镁合金在高速列车上的应用与开发＊

李瑞淳

（长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

镁合金具有密度小、比强度、比刚度高、减振性能好、可加工、可循环利用等突出优点，特别是其比强度和比刚度高，优于铝合金和钢，接近钛合金。随着有色金属冶炼、加工制造技术水平的迅速提升，镁合金作为重要的工程材料应用于高速列车不仅已是指日可待，而且也是高速轨道交通装备制造技术未来发展的必然趋势。另外，相对于铝合金，镁合金的资源优势更易于推动其技术进步，并在高速列车上的应用过程中取得良好的技术经济效益。

1 当前镁合金的开发和应用情况

1．1 高速列车用镁合金的开发方向

实际上，近年来镁合金作为一种新型轻量化工程材料在国内发展的相当快，被广泛应用于航天、航空、军工、汽车、3C产品、纺织和印刷等领域和行业，其中以汽车工业中应用的批量为最大，航天领域中的应用次之，其技术均十分成熟。但是，在汽车工业中应用的镁合金材料以铸造产品为主，占应用总量的90%左右，很少有挤压型材和板材；在航空领域中应用的镁合金虽有板材，则均是厚度在4 mm以上的中厚板材。而对于高速列车来讲，最需要的镁合金产品主要是挤压型材和厚度在4 mm以下的薄板。因此，还需要在其他应用领域中成熟应用的镁合金材料技术的基础上继续拓展，进一步挖掘镁合金材料的潜力，充分发挥镁合金的优势，开发适合高速列车应用的镁合金型材、板材及其零部件设计、制造和应用技术，以使其在高速列车轻量化发挥突出作用。

现阶段，可以像铝合金一样制造出挤压型材和板材的镁合金主要有牌号为 AZ31（AZ31Re）、ZK60、AZ80等镁合金材料，它们与铁道车辆常用铝合金材料的比较见表1。其中最典型的镁合金AZ31与铝合金6005A的拉伸性能比较见图1。从图1中可以看出，典型的镁合金AZ31的力学性能基本接近于铁道车辆常用铝合金6005A，只是脆性较大，但仍可作为替代铝合金的工程材料应用于高速列车。无论是对于高速列车制造业，还是对于镁合金材料行业，如何用好上述典型镁合金材料制造出高速列车所需的型材、板材及其深加工产品既是高速列车轻量化的研究方向之一，也是镁合金材料应用技术的开发方向之一。

表1 典型镁合金与车辆常用铝合金化学成分及性能对照表

图1 典型镁合金与铝合金拉伸性能的比较

1．2 镁合金在铁道车辆上的开发与应用现状

至今为止，镁合金材料应用比较成功的实例是25G型客车的空调系统通风格栅，其余还有一些诸如车窗防护栏杆、衣帽钩等小件产品。

（1）25G行李车镁合金空调通风格栅

产品结构：该产品应用于25G行李车中，是装于行李车内门上的空调通风格栅，其主要功能是保证空调系统的回风需要，其结构如图2所示，主要由外框和隔格等零部件组成。该产品的应用批量为76辆25G型客车。

材质：外框和格栅均采用镁合金挤压型材制造，型材的材料牌号是AZ31R，其化学成分和力学性能分别如表2和表3所示。

组成方式与表面处理：格栅与外框型材之间采用插接方式连接，外框本身采用焊接的方式制造，产品成型后表面进行喷塑处理。

图2 小批量装车运用的镁合金空调通风口格栅

表2 镁合金AZ31R的化学成分

表3 镁合金AZ31R的力学性能

（2）镁合金卧铺框架

产品结构：现在已经开发出来，并达到装车试验和应用水平的镁合金产品还有软卧车的卧铺框架。其主要功能是托住软卧垫，并承受相应的载荷，其结构（试制出的产品样件）如图3所示，主要由卧铺边框、底板、扶手和支座等零部件组成。

材质：卧铺边框、底板、扶手等零部件均采用镁合金制造，以上零部件使用镁合金的材料牌号、化学成分和力学性能分别如表4和表5所示。

图3 镁合金卧铺框架样件

组成方式和表面处理：卧铺框架及其与底板、扶手之间采取焊接的方式连接，框架与支座之间采取机械连结方式连接。正式的产品还需要根据实际运用列车的美工设计方案做不同颜色的表面喷塑处理。

1．3 高速列车用镁合金开发与应用的主要技术攻关方向与内容

1．3．1 设计技术攻关

由于镁合金与铝合金各项性能指标，特别是弹性模量、泊桑比差别较大，加之绝大多数镁合金加工材料如挤压型材、轧制板材等具有一定的晶体学织构，由此带来力学性能的各向异性。这对车体及其零部件的设计是一个新的挑战。但是在用铝合金取代钢材研制高速列车车体的过程中曾遇到过同样的问题。当初采用低弹性模量（杨氏弹性模量70 GPa）的铝合金取代高弹性模量的钢材（杨氏弹性模量210 GPa）制造高速列车车体，就突破了传统的车体结构设计，在采用铝合金制造车体及其零部件进行轻量化设计的同时，成功地解决铝合金车体及其零部件的刚度和强度设计问题，保证了铝合金车体及其零部件能够承受列车运行过程中的纵向载荷、垂直载荷、侧向载荷和扭转载荷。因此，采用弹性模量低于铝合金的镁合金（杨氏弹性模量45 GPa）设计制造高速列车车体及其零部件，不可避免的要重新走过开发研制铝合金高速列车车体相同的历程，抓住材料弹性模量变化的特征，开展好车体结构及其零部件的拓扑优化。

表4 卧铺框架主要材料的化学成分

表5 卧铺框架的主要材料的力学性能

1．3．2 制造技术攻关

（1）材料优化

从材料性能的角度讲，镁合金要代替或部分代替铝合金不仅需要解决弹性模量低的问题，还要解决阻燃性、耐腐蚀性和耐高温性等方面的问题。是否可以和应该利用在镁合金中添加价格相对低廉的镧（La）、铈（Ce）等稀土镁合金元素，来进行材料优化，全面提高镁合金的力学性能和阻燃性、耐腐蚀性和耐高温性等综合性能指标，非常值得研究。

（2）材料加工技术攻关

最初铝合金车体高速列车的研制是一个全面创新的过程，其技术关键首先是铝合金短流程加工（挤压）技术的成熟，大断面（宽幅）铝合金闭口型材和开口型材设计制造技术的成熟化。对镁合金而言，短流程加工技术已经日趋成熟，已具备一定规模的工程化应用水平；而镁合金板材，尤其是宽幅板材应该是镁合金材料加工的主要技术攻关方向和内容之一。

（3）焊接技术和装备

虽然熔化焊接模式已经成熟，大量镁合金型材、板材的焊接技术和装备研究对镁合金大型结构的工程应用是很好的基础，其中包括固态焊接模式——搅拌摩擦焊（FSW）。根据轨道列车车体的结构特点，特别是借鉴铝合金列车的成功生产经验，应该是更好的选择，无疑，相应的焊接技术和装备也都将是镁合金应用的技术攻关方向和内容之一。

（4）表面处理技术

自然生成的镁合金表层氧化膜的致密系数小于1，因而必须要镁合金采取表面处理措施，以解决镁合金的抗腐蚀防护处理问题。采用何种恰当的表面处理技术，使镁合金表面处理的防腐性和装饰性同时达到铝合金表面处理的效果，将是镁合金表面处理技术的攻关方向和目标。

2 在高速列车中的开发应用目标

（1）座椅安装型材和地板布安装型材

目前正准备开发应用于铁道车辆上的镁合金零部件还有分别如图4和图5所示的座椅安装型材和地板布安装型材。这两个零件断面形状并不复杂，其成品是连续通长的制件，仅需要通过机械加工的方法钻出若干个小圆孔，非常适合用镁合金挤压型材制造。

（2）全镁合金蜂窝板

图6所示是正在开发的镁－铝合金蜂窝夹层板样件，可以用于制造铁道车辆的间壁板和平顶板（见图7）。现在该产品还处于试制阶段，它是由镁合金面板和铝蜂窝芯组成的镁－铝合金蜂窝夹层板，还不是真正意义上的全镁合金的蜂窝夹层板；另外，做为其面板的镁合金板材的轧制工艺还略有欠缺，表面质量尚未达到在高速列车中实际应用内间壁和平顶板的制造质量要求。

图4 座椅安装型材

图5 地板布安装型材

图6 镁－铝合金蜂窝夹层板

图7 动车组的间 壁和平顶板

3 结束语

作为一种高速列车新材料，镁合金的应用技术还处于起步阶段，特别是大规格的高强度镁合金加工产品的生产技术还很不成熟，需要分阶段开发，分步推进，由浅入深地探索规律性的技术内容，逐步完善开发设计、制造和应用技术以及维护和维修技术，为此，归纳几项要点如下：

（1）镁合金是最具潜力的高速列车轻量化新材料，其开发与应用研究应该坚持不懈，要开展更为细致的工作；既要充分挖掘镁合金材料潜力，又要开发新型镁合金材料，以开发出高速列车真正需要的镁合金产品。

（2）镁合金的力学性能、加工特性、资源与回收、制造成本、环境相容性、应用安全性等每一个环节均会成为影响其应用的重要因素，过分强调或偏重于其中任何一个环节不能促进镁合金在高速列车中应用与发展。

（3）在高速列车中，镁合金材料及其制造零部件的开发首要目标和要取得的成果是“轻量化”，不是单纯的材料代替；更不是简单地代替铝合金。

（4）应用镁合金制造高速列车零部件，需采取正确的发展策略，首先从车内承载要求较低的零部件开始试制，再推广至车内外承受一定载荷的次重要部件，（如间壁、平顶板、设备舱底板、车下裙板等），循序渐进，最终推广应用于制造高速列车车体中的重要承载部件，达到大幅度轻量化目标，实现高速列车轻量化材料应用的飞跃。

（5）让镁合金在高速列车中的应用水平达到铝合金在高速列车中的应用水平，设计制造大规模应用镁合金的超轻量化高速列车车体，或许是未来世界高速列车的技术发展潮流。

［1］张 津，章宗和．镁合金及其应用［M］．北京：化学工业出版社，2004．

［2］权高峰，严 峰，刘赵铭．镁合金与我国的轨道交通［J］．科学中国人，2007，（2）：83－87．

［3］中国科学院长春应用化学研究所．稀土镁合金研究资料［R］．2008．

［4］权高峰，李瑞淳．中华人民共和国专利，镁铝蜂窝板及镁铝蜂窝板的制备方法［P］．200910091151．1，2009．

［5］长客铺椅公司，权高峰．中华人民共和国专利，轨道客车镁合金卧铺［P］．200710127585．3，2010．