在车体中所占比例也更多，最近，德国的ICE高速列车中车体的材质改为更多地采用挤压性能和焊接性能良好、强度中到高的AlMgSi_0.7（相当于6005A）合金，在强度要求较高的地方采用7020合金。

在车体材料方面我国与国外还存在很大的差距：

1）我国现有的铝合金材料品种还不足，我国已有防锈铝、锻铝、超硬铝等常用合金牌号。但国外比较重要的挤压大型宽幅中空薄壁铝型材用的材料6005（相当于日本6N01）、高强度材料如日本7N01，在我国铝合金加工业中还不成熟。

2）我国还没有生产与车同长的大型挤压铝型材的丰富经验，挤压机能力足够，但辅助设备跟不上。我国有飞机用铝材生产的经验，而飞机为薄壳铆接结构，与车辆焊接结构用材不一样，我国在车辆、船舶用铝材生产方面的数量还较少。要生产成套的车辆用大型挤压铝型材，需解决型材的复杂和特殊形状断面及长度问题。从型材断面形状来看，当车顶小，弯梁部件如果曲率半径太小时就有问题（因回弹严重，达不到预定的曲率半径，且易产生应力）。从型材长度来看，需要解决成本过高和国内技术还不过关等问题。

2.铝合金在列车传动系统中的应用

高速铁路的发展对车体零部件材料有相当高的要求，其中，减轻其质量正是适应这一要求提出的新方向。高速机车传动装置轻量化的主要措施是，轴箱和齿轮箱箱体采用铝合金铸件并简化其结构，如日本新干线、德国ICE、法国TGV等列车。

目前世界上使用的高强度铸造铝合金材料主要有两大类：一类是Al-Cu系，该类合金的特点是具有很好的力学性能，但其铸造工艺性能很差，易产生缩松和热裂，且耐蚀性较差，使其应用受到一定的限制；另一类是Al-Si系合金，它具有优良的铸造性能如收缩率小、流动性好、热裂倾向小等，同时具有较好的力学性能、物理性能、切削加工性能和气密性，是铸造铝合金中品种最多、应用最广的合金。

高强度铸造铝合金的研究，早已受到世界先进国家的重视。早在20世纪50年代就有这方面的报道。美国在356和355铝合金的基础上，通过提高合金纯度，添加Ti细化晶粒，改进热处理工艺等手段研制出了A356和A355等高强度的Al-Si合金，并用于优质铸件的生产，以后又在A356和355的基础上，成功研究开发了A357、A359等更高强度的Al-Si-Mg系列合金。在20世纪60年代后，又出现了一批以Al-Cu系为基础的高强度铝合金，其中有法国的AlCu5GT、西德的GAlCu₄TiMg、英国的RR355（Al-Cu-Ni）

1964年日本建成的第一条新干线，电力机车用的齿轮装置中齿轮箱采用Al-Si-Mg系的AC4C合金，质量比铸钢减小65％，整个齿轮装置减轻43t。新干线300系列电力机车（最高速度为270km／h）采用A7050铸造铝合金制造轴箱，其质量由原来铸钢结构的73kg降到28kg（减小约62％），冲击试验和耐久试验表明，材料能够满足要求而且其耐蚀性较好。德国的市郊列车、有轨电车、地铁列车以及350km／h的ICE高速机车，均采用铝合金作为轴箱材料，如G-AlSi7Mg高温时效处理和AlSi10Mg高温时效处理等合金。

20世纪70年代初，美国研制出了强度达428～496MPa的A20l等，这些合金的强度已达到某些锻铝合金的水平。苏联的Al-Si-Mg合金强度达500～530MPa，塑性为4％～8％。其性能已接近钛合金，是取代昂贵的、工艺性能差的钛合金较理想的材料。德国120系列机车上采用的高强度Al-Cu合金轴箱，可使每台车减轻约690kg，而钢与铝之间的电偶腐蚀完全可以通过绝缘消除。ICE动力机车采用铝合金轴箱后，每节车的簧下质量可比球铁轴箱减轻640kg。

多年来，国内也一直很重视高强度铝合金的研究和应用，并取得了较大的成果。航空航天三院239厂研究的702A合金性能为R_m＞260MPa；中船总公司12所研制了725合金，单铸砂型试棒T6处理后，其性能为R_m＞290MPa；哈尔滨工业大学在国内研究的基础上，研制出一种高强度铸造铝合金，使用四元Na盐变质处理，添加微量稀土元素采用两次精炼技术和T6热处理制度，合金的抗拉强度达到300～330MPa，与美国的A357接近。