鋁：最好的低溫結構材料

文/ 王祝堂

高鐵車廂是用鋁材焊接的，有的高鐵線經過零下三四十攝氏度的高寒地帶；南極科考船上的一些儀器、裝備與起居用品是以鋁材制造的，需要經受零下六七十攝氏度的考驗；由中國經北極到歐洲的商船上有些裝備也是用鋁材制造的，其中的一部分露在外面，環境溫度也在零下五六十攝氏度；它們能在這樣的寒冷環境中正常運轉嗎？沒問題，鋁合金及鋁材是最不怕寒冷酷熱的。

鋁及鋁合金是最好的低溫材料，沒有低溫脆性，不像普通鋼材、鎳合金等那樣有明顯的低溫脆性，它們的強度性能雖然隨著溫度的降低而升高，但是塑性與韌性卻隨著溫度的下降而降低，即有明顯的低溫脆性。可是鋁及鋁合金則大不一樣，沒有一絲絲低溫脆性，它們的一切力學性能均隨著溫度的降低而全面明顯上升，與材料的成分無關，不管是鑄造鋁合金還是變形鋁合金，也不管是粉末冶金合金，還是復合材料；與材料狀態也沒有關系，不管是加工狀態的，還是熱處理狀態的；也與錠坯制備工藝無關，不管是用鑄錠軋制的，還是用熔體連續鑄軋的或連續連軋的；與鋁的提取工藝更無關系，電解的、碳熱還原的、化學提取，通通都沒有低溫脆性；與純度也無關，不管是99.50%～99.79%的工藝純鋁，還是99.80%～99.949%的高純鋁、99.950%～99.9959%的超純鋁（Super Purity）、99.9960%～99.9990%的極純鋁（extreme purity）、＞99.9990%的超高純鋁等都沒有低溫脆性。有趣的是，另兩個輕金屬——鎂、鈦跟鋁一樣也沒有低溫脆性。

高鐵車廂鋁材有Al-Mg 系的5005 合金板材、5052合金板材、5083 合金板材及型材，Al-Mg-Si 系的6061合金板材及型材、6N01 合金型材、6063 合金型材，Al-Zn-Mg 系7N01 合金板材及型材、7003 合金型材。標準狀態有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。

不管哪種鋁合金，它的力學性能均隨著溫度的降低而上升，所以鋁材是一類絕妙的低溫結構材料，火箭的低溫燃料（液氫、液氧）儲罐、液化天然氣（LNG）運輸船上與岸基儲罐、低溫化工產品容器、冷庫、冷藏車等都可以用鋁材制造。

在地球上跑的高速列車的車廂與車頭的結構件凡是可用鋁合金制造的零部件都可以用現行的相應鋁合金制造，不需要另辟蹊徑研究一種在高寒地區運營的廂體結構鋁合金及其生產工藝，當然如果能研發一種各項性能比6061 合金大10%左右的6XXX 合金，或比7N01 合金全面約大8%的7XXX 合金，那當然是功勞很大的。

實際上，在我國黑龍江省，以及以后在內蒙古自治區、新疆維吾爾族自治區、西藏自治區、青海省跑的高鐵對鋁合金結構來說算不了“高寒”，不需要對合金成分作特殊處理，也不需要對材料生產工藝參數作專門調整。

只要為京張高鐵或以后為在其他寒冷地區運營的高鐵車輛廂體生產的鋁材性能符合中國GB、歐洲EN、日本JIS、美國ASTM 等標準要求，就是合格的產品，不需要采取特殊措施，以免加大成本。

1.車廂鋁合金的發展趨勢

在現在軌道車輛廂體制造和維護中用的板材合金有5052、5083、5454、6061 等合金，用的擠壓型材有5083、6061、7N01 等，此外一些新的合金諸如5059、5383、6082 等也有所應用。它們都有良好的可焊性，焊絲為5356或5556合金，當然最好是采用摩擦攪拌焊（FSW），不但焊接質量高，而且不用焊絲。后來日本研發的7N01合金（Mn0.20～0.7、Mg1.0～2.0、Zn4.0～5.0，單位%），在軌道車輛制造中獲得廣泛應用；德國在制造高鐵Trans Rapid 車廂時采用5005 合金板制作壁板，用6061、6063、6005 合金擠壓所用的型材。總之，直到目前無論是中國還是其他國家制造高鐵車輛基本上仍沿用這些合金。

2.200km/h～350km/h列車廂體鋁合金

我們可根據列車運營速度將廂體鋁合金分為：速度＜200km/h 的車輛用的可稱為第一代合金，它們是常規的合金，多用于制造城市軌道車輛廂體，如6063、6061、5083 合金等；第二代鋁合金如6N01、5005、6005A、7003、7005 合金等用于制造速度為200km/h～350km/h 的高鐵車輛廂體；第三代合金是6082、含鈧的鋁合金等。

除了6N01、7N01 合金（它們是日本合金，N 代表Nippon）外，還有7003 合金，它的Mg 含量比7N01 合金的低，是一種低Mg 的Al-Zn-Mg 合金，它的可焊性及強度與7N01 合金的相當，并具有更高的可擠壓性能。日本東北和上越新干線、札幌地鐵大量采用7003、7N01 合金生產壁厚3mm 的寬幅型材。

6005A 合 金（Si0.50～0.9、Mg0.40～0.7、Mn 和Cr 0.12～0.50，%）是法國注冊的，與美國6005 合金相比，Mg 與Si 的含量相等，但增加了0.12%～0.50%的Mn的Cr，不但有與6063 合金相當的可擠壓性能，而且強度性能也有所提高。6N01 合金也如此，日本山陽電化鐵路3050 型車輛廂體側板（寬507mm、壁厚2.5mm）、寬558mm 的地板，以及制造側板掛鉤、檐梁等的大型寬幅空心型材都是用6N01 合金擠壓的。

3.350ktm/h～450km/h 列車廂體鋁合金

這是廂體用的新一代鋁合金，列車速度高達450m/h，車輛須承受更大的外力，受到的震動也更強烈，因此應研發新一代輕量化高鐵鋁合金。

鈧是鋁及鋁合金最有效的晶粒細化劑，也是優化鋁合金性能有效的元素之一，鈧的含量都＜0.5%，凡含有鈧的合金，不管含量多少都統稱鋁-鈧合金。Al-Sc 合金有強度高、塑性好、可焊性優良、抗蝕性強等優點，是艦船、航空航天器、反應堆、國防軍工器械等領域選用的新一代鋁合金之一，當然也可以用于制造鐵路車輛結構。

不過向現行鋁合金添加鈧，對組織性能的改善如何，尚有待系統的研究，鈧是一種稀土元素，中國是世界上最大的鈧生產國，在Al-Sc 合金研究方面居世界前列，但總的來看還不如俄羅斯，在Al-Sc 合金研究與應用方面俄羅斯是領跑者。東北輕合金有限責任公司、中南大學、航天材料及工藝研究所對Al-Sc 合金的研發作了許多工作，他們研究的“大尺寸5B70 鋁-鎂-鈧合金板材”獲2017年度中國有色金屬工業科學技術一等獎，獲二等獎的也有一項，為“航天用可焊高強Al-Zn-Mg-Sc 合金”。

4.6082 合金

繼6N01 合金普及以來，1972 年成型的6082 合金得到鐵路裝備制造部門的關注，此合金的強度介于7N01 合金與6N01 合金強度之間。6082-T5 方形管的抗拉強度Rm（噴霧在線淬火）符合底架梁的相應要求。基礎實驗表明，此合金可以在相應領域實地應用。然而，若要在鐵路裝備部門廣泛推廣，仍需要做大量工作。對于30 年前曾被視為萬無一失的鋁制列車的裝配節點的疲勞強度，由于列車載重條件改變和結構輕量化，已不適用于當前的新型高速列車，但是這與高寒地區的溫度無關，因為零下幾十攝氏度對鋁合金來說真是“小試鋒芒”，算不了什么低溫，同時溫度越低，鋁結構顯得越強韌。

5.泡沫鋁

高速列車具有軸重輕、頻繁加減速和超載運行等特點，要求車體結構在滿足強度、剛度、安全、舒適的前提下盡可能輕量化。顯然，超輕泡沫鋁所具備的高比強、高比模、高阻尼等性能，與這些要求非常一致。國外對泡沫鋁在高速列車上的應用進行了詳細地研究與評估，發現填充泡沫鋁的鋼管吸能本領比空管的高35%～40%，抗彎強度提高40%～50%，從而可使車廂立柱和隔板更堅固，不易坍塌；用泡沫鋁填充機車頭部緩沖區，可提高吸收沖擊能的能力；用10mm 厚泡沫鋁和薄鋁板制造的夾心板比原鋼板質量輕50%，而剛度卻提高了8 倍。

目前，中國高鐵有關單位正在研究用泡沫鋁夾心板制備高鐵車廂地板和車門的可行性。為加快解決下一代高鐵面臨的一系列重大科技問題，鐵道部門和中國科學院聯合成立了先進軌道交通力學研究中心，在對高速列車材料與結構可靠性、噪聲降低理論與技術等方面展開攻關研究，其中有相當一部分內容與超輕泡沫鋁有關。

隨著高速列車運行速度的不斷提升，產生的噪聲對乘客乘坐舒適度與周邊環境的影響已成為高鐵發展的關鍵制約因素之一。相對于車內噪聲，車外噪聲對環境的影響更為嚴重，而高速列車通過隧道或兩列高鐵在隧道內交匯時產生的混響噪聲及由此產生的震動具有相當強的破壞力，如不有效控制，將可能成為高鐵的一大發展障礙。為了降低高速列車的噪聲污染，必須在經過人口密集區的鐵路兩側及隧道內設置屏障。超輕開孔泡沫鋁的主要功能之一是吸聲，而且該性能可通過改變孔型或聲結構調整。此外，泡沫鋁還具有良好的防腐、耐氣候和加工性能，因此是野外聲屏障的良好吸聲材料。