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说说铝合金的低温性能

2019-10-22 16:50:17 来源:中国有色金属报 发布人:XU123

高铁车厢是用铝材焊接的,有的高铁线经过零下三四十摄氏度的高寒地带;南极科考船上的一些仪器、装备与起居用品是以铝材制造的,需要经受零下六七十摄氏度的考验;由中国经北极到欧洲的商船上有些装备也是用铝材制造的,其中的一部分露在外面,环境温度也在零下五六十摄氏度;它们能在这样的寒冷环境中正常运转吗?没问题,铝合金及铝材是最不怕寒冷酷热的。

铝:最好的低温结构材料

铝及铝合金是最好的低温材料,没有低温脆性,不像普通钢材、镍合金等那样有明显的低温脆性,它们的强度性能虽然随着温度的降低而升高,但是塑性与韧性却随着温度的下降而降低,即有明显的低温脆性。可是铝及铝合金则大不一样,没有一丝丝低温脆性,它们的一切力学性能均随着温度的降低而全面明显上升,与材料的成分无关,不管是铸造铝合金还是变形铝合金,也不管是粉末冶金合金,还是复合材料;与材料状态也没有关系,不管是加工状态的,还是热处理状态的;也与锭坯制备工艺无关,不管是用铸锭轧制的,还是用熔体连续铸轧的或连续连轧的;与铝的提取工艺更无关系,电解的、碳热还原的、化学提取,通通都没有低温脆性;与纯度也无关,不管是99.50%~99.79%的工艺纯铝,还是99.80%~99.949%的高纯铝、99.950%~99.9959%的超纯铝(Super Purity)、99.9960%~99.9990%的极纯铝(extreme purity)、>99.9990%的超高纯铝等都没有低温脆性。有趣的是,另两个轻金属——镁、钛跟铝一样也没有低温脆性。

几种常用高铁车辆厢体挤压铝合金型材的力学性能与温度的关系见下表。

高铁车厢铝材有Al-Mg系的5005合金板材、5052合金板材、5083合金板材及型材,Al-Mg-Si系的6061合金板材及型材、6N01合金型材、6063合金型材,Al-Zn-Mg系7N01合金板材及型材、7003合金型材。标准状态有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。

高铁车厢铝材有Al-Mg系的5005合金板材、5052合金板材、5083合金板材及型材,Al-Mg-Si系的6061合金板材及型材、6N01合金型材、6063合金型材,Al-Zn-Mg系7N01合金板材及型材、7003合金型材。标准状态有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。

由表中的数据可明显地看出,不管哪种铝合金,它的力学性能均随着温度的降低而上升,所以铝材是一类绝妙的低温结构材料,火箭的低温燃料(液氢、液氧)储罐、液化天然气(LNG)运输船上与岸基储罐、低温化工产品容器、冷库、冷藏车等都可以用铝材制造。

在地球上跑的高速列车的车厢与车头的结构件凡是可用铝合金制造的零部件都可以用现行的相应铝合金制造,不需要另辟蹊径研究一种在高寒地区运营的厢体结构铝合金及其生产工艺,当然如果能研发一种各项性能比6061合金大10%左右的6XXX合金,或比7N01合金全面约大8%的7XXX合金,那当然是功劳很大的。

实际上,在我国黑龙江省,以及以后在内蒙古自治区、新疆维吾尔族自治区、西藏自治区、青海省跑的高铁对铝合金结构来说算不了“高寒”,不需要对合金成分作特殊处理,也不需要对材料生产工艺参数作专门调整。

只要为高张高铁或以后为在其他寒冷地区运营的高铁车辆厢体生产的铝材性能符合中国GB、欧洲EN、日本JIS、美国ASTM等标准要求,就是合格的产品,不需要采取特殊措施,以免加大成本。

车厢铝合金的发展趋势

在现在轨道车辆厢体制造和维护中用的板材合金有5052、5083、5454、6061等合金,用的挤压型材有5083、6061、7N01等,此外一些新的合金诸如5059、5383、6082等也有所应用。它们都有良好的可焊性,焊丝为5356或5556合金,当然最好是采用摩擦搅拌焊(FSW),不但焊接质量高,而且不用焊丝。后来日本研发的7N01合金(Mn0.20~0.7、Mg1.0~2.0、Zn4.0~5.0,单位%),在轨道车辆制造中获得广泛应用;德国在制造高铁Trans Rapid车厢时采用5005合金板制作壁板,用6061、6063、6005合金挤压所用的型材。总之,直到目前无论是中国还是其他国家制造高铁车辆基本上仍沿用这些合金。

200km/h~350km/h列车厢体铝合金

我们可根据列车运营速度将厢体铝合金分为:速度<200km/h的车辆用的可称为第一代合金,它们是常规的合金,多用于制造城市轨道车辆厢体,如6063、6061、5083合金等;第二代铝合金如6N01、5005、6005A、7003、7005合金等用于制造速度为200km/h~350km/h的高铁车辆厢体;第三代合金是6082、含钪的铝合金等。

除了6N01、7N01合金(它们是日本合金,N代表Nippon)外,还有7003合金,它的Mg含量比7N01合金的低,是一种低Mg的Al-Zn-Mg合金,它的可焊性及强度与7N01合金的相当,并具有更高的可挤压性能。日本东北和上越新干线、札幌地铁大量采用7003、7N01合金生产壁厚3mm的宽幅型材。

6005A合金(Si0.50~0.9、Mg0.40~0.7、Mn和Cr 0.12~0.50,%)是法国注册的,与美国6005合金相比,Mg与Si的含量相等,但增加了0.12%~0.50%的Mn的Cr,不但有与6063合金相当的可挤压性能,而且强度性能也有所提高。6N01合金也如此,日本山阳电化铁路3050型车辆厢体侧板(宽507mm、壁厚2.5mm)、宽558mm的地板,以及制造侧板挂钩、檐梁等的大型宽幅空心型材都是用6N01合金挤压的。

350ktm/h~450km/h列车厢体铝合金

这是厢体用的新一代铝合金,列车速度高达450m/h,车辆须承受更大的外力,受到的震动也更强烈,因此应研发新一代轻量化高铁铝合金

含钪的铝合金。钪是铝及铝合金最有效的晶粒细化剂,也是优化铝合金性能有效的元素之一,钪的含量都<0.5%,凡含有钪的合金,不管含量多少都统称铝-钪合金。Al-Sc合金有强度高、塑性好、可焊性优良、抗蚀性强等优点,是舰船、航空航天器、反应堆、国防军工器械等领域选用的新一代铝合金之一,当然也可以用于制造铁路车辆结构。

不过向现行铝合金添加钪,对组织性能的改善如何,尚有待系统的研究,钪是一种稀土元素,中国是世界上最大的钪生产国,在Al-Sc合金研究方面居世界前列,但总的来看还不如俄罗斯,在Al-Sc合金研究与应用方面俄罗斯是领跑者。东北轻合金有限责任公司、中南大学、航天材料及工艺研究所对Al-Sc合金的研发作了许多工作,他们研究的“大尺寸5B70铝-镁-钪合金板材”获2017年度中国有色金属工业科学技术一等奖,获二等奖的也有一项,为“航天用可焊高强Al-Zn-Mg-Sc合金”。

6082合金

继6N01合金普及以来,1972年成型的6082合金得到铁路装备制造部门的关注,此合金的强度介于7N01合金与6N01合金强度之间。6082-T5方形管的抗拉强度Rm(喷雾在线淬火)符合底架梁的相应要求。基础实验表明,此合金可以在相应领域实地应用。然而,若要在铁路装备部门广泛推广,仍需要做大量工作。对于30年前曾被视为万无一失的铝制列车的装配节点的疲劳强度,由于列车载重条件改变和结构轻量化,已不适用于当前的新型高速列车,但是这与高寒地区的温度无关,因为零下几十摄氏度对铝合金来说真是“小试锋芒”,算不了什么低温,同时温度越低,铝结构显得越强韧。

泡沫铝

高速列车具有轴重轻、频繁加减速和超载运行等特点,要求车体结构在满足强度、刚度、安全、舒适的前提下尽可能轻量化。显然,超轻泡沫铝所具备的高比强、高比模、高阻尼等性能,与这些要求非常一致。国外对泡沫铝在高速列车上的应用进行了详细地研究与评估,发现填充泡沫铝的钢管吸能本领比空管的高35%~40%,抗弯强度提高40%~50%,从而可使车厢立柱和隔板更坚固,不易坍塌;用泡沫铝填充机车头部缓冲区,可提高吸收冲击能的能力;用10mm厚泡沫铝和薄铝板制造的夹心板比原钢板质量轻50%,而刚度却提高了8倍。

目前,中国高铁有关单位正在研究用泡沫铝夹心板制备高铁车厢地板和车门的可行性。为加快解决下一代高铁面临的一系列重大科技问题,铁道部门和中国科学院联合成立了先进轨道交通力学研究中心,在对高速列车材料与结构可靠性、噪声降低理论与技术等方面展开攻关研究,其中有相当一部分内容与超轻泡沫铝有关。

随着高速列车运行速度的不断提升,产生的噪声对乘客乘坐舒适度与周边环境的影响已成为高铁发展的关键制约因素之一。相对于车内噪声,车外噪声对环境的影响更为严重,而高速列车通过隧道或两列高铁在隧道内交汇时产生的混响噪声及由此产生的震动具有相当强的破坏力,如不有效控制,将可能成为高铁的一大发展障碍。为了降低高速列车的噪声污染,必须在经过人口密集区的铁路两侧及隧道内设置屏障。超轻开孔泡沫铝的主要功能之一是吸声,而且该性能可通过改变孔型或声结构调整。此外,泡沫铝还具有良好的防腐、耐气候和加工性能,因此是野外声屏障的良好吸声材料。

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