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(jì)綠色工程材料，在航空航天、國防軍工、軌道交通等領(lǐng)域具有十分巨大的應(yīng)用潛力。通過分析鎂合金特點，介紹了鎂合金加工技術(shù)的發(fā)展和新型阻燃鎂合金、高強度大規(guī)格鎂合金型材在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及面臨的技術(shù)瓶頸。新型阻燃鎂合金材料及大規(guī)格鎂合金型材制備加工技術(shù)研發(fā)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(yīng)用將是軌道交通車輛輕量化升級的關(guān)鍵。

  我國高鐵總里程 2018 年達(dá)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(wǎng)規(guī)劃》，到2030 年，高鐵總里程將超過 4. 5 萬km。為了進(jìn)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(guān)鍵構(gòu)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(zhuǎn)向架和部分內(nèi)飾材料外，全部為高性能鋁合金材料，每節(jié)車廂車體總重約11 t，其中鋁合金材料占比高達(dá) 90% 。而在所用鋁材中，鋁型材占比高達(dá) 76%，隨著軌道交通車輛運行速度的不斷提高與資源節(jié)約型社會和“雙碳”目標(biāo)的建設(shè)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(shù)可以達(dá)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(jié)構(gòu)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(gòu)件應(yīng)用于高速鐵路是軌道交通裝備高速化發(fā)展的趨勢。數(shù)據(jù)表明，如果高鐵動車組采用鎂合金材料替代傳統(tǒng)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(jù)統(tǒng)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(jié)約能源達(dá)8% ，每月節(jié)約用電120萬kW·h 以上，折合二氧化碳減排約1146 t。這對節(jié)能減排，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。

  1.2 鎂合金擠壓技術(shù)發(fā)展

  傳統(tǒng)鎂合金的制備加工以鑄造為主，但鑄造鎂合金的綜合力學(xué)性能較低，不能滿足結(jié)構(gòu)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(xué)性能。變形鎂合金的主要生產(chǎn)方式有軋制和擠壓兩種工藝。鎂合金由于是密排六方結(jié)構(gòu)，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(chǎn)周期長、生產(chǎn)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(yīng)力狀態(tài)，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(fù)雜產(chǎn)品。在常規(guī)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(gòu)，會使鎂合金性能表現(xiàn)出各向異性，成形性能降低。為改善擠壓態(tài)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?？谔幵O(shè)置斜面結(jié)構(gòu)，在 673 K下對 AZ31合金進(jìn)行非對稱擠壓制備合金板材，引入了較大的剪切應(yīng)變，晶粒細(xì)化并呈現(xiàn)一定的梯度，在厚度方向上的織構(gòu)分布不均勻，且基面織構(gòu)得到弱化，塑性得到改善。JunXu等人通過在擠壓模具?？谠O(shè)計單邊傾斜面實現(xiàn)非對稱，將傳統(tǒng)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(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)非對稱擠壓板材由于大量剪切應(yīng)變的引入，使得基面織構(gòu)弱化和晶粒細(xì)化，比傳統(tǒng)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(jìn)行了相關(guān)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(gòu)，且相比于傳統(tǒng)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(dá)到了 27.3% 。QinghangWang等人通過非對稱孔模擠壓 AZ31 板材，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)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(yīng)變，基面呈廣角分布，當(dāng)非對稱孔模轉(zhuǎn)角為 90°時( APE -90) ，獲得了約 5.2μm的細(xì)小晶粒，織構(gòu)弱化，成形性得到改善。在鎂合金型材方面，重慶大學(xué)經(jīng)過“十一五”、“十二五”科技攻關(guān)和“十三五”重點研發(fā)計劃項目，先后制備出幅寬達(dá) 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(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(chǎn)具有可連續(xù)、加工簡單等優(yōu)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(jìn)行潤滑。在生產(chǎn)空心型材時，需要應(yīng)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(jīng)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(shè)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(zhì)心重合。在設(shè)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?qū)崿F(xiàn)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(nèi)腔尺寸的成形。組合模的下模包含焊合室和模孔等結(jié)構(gòu)。其中在焊合室中經(jīng)分流孔分開的金屬流重新焊合在一起，然后經(jīng)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(shè)計方面，楊青山等人通過改變鎂合金型材擠壓模具的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，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(yīng)力，這些剪切應(yīng)力使鎂合金的晶粒取向發(fā)生改變，從而改善了擠壓鎂合金板材的基面織構(gòu)，并由此提出鎂合金漸進(jìn)式非對稱擠壓和大應(yīng)變非對稱擠壓工藝，鎂合金傳統(tǒng)擠壓模具與非對稱擠壓模具及擠壓板材(0002) 織構(gòu)如圖 2 所示。

2 、鎂合金在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

  鎂合金作為輕型商用金屬結(jié)構(gòu)材料，在軌道交通領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，多用于軌道交通車輛的非主要承載件或內(nèi)飾件。軌道交通領(lǐng)域常用的鎂合金材料有AZ31、ZK60、AZ80 等，這些鎂合金的力學(xué)性能已經(jīng)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(lǐng)域的應(yīng)用

  國外有關(guān)鎂合金在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用已有較多報道。韓國 KTX 型特快列車采用鎂合金構(gòu)件生產(chǎn)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)了節(jié)能降本。法國的TGVDuplex 高速列車上也使用了鎂合金座椅，使用數(shù)量已超過45000個。除此之外，在座椅扶手、座椅側(cè)面面板、腳踏板等零部件上也選用了鎂合金，實現(xiàn)了減重減震與節(jié)能的結(jié)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(jié)構(gòu)材料技術(shù)研究協(xié)會使用新開發(fā)的阻燃鎂合金制造了一種用于新干線車輛的車廂地板。應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(fù)荷。目前這是世界上最大的鎂合金壓延材料應(yīng)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(jié)構(gòu)采用了 2017年發(fā)明的新型阻燃鎂合金材料，現(xiàn)在已經(jīng)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?qū)崿F(xiàn)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(lǐng)域的應(yīng)用具有促進(jìn)作用。

  2.2 國內(nèi)鎂合金在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

  目前在國內(nèi)部分軌道交通車輛中已采用AZ91D 鎂合金替換傳統(tǒng)塑料生產(chǎn)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(shè)計的需要，降低了軌道交通列車整體車重。同時在國內(nèi)的 25G 型客車上，已經(jīng)采用AZ31 鎂合金替代鋁合金材料生產(chǎn)部分車載構(gòu)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(zhì)骨架，并使用鎂合金型材替代普通線槽。除此之外，在列車內(nèi)部的行李架、窗框、門框、出風(fēng)口等裝飾件上也采用了鎂合金材料。在列車通風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)柵格以及臥鋪結(jié)構(gòu)中均采用了鎂合金材料。

  銀光鎂業(yè)集團已經(jīng)開發(fā)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(jīng)陸續(xù)成功在高鐵列車、地鐵車輛上成功列裝，裝車型材總長度達(dá)150km。

3 、鎂合金在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題與發(fā)展

  方向在材料方面，雖然近年來科研人員已經(jīng)開發(fā)出了一系列高性能鎂合金，使得部分鎂合金在力學(xué)性能上能夠達(dá)到甚至超過鋁合金。但是，傳統(tǒng)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(guān)鍵承載件如車體、支撐梁等結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。國外有學(xué)者通過在傳統(tǒng)鎂合金材料中加入適量的 Ca元素，設(shè)計研發(fā)出了新型阻燃鎂合金材料，該鎂合金的燃點相比于傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)鎂合金燃點也會大幅提高，同時具有良好的綜合力學(xué)性能。但是在其他體系的阻燃鎂合金材料開發(fā)方面仍需要更大的投入。由此可見，開發(fā)高強度兼具阻燃性能的結(jié)構(gòu)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(shù)方面，目前科研人員已經(jīng)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(jié)構(gòu)功能一體化的鎂合金大規(guī)格型材擠壓制備技術(shù)目前還不具備，這也嚴(yán)重制約了鎂合金在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用。因此發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)功能一體化鎂合金大規(guī)格型材擠壓加工技術(shù)具有十分重要的意義。通過非對稱擠壓模具設(shè)計、差溫恒速擠壓等技術(shù)以及多場耦合的非對稱擠壓加工技術(shù)有望在大規(guī)格鎂合金型材擠壓制備技術(shù)方面形成突破。

  在鎂合金應(yīng)用技術(shù)方面，鎂合金由于電位低，化學(xué)性質(zhì)較活潑，易腐蝕，需要對其進(jìn)行表面處理。開發(fā)出適用于軌道交通車輛用鎂合金型材的表面處理技術(shù)仍是一個需要解決的關(guān)鍵難題。此外，常規(guī)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(shù)。近年來開發(fā)的攪拌摩擦焊接技術(shù)為鎂合金構(gòu)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(fù)雜構(gòu)件之間的連接技術(shù)方面仍需要進(jìn)一步突破。

4、 結(jié)語

  我國鎂礦資源十分豐富，在鎂合金材料研發(fā)與應(yīng)用方面有著巨大的資源優(yōu)勢。作為一種應(yīng)用潛力十分巨大的金屬結(jié)構(gòu)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(shù)研發(fā)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(yīng)用將是軌道交通車輛輕量化升級的關(guān)鍵

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