鎂合金是將其他元素加入金屬鎂基而形成的合金。鎂（Mg）的密度為1.8g/cm3，是鋁（Al）的2/3，只有鐵（Fe）的1/4，是使用金屬中密度超小的。同時，Mg具有較高的比強度、彈性模量，并且導(dǎo)熱性好，制成鎂合金后，相比鋁合金等，鎂合金能夠承載更高的沖擊載荷。目前，鎂鋁合金應(yīng)用極為廣泛，已經(jīng)普遍應(yīng)用在航空航天、軌道交通、化工等領(lǐng)域。鎂合金與鋁合金的性能對比如表1所示。
鎂合金主要特點包括：
①鎂鋁合金強度大幅高于鋼材，而密度與鋁合金相當(dāng)。
②極好的減震抗噪性能。鎂合金在彈性范圍內(nèi)受到?jīng)_擊載荷作用，其吸收的能量大于鋁合金，因而減震能力是鋁的100倍，是鈦合金300～500倍。
③良好的機械加工和鑄造性能。鎂合金的切削阻力較小，是加工難度非常小的合金材料。并且切削后表面光潔不需后期加工。鎂合金壓鑄件的尺寸較鋁合金提高25%的加工精度，加工能耗降低50%。
④良好的熱導(dǎo)和電磁屏蔽性能。其熱導(dǎo)高于鋁合金，同時還能做的更薄，更加利于散熱。其具有良好的電磁屏蔽性質(zhì)，能夠勝任對抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)要求高的場合。
鎂合金主要成分包括Mg、Al、錳（Mn）、鋅（Zn）、硅（Si）、銅（Cu）、鎳（Ni）、Fe等元素。根據(jù)成分范圍可以分為鎂鋁合金、鎂錳合金和鎂鋅合金。根據(jù)鎂合金不同的成型方法，可以將其分為壓鑄鎂合金和形變鎂合金兩種。其中壓鑄鎂合金占據(jù)鑄造鎂合金的絕大部分。鎂合金牌號為AZ31B、AZ61A、AZ91D等鎂合金已經(jīng)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。軌道交通常鎂合金和鋁合金物理性質(zhì)如表2所示。
軌道交通裝備中鎂合金應(yīng)用情況
現(xiàn)代高速列車必須滿足安全性設(shè)計指標(biāo)、節(jié)能環(huán)保設(shè)計指標(biāo)和舒適性指標(biāo)。鎂合金能夠很好的地吸收震動沖撞等能量，如用其制造高鐵列車座椅，能夠更多地吸收列車碰撞后的震動能量，進而降低乘客受到的傷害。鎂合金密度低，在列車輕量化方面和其他材料相比優(yōu)勢非常明顯。由于其良好的可加工性，能夠做成任意復(fù)雜的形狀，因而可以做出符合人體工學(xué)和美學(xué)設(shè)計的座椅。
根據(jù)國內(nèi)外研究機構(gòu)和主機廠對高速列車用鎂合金型材組件的多項研究和測試結(jié)果得出結(jié)論，鎂合金在高速軌道列車的輕量化升級中具有巨大的應(yīng)用潛力。使用AZ92D鎂合金替代動車中用聚酰胺（PA）塑料制作的小桌板支架，小桌板的承重能力、斷裂伸長率和沖擊韌性等性能獲得了顯著提升。
鎂合金已經(jīng)出現(xiàn)在國外高速列車的很多場合。德國西門子公司的ICE高速列車和法國TGV Duplex雙層高鐵列車均采用鎂合金制作了座椅。其中，法國TGV Duplex列車共制作了4.5萬個座椅，并且制作了小桌板、扶手、踏板和座椅的側(cè)面等零部件。相比傳統(tǒng)的鋁合金座椅，每個雙人座椅的質(zhì)量減小了6kg，占總質(zhì)量的1/5。日本新干線N700系類高速列車的座椅和支架、靠背和扶手、地墊、底座等都已經(jīng)使用鎂合金制造。
由于鎂合金相對鋁合金成本相當(dāng)，列車運行時能耗得到降低，綜合來說總體上降低了列車的運行成本。韓國KTX特快列車座椅在過去使用玻璃鋼和鋁合金作為材料。在使用了鎂合金板材零件后，當(dāng)個座椅相比之前質(zhì)量降低了5kg，同時還減少了8%～10%的材料成本。我國軌道交通裝備的鎂合金應(yīng)用也正在迅速推進。當(dāng)前鎂合金在國內(nèi)主要應(yīng)用在空調(diào)通風(fēng)口格柵、車窗防護欄桿、座椅和地板、臥鋪床架和支架、行李架邊框、內(nèi)部儀表盤框架等零部件。
軌道交通裝備上常用的鎂合金型號包括A Z31B、A Z61A、A Z91D、Z K60、AM60B等。鎂合金零部件的承重能力需求越來越大，已經(jīng)開始制造主要承重部件。因此，未來鎂合金開發(fā)的一大重要方向就是開發(fā)高強高韌、耐疲勞和減震鐵道車輛零部件。在我國唐山軌道客車有限公司也將鎂合金應(yīng)用到了其制造的國內(nèi)首列實用型中低速磁懸浮列車上，其車內(nèi)結(jié)構(gòu)件和燈體都采用鎂合金制造，以達(dá)到整體減重的目的。
寶山鋼鐵股份有限公司研究院汽車用鋼所利用其具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BGZ8型鎂合金，制備出了新型鎂合金材料。該鎂合金具有非常高的機械強度和韌性，他們同時對擠壓模具進行了優(yōu)化，使鎂合金在模具中的擠壓過程中能發(fā)生均勻而劇烈的形變，并誘導(dǎo)其產(chǎn)生在結(jié)晶過程。形成的再結(jié)晶組織具有非常細(xì)的晶粒尺寸，并且均勻分布于鎂合金材料內(nèi)，并存在較強的{0001}基面織構(gòu)。
在低溫T5時效處理后，在晶界處由于擠壓形成Al12Mg17相釘扎，這種多尺度圍觀組織使鎂抗拉強度、屈服強度及伸長率等關(guān)鍵機械強度指標(biāo)都獲得大幅增長，分別達(dá)到396MPa，289MPa和11.5%，在使零部件成功減重25%的同時，完全滿足高鐵座椅骨架的機械性能要求。2017年12月，成都天智輕量化科技公司（簡稱“天智公司”）生產(chǎn)的擠壓側(cè)墻型材和地板導(dǎo)槽型材鎂合金獲得了成功驗收，并交付使用于“復(fù)興號”列車上。
該批次產(chǎn)品總長度達(dá)到約一萬延長米，在該批次11架列車上成功列裝。該公司還交付了2批次約萬延長米的鎂合金材料擠壓型材，預(yù)計將列裝于25架地鐵列車上。天智公司成功打通了材料設(shè)計、擠壓成型模擬、模具優(yōu)化設(shè)計、擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化、現(xiàn)場精細(xì)調(diào)控、型材矯形定尺等全技術(shù)流程，能夠大批量商業(yè)供應(yīng)大尺寸、薄壁、復(fù)雜截面鎂合金精密擠壓型材，在鎂合金精密擠壓技術(shù)上取得重要進展和重大突破。
復(fù)興號是全球高運行速度的高速列車，在安裝鎂合金型材后，實現(xiàn)了動車組車內(nèi)件輕量化升級，完成節(jié)能減重的重要目標(biāo)。重慶理工大學(xué)研發(fā)出第3代氣動懸浮列車LOOP，采用阻燃性鎂合金做車身材料。車身采用環(huán)形翼設(shè)計，在三維面上形成一個向后傾斜的框。該設(shè)計相比之前一、二代車體，氣流穩(wěn)定性提高了很多。環(huán)形翼設(shè)計能夠保持在軌道寬度不變的前提下將列車運輸能力提高30%～40%。全球第1條高速氣動懸浮列車線路計劃將于2025年在日本開通。屆時將建成日本成田機場到羽田機楊的地下隧道，該列車將以時速400km運行。預(yù)計為3節(jié)車廂，每節(jié)車廂一次運載120人。
鎂合金更大規(guī)模應(yīng)用的制約問題分析
盡管鎂合金有許多其他材料不具備的優(yōu)勢，但仍然有一定的缺點制約其獲得更大規(guī)模應(yīng)用。主要包括：①由于鎂合金是六方晶格結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過軋制或定向擠壓等加工處理后容易造成材料的各向異性而導(dǎo)致各方向上力學(xué)性能出現(xiàn)偏差。
②鎂合金性質(zhì)較為活潑，化學(xué)電負(fù)性非常強，其電極電位為-2.37V，低于鋁材料的-1.71V，很容易出現(xiàn)氧化腐蝕情況。例如與其它金屬的接觸表面容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕；在空氣中也容易被氧氣氧化而在表明形成氧化薄層，該氧化層質(zhì)地催而疏松，表明多孔，不能阻擋隔絕空氣，加速氧化過程。并且，溫度越高，氧化過程越快。
鎂合金，特別在液態(tài)下非常容易著火，并且燃燒過程極度劇烈。因此，鎂和鎂合金在進行熔煉和鑄造時必須在溶劑覆蓋或者保護氣氛或真空中進行。金屬鎂熔點650℃，鎂合金熔點更低。只要超過600℃，鎂合金很容易會融化為液體，進而發(fā)生不可控的劇烈燃燒。因此在鎂合金零部件裝車之后必須做好燃燒實驗，確保不會燃燒。
④鎂合金的焊接不能使用常規(guī)方式進行常，必須使用新型的固相焊接方法（攪拌摩擦焊等）焊接。同時，焊接成品的性能還需要做實驗進行進一步認(rèn)證。
⑤受現(xiàn)階段工藝限制，鎂合金寬幅擠壓較為困難，很難制造出大斷面擠壓型材。目前雖然只要鎂合金成分配比符合標(biāo)準(zhǔn)，加工工藝參數(shù)進行嚴(yán)格控制，可以讓鎂合金各項物理性能達(dá)標(biāo)，但無法對材料尺寸誤差，特別是側(cè)彎值和穩(wěn)定性進行實際操控。目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)軌道交通裝備所需的大型薄壁中空鋁型材，已經(jīng)造出250MN擠壓機，在車體大型擠壓鋁材的各項物理性能上與德國日本同類產(chǎn)品相當(dāng)，甚至更加優(yōu)秀，但尺寸誤差和穩(wěn)定性還具有相當(dāng)?shù)牟罹唷?/p>
⑥鎂合金在高溫下機械性能會出現(xiàn)較大程度的下降。目前絕大多數(shù)的鎂合金材料只能在150℃以下才能保持正常性能。目前正在研究在鎂合金中加入稀土元素來制造耐熱型的鎂合金，但目前稀土鎂合金的成本還無法降低到商用水平。
結(jié)語
我國菱鎂礦、白云石資源豐富，鎂資源儲量達(dá)到全球總量的一半以上，因此在鎂合金的研究和應(yīng)用上有著巨大的資源和成本優(yōu)勢。我國軌道交通發(fā)展速度很快，對軌道交通裝備輕量化的要求也愈發(fā)強烈。隨著鎂合金冶煉、加工工藝的研究發(fā)展，鎂合金的性能將會不斷獲得提升，同時穩(wěn)定性也將更進一步加強。預(yù)計未來鎂合金的新的應(yīng)用層出不窮，從非承重零部件逐漸發(fā)展應(yīng)用到高速列車的承載零部件，是高速列車應(yīng)用鎂合金實現(xiàn)輕量化升級的關(guān)鍵。
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