張偉

摘 要：鋁合金由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高抗腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用于動(dòng)車(chē)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(wèn)題與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組 鋁合金 服役性能

引言：

高速列車(chē)啟動(dòng)快、速度高、安全舒適、振動(dòng)與噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，列車(chē)運(yùn)行速度提高后， 運(yùn)行阻力增大、輪軌間作用力和噪聲劇增。列車(chē)輕量化對(duì)提高列車(chē)運(yùn)行速度延長(zhǎng)車(chē)輛和線路的壽命具有重要意義。為了降低重量、增強(qiáng)抗腐蝕性能和隔音性能，列車(chē)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(qiáng)度、比剛度、良好的耐蝕性獲得了最為廣泛的應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)高速列車(chē)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(guò)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(duì)其進(jìn)行概述，分析典型鋁合金性能以及存在的問(wèn)題指出其發(fā)展方向。已經(jīng)應(yīng)用在動(dòng)車(chē)組列車(chē)上的鋁合金牌號(hào)有Al-Cu-Mg-Si2014、Al-Mg5083、Al-Mg-Si6N01、 Al-Zn-Mg7N01。各種牌號(hào)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(chē)體及轉(zhuǎn)向架上部分承載結(jié)構(gòu)件上，其中2014鋁合金強(qiáng)度最高，用來(lái)設(shè)計(jì)制造承受較大載荷的部件，其他四種合金強(qiáng)度值相當(dāng)一般用來(lái)制造車(chē)體頂部、側(cè)墻、端墻、地板、吊鉤等結(jié)構(gòu)。除了強(qiáng)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(qiáng)度鍛鋁合金，其強(qiáng)化相為CuAl2 （θ）， Al2CuMg （S） and Al3Mg2 （β），可以進(jìn)性熱處理強(qiáng)化，具有高強(qiáng)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(lái)制造要求高強(qiáng)度、高硬度、并承受高載荷的構(gòu)件。

國(guó)外2014材料對(duì)應(yīng)牌號(hào)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(yáng)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(qiáng)化效果不明顯，所以不可熱處理強(qiáng)化；并且析出相容易聚集在晶界處并對(duì)應(yīng)力腐蝕比較敏感，不宜進(jìn)行時(shí)效處理。同時(shí)其強(qiáng)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(shí)切削加工性很差，5083合金常用來(lái)制造要求中等強(qiáng)度并具有良好耐蝕性的焊接部件。

國(guó)外5083材料對(duì)應(yīng)牌號(hào)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(chē)的無(wú)涂裝車(chē)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(lái)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(guò)第二相β（Mg2Si）進(jìn)行析出強(qiáng)化，所以為可熱處理強(qiáng)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(guò)淬火與人工時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化。其中6N01合金來(lái)源于6005合金，兩種合金用于制造高速列車(chē)上空心結(jié)構(gòu)車(chē)體的各部分。

6005與 6N01大型型材主要通過(guò)焊接工藝組裝組成車(chē)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(chē)體焊縫中存在氣孔使得接頭的疲勞性能?chē)?yán)重降低，甚至在焊接組裝過(guò)程中形成了熱裂紋導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)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(wú)焊接殘余應(yīng)力，不需要焊前打磨和開(kāi)坡口，不會(huì)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(qiáng)度最高的鋁合金系列，其可以通過(guò)η （MgZn2）沉淀相進(jìn)行強(qiáng)化，所以屬于可熱處理強(qiáng)化合金。常用語(yǔ)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(yǔ)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(kāi)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(yùn)輸工具行駛的平衡性、舒適性和安全性，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)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(chē)對(duì)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(qiáng)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(chē)輛上的應(yīng)用范圍和比例日增，全鋁化的現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具大量涌現(xiàn)。交通運(yùn)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(yùn)輸業(yè)的基礎(chǔ)材料。