本文摘要：摘要：介紹了阻燃性鎂合金的研制、鐵道車輛零件的試制、空心擠壓型材的焊接及模型車體的組裝等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)與成果，闡述了有待解決的課題。 關(guān)鍵詞：鐵道車輛,阻燃性鎂合金,日本 1概述 鐵路部門為了使列車更快捷、舒適地到達(dá)目的地，很早以前就已進(jìn)行了輕
摘要：介紹了阻燃性鎂合金的研制、鐵道車輛零件的試制、空心擠壓型材的焊接及模型車體的組裝等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)與成果，闡述了有待解決的課題。
關(guān)鍵詞：鐵道車輛,阻燃性鎂合金,日本
1概述
鐵路部門為了使列車更快捷、舒適地到達(dá)目的地，很早以前就已進(jìn)行了輕量化、安全化的鐵道車輛的開發(fā)工作。具體到車體材料而言，鐵路開業(yè)初期，車體是用木材制作的。為了提高車體強(qiáng)度，演變?yōu)橛娩撹F制造車體。此后，為實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化，進(jìn)行了各種各樣的開發(fā)。目前，鋼制車輛雖仍在使用，但是，更輕量化的不銹鋼制車輛以及鋁合金制車輛成為主流車型。為了在車輛的高速化與節(jié)能化中發(fā)揮作用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的目標(biāo)，研究了將阻燃性鎂合金應(yīng)用于車輛車體結(jié)構(gòu)的可行性。
2高速化課題與輕量化
2.1實(shí)現(xiàn)車輛進(jìn)一步高速化的課題
如果能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鐵道車輛高速化，則可以壓縮旅客到達(dá)目的地的時(shí)間，提高乘客的便利性。車輛高速化首先面臨的課題是以沿線噪聲為首的環(huán)境問題。與噪聲相關(guān)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)是由日本國(guó)家的法律、法規(guī)規(guī)定的，故有必要滿足環(huán)境法規(guī)要求。此外，隨著車輛的高速化，由于安裝各種設(shè)備，車輛質(zhì)量會(huì)增加，沿線地基振動(dòng)及噪聲之類的新問題也會(huì)顯現(xiàn)出來。從車內(nèi)環(huán)境的角度看，高速化有導(dǎo)致車內(nèi)噪聲及車體振動(dòng)增大的可能性，為了提供舒適的車內(nèi)環(huán)境，就要針對(duì)這些問題采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策。
而且，隨著高速化導(dǎo)致的能量增加，二氧化碳(CO2)等排放量也會(huì)增加，會(huì)加大環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，在車輛高速化方面，以下3個(gè)方面尤為重要：(1)環(huán)境對(duì)策(沿線噪聲、地基振動(dòng)、低頻噪聲等的降低);(2)降低CO2排放量(伴隨車輛壽命周期的CO2排放量的降低，尤其是隨著車輛運(yùn)行而產(chǎn)生的CO2排放量的降低);(3)提高車內(nèi)環(huán)境舒適性(降低車內(nèi)噪聲，提高乘坐舒適性)。對(duì)以上課題而言，車輛輕量化就是其中一條有效措施。
2.2車輛的輕量化
縱觀以往鐵道車輛，推進(jìn)車輛輕量化的主要因素有以下4項(xiàng)：(1)車體結(jié)構(gòu)材料的變更(鋼鐵→不銹鋼或鋁合金);(2)控制方式的變更(電阻控制→VVVF(變壓變頻)控制);(3)安裝設(shè)備的小型化、緊湊化;(4)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的變更等。當(dāng)考慮車輛的進(jìn)一步高速化時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生并傳遞與功率增加相對(duì)應(yīng)的動(dòng)力機(jī)械的輕量化是非常困難的，為了維持良好的舒適度而安裝的系統(tǒng)會(huì)增加質(zhì)量，所以，當(dāng)前情況下，車輛的進(jìn)一步輕量化是相當(dāng)困難的。在上述背景下，為了從根本上實(shí)現(xiàn)輕量化，迫切要求應(yīng)用具有以下特性的金屬系新型材料。
(1)比現(xiàn)有車體最輕結(jié)構(gòu)材料———鋁合金更加輕量化的材料;(2)可再生利用性及良好的振動(dòng)吸收特性;(3)屬于資源豐富的金屬材料，便于購(gòu)買;(4)具有阻燃性，強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度與鋁合金相同或超過鋁合金，并可以焊接。鎂合金具有上述材料特性。
對(duì)比鐵、鋁、鎂的密度(每立方厘米體積的質(zhì)量)，則鐵為7.8g左右，鋁為2.7g左右，鎂僅為1.7g左右，鎂堪稱結(jié)構(gòu)用金屬材料中最輕的材料。此外，鎂衰減能力(減振能力)是鋁的2倍，振動(dòng)吸收特性也優(yōu)異。但鎂是活性金屬，在某些條件下，有可能引起燃燒，這是一大問題。針對(duì)這個(gè)問題，有報(bào)道稱[1]，如果在鎂合金中添加鈣(Ca)，則顯示出良好的阻燃性。假如能夠開發(fā)出阻燃性鎂合金，進(jìn)而應(yīng)用于車輛的車體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化，則能夠確保車輛安全性、舒適性，并對(duì)車輛高速化做出貢獻(xiàn)。而且，輕量化也關(guān)系到節(jié)能與降低CO2排放量。
3阻燃性鎂合金的研究開發(fā)示例
3.1阻燃性鎂合金的制作
通過在鎂中添加鈣及稀土類元素(例如釔(Y)、鈧(Sc)等)，可以實(shí)現(xiàn)鎂合金的阻燃性。由于稀土類元素價(jià)格高，基于成本考慮，宜在鎂中添加鈣。圖2是利用煤氣燃燒器，對(duì)阻燃性鎂合金(Mg-6A1-Zn-Ca合金)，通用鎂合金(Mg-6A1-Zn合金)以及鋁合金(A1(6N01)合金)3種試樣直接進(jìn)行火焰加熱，確認(rèn)阻燃性效果的結(jié)果。環(huán)境溫度達(dá)到將近600℃時(shí)，通用鎂合金著火了，但阻燃性鎂合金沒有著火。
而且，如提升環(huán)境溫度，無論鋁合金，還是阻燃性鎂合金，都不著火，但會(huì)熔化。根據(jù)這些試驗(yàn)情況，認(rèn)為阻燃性鎂合金與鋁合金同樣難以燃燒。此外，焊接阻燃性鎂合金的板件，進(jìn)而試制四面體結(jié)構(gòu)的試件，試件中放置盛有煤油的油盤，進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。試件上雖然能看到煤煙及變形，但沒有發(fā)生著火現(xiàn)象。雖說有若干變形，但基本上與原形相差無幾。這樣一來，通過添加鈣，就確認(rèn)了能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金的阻燃性。通過調(diào)整化學(xué)成分，試制了多種阻燃性鎂合金。
如比較阻燃性鎂合金與通用鎂合金，從板材狀態(tài)方面看，兩者狀態(tài)相同，但用顯微鏡觀察，則可以看到金屬組織以及機(jī)械特性方面的差異。鎂合金軋制板材的金屬組織。通用鎂合金整體上可看到顆粒狀組織(晶粒)。相比之下，阻燃性鎂合金在晶粒比通用鎂合金晶粒要微細(xì)，而且，整體上分散有析出物。故通用鎂合金與阻燃性鎂合金在晶粒大小及析出物的有無方面存在差異。
上述金屬組織對(duì)阻燃性鎂合金的機(jī)械性能產(chǎn)生較大影響。通用鎂合金的0.2%屈服強(qiáng)度(見附注)為180MPa，拉伸強(qiáng)度(見附注)為220MPa，延伸率(見附注)為12%，而阻燃性鎂合金的0.2%屈服強(qiáng)度為220MPa，拉伸強(qiáng)度為240MPa，延伸率為5%，阻燃性鎂合金的強(qiáng)度增加而延伸率顯著降低。這是由于脆性析出物與晶粒微細(xì)化造成的，雖然變形阻力增加，但析出物本身成為破損源，故延伸率降低。
3.2試制鐵道車輛結(jié)構(gòu)件
鐵道車輛結(jié)構(gòu)件中，除使用軋制板材外，也使用其他截面形狀的型材。這類型材主要采用擠壓加工法制造。擠壓法中，型材斷面形狀的垂向、橫向的非對(duì)稱性越大，且材料的變形阻力越高，則擠壓加工的難度會(huì)越大。阻燃性鎂合金制作的薄壁桁架式斷面形狀的型材擠壓加工難度大，不過，通過在截面形狀上精心考慮，試制了擠壓型材(試樣)。試樣上看不出明顯的撓曲，所有截面形狀的型材都按照接近目標(biāo)的尺寸試制而成。
3.3阻燃性鎂合金的接合
為了將阻燃性鎂合金應(yīng)用于車體結(jié)構(gòu)，考慮裝配接合技術(shù)是很有必要的。在阻燃性鎂合金接合方法方面，研究了金屬接合常用的電弧焊接，以及將旋轉(zhuǎn)工具向接合部推壓，利用摩擦熱接合的摩擦攪拌接合(FSW)工藝。在阻燃性鎂合金的空心型材上進(jìn)行接合的結(jié)果。即MIG(MetalInertGas：熔化電極惰性氣體保護(hù)焊)接合的材料;利用摩擦攪拌接合的材料。
4結(jié)束語
本文研究了將阻燃性鎂合金應(yīng)用于車輛車體結(jié)構(gòu)的可能性。根據(jù)該型合金的制作、加工方法、焊接方法等的基礎(chǔ)性研究，通過截面的模型車體結(jié)構(gòu)的試制，獲得了阻燃性鎂合金相關(guān)材料技術(shù)的知識(shí)。要達(dá)到實(shí)用化水平，尚需較長(zhǎng)時(shí)間。今后一方面要與生產(chǎn)商一起扎扎實(shí)實(shí)地開展FSW接合的研究，表面處理的選定研究等，推進(jìn)各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展。另一方面，要不斷積累應(yīng)用實(shí)績(jī)。
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