镁合金在轨道车辆车体上应用分析

一、镁合金车辆技术发展
2018年8月，位于成都双流区的中唐空铁集团与重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心（以下简称“国家镁中心”）签署合作协议，双方将组建国家镁合金材料工程技术研究中心成果转化中心，将深入研究镁合金材料在悬挂式空铁交通系统中的全方位综合应用，联合研制世界首辆全镁合金空铁客车车体，并联合组建院士工作站和博士后工作站等。

重庆大学教授、中国工程院院士、国家镁中心主任潘复生介绍，与传统金属相比，镁具有比重轻、强度高、阻尼减振降噪能力强、易于回收利用等一系列绿色结构材料特点，因而被广泛应用于汽车、摩托车等交通工具和航空航天及国防军工等领域。“在车体极限载重量明确、规格尺寸都相同的情况下，采用更轻量的镁合金，可以使车体重量只有原来铝合金车体的三分之一左右。”

另一位致力于推进镁合金车体的重要人物是西南交通大学材料科学与工程学院教授、交通运输装备轻量化研究所所长权高峰，从2006 年开始，权高峰就投入到了镁合金制造列车车体的研究中，目前取得的主要成果有过渡车钩、救援车钩，卧铺、电池仓、轴箱体等镁合金产品，并对其表面处理、工业标准等方面进行了研究。

动车组内装系统镁合金结构的耐腐蚀性能见表1。

表1  镁合金使用部位及表面处理方法

镁合金常用工业标准见表2。

表2  镁合金常用工业标准

权高峰教授在镁合金领域重点攻克了低成本微稀土改性镁合金，并采用了遗传共晶强化-Inherited eutectic reinforcement (IER)工艺，获得的材料性能优于同等尺度，同等强化相含量镁基复合材料。

低成本微稀土改性镁合金微观结构

不同工艺镁合金的力学性能

权高峰教授提出了列车车体轻量化目标：即等刚度-等强度设计条件下，镁合金列车比铝合金列车综合减重8.6-12.6%，且低速列车的节能效果更为明显。

表3 铝合金和镁合金列车启停(ΔQss)和运行节能(ΔQrun)效率测算对比

实际上，镁合金车身在公交车/大巴车领域近两年已获得突破。2017年9月，银隆新能源与福建坤孚有限公司共同研发的“12米镁合金公交车身骨架设计研发” 项目科技成果评价会在珠海召开并获得专家的一致认定，项目成果具有创新性，对车辆轻量化技术的进步具有引领作用。据了解，这台12 米公交车型的细化延伸开发，轻量化达50%以上，提高续航里程，增强整车操控性。对比钢结构车身，在满足原有客车基本性能的基础上实现总重量从2吨减轻到0.9吨，实现55%的减重空间、降低能耗45%以上；对比铝合金车身减重量约为 20%左右，进一步提升车身轻量化水平，提高能效比，增加新能源汽车的续航里程。

2018年7月，中通客车与福建坤孚有限公司合作开发的一款12米镁合金公交LCK6120EVQG成功下线，并通过了科技部专家组的评审鉴定。这款搭载了更高效电驱动桥总成、高度集成化高压控制系统、智能电池系统、能量回收系统、以及智能空调等系统的新型电动客车，集行业最先进纯电动客车技术于一身，除镁合金外，还多处应用了碳纤维等轻质材料，车身骨架为0.85吨，整车总重9.7吨，整车降重26%，创造了行业镁合金纯电动客车的新纪录。

镁合金车身骨架

二、镁合金在车体上应用前景分析

在交通车辆领域，目前镁合金仅在大巴车身上有成功的应用业绩，在长度较短的空铁客车车体正在研究中，在长度较长的地铁列车等车型仅在内装顶板、行李架等非主要承力件上有应用业绩，在车体方面业绩还是空白，存在许多技术问题有待进一步研究解决。

此外，对于目前现有成熟牌号的镁合金中，适合用于挤压型材并制造车体的主要是AZ31B镁合金。

2.1、技术亮点

对于轨道车体轻量化方面，镁合金材料的亮点技术如下：

1）机械性能

1. 密度小：AZ31B镁合金密度约1.8g/cm3，目前车体常用型材6005A铝合金密度约为2.7 g/cm3，相对减少1/3。
2. 比强度高：AZ31B镁合金强度约160MPa，6005A铝合金屈服强度为215MPa，比强度略高于铝合金型材。
3. 材料延伸率高：在材料极限破坏前有明显的变形和较长的变形持续时间，便于发现和补救。
4. 易切削性能好：不粘刀，方便铣削机加工。
5. 适用于搅拌摩擦焊：AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头的强度基本和母材一致。

2.2 对于在车体上应用，镁合金材料主要存在如下问题：

• 弹性模量低：AZ31B镁合金的弹性模量只有43GPa，6005A铝合金弹性模量为70 GPa，两者的比刚度前者比后者稍低，对车体轻量化效果有负面影响。考虑到车载设备及载客量变化对车体的挠度变化是有要求（不大于车辆定距的1/1000，部分城市要求AW0状态到AW3状态变化量不大于10mm）的，因此不适合在长度较长的车型中使用。
• 机加工过程风险高：机加工产生的镁合金碎屑遇水会燃烧，且燃烧起来很难控制，目前镁合金大巴车原材料加工基本是由原材料厂家统一处理完，再发送给车辆制造商组装使用。
• 异种金属焊接性能差：AZ31镁合金和铝合金等其它金属焊接性较差，甚至不同牌号之间的镁合金的焊缝都容易出现缺陷。因此，目前大巴车身主要采用铆接技术。
• 车体腐蚀防护技术不成熟：微弧氧化处理是镁合金防腐效果较好的方法，但处理车体大型部件几乎还没有成功业绩。如果在部件上做微弧氧化处理，焊接时又会破坏，影响防护效果。目前其它处理方式如磷化处理等很难满足车体使用环境要求。
• 生命周期成本高：镁合金型材的挤压、机加工、焊接过程成本较高，后续防腐方面的维护难度大，成本也高。

2.3、其它有待解决的问题

• 大截面中空挤压型材有待开发，目前国内仅能生产300mm左右宽度的镁合金型材。
• 大尺寸规格镁合金部件的微弧氧化表面处理有待开发。
• 行业规范性较差，标准体系滞后，对于车体没有对应的行业标准或国家国家标准，客户是否认同材料性能数据。
• 开发更适合车体使用的新型镁合金材料。

2.4、应用建议

综上所述，镁合金在轨道车辆车体的应用尚不成熟，尤其对于常规的地铁列车、动车组列车，目前常用的挤压镁合金的弹性模量基本限制了其应用。在某些长度较短，非主要承力部件可以尝试使用，如中速磁浮项目设备夹层采用全铆接结构，其中牵引拉杆座、裙板支座等压铸件可以考虑采用压铸镁合金，其余部件可以考虑采用挤压镁合金。