轨道车辆铝材的性能及尺寸(1)

熊慧;王祝堂

【摘 要】铝材在轨道车辆制造中获得了广泛的应用,高速铁路(简称高铁)与磁悬浮列车的车体全是用铝合金制造的,城轨车辆及地铁车辆也有约40％为铝合金的,专用运煤及其他矿产品车辆也可用铝合金制造.制造铝合金轨道车辆的铝材主要有板、带、箔、型、管、棒材与锻件等.板材主要是用5754、5083、5052等铝合金生产,型材主要是用6063、6N01、6082、6061、7003、7N01等铝合金生产,生产锻件的合金有6061、6110A、5083等铝合金.对这些合金材料的力学性能以及欧盟的有关标准进行了介绍.在选择铝合金时应综合考虑强度性能、使用性能、耐用性能、物理性能、可焊接性、成形性能、抗腐蚀性能和成本等因素.全文分为三部分刊出,本篇对生产轨道车辆板材和挤压材的5×××系铝合金进行介绍. 【期刊名称】《轻合金加工技术》 【年(卷),期】2012(040)004 【总页数】5页(P1-5)

【关键词】轨道车辆;铝合金;力学性能;车辆体;尺寸偏差 【作 者】熊慧;王祝堂

【作者单位】北京安泰科信息开发有限公司,北京100814;中国有色金属加工工业协会,北京100814 【正文语种】中 文 【中图分类】TG146.21

1 5 ××× 系铝合金［1－2］

镁是变形铝合金中应用最广与含量最多的合金元素，2010年末在美国铝业协会公司(AA)注册的531个常用铝合金中，含镁的合金有254个，即占47.8%，镁的含量(质量分数)为0.5% ～6.2%。铝-镁合金在冷加工后有相当高的强度、良好的成形加工性，以及好的抗蚀性与可焊接性。 1.1 合金的组织及各元素的作用

轨道车辆结构用的5×××铝合金主要是5454、5754、5083合金，它们的化学成分见GB/T3190—2008。

图1示出了铝-镁二元相图，在铝端(w(Mg)=35%，温度为723K)有一个共晶反应:液体→Al+Mg5Al8。镁在铝中的固溶度见表1。Mg5Al8为面心立方结构，空间群pm3 m，单位晶胞中有108个原子，晶格常数a=1.2419 nm。5×××铝合金的成分范围:w(Mg)=0.5% ～ 6.2%，w(Si)≤0.55%，w(Fe)≤0.7%，w(Mn)≤1.8%，w(Cu)≤0.8%，w(Cr)≤0.50%，w(Ni)≤0.05%，w(Zn)≤2.8%，w(Ti)≤0.20%，w(Zr)≤0.3%，w(Mn+Cr)≤0.6%，w(Ga)≤0.05%，w(V)≤0.05%。 图1 铝-镁二元相图Fig.1 Aluminum-magnesium binary phase diagram 表1 镁在铝中的固溶度Tab.1 Solid solubility of magnesium in aluminum温度/K 质量分数/% 摩尔分数/% 温度/K 质量分数/% 摩尔分数/%723 17.4 18.5 500 3.7 4.5 700 15.3 16.4 450 2.6 3.3 650 11.5 12.5 400 2.0 2.7 600 8.1 9.0 300 1.9 2.3 550 5.5 6.4

急冷时镁在铝中的固溶度可达37%，在非平衡状态凝固时也会产生Mg5Al8相的晶内偏析，只有冷却速度小于5×10－4K/h时才会形成平衡组织。Mg5Al8的密度2 230 kg/m3，维氏硬度2 000 N/mm2～3 400 N/mm2。

含w(Mg)=3%的铝-镁合金对 2 500 μm～3 500 μm光的反射率比纯铝的低10%

左右，镀铝-镁合金(w(Mg)=8% ～35%)的镜对光的反射率比镀纯铝的高5%。铝-镁合金的力学性能变化与镁含量的关系见图2。由图2可见，铝-镁合金的硬度、强度、疲劳强度均随镁含量的增加而上升，但塑性下降。w(Mg)＞5%的铝合金有一点点热处理效果，但没有商业价值。温度降低时铝-镁合金的强度与塑性均上升;温度升高时铝-镁合金强度下降速度比其他铝合金的低。镁是少数几个降低铝弹性模量的元素之一，同时降低量几乎与镁含量的增加呈直线关系。镁是降低铝的蠕变速度的有效元素。

图2 铝-镁合金的力学性能与镁含量的关系Fig.2 Relationship between mechanical property of Al-Mg alloy and magnesium content

铝-镁合金上氧化膜的比容比形成这种膜的金属的大，因此氧化膜致密，有高的抗蚀性，在盐水及弱碱性溶液中的抗蚀性比纯铝的高。镁降低铝的电极电位。 铝-镁固溶体合金有特别明显的延迟屈服现象。镁以粗大的Mg5Al8粒子存在时对合金的再结晶温度没有影响，若溶于固溶体中则提高再结晶温度。铝-镁合金在淬火后数秒内即可在晶界、位错等高能处形成GP区，但GP区都很小，直径为10×10－10m～15×10－10m，而大部分过剩空位仍以云状形式分布在GP区周围，时效应变很小或没有，因此，不发生可觉察的硬化现象。

铝-镁合金开始形成β'相之际，就是抗蚀性最低之时，对晶间腐蚀及应力腐蚀最敏感，因为在β'相周围形成了溶质贫乏区，它们虽然很薄，以膜形式存在，但对母相呈阳极。铝-镁合金的这两种腐蚀敏感性随着镁含量的增大而上升，含

w(Mg)=3% ～4%的合金几乎没有这种敏感性，而对含w(Mg)＞6%的合金却显得非常重要。在500 K～525 K温度退火Mg5Al8发生球化，并在空位区内形成沉淀物，可几乎消除对这两种腐蚀的敏感性。

通过形变热处理可使铝-镁合金具有所需要的性能，也可以消除对应力腐蚀开裂的敏感性。铸锭晶粒越细小，铝材的力学性能也越高。铝-镁合金的热加工性能决定

于镁含量，含w(Mg)＜1%时，热加工性相当好，但随着镁含量增加而迅速下降。塑性低的原因之一是因为合金的Al-Mg5Al8共晶体的熔点低(723 K)，比其他铝合金的热加工温度低50 K～100 K。铝-镁合金的冷变形需要大的载荷，即使镁含量较低的也如此。

硅显著降低铝-镁合金的加工性能，锰、铬、锌、铜及铁对加工性能的影响很小。钠的作用很坏，即使约含w(Na)=0.001%也会使材料在冷加工或热加工时开裂。引起再结晶的最低变形量为1%～3%，小于此变形量仅发生回复。冷变形量刚超过此值，晶粒会长得非常大。在600 K～700 K再结晶能获得最细的晶粒，低于此范围，形核过慢。高于此范围晶粒会以极大速度长大。再结晶前的回复可在慢加热时发生或在材料于热-冷加工温度间加工时发生，它降低再结晶速度，往往引起粗大晶粒。粗大的Mg5Al8粒子对再结晶温度影响很小或没有影响;细小的Mg5Al8相以弥散形态存在时，对再结晶没有明显影响，但使晶粒细化。固溶的镁提高再结晶温度，降低再结晶速度，减小晶粒尺寸，温度越低，此种影响越显著，镁含量增加，此种影响也随之加大。铁、锰、铬、锆、锂、钒、锌都提高铝-镁合金的再结晶温度。

铝-镁合金的回复在400 K～500 K之间发生，可利用回复处理生产状态介于冷作硬化与退火软化之间的材料，使其具有所需要的性能。轧制材料可具有各种织构，既有正常的变形织构与再结晶织构，又有其他织构。

铝-镁合金有良好的可焊性能，接头的强度为退火状态母材的80%～95%。凡是使树枝状晶区的偏析量增大的元素都提高焊接脆性与裂纹倾向，含w(Mg)=2%的合金的裂纹倾向最大，采用含镁量更高的合金或用含镁量较高的焊条都能减少裂纹与提高强度。铁、锰、铬、钛及锆都提高可焊接性与降低热脆性，锰及铬还能降低应力腐蚀敏感性，铜及硅增大裂纹倾向。

铝-镁合金有良好的可切削性，尤其是镁含量高的合金，铬、硅、铜及铅也略提高

其可切加工性。铝-镁合金广泛用于制造各种装饰件，光亮蚀洗或电解抛光的表面对光有很高的反射率，在阳极氧化后仍如此，保持光泽的能力也比其他镜面材料的高得多。杂质降低光亮度，因此通常用纯度99.99%的高纯铝配制反射器用的铝-镁合金。组织也对光亮度有影响，如果合金元素完全固溶或者以亚显微沉淀物的形式存在，则反射率更大。粗大晶粒或择优取向降低反射率。铝-镁合金中可能出现的相见表2。

表2 铝-镁合金中的相Tab.2 Phase in Al-Mg alloyMg w(Mg)＜2%固溶w(Mg)＞2%Mg5Al8 w(Si) ＞0.05%Mg2Si w(Cu) ＞0.2%CuMg4Al 6 w(Cu)＞1%Cu2FeAl7 Mn w(Si)＜w(Mg)(FeMn)Al6 w(Fe) ＜0.3%Mg2Si w(Fe) ＞3%、w(Mg)≪2%、w(Mn)或 w(Cr) ＞0.1%(FeMn)3Si2Al15或(CrFe)4Si4Al13 w(Si) ＜0.3%w(Mg)＞2%Si w(Fe) ＞0.3%、w(Mg) ＜2%Fe2SiAl8 w(Si)＞2%w(Fe) ＞0.3%Fe FeAl3 Fe2SiAl8 w(Mn) ＞0.1%(FeMn)3Si2Al15 w(Si) ＞0.3%w(Mg)＜2%w(Si) ＞0.3%w(Mg)≪2%w(Si) ＜0.3%w(Mg)＞2%w(Si) ＞0.3%w(Mg)≪2%w(Si)＜0.3%w(Mg)＞2%w(Mn)＞Fe(FeMn)Al6 w(Cr)＞0.1%(CrFe)4Si4Al15 w(Cr)＞0.1%(CrFe)Al7 w(Si)＞2w(Mg)(CrFe)4Si4Al13 Cu w(Fe)＜w(Cu)CuMg4Al6 w(Si)＞2w(Mg)(FeMn)3Si2Al15 Cr w(Si)＜w(Mg)(CrFe)Al7 w(Fe)＞w(Cu)、w(Mg)＜2%Cu2FeAl7 Zn w(Zn)＜2%固溶w(Zn)＞2%Mg3ZnAl 2

1.2 板带材的力学性能及尺寸偏差［5］ 1.2.1 力学性能

欧盟标准(EN)对轨道车辆 5454、5754、5083、5383铝合金板、带材力学性能及尺寸偏差的要求参见EN485-2，2008:EN AW-5454(AlMg3Mn)合金的保证力学性能，EN AW-5754(AlMg3)合金的保证力学性能，EN AW-5083(AlMg4.5Mn0.7)合金的保证力学性能，EN AW-5383(AlMg4.5Mn0.9)合金

的保证力学性能［5］。

中国标准对以上合金板、带材的一般要求可参阅GB/T 3880.1-2006，力学性能标准可参阅 GB/T 3880.2-2006，尺寸偏差见 GB/T 3800.3-2006。

铁路货车用铝合金板材的有关要求及力学性能见表3～5(YS/T 622-2007)。 5383合金的化学成分见GB/T 3190-2008。

板材长度不大于4 000 mm时，长度允许偏差为+4 mm，若大于4 000 mm，则为+6 mm;宽度允许偏差为±2 mm;对角线长度差应不大于8 mm;不平度应不大于6mm/m。

表3 铁道货车板材的铝合金牌号、状态和规格(YS/T622-2007)Tab.3 Aluminum brand，condition and specification of plates used for railway truck注:a—H321代表板材通过加工硬化、稳定化处理达到规定的力学性能和抗晶间腐蚀或剥落腐蚀性能的一种状态。规格/mm合金牌号 状态5.00 ～30.00 1 000 ～2 500 2 000 ～11 000厚度 宽度 长度5083、5383 H321a

表4 铁道货车铝合金板材厚度允许偏差(YS/T622-2007)Tab.4 Thickness allowable error of aluminum alloy plate used for railway truck5.00 ～6.30 ±0.30 ±0.30 ±0.30＞6.30 ～10.00 ±0.40 ±0.40 ±0.40＞10.00 ～16.00 ±0.50 ±0.69 ±0.81＞16.00 ～25.00 ±0.75 ±0.94 ±1.10 1 000～1 500 ＞1 500～2 000 ＞2 000～2 500≥厚度/mm 规定的宽度/mm≥＞25.00 ～30.00 ±1.00 ±1.20 ±1.40 1.2.2 尺寸偏差

(1)热轧产品的尺寸和形位偏差

欧盟标准中对热轧板带的尺寸及形位允许偏差的规定参见EN485-3，2003:厚度允许偏差，带材宽度允许偏差，薄板和厚板的宽度和长度允许偏差。 表5 铁道货车铝合金板材的力学性能(YS/T622-2007)Tab.5 Mechanical

property of aluminum alloy plate used for railway truck注:a—A50 mm表示原始标距(L0)为50 mm的断后伸长率;b—A5.65一表示原始标距(L0)为5.65的断后伸长率。牌号 状态 厚度/mm抗拉强度N/mm2合金 屈服强度N/mm2断后伸长率/%A50 mma A5.65b 5083 H321≤≥12 5383 H321≤12.50 12.50＞12.50 ≥305 ≥215 ≥12≥12＞12.50 ≥305 ≥220 ≥12 (2)冷轧板带的尺寸和形位偏差

在欧盟标准中冷轧板带是指厚度大于0.2 mm而小于50 mm的轧制产品。欧盟标准按照加工难易程度将合金分为两类，厚度偏差控制较严的仅适用于Ⅰ类铝合金(软合金)。Ⅰ类铝合金包括:1×××系铝合金;7×××中几个不可热处理强化的铝合金和8×××中大部分不可热处理强化的铝合金;w(Si)＜2%的4×××系铝合金;3×××系和5×××系铝合金，且Mn、Mg含量(质量分数)各不超过1.8%，而它们的总和也不大于2.3%。

除Ⅰ类铝合金之外的所有铝合金均为Ⅱ类铝合金。

具体的Ⅰ类铝合金举例:1080A、1070A、1050A、1200，3003、3103、3005、3104，4006、4007，5005、5050，8011A。

典型的Ⅱ类铝合金:2014、2017A、2024，3004，5040、5049、5251、5052、5154A、5454、5754、5182、5083、5086，6061、6082，7020、7021、7022、7075。

冷轧板带的尺寸和形位偏差参见 EN485-4，1994:厚度允许偏差，带材的宽度允许偏差，板材的宽度允许偏差，板材的长度允许偏差，带材的侧边弯曲度，板材的不平度，板材的对角线偏差。

1.3 轨道车辆挤压材的力学性能及尺寸偏差［5］ 1.3.1 力学性能

在欧盟标准中对 5052、5154A、5454、5754、5083铝合金轨道车辆挤压材的力

学性能的规定参见EN755-2，2008:EN AW-5052(AlMg2.5)合金挤压材的力学性能，EN AW-5154A(AlMg3.5(A))合金挤压材的力学性能，EN AW-5454(AlMg3Mn)合金挤压材的力学性能，EN AW-5754(AlMg3)合金挤压材的力学性能，EN AW-5083(AlMg4.5Mn0.7)合金挤压材的力学性能，EN AW-5086(AlMg4)合金挤压材的力学性能。 1.3.2 尺寸偏差和形位偏差［5］

欧盟在制订铝挤压材标准时，将常见的工程合金分为Ⅰ类和Ⅱ类(表6)，其他合金归为哪一类由供需双方商定，不过有时很难把类似的合金划为哪一类。

表6 合金类别Tab.6 Alloy categoryⅠ类NE AW-1050A，EN AW-1070A，EN AW-1200，EN AW-1350 EN AW-3102，EN AW-3003，EN AW-3103 EN AW-5005，EN AW-5005A，EN AW-5051A，EN AW-5251 EN AW-6101A，EN AW-6101B，EN AW-6005，EN AW-6005A，EN AW-6106，EN AW-6008，EN AW-6010A，EN AW-6012，EN AW-6014，EN AW-6018，EN AW-6023，EN AW-6351，EN AW-6060，EN AW-6360，EN AW-6061，EN AW-6261，EN AW-6262，EN AW-6262A，EN AW-6063Ⅱ类EN AW-2007，EN AW-2011，EN AW-2011A，EN AW-2014，EN AW-2014A，EN AW-2017A，EN AW-2024，EN AW-2030 EN AW-5019，EN AW-5049，EN AW-5052，EN AW-5154A，EN AW-5454，EN AW-5754，EN AW-5083，EN AW-5086 EN AW-7003，EN AW-7005，EN AW-7108

(1)圆棒的尺寸和形位偏差参见 EN755-3，2008:直径偏差，定尺偏差，弯曲度偏差。

无论是定尺还是不定尺的圆棒，其切斜度均为定尺长度偏差的一半，即如果定尺的偏差为+10－0 mm，则切斜度不得超过+5 mm。最大允许斜度是直径偏差范围的50%。

(2)方棒的尺寸偏差及形位偏差参见EN755-4，2008:对边距离偏差，最大圆角半径，定尺偏差，弯曲度偏差，扭拧度偏差，直角偏差。

如果是定尺方棒的话，则应在订单中注明;如果订单中没有定尺或未规定最小长度，挤压方棒可以不定尺交货。不定尺的实际长度和偏差应由供需双方协商。 无论是定尺还是不定尺，切斜度都应不超过定尺偏差范围的一半(即定尺偏差为mm，则切斜度应为不超过5 mm)。

(3)厚度2 mm～240 mm、宽10 mm～600 mm的铝及铝合金挤压矩形棒的形状和尺寸偏差参见EN755-5，2008:Ⅰ类合金的厚度和宽度偏差，Ⅱ类合金的厚度和宽度偏差，最大圆角半径，定尺偏差(正偏差)，扭拧度、弯曲度偏差，直角偏差，平面间隙偏差。

如果订单中没有规定长度或未规定最小长度，挤压矩形棒可以以不定尺交货。不定尺的实际长度和偏差应由供需双方协商。

无论是定尺还是不定尺，切斜度都应不超过定尺偏差范围的一半(即定尺偏差为mm，则切斜度应为不超过5 mm)。

(4)对边距离10 mm～220 mm、宽10 mm～600 mm的铝及铝合金挤压六角形棒的形状及尺寸偏差参见EN755-6，2008:六角形棒对边距离偏差，六角形棒最大圆角半径，六角形棒定尺偏差，弯曲度偏差，扭拧度。

无论是定尺还是不定尺，切斜度都应不超过定尺偏差范围的一半(即定尺偏差为mm，则切斜度应为不超过5 mm)。

(5)挤压无缝管:以直管供应外径(OD)8 mm～450 mm圆管或横截面含外接圆(CD)从10 mm～350 mm的铝及铝合金挤压无缝管的形状和尺寸偏差参见EN755-7，2008:圆管的直径偏差，非圆管宽度、厚度或对边距离的偏差，圆管的壁厚偏差，其他管材的壁厚偏差，定尺偏差，圆管弯曲度偏差，平面间隙偏差，扭拧度，方管和矩形管的直角偏差，最大允许圆角和倒角半径，规定的转角和倒角半径的最大允

许偏差。该标准仅适用于芯棒式无缝管与一般工程挤压无缝管，不适用于轿式挤压管、以盘卷供应的管材或盘管切成的一段段的直管。

挤压直管在轨道车辆中的应用并不多，如城市轨道车辆中的扶杆、拉杆;高铁等的受电弓系统管材。中国用反向挤压机生产这些管材，欧洲与日本等用正向挤压机挤压，因此他们的生产成本低一些。