Los vagones de tren de alta velocidad están soldados con aluminio, y algunas líneas de tren de alta velocidad atraviesan la zona de frío extremo de menos 30 a 40 grados Celsius. Algunos de los instrumentos, equipos y suministros de vida a bordo del buque de investigación científica antártico están hechos de aluminio y deben soportar la prueba de menos 60 grados Celsius y 70 grados Celsius. Parte del equipo de los buques mercantes que viajan de China a Europa a través del Ártico también está hecho de aluminio, algunos de los cuales están expuestos y la temperatura ambiente es de menos 50 o 60 grados Celsius; ¿pueden funcionar en un entorno tan frío? No hay problema, la aleación de aluminio y el aluminio son los que menos temen al frío y al calor.
El aluminio y las aleaciones de aluminio son los mejores materiales para bajas temperaturas, sin fragilidad a bajas temperaturas, a diferencia del acero ordinario, la aleación de níquel, etc. Aunque sus propiedades de resistencia aumentan con la disminución de la temperatura, la plasticidad y la tenacidad disminuyen con la disminución de la temperatura, es decir, hay una fragilidad evidente a baja temperatura. Sin embargo, el aluminio y las aleaciones de aluminio son muy diferentes. No hay ni rastro de fragilidad a baja temperatura. Todas sus propiedades mecánicas aumentan significativamente con la disminución de la temperatura, independientemente de la composición del material, ya sea aleación de aluminio fundido o aleación de aluminio forjado. Ya sea aleación de metalurgia de polvos o material compuesto; No tiene nada que ver con el estado del material, ya sea en estado de procesamiento o tratamiento térmico, y no tiene nada que ver con el proceso de preparación del lingote, ya sea laminado con lingote, fundición continua con fusión o laminado continuo. No tiene nada que ver con el proceso de extracción del aluminio, electrolítico, reducción carbotérmica, extracción química, todos no tienen fragilidad a baja temperatura; No tiene nada que ver con la pureza, ya sea aluminio puro del 99,50% al 99,79%, no hay fragilidad a baja temperatura en el aluminio de alta pureza del 99,80%-99,949%, aluminio ultrapuro del 99,950%-99,9959% (Super Purity), aluminio ultrapuro del 99,9960%-99,9990% (pureza extrema), > 99,9990% aluminio ultrapuro, etc. Curiosamente, los otros dos metales ligeros, el magnesio y el titanio, no son tan frágiles a bajas temperaturas como el aluminio.
La relación entre las propiedades mecánicas y la temperatura de los perfiles de aleación de aluminio extruido para varios vehículos ferroviarios de alta velocidad de uso común se muestra en la tabla siguiente.
Los productos de aluminio en los compartimentos de trenes de alta velocidad incluyen placas de aleación 5005, placas de aleación 5052, placas de aleación 5083 y perfiles del sistema Al-Mg, placas de aleación 6061 y perfiles del sistema Al-Mg-Si, perfiles de aleación 6N01 y perfiles de aleación 6063. Al-Zn-Mg es la placa y el perfil de aleación 7N01, el perfil de aleación 7003. Los estados estándar son O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.
Es obvio a partir de los datos de la tabla que, independientemente del tipo de aleación de aluminio, sus propiedades mecánicas aumentan con la disminución de la temperatura, por lo que el aluminio es un tipo de material estructural de baja temperatura maravilloso. Los tanques de almacenamiento de combustible criogénico para cohetes (hidrógeno líquido, oxígeno líquido), los transportadores de gas natural licuado (GNL) y los tanques de almacenamiento en tierra, los contenedores de productos químicos criogénicos, los almacenes frigoríficos, los vehículos refrigerados, etc., pueden fabricarse con aluminio.
Las partes estructurales de los vagones y cabezas de los trenes de alta velocidad que circulan por la tierra, todas las partes que se pueden fabricar con aleación de aluminio se pueden fabricar con la aleación de aluminio correspondiente actual. No hay necesidad de buscar otra forma de estudiar un tipo de aleación de aluminio con estructura de caja que funcione en áreas altas y frías y su proceso de producción. Por supuesto, si podemos desarrollar una aleación 6XXX cuyas propiedades sean aproximadamente un 10% mayores que la aleación 6061, o una aleación 7XXX que sea aproximadamente un 8% mayor que la aleación 7N01, eso es mucho trabajo, por supuesto.
De hecho, el ferrocarril de alta velocidad en la provincia de Heilongjiang en China y en la región autónoma de Mongolia Interior, la región autónoma de Xinjiang Uygur, la región autónoma del Tíbet y la provincia de Qinghai no es "alto frío" para la estructura de aleación de aluminio, y no hay necesidad de un tratamiento especial de la composición de la aleación. No hay necesidad de hacer ajustes especiales a los parámetros del proceso de producción de materiales.
Siempre que las propiedades del aluminio producido para el tren de alta velocidad o más tarde para los vagones de tren de alta velocidad que operan en otras áreas frías cumplan con los requisitos de GB chino, EN europeo, JIS japonés, ASTM estadounidense, etc., son productos calificados y no es necesario tomar medidas especiales. Para no aumentar el costo.
Tendencia de desarrollo de la aleación de aluminio en el automóvil
En la actualidad, las aleaciones de placa utilizadas en la fabricación y el mantenimiento de la carrocería de los vehículos ferroviarios son 5052, 5083, 5454, 6061, etc., y los perfiles extruidos son 5083, 6061, 7N01, etc. Además, también se han utilizado algunas aleaciones nuevas como 5059, 5383, 6082. Todos ellos tienen buena soldabilidad, el alambre de soldadura es aleación 5356 o 5556, por supuesto, es mejor utilizar soldadura por fricción-agitación (FSW), no solo alta calidad de soldadura, sino también sin alambre de soldadura. Más tarde, la aleación 7N01 (Mn0.20~0.7, Mg1.0~2.0, Zn4.0~5.0, unidad%) desarrollada en Japón se ha utilizado ampliamente en la fabricación de vehículos ferroviarios. En la fabricación de vagones Trans Rapid de trenes de alta velocidad en Alemania, se utilizan placas de aleación 5005 para fabricar paneles de pared, y se utilizan aleaciones 6061, 6063 y 6005 para extruir perfiles. En resumen, estas aleaciones todavía se utilizan básicamente en los vehículos ferroviarios de alta velocidad fabricados en China y otros países.
Aleación de aluminio para carrocería de tren de 200 km/h~350 km/h
Según la velocidad de funcionamiento del tren, la carrocería de aleación de aluminio se puede dividir en: los vehículos con una velocidad inferior a 200 km/h se pueden llamar aleación de primera generación, son aleaciones convencionales, se utilizan principalmente para fabricar la carrocería de los vehículos ferroviarios urbanos, como la aleación 6063, 6061, 5083, etc. Las aleaciones de segunda generación como 6N01, 5005, 6005A, 7003, 7005 se utilizan para fabricar carrocerías de vehículos ferroviarios de alta velocidad con una velocidad de 200 km/h~350 km/h, y las aleaciones de tercera generación son aleaciones de aluminio 6082 que contienen escandio, etc.
Además de las aleaciones 6N01 y 7N01 (son aleaciones japonesas, N significa Nippon), existen aleaciones 7003. Su contenido de Mg es inferior al de las aleaciones 7N01. Son un tipo de aleaciones Al-Zn-Mg con bajo Mg. Su soldabilidad y resistencia son similares a las de las aleaciones 7N01. Y tiene un mayor rendimiento extruible. Una gran cantidad de aleaciones 7003 y 7N01 se utilizan para producir perfiles anchos con un grosor de pared de 3 mm en el noreste de Japón, Shinkansen Shinkansen y el metro de Sapporo.
Las aleaciones 6005A (Si0.50~0.9, Mg0.40~0.7, Mn y Cr 0.12%) están registradas en Francia. En comparación con la aleación estadounidense 6005, el contenido de Mg es igual al de Si, pero el Cr, de Mn se incrementa en 0,12% a 0,50%. No solo tiene las mismas propiedades extruibles que la aleación 6063, sino que también mejora las propiedades de resistencia. Lo mismo ocurre con la aleación 6N01. Los paneles laterales de ala (507 mm de ancho, 2,5 mm de grosor de pared), los pisos de 558 mm de ancho y los perfiles huecos grandes y anchos para la fabricación de ganchos de placa lateral y aleros se extruyen con aleación 6N01.
Aleación de aluminio para carrocería de tren de 350ktm/h~450km/h
Esta es una nueva generación de aleación de aluminio para carrocería. la velocidad del tren es de hasta 450 m, y el vehículo tiene que soportar mayores fuerzas externas y estar sujeto a vibraciones más fuertes. Por lo tanto, se debe desarrollar una nueva generación de aleación de aluminio para ferrocarriles de alta velocidad ligera.
Aleación de aluminio que contiene escandio. El escandio es el refinador de grano más eficaz para el aluminio y las aleaciones de aluminio, y también es uno de los elementos eficaces para optimizar las propiedades de las aleaciones de aluminio. El contenido de escandio es inferior al 0,5%. Todas las aleaciones que contienen escandio se denominan colectivamente aleaciones de aluminio-aluminio, sin importar cuánto contengan escandio. La aleación Al-Sc tiene las ventajas de alta resistencia, buena plasticidad, excelente soldabilidad y fuerte resistencia a la corrosión. Es una de las nuevas generaciones de aleaciones de aluminio seleccionadas en los campos de los buques de guerra, la aeroespacial, los reactores, los equipos militares de defensa nacional, etc. Por supuesto, también se puede utilizar para fabricar estructuras de vehículos ferroviarios.
Sin embargo, la mejora de la microestructura y las propiedades mediante la adición de escandio a la aleación de aluminio actual aún debe estudiarse sistemáticamente. El escandio es un tipo de elemento de tierras raras. China es un productor de escandio en el mundo y está a la vanguardia de la investigación de aleaciones Al-Sc. Pero en general, no es tan bueno como Rusia, que es el líder en la investigación y aplicación de la aleación Al-Sc. Northeast Light Alloy Co., Ltd., Central South University, Institute of Aerospace Materials and Technology han realizado una gran cantidad de trabajo en la investigación y el desarrollo de la aleación Al-Sc. Su investigación sobre "lámina de aleación de aluminio-magnesio-escandio 5B70 de gran tamaño" ganó el primer premio en ciencia y tecnología de la industria de metales no ferrosos de China en 2017. También hubo un segundo premio, que fue "aleación Al-Zn-Mg-Sc soldable de alta resistencia para la industria aeroespacial".
Aleación 6082
Desde la popularización de la aleación 6N01, la aleación 6082 formada en 1972 ha atraído la atención del departamento de fabricación de equipos ferroviarios. La resistencia de esta aleación está entre la resistencia de la aleación 7N01 y la aleación 6N01. La resistencia a la tracción Rm (pulverización de enfriamiento en línea) del tubo cuadrado 6082-T5 cumple con los requisitos correspondientes de la viga del bastidor. Los experimentos básicos muestran que la aleación se puede utilizar en el campo. Sin embargo, todavía se necesita mucho trabajo si se va a promover ampliamente en el departamento de equipos ferroviarios. Para la resistencia a la fatiga de las juntas de montaje de los trenes de aluminio, que se consideraban infalibles hace 30 años, debido a los cambios en las condiciones de carga del tren y la estructura ligera, ya no son adecuados para el nuevo tipo actual de trenes de alta velocidad, pero esto no tiene nada que ver con la temperatura en áreas altas y frías. Debido a que menos decenas de grados Celsius es realmente un "pequeño borde de prueba" para la aleación de aluminio, no es una baja temperatura, al mismo tiempo, cuanto menor sea la temperatura, más fuerte y resistente aparecerá la estructura de aluminio.
Espuma de aluminio
El tren de alta velocidad tiene las características de peso ligero del eje, aceleración y desaceleración frecuentes y funcionamiento con sobrecarga, lo que requiere que la estructura de la carrocería sea lo más ligera posible con la premisa de resistencia, rigidez, seguridad y comodidad. Obviamente, las propiedades de la espuma de aluminio ultraligera, como la alta resistencia específica, el alto modo específico, la alta amortiguación, etc., son muy consistentes con estos requisitos. La aplicación de espuma de aluminio en trenes de alta velocidad se ha estudiado y evaluado en detalle en el extranjero. Se descubrió que la capacidad de absorción de energía de la tubería de acero llena de espuma de aluminio es un 35% ~ 40% mayor que la de la tubería de aire, y la resistencia a la flexión aumenta en un 40% ~ 50%. Como resultado, los postes y la partición del vagón pueden ser más fuertes. No es fácil de colapsar; Llenar el amortiguador de la cabeza de la locomotora con espuma de aluminio puede mejorar la capacidad de absorción de la energía de impacto, y el peso de la placa sándwich hecha de espuma de aluminio de 10 mm de espesor y placa de aluminio delgada es un 50% más ligero que el de la placa de acero original, pero la rigidez aumenta 8 veces.
En la actualidad, las unidades pertinentes del tren de alta velocidad en China están estudiando la viabilidad de utilizar paneles sándwich de espuma de aluminio para preparar pisos y puertas de trenes de alta velocidad. Con el fin de acelerar la solución de una serie de importantes problemas científicos y tecnológicos que enfrenta la próxima generación de ferrocarriles de alta velocidad, el departamento de ferrocarriles y la Academia de Ciencias de China han establecido conjuntamente el Centro de Investigación de Mecánica de Tránsito Ferroviario Avanzado. En este documento, se estudian la fiabilidad del material y la estructura del tren de alta velocidad y la teoría y la tecnología de la reducción de ruido, entre los cuales una parte considerable del contenido está relacionada con la espuma de aluminio ultraligera.
Con la mejora continua de la velocidad de funcionamiento de los trenes de alta velocidad, el impacto del ruido en la comodidad de los pasajeros y el entorno circundante se ha convertido en una de las limitaciones clave para el desarrollo del ferrocarril de alta velocidad. Probablemente se convertirá en un obstáculo importante para el desarrollo del ferrocarril de alta velocidad. Con el fin de reducir la contaminación acústica de los trenes de alta velocidad, se deben instalar barreras a ambos lados del ferrocarril y en los túneles que atraviesan zonas densamente pobladas. Una de las funciones principales de la espuma de aluminio de celda abierta ultraligera es la absorción del sonido, y este rendimiento se puede ajustar cambiando el paso o la estructura del sonido. Además, la espuma de aluminio también tiene buenas propiedades anticorrosión, resistencia climática y de procesamiento, por lo que es un buen material de absorción de sonido para barreras acústicas de campo.
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