铝合金在高速铁路上的应用现状及发展趋势

铝合金在高速铁路上的应用现状及发展趋势

摘要：铁路运输是我国主要的交通运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。而铁路车辆是铁路运输中直接载运旅客和货物的工具，是铁路中的一个主要环节，随着社会的进步，运输对车辆的要求越来越高。车体作为车辆的一个主要部件，其轻量化设计就成为一个关键的问题。高速列车的轻型化对于发展交通运输、改善机车车辆运行平稳性、降低能源消耗、减少轮轨磨耗都是至关重要的。当今世界上，大多数发达国家采用铝合金为材质制造车体结构，介绍目前国内外铁路运输中铝材的应用优势及其主要障碍，通过使用铝材来代替传统的钢铁材料，可大大减轻自重以降低能耗、减少环境污染、提高经济性。并对铝材的发展趋势做了猜测。

关键词铝合金；现状；发展趋势

1引言

铁路运输工业正面临越来越严重的三大课题：能源、环保、安全。减轻火车自重以降低能耗，减少环境污染，节约有限资源已成为火车运输关注的焦点。轻量化是火车发展的一个重要趋势，通过使用轻质材料来替代传统的钢铁材料，可以减轻火车的质量，以达到节省燃料的目的。因此，越来越多的轻质或高比强度的材料受关注，如板、铝合金。本文就高速铁路客车用铝合金材料的现状及发展趋势做些讨论。

2铝合金的特点及其应用优势

2.1铝合金的特点

铝的密度小，仅为2.7（属轻金属），约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜，所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂外形的零件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa，与低碳钢相比，比强度则胜过某些合金钢。铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。

铝合金仍然保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。

利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。

成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也是他的特点之一。

它的材料特性是轻、容易加工、以及在可耐强度方面不象碳素纤维有一个最大受力范围。这是什么意思呢？也就是说，碳素纤维因为有纤维的特性所以在一定的纤维方向上受力能力很强，但是在在别的方向上的受力就会很差。在制造一个比较大的零部件时可能会使用好几层碳素纤维，在超过受力能力时该零部件就会象酥饼一样变得一层一层的。而铝合金在承受了一定的力量后，会慢慢变形再损坏。

还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。

此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。

2.2铝合金在高速铁路运输的优点

（1）轻量化，节能降耗，有利环保。在强度刚性满足安全要求的同时，使用铝合金可大大减轻机车车辆的自重，一般来说铝合金车辆比钢质车辆轻30%~50%，对于高速列车车辆的轻量化最有效的途径就是尽可能多地提高车辆的运功铝比例。

（2）具有优良的耐火与耐电弧性。虽然铝的熔点大大低于钢的熔点，但车体的耐火耐电弧性不仅和材料的熔点相关，还与材料的导热性相关。铝合金材料与钢铁相比具有优良的导热性，其散热性比刚要好。

（3）耐腐蚀性。铝合金表面易形成一层致密的氧化膜，在大气中具有很好的抗氧能力。因此铝合金比钢质车体具有更好的耐腐蚀性，特别是车体不易涂覆的部位。同时铝合金表面可以化学着色、上漆、喷涂，通过这些方法大大提高了铝构件的耐腐性。可使车体表面美观，给人舒适的感觉。

（4）便于加工、制造、维修。随着大型中空、复杂断面铝塑材的开发应用，铝材焊接技术的不断进步，铝合金车辆制造技术日趋成熟铝合金件的易于更换，不需除锈，适用于各种表面处理，便于维护，还可以回收的特点，是制造工艺大大简化，制造所需工作量也较钢质车体大大减少。

（5）价格适中。铝材价格较高，使得车辆制造成本增加，但由于铝合金使得车辆轻量化，车辆的轻量化带来了运能的增加，耗能的减少，维修的费用降低。以车辆出厂10a的检修工时对比为例，钢车为100%，铝车为52%。报废车辆的回收价值，钢车为100%，而铝车为480%。从综合经济效益来看，采用铝合金车辆时经济合理的，最终成本是适中的。

3铝合金在高速铁路的应用现状

在全世界要求节能环保的呼声日益高涨的大形势下高速铁路正向轻量化、低能耗方向发展。铝及其合金作为轻量化的首选材料，具有其他材料无法比拟的优良性能。在铁道车辆上，铝合金主要作为车体结构，在铝合金车体上型材约占总量的70%、板材约占27%，铸锻件约占3%左右。

3.1国内的应用情况

铝合金车体具有重量轻,耐腐蚀,外观平整度好和易于制造复杂美观曲面车体的优点,因而受到世界各城市交通公司和铁道运输部门的欢迎,世界各国逐渐停止制造碳钢车体,转向制造不锈钢和铝合金车体.不锈钢车体密封性差,而且,只能应用在城市轨道车辆和中等速度运行的铁路车辆上,铝合金车体不仅能应用在城市轨道车辆上,而且在高速铁路车辆制造上具有其它材料不可替代的功能,因此,铝合金车体的发展比不锈钢车体前景更好,目前投入运营的铝合金城市轨道车辆和铁道运输车辆达到3万多辆,发展中国家如韩国和中国也在大力发展铝合金车体,并具备批量生产铝合金车体的能力..由此可以看出,在世界范围内,生产制造铝合金车体是铁路运输事业和城市轨道车辆发展的必然趋势.目前铝合金车体制造技术在中国的发展历程我国开发铝合金车体的起步比较晚.1989年,长春客车厂参照日本模式开发了首辆铝合金地铁车体,目前该车体仍然在北京运行.由于该车体在设计上采用板梁结构,制造工艺烦琐,平整度差,成本高而没有在市场上大规模推广使用.1996年,铁道部组织人力,物力开发了2型结构铝合金车体,采用德国进口材料,用简易自动焊设备和自制窗口机加设备成功制造出了中国第一台混合结构铝合金车体.该车体的制造成功,客观上促进了国内企业对车辆用铝合金型材的技术开发,经过8年的铝合金大型型材的基础产业研究,目前在关键材料配套上已经实现国产化,为铝合金车体降低成本和市场化提供了前期条件.长春客车厂于2001年建成国内第一条铝合金车体自动化焊接生产线,并利用国产材料,开发制造了国内第一辆磁悬浮列车, ,武汉地铁,广州2号线地铁车体,深圳地铁和上海地铁车体.南京蒲镇车辆厂,株洲电力车辆厂和唐山车辆厂等也相继建立生产线,开始生产铝合金车体.铁道部为实现铁路的跨越式发展,引进国外先进技术,准备在中国运营高速铁路.如果该项目投入运营,将有1000多辆的高速车体需求,这一巨大的市场,必将推动中国铝合金车体制造技术的发展。铝合金车体制造的关键技术铝合金车体完全不同于碳钢车体的制造.