铝合金轻量化大势所趋

　　由上海有色网（SMM）、上海有色金属行业协会联合举办的“第十二届上海铜铝峰会”圆满落幕，中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司主任工艺师夏少华博士在会上以“铝合金材料在轨道交通行业应用现状与展望”为主题作出精彩发言。

　　夏少华指出，国家制定的“十三五”铁路规划，展现了国家对轨道交通的发展异常重视，包括城市轨道建设，高速补贴，客运和货运发展，在最近的5到10年里有一个跨越式的发展等。2015年，城市轨道交通达到87条，运营总里程将超过2500公里，投资规模达到7000亿元。在十三五期间建设铁路新线2.3万公里，总投资2.8万亿元。2020年，我国规划将建成“四纵四横”高速客运系统，客运专线1.6万公里以上。

　　列车运能提高轻量化是关键

　　车辆轻量化是个系统工程，它包括设计观念、设计方法、新材料选用、试验等诸多方面并贯彻在总体设计、零部件设计、制造工艺、试验鉴定的研制全过程之中。

　　无论重载铁路，还是高速铁路，车辆减轻既可以降低能耗，又能增加运力。国内外铁道车辆的轻量化的发展经历很漫长的过程。最早在上世纪30年代，美国Budd公司将不锈钢车辆制造技术实用化，并实现了车辆轻量化，日本随后引进了这个技术。1974年，以世界石油危机为契机，铁路行业为了节能，要求车辆进一步实现轻量化。1978年，我国当时的国营铁道公司从Budd公司引进材料和技术，开始投入轻量化车辆的研究。其后，获得了广泛认可，制造辆数飞跃增加。2000年以来，我国轻量化技术发展迅速，在降低车辆自重系数、延长车辆使用寿命、优化整车运行品质、提高车辆系统的经济效益方面取得了显著成绩。

　　实现车辆轻量化目前有两大方向，轻材料是实现轻量化最主要的途径，同时也是列车性能提高的关键技术。在列车不同的部位需要有不同材料的要求，轻量化并不只是要求轻质，而是既轻质，又能耐老化、耐疲劳、耐磨，还要更高韧性、更高模量以及更高强度，内饰和车体都会对轻量化有不同的要求。第二是设计和结构的要求，如今产品设计能够通过计算机辅助优化，在满足使用功能的前提下尽量实现减重。

　　车辆轻量化的主要途径

　　1.采用轻量化的材料，如用高强度钢制造转向架，铝合金来制造车体及其他承载部件，合成蜂窝材料制造车体内装构件，采用高性能轻质的隔热材、送风道以及薄壁不锈钢管、薄壁电缆、合成材料管路等。

　　2.设立列车计算机控制网络，取消以往数量庞大的列车通信（控制）线，设立1对或2对网络线，既可大大减轻列车重量，又可提高通信品质。

　　3.改变车辆结构参数，采用矮车体和鼓型断面,可以减小车辆自重和气动阻力。

　　4.采用集成化、模块化设计，以最小的体积来实现规定的功能。

　　轻量化材料在轨道交通行业应用情况

　　高速列车使用轻量化的材料，首先是轻金属合金材料，尤其是铝合金的使用。我国目前高速动车组车体基本完全使用铝合金，一些城轨车辆，重载货车也使用高强度的铝合金车体。铝合金作为一种成熟的轻金属材料。国外铝合金及其复合材料车体已经工程化，国内也已应用于高速列车车体顶盖、齿轮箱箱体、风缸等许多部件。

　　其次是复合材料，复合材料是以纤维、颗粒等作为增强材料，以聚合物、陶瓷、金属等作为基体复合而成的具有优异性能的新型材料。它具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、隔热、耐磨、低成本、可设计性强等一系列优点，正在成为高速列车轻量化越来越重要的一类材料。过去复合材料主要用于列车内部装备和装饰等非结构件，如地板、墙板、门窗、座椅、车门、卫生间等，现在越来越多地应用于各种车体结构件。例如，车体和车头前端部采用玻璃钢复合材料、芳纶纤维增强环氧树脂复合材料或碳纤维复合材料蜂窝夹层；转向架构架也采用了碳纤维增强复合材料；制动盘和制动闸片采用了金属基复合材料、碳/碳复合材料或SiC陶瓷增强铝基复合材料等等。国内外的研究和应用表明，复合材料是高速列车轻量化最有发展前景的新材料。

　　铝合金材料在轨道车辆得以广泛应用

　　铝合金作为轻量化代表材料在轨道车辆上广泛应用基于如下优点：

　　1.车辆自重可以大大减轻

　　在强度、刚性满足安全要求的同时，使用铝合金可大大减轻轨道车辆的自重，一般来说铝合金车辆比钢质车辆轻30%～50%。

　　2.铝合金具有优良的耐火与耐电弧性

　　虽然铝的熔点(660℃)大大低于钢的熔点(1530℃)，但车体的耐火耐电弧特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，其散热性比钢更好。

　　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化能力。因此铝合金比钢质车体具有更好的耐腐蚀性能，特别是在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蚀性，可使车体表面美观。

　　4.便于加工、制造、维修

　　随着大型中空、复杂断面铝型材的开发应用,铝材焊接技术在不断进步,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,还可以回收的特点使制造工艺大大简化,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。采用铝合金车辆是经济合理的,最终成本是适中的。

　　铝合金材料在轨道车辆应用前景广阔

　　目前国内高速铁路客车发展很快，每辆高速铁路客车车辆用铝合金约10吨。各种型号的车辆材料使用量也不尽相同。以国内每年制造2000辆高速铁路客车车辆计算，对大断面型材需求量约1.6万吨，铝板材的需求量约0.4万吨。城市轨道交通工具包括地铁列车、磁悬浮列车和其它轻轨列车,到2015年底，国内建成地铁的城市有87条线在运营，线路总长度2500公里。按平均每公里拥有7.5辆车辆计算，国内城市轨道车辆已经达到18750辆。

　　在铁路货车上应用上，原来很少用铝质，货车车体都是用钢材焊接而成的。因铝在同等的牵引力下运能可以提高，2003年开始，货车主要生产企业齐齐哈尔车辆公司等四家企业制造了C80铝合金运煤敞车400辆，每量车平均使用铝板2吨，铝型材2.5吨，共计4.5吨。

　　对于车辆轻量化来讲，仅考虑车体显然是不够的。因为车体的质量仅占20%左右，大部分质量集中在转向架上，而转向架的质量又主要取决于牵引电机、轮对、构架和制动系统。在高速列车上采用了高强度铝合金如齿轮箱体、枕梁、轴箱前盖、轴箱体、制动盘、铝合金轮芯复合车轮、电磁制动中的部件，磁悬浮车辆超导线氦液化冷冻器的热交换器等等，都有发展前景。在车内设备中，内部装饰板、门窗、座椅、水箱、各种管道等，其总质量也相当可观。

　　中国高铁运营里程15000km，2050年高速列车需求数量预计为5万辆；俄罗斯、美国、东南亚等海外客户也表达对铝合金动车组的采购意向。同时国内上海、广州、深圳、武汉、南京等多个城市铝合金城轨车辆需求日益增长，2050年国内铝合金城轨车需求量预计为4万辆。综上，铝合金材料需求每年都需求超过6万吨，轨道车辆铝合金应用前景广阔。目前我国已完全掌握了高速列车、地铁、城市轻轨等轨道交通铝合金车辆从材料设计到制造的技术。

　　未来展望：专业化与精细化仍需加强

　　1.产能过剩

　　2009年我国轨道交通车辆用铝合金型材需求量大约为4.5万吨/年，而当年仅忠旺集团、丛林集团、麦达斯铝业和南山铝业四家企业在轨道交通铝型材方面的产能接近5万吨/年。预计2020年我国轨道交通车辆用铝材的需求量约为50万吨/年，但资料显示2009年以来至今我国已建或在建的轨道交车辆用铝型材项目设计产能已超过100万吨/年。目前我国已成为世界上拥有75MN及以上大挤压机最多的国家，而且很多企业更大的挤压机还在酝酿或建设中。虽然轨道交通车辆用铝型材正朝着复杂薄壁大断面发展，但同时也应该看到，目前至少有70%的工业铝型材是用45MN以下的挤压机生产的。不进行可行性研究盲目建造铝型材项目，且设计产能非常大，这不但会增加铝型材市场的库存，也会降低行业的利润。

　　目前我国轨道交通用铝型材产能已经超过了国内的实际需求量，市场已经处于小幅过剩状态，预计未来几年我国轨道交通车辆用铝型材市场将出现饱和。

　　2.产品与技术的专业化与精细化

　　铝工业型材向高性能、复杂截面、大尺寸薄壁结构产品发展，与主机企业密切沟通，做到设计制造联动，加强轨道车辆高端铝铸件的开发制造，铝基复合材料研发应用，提升铝材及铝合金产品附加值。

　　夏少华最后指出，对于轨道交通行业，采用铝合金材料的历史仍较短，但从目前来讲，轻量化的趋势不可逆转。随着国内车辆研发逐渐成熟，从制造工艺与国际接轨的程度来看，产业内从业同仁仍有很多工作要加强。一方面，原材料的制造工艺，产品质量，要做到与国际接轨，缩小与国外的标准差距。另外铝合金产品的生产设备、工艺，以及产品的结构与国际的先进水平还有一定的距离。

　　因此，夏少华提出应该集中精力，集中资金、人力对高档铝合金的铸造产品，包括高档的铝型材产品开发和投入，调整产品结构，建立相关设计方法、制造工艺方法和检验与验收的方法，形成科学、系统的标准及规范，通过更加精细化和专业化的生产加工水平，提高铝合金在行业的附加值。