李巖 郭建強 孫召進 林君山

摘 要：近年來我國軌道交通裝備行業(yè)發(fā)展迅速，軌道客車速度快、能耗低、舒適性設(shè)計、環(huán)境友好、以人為本的設(shè)計特點，具有其他交通方式無法比擬的優(yōu)勢。輕量化設(shè)計可以實現(xiàn)軌道客車多方面的優(yōu)化，是軌道客車關(guān)鍵技術(shù)之一。鎂合金是目前工程應(yīng)用中密度最小、比強度最高的結(jié)構(gòu)金屬材料，在軌道客車輕量化應(yīng)用中具有非常好的前景。

關(guān)鍵詞：軌道客車；鎂合金；輕量化；應(yīng)用

中圖分類號：TB文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2012）01-0276-02

1 鎂合金的特點

鎂在元素周期表中排在第十二位，屬于第二主族堿土金屬。鎂在地殼中的蘊藏量極其豐富，其含量約占地殼總重量的2.1％，僅次于氧、硅、鋁和鐵等元素而占第八位。鎂的密度為1.738g/cm³，鎂合金比鋁合金輕36％，比鋅合金輕73％，比鋼輕77％，是目前工程應(yīng)用中密度最小、比強度最高的結(jié)構(gòu)金屬材料。鎂合金在材料減重方面的優(yōu)勢使得它在交通運輸領(lǐng)域備受關(guān)注。鎂合金主要具有以下優(yōu)點：

（1）高比強度、比剛度和比彈性模量。鎂合金的比強度高于鋁合金，遠高于鋼；比彈性模量和比剛度近似于高強度鋁合金。日本的Inoue等人用快冷粉末冶金方法得到的Mg97Zn1Y2合金，其屈服強度達到480MPa～610MPa，同時根據(jù)固結(jié)溫度的不同有5％～16％的大伸長率，是目前世界上強度最高的鎂合金。

（2）優(yōu)秀的阻尼和減振性能。與鋁合金相比，鎂合金擁有更優(yōu)秀的衰減振動和降低噪聲的能力。例如在20MPa應(yīng)力下，常用鎂合金AZ91D的衰減系數(shù)為20％，而鋁合金A380只有1％。在100MPa應(yīng)力作用下AZ91D的衰減系數(shù)可達55％，AS41鎂合金的衰減系數(shù)更是高達70％，而同樣情況下鋁合金A380的衰減系數(shù)只有4％。鎂合金還具有良好的承受沖擊載荷性能，彈性范圍內(nèi)鎂合金受到?jīng)_擊載荷時，吸收的能量可以比鋁合金件多50％，而且由于有更好的延伸率，鎂合金收到?jīng)_擊后可以吸收更多的能量而不至于斷裂。所以鎂合金是非常好的減振降噪材料。

（3）優(yōu)良的機械加工性能和鑄造性能。鎂合金在金屬中屬于非常易于加工的材料，切削阻力小可以滿足高速切削加工，并且加工完成后表面十分光潔，基本不需要磨削和拋光。鎂合金液流動性好，可以鑄造出壁厚很薄、形狀復(fù)雜的零件，而且不容易粘模具，清理模具的費用較低。鎂合金壓鑄件尺寸精度比鋁合金壓鑄件精度高50％，同時壓鑄周期短，生產(chǎn)效率比鋁合金高25％，鎂合金加工耗能比鋁合金低50％。

（4）良好的導(dǎo)熱、電磁屏蔽性能。鎂合金的散熱性能不但比塑料高的多，比鋁合金也要好。由于鎂合金壓鑄件可以比鋁合金壓鑄件的壁厚做的更薄，所以散熱比鋁合金件更快，同時形狀也可以做得更復(fù)雜。鎂合金具有很好的屏蔽電磁干擾的性能，適合制作對電磁干擾標準要求嚴格的部件。

（5）鎂合金材料可以循環(huán)使用，保護環(huán)境。鎂合金比熱較小，與比其它金屬相比熔點較低，在循環(huán)利用熔解時所消耗的能源非常低，還不到新材料制造所消耗的能源的5％。

2 鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的鎂合金主要可以分為兩種，一種是鑄造鎂合金，另一種是變形鎂合金。目前壓鑄鎂合金在工業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，鎂合金經(jīng)過變形之后，可以得到更加優(yōu)秀的綜合力學性能，從而滿足不同的場合需求，所以發(fā)展變形鎂合金非常有前景。

鎂合金的特點可滿足航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料降噪、減振、防輻射的要求，同時可大大改善飛行器的氣體動力學性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)重量。目前鎂合金在航空工業(yè)上應(yīng)用很廣泛，其中包括AZ91、AZ31、ZE41、QE22、WE43等。

節(jié)能與環(huán)保的新要求使汽車公司都設(shè)法減輕汽車的重量，從而達到降低汽油消耗和溫室氣體排放量的新標準，鎂合金的減重效果可以最大限度滿足日益嚴格的節(jié)能的溫室氣體排放的要求。鎂合金具有良好的阻尼系數(shù)，減振性能好于鋁合金和鑄鐵。在座椅、方向盤、輪轂上應(yīng)用可以減少振動，在車門等殼體上應(yīng)用可以降低噪聲，提高汽車的安全性和舒適性。目前，汽車儀表、座椅架、方向操縱系統(tǒng)部件、引擎蓋、變速箱、進氣歧管、輪轂、發(fā)動機和安全部件上都有壓鑄和變形鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用。

3 軌道客車的輕量化設(shè)計

軌道客車輕量化設(shè)計主要是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采用新材料來實現(xiàn)，它主要包括列車車體、車內(nèi)設(shè)備、車外吊掛安裝設(shè)備的輕量化。在考慮減輕列車重量的時候，必須在確保車體強度、剛度、動力學和動應(yīng)力等滿足要求的前提下，盡量實現(xiàn)列車的輕量化。

軌道客車輕量化設(shè)計主要考慮軸重限制、節(jié)省能源和加速制動等方面的因素。由于鐵路軌道的承受能力有限，因此必須對列車的最大軸重做出限制。列車速度越高，對軌道的沖擊力越大，當運行速度高于250km/h及以上時，對軌道的沖擊力就會變得很大，所以速度高于120km/h的車輛軸重必須隨車輛速度的升高而降低。軸重超過規(guī)定的車輛（包括機車、動車和拖車）不允許上線運行。軌道客車運行時阻力很大一部分是輪軌摩擦阻力，減小列車重量可以有效減小輪軌摩擦阻力，改善轉(zhuǎn)向架等重要部件的運行條件，同時可以減小所需的牽引功率，節(jié)省能源。另外列車較重時慣性較大，減輕重量可以更安全快捷地起動加速和減速制動。因此，輕量化設(shè)計可以實現(xiàn)軌道客車多方面的優(yōu)化，是提升軌道客車綜合競爭力非常有效的途徑。

綜上分析，減輕軌道客車自重對減少線路損害、減少動力消耗、節(jié)約能源以及減少制動系統(tǒng)的負擔，都具有十分重要的意義。軌道客車實際線路運行的環(huán)境和工況非常復(fù)雜，所以軌道客車材料必須保證在各種環(huán)境和工況下都能滿足機械強度、疲勞強度、振動模態(tài)、理化性質(zhì)、環(huán)境友好等標準要求。要想實現(xiàn)軌道客車的輕量化設(shè)計，材料必須符合以下要求：低密度，屈服極限及強度極限，彈性模量及剛度較高，溫度穩(wěn)定性較好等。鎂合金的性能和特點比較適合軌道客車輕量化的要求，通過推廣鎂合金技術(shù)和產(chǎn)品在軌道客車上的應(yīng)用，不僅可以減輕重量、節(jié)約能源，還可提高列車的安全性、可靠性和舒適性。

4 鎂合金在軌道客車上的應(yīng)用

目前常用的鎂合金按照添加合金元素的不同可以大致分為Mg-Al系合金、Mg-Mn系合金、Mg-Zn系合金；按成型方法可以大致分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中應(yīng)用鑄造鎂合金中絕大部分是壓鑄鎂合金。工業(yè)常用的鎂合金包括AZ31B、AZ61A、AZ91D、AM60B等。表1為軌道客車常用鋁合金與可使用鎂合金的性能對比。

通過表1的性能對比可以看出，常用變形鎂合金和壓鑄鎂合金與鋁合金的力學性能相近，非常有潛力在軌道客車替代鋁合金，實現(xiàn)輕量化減重的目的。

現(xiàn)代軌道客車設(shè)計必須考慮的幾個頂層指標分別是安全性設(shè)計、節(jié)能環(huán)保設(shè)計和舒適性設(shè)計。鎂合金有良好的吸收能量性質(zhì)，應(yīng)用在列車座椅上可以在列車出現(xiàn)碰撞事故時使座椅吸收更多的能量，從而保護乘客的安全。比如AM60合金具有突出的吸能性，同時兼有良好的強度和韌性，已經(jīng)在國外直升飛機座椅上得到應(yīng)用。鎂合金在列車減重節(jié)約能源方面優(yōu)勢明顯，而同時鎂合金具有優(yōu)良的模壓加工性能，可以壓鑄成為復(fù)雜的外形，從而滿足座椅的人體工程學和外觀美學設(shè)計。使用鎂合金制作列車座椅上可以把美學、人體工程學、輕量化和成型性這幾種設(shè)計很好地結(jié)合在一起。

國外軌道客車上已經(jīng)有許多鎂合金應(yīng)用的報道。法國TGV高速列車已經(jīng)在TGVDuplex雙層高速列車座椅上應(yīng)用了鎂合金件，采用鎂合金件的座椅總數(shù)量超過了45000個，應(yīng)用鎂合金的部件包括座椅小桌面板、座椅扶手、腳踏板、座椅側(cè)面面板。采用鎂合金的座椅重量明顯減輕，和原先的鋁合金座椅相比每個雙人座椅由36kg減輕到30kg。鎂合金件所需成本不高，減重之后節(jié)約了列車運行成本。TGV列車鎂合金在座椅上的應(yīng)用實現(xiàn)了減重、節(jié)約成本和應(yīng)用功能的良好結(jié)合。韓國KTX特快列車在座椅基座上使用了鎂合金板材零件，鎂合金比之前采用鋁合金和玻璃鋼每個座椅減重5kg，并且可以節(jié)省8％～10％的成本。

日本新干線列車在輕量化減重技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先地位。目前日本新干線N700系列高速列車座椅骨架已經(jīng)采用鎂合金，包括座椅扶手、中央支撐架、底墊、底座、扶手座、背靠等（如圖1、圖2所示）。使用效果良好，實現(xiàn)了整車減重目的，提升了動車組的動力性能并減少了能耗。

圖2 組裝完成的鎂合金座椅輕量化材料中的優(yōu)勢使鎂合金在我國軌道客車應(yīng)用潛力巨大，我國某些研究機構(gòu)和主機廠也對鎂合金在列車上的應(yīng)用做了許多研究和試驗。比如使用AZ91D鎂合金替代動車組PA塑料制作小桌支臂減輕列車重量。動車組原始PA塑料小桌支臂強度較低，現(xiàn)車使用中有斷裂損壞的風險，使用鎂合金制作小桌支臂，不僅強度完全滿足使用需求，并且可以明顯提升承載能力、斷裂伸長率和沖擊韌性等性能。首先，經(jīng)過測試鎂合金小桌支臂的抗拉強度和彈性模量完全優(yōu)于PA塑料小桌支臂，對兩種材料的小桌支臂做20kg載荷變形量試驗，結(jié)果顯示鎂合金支臂變形量明顯小于PA塑料支臂。PA塑料支臂為實心結(jié)構(gòu)，而鎂合金支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計得更薄更合理，所以每個AZ91D鎂合金支臂可以比原來實心PA塑料支臂減輕約35％的重量。疲勞強度試驗結(jié)果顯示鎂合金小桌支臂完全符合疲勞耐久設(shè)計。盡管重量有所減輕，但由于材料性能出眾，使用鎂合金材料的小桌支臂最大承載能力比以前有明顯的提升。綜合評價得出，鎂合金小桌支臂可以完全滿足國內(nèi)動車組使用需求，使用AZ91D鎂合金替代PA塑料制作小桌支臂可以滿足動車組的輕量化設(shè)計。

現(xiàn)階段軌道客車鎂合金應(yīng)用的主要研究目標是在大部分非承載零部件上使用鎂合金材料替代鋁合金，在使用成熟后再發(fā)展到承載零部件的應(yīng)用。根據(jù)鎂合金的性能和特點，目前鎂合金可以在列車以下結(jié)構(gòu)上進行使用：

·列車內(nèi)裝型材、車窗內(nèi)框架、小桌板及支臂；

·行李架邊框、座椅骨架、臥鋪框架、內(nèi)部儀表盤框架；

·車下裙板、車內(nèi)間壁面板、車下設(shè)備艙底板。

國內(nèi)有研究機構(gòu)已經(jīng)試制出了鎂合金臥鋪框架樣品和鎂合金間壁面板樣品，有相關(guān)廠家小批量試制了在行李架、座椅骨架、小桌板支臂等部位應(yīng)用的鎂合金零件，需要在列車上進行進一步的使用性能驗證。

5 技術(shù)難點及展望

盡管鎂合金有許多其他材料不具備的優(yōu)勢，但如果想進一步擴大在高速列車上的應(yīng)用，主要還需要解決一下一些問題：

（1）鎂合金是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過軋制或者定向擠壓等變形加工后容易產(chǎn)生基面織構(gòu)而導(dǎo)致力學性能在各個方向上不一致，需要研究如何消除內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。

（2）鎂合金化學性質(zhì)活潑，易被氧化和腐蝕，與異種金屬表面接觸容易產(chǎn)生電化學腐蝕。需要進一步研究表面防腐技術(shù)和鎂合金裝配防腐方法。

（3）常規(guī)焊接方法不適用于鎂合金焊接，使用新型的固相焊接方法（攪拌摩擦焊等）焊接鎂合金的性能還需要做許多驗證。

（4）鎂合金寬幅擠壓工藝還不成熟，難以制造大斷面擠壓型材。需要對鎂合金擠壓設(shè)備和擠壓工藝加以改進。

（5）鎂合金在高溫與在室溫下強度差別較大，大多數(shù)鎂合金工作溫度不超過150℃。目前有添加稀土的耐熱鎂合金的研究，但成本較高，應(yīng)盡快研制成本較低的耐熱鎂合金。

我國軌道交通裝備的快速發(fā)展，對輕量化的要求也會越來越高。我國鎂資源儲量約占全球的50％以上，菱鎂礦、白云石資源豐富，這為我國的鎂合金發(fā)展提供了巨大的資源和成本優(yōu)勢。隨著鎂合金開發(fā)和應(yīng)用研究的發(fā)展，鎂合金的性能會得到不斷提升，未來趨勢是進一步拓展應(yīng)用范圍，從高速列車上的非承載零部件逐漸發(fā)展應(yīng)用到承載零部件，使鎂合金成為高速列車輕量化關(guān)鍵材料。

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