轨道交通装备中镁合金的应用情况

2019 年 6 月 7 日 材料科学与工程

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镁合金是将其他元素加入金属镁基而形成的合金。镁（Mg）的密度为1.8g/cm3，是铝（Al）的2/3，只有铁（Fe）的1/4，是使用金属中密度超小的。同时，Mg具有较高的比强度、弹性模量，并且导热性好，制成镁合金后，相比铝合金等，镁合金能够承载更高的冲击载荷。目前，镁铝合金应用极为广泛，已经普遍应用在航空航天、轨道交通、化工等领域。镁合金与铝合金的性能对比如表1所示。

镁合金主要特点包括：

①镁铝合金强度大幅高于钢材，而密度与铝合金相当。

②极好的减震抗噪性能。镁合金在弹性范围内受到冲击载荷作用，其吸收的能量大于铝合金，因而减震能力是铝的100倍，是钛合金300～500倍。

③良好的机械加工和铸造性能。镁合金的切削阻力较小，是加工难度非常小的合金材料。并且切削后表面光洁不需后期加工。镁合金压铸件的尺寸较铝合金提高25%的加工精度，加工能耗降低50%。

④良好的热导和电磁屏蔽性能。其热导高于铝合金，同时还能做的更薄，更加利于散热。其具有良好的电磁屏蔽性质，能够胜任对抗电磁干扰标准要求高的场合。

镁合金主要成分包括Mg、Al、锰（Mn）、锌（Zn）、硅（Si）、铜（Cu）、镍（Ni）、Fe等元素。根据成分范围可以分为镁铝合金、镁锰合金和镁锌合金。根据镁合金不同的成型方法，可以将其分为压铸镁合金和形变镁合金两种。其中压铸镁合金占据铸造镁合金的绝大部分。镁合金牌号为AZ31B、AZ61A、AZ91D等镁合金已经在广泛应用于工业生产。轨道交通常镁合金和铝合金物理性质如表2所示。

轨道交通装备中镁合金应用情况

现代高速列车必须满足安全性设计指标、节能环保设计指标和舒适性指标。镁合金能够很好的地吸收震动冲撞等能量，如用其制造高铁列车座椅，能够更多地吸收列车碰撞后的震动能量，进而降低乘客受到的伤害。镁合金密度低，在列车轻量化方面和其他材料相比优势非常明显。由于其良好的可加工性，能够做成任意复杂的形状，因而可以做出符合人体工学和美学设计的座椅。

根据国内外研究机构和主机厂对高速列车用镁合金型材组件的多项研究和测试结果得出结论，镁合金在高速轨道列车的轻量化升级中具有巨大的应用潜力。使用AZ92D镁合金替代动车中用聚酰胺（PA）塑料制作的小桌板支架，小桌板的承重能力、断裂伸长率和冲击韧性等性能获得了显著提升。

镁合金已经出现在国外高速列车的很多场合。德国西门子公司的ICE高速列车和法国TGV Duplex双层高铁列车均采用镁合金制作了座椅。其中，法国TGV Duplex列车共制作了4.5万个座椅，并且制作了小桌板、扶手、踏板和座椅的侧面等零部件。相比传统的铝合金座椅，每个双人座椅的质量减小了6kg，占总质量的1/5。日本新干线N700系类高速列车的座椅和支架、靠背和扶手、地垫、底座等都已经使用镁合金制造。

由于镁合金相对铝合金成本相当，列车运行时能耗得到降低，综合来说总体上降低了列车的运行成本。韩国KTX特快列车座椅在过去使用玻璃钢和铝合金作为材料。在使用了镁合金板材零件后，当个座椅相比之前质量降低了5kg，同时还减少了8%～10%的材料成本。我国轨道交通装备的镁合金应用也正在迅速推进。当前镁合金在国内主要应用在空调通风口格栅、车窗防护栏杆、座椅和地板、卧铺床架和支架、行李架边框、内部仪表盘框架等零部件。

轨道交通装备上常用的镁合金型号包括A Z31B、A Z61A、A Z91D、Z K60、AM60B等。镁合金零部件的承重能力需求越来越大，已经开始制造主要承重部件。因此，未来镁合金开发的一大重要方向就是开发高强高韧、耐疲劳和减震铁道车辆零部件。在我国唐山轨道客车有限公司也将镁合金应用到了其制造的国内首列实用型中低速磁悬浮列车上，其车内结构件和灯体都采用镁合金制造，以达到整体减重的目的。

宝山钢铁股份有限公司研究院汽车用钢所利用其具有自主知识产权的BGZ8型镁合金，制备出了新型镁合金材料。该镁合金具有非常高的机械强度和韧性，他们同时对挤压模具进行了优化，使镁合金在模具中的挤压过程中能发生均匀而剧烈的形变，并诱导其产生在结晶过程。形成的再结晶组织具有非常细的晶粒尺寸，并且均匀分布于镁合金材料内，并存在较强的{0001}基面织构。

在低温T5时效处理后，在晶界处由于挤压形成Al12Mg17相钉扎，这种多尺度围观组织使镁抗拉强度、屈服强度及伸长率等关键机械强度指标都获得大幅增长，分别达到396MPa，289MPa和11.5%，在使零部件成功减重25%的同时，完全满足高铁座椅骨架的机械性能要求。2017年12月，成都天智轻量化科技公司（简称“天智公司”）生产的挤压侧墙型材和地板导槽型材镁合金获得了成功验收，并交付使用于“复兴号”列车上。

该批次产品总长度达到约一万延长米，在该批次11架列车上成功列装。该公司还交付了2批次约万延长米的镁合金材料挤压型材，预计将列装于25架地铁列车上。天智公司成功打通了材料设计、挤压成型模拟、模具优化设计、挤压工艺参数优化、现场精细调控、型材矫形定尺等全技术流程，能够大批量商业供应大尺寸、薄壁、复杂截面镁合金精密挤压型材，在镁合金精密挤压技术上取得重要进展和重大突破。

复兴号是全球高运行速度的高速列车，在安装镁合金型材后，实现了动车组车内件轻量化升级，完成节能减重的重要目标。重庆理工大学研发出第3代气动悬浮列车LOOP，采用阻燃性镁合金做车身材料。车身采用环形翼设计，在三维面上形成一个向后倾斜的框。该设计相比之前一、二代车体，气流稳定性提高了很多。环形翼设计能够保持在轨道宽度不变的前提下将列车运输能力提高30%～40%。全球第1条高速气动悬浮列车线路计划将于2025年在日本开通。届时将建成日本成田机场到羽田机杨的地下隧道，该列车将以时速400km运行。预计为3节车厢，每节车厢一次运载120人。

镁合金更大规模应用的制约问题分析

尽管镁合金有许多其他材料不具备的优势，但仍然有一定的缺点制约其获得更大规模应用。主要包括：①由于镁合金是六方晶格结构，在经过轧制或定向挤压等加工处理后容易造成材料的各向异性而导致各方向上力学性能出现偏差。

②镁合金性质较为活泼，化学电负性非常强，其电极电位为-2.37V，低于铝材料的-1.71V，很容易出现氧化腐蚀情况。例如与其它金属的接触表面容易发生电化学腐蚀；在空气中也容易被氧气氧化而在表明形成氧化薄层，该氧化层质地催而疏松，表明多孔，不能阻挡隔绝空气，加速氧化过程。并且，温度越高，氧化过程越快。

镁合金，特别在液态下非常容易着火，并且燃烧过程极度剧烈。因此，镁和镁合金在进行熔炼和铸造时必须在溶剂覆盖或者保护气氛或真空中进行。金属镁熔点650℃，镁合金熔点更低。只要超过600℃，镁合金很容易会融化为液体，进而发生不可控的剧烈燃烧。因此在镁合金零部件装车之后必须做好燃烧实验，确保不会燃烧。

④镁合金的焊接不能使用常规方式进行常，必须使用新型的固相焊接方法（搅拌摩擦焊等）焊接。同时，焊接成品的性能还需要做实验进行进一步认证。

⑤受现阶段工艺限制，镁合金宽幅挤压较为困难，很难制造出大断面挤压型材。目前虽然只要镁合金成分配比符合标准，加工工艺参数进行严格控制，可以让镁合金各项物理性能达标，但无法对材料尺寸误差，特别是侧弯值和稳定性进行实际操控。目前国内能够生产轨道交通装备所需的大型薄壁中空铝型材，已经造出250MN挤压机，在车体大型挤压铝材的各项物理性能上与德国日本同类产品相当，甚至更加优秀，但尺寸误差和稳定性还具有相当的差距。

⑥镁合金在高温下机械性能会出现较大程度的下降。目前绝大多数的镁合金材料只能在150℃以下才能保持正常性能。目前正在研究在镁合金中加入稀土元素来制造耐热型的镁合金，但目前稀土镁合金的成本还无法降低到商用水平。

结语

我国菱镁矿、白云石资源丰富，镁资源储量达到全球总量的一半以上，因此在镁合金的研究和应用上有着巨大的资源和成本优势。我国轨道交通发展速度很快，对轨道交通装备轻量化的要求也愈发强烈。随着镁合金冶炼、加工工艺的研究发展，镁合金的性能将会不断获得提升，同时稳定性也将更进一步加强。预计未来镁合金的新的应用层出不穷，从非承重零部件逐渐发展应用到高速列车的承载零部件，是高速列车应用镁合金实现轻量化升级的关键。来源｜中华压铸网