Rendimiento a baja temperatura de la aleación de aluminio

Los vagones de trenes de alta velocidad están soldados con aluminio, y algunas líneas de trenes de alta velocidad pasan por la zona fría de menos 30-40 grados Celsius; algunos de los instrumentos, equipos y necesidades diarias del barco de investigación científica antártica están hechos de aluminio, que deben soportar temperaturas de menos sesenta a setenta grados centígrados. Prueba; algunos equipos de los buques mercantes de China a Europa a través del Ártico también están hechos de aluminio, parte del cual está expuesto, y la temperatura ambiente también es de menos 50 o 60 grados Celsius; ¿Pueden operar normalmente en un ambiente tan frío? No hay problema, las aleaciones de aluminio y los materiales de 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. No tienen fragilidad a baja temperatura. A diferencia del acero ordinario y las aleaciones de níquel, tienen una evidente fragilidad a baja temperatura. Aunque sus propiedades de resistencia aumentan con la disminución de la temperatura, su plasticidad y tenacidad aumentan. A medida que la temperatura desciende, disminuye, es decir, hay una evidente fragilidad a baja temperatura.

Sin embargo, el aluminio y las aleaciones de aluminio son bastante diferentes. No hay rastro de fragilidad a baja temperatura. Todas sus propiedades mecánicas aumentan significativamente a medida que disminuye la temperatura, independientemente de la composición del material, ya sea aleación de aluminio fundido o aleación de aluminio deformado, independientemente de si se trata de aleación de aluminio fundido o aleación de aluminio deformado. Es una aleación de pulvimetalurgia o un material compuesto; no tiene nada que ver con el estado del material, ya sea procesado o tratado térmicamente; no tiene nada que ver con el proceso de preparación del lingote, ya sea laminado por lingote o colado en continuo por fusión Laminado o laminado continuo; no tiene nada que ver con el proceso de extracción de aluminio, electrolítico, reducción carbotermal, extracción química, todos no tienen fragilidad a baja temperatura; no tiene nada que ver con la pureza, ya sea 99.50% ~ 99.79% de aluminio puro de proceso, todavía es 99.80% ~ 99.949% de aluminio de alta pureza, 99.950% ~ 99.9959% de aluminio súper puro (Super Pureza), 99.9960% ~ 99.9990% Aluminio extremadamente puro (pureza extrema),> 99.9990% de aluminio de ultra alta pureza, etc. No hay fragilidad a baja temperatura. Curiosamente, los otros dos metales ligeros, magnesio y titanio, como el aluminio, no tienen fragilidad a baja temperatura.
En la siguiente tabla se muestra la relación entre las propiedades mecánicas y la temperatura de varios perfiles de aleación de aluminio extruido de carrocería de vagón de ferrocarril de alta velocidad de uso común.

Los materiales de aluminio para vagones de ferrocarril de alta velocidad incluyen la serie Al-Mg de placas de aleación 5005, placas de aleación 5052, placas y perfiles de aleación 5083, placas y perfiles de aleación Al-Mg-Si serie 6061, perfiles de aleación 6N01, perfiles de aleación 6063, Al-Zn -Mg Es placa y perfil de aleación 7N01, perfil de aleación 7003. Los estados estándar son O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

No importa qué 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 exquisito a baja temperatura, el combustible de baja temperatura (hidrógeno líquido, oxígeno líquido) tanques de almacenamiento de cohetes y licuado gas natural (GNL) El aluminio se puede utilizar en barcos de transporte y tanques de almacenamiento en tierra, contenedores para productos químicos de baja temperatura, almacenamiento en frío y camiones refrigerados.

Las partes estructurales de los vagones y la parte delantera de los trenes de alta velocidad que circulan por tierra pueden estar fabricadas con las correspondientes aleaciones de aluminio actuales. Todas las piezas que pueden estar hechas de aleación de aluminio pueden estar hechas de las aleaciones de aluminio correspondientes actuales, y no hay necesidad de encontrar otra forma de estudiar un tipo de aleación de aluminio y la estructura de la carrocería del automóvil que opera en áreas de alto frío Por supuesto, si podemos desarrollar una aleación 6XXX con varias propiedades aproximadamente un 10% mayor que la aleación 6061, o una aleación 7XXX que es aproximadamente un 8% mayor que la aleación 7N01, por supuesto, será un gran crédito.

De hecho, el ferrocarril de alta velocidad que circula en la provincia de Heilongjiang de China, y más tarde en la Región Autónoma de Mongolia Interior, la Región Autónoma Uygur de Xinjiang, la Región Autónoma del Tíbet y la Provincia de Qinghai no puede considerarse como "muy frío" para las estructuras de aleación de aluminio, y no lo hace. no requiere un tratamiento especial de los componentes de aleación, ni es necesario realizar ajustes especiales en los parámetros del proceso de producción del material.

Siempre que el rendimiento de los materiales de aluminio producidos para el ferrocarril de alta velocidad de alta velocidad o más tarde para los vehículos ferroviarios de alta velocidad que operan en otras regiones frías cumpla con los requisitos de GB chino, EN europeo, JIS japonés, ASTM estadounidense y otros estándares, es un producto calificado y no se requieren medidas especiales. Para no incrementar los costes.

La tendencia de desarrollo de la aleación de aluminio en los vagones.

Las aleaciones de chapa utilizadas en la fabricación y mantenimiento de carrocerías de vehículos ferroviarios incluyen 5052, 5083, 5454, 6061 y otras aleaciones, y los perfiles extruidos utilizados son 5083, 6061, 7N01, etc., además de algunas aleaciones nuevas como 5059, 5383, 6082, etc. También se ha aplicado. Todos tienen buena soldabilidad. El alambre de soldadura es de aleación 5356 o 5556. Por supuesto, es mejor usar soldadura por fricción y agitación (FSW), que no solo tiene una alta calidad de soldadura, sino que tampoco requiere alambre de soldadura. Más tarde, la aleación 7N01 (Mn0.20 ~ 0.7, Mg1.0 ~ 2.0, Zn4.0 ~ 5.0,% unitario) desarrollada por Japón se utilizó ampliamente en la fabricación de vehículos ferroviarios; Alemania utilizó la placa de aleación 5005 en la fabricación de carriles de alta velocidad Trans Rapid Carros Haga paneles de pared y extruya los perfiles usados ​​con aleaciones 6061, 6063 y 6005. En resumen, estas aleaciones se siguen utilizando básicamente en vehículos ferroviarios de alta velocidad fabricados en China u otros países hasta ahora.
Aleación de aluminio del cuerpo del tren de 200km / h ~ 350km / h

Según la velocidad de funcionamiento de los trenes, podemos dividir la aleación de aluminio de la carrocería del vagón en: las aleaciones de primera generación utilizadas para vehículos con velocidades inferiores a 200 km / h. Son aleaciones convencionales y se utilizan principalmente para fabricar las carrocerías de los vehículos ferroviarios urbanos, como las aleaciones 6063 y 6061., 5083, etc .; las aleaciones de aluminio de segunda generación, como las aleaciones 6N01, 5005, 6005A, 7003, 7005, etc., se utilizan para fabricar vehículos ferroviarios de alta velocidad con velocidades de 200 km / ha 350 km / h; la aleación de tercera generación es 6082, que contiene escandio, aleación de aluminio, etc.

Además de las aleaciones 6N01 y 7N01 (son aleaciones japonesas y N significa Nippon), también existe la aleación 7003. Su contenido de Mg es menor que el de la aleación 7N01. Es una aleación de bajo contenido de Mg Al-Zn-Mg. Su soldabilidad y resistencia es equivalente a la de la aleación 7N01, y tiene una mayor capacidad de extrusión. Tohoku, Joetsu Shinkansen y Sapporo Subway utilizan una gran cantidad de aleaciones 7003 y 7N01 para producir perfiles anchos con un espesor de pared de 3 mm.

La aleación 6005A (Si0.50 ~ 0.9, Mg0.40 ~ 0.7, Mn y Cr 0.12 ~ 0.50,%) está registrada en Francia. En comparación con la aleación US 6005, el contenido de Mg y Si es igual, pero un aumento de 0.12% ~ 0.50% Mn de Cr, no solo tiene una capacidad de extrusión comparable a la aleación 6063, sino que también tiene propiedades de resistencia mejoradas. Lo mismo ocurre con la aleación 6N01. Los paneles laterales (507 mm de ancho, 2.5 mm de espesor de pared) de la carrocería del vehículo 3050 del ferrocarril japonés Sanyo Electric Railway, el piso de 558 mm de ancho y los perfiles huecos grandes y anchos para la fabricación de ganchos de placa lateral y vigas de alero son todos de aleación 6N01. extruido.
350ktm / h ~ 450km / h aleación de aluminio de la carrocería del vagón de tren, esta es una nueva generación de aleación de aluminio utilizada en la carrocería del automóvil, la velocidad del tren es de hasta 450m / h, el vehículo tiene que soportar una mayor fuerza externa y la vibración es más intenso, por lo que debe desarrollarse una nueva generación de aleación de aluminio ligero de alta velocidad.

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, independientemente del contenido, se denominan colectivamente aleaciones de aluminio-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 aleaciones de aluminio de nueva generación utilizadas en los campos de barcos, vehículos aeroespaciales, reactores, defensa nacional y equipamiento militar, y por supuesto. Utilizado en la fabricación de estructuras de vehículos ferroviarios.

Sin embargo, queda por estudiar sistemáticamente cómo la adición de escandio a la aleación de aluminio actual puede mejorar la estructura y el rendimiento. El escandio es un elemento de tierras raras. China es el mayor productor mundial de escandio y se encuentra entre los líderes mundiales en la investigación de aleaciones Al-Sc. En general, no es tan bueno como Rusia, que es líder en la investigación y aplicación de aleaciones Al-Sc. Northeast Light Alloy Co., Ltd., Central South University y el Instituto de Materiales y Tecnología Aeroespaciales han trabajado mucho en la investigación y el desarrollo de la aleación Al-Sc. La "hoja de aleación de aluminio-magnesio-escandio de gran tamaño 5B70" que estudiaron ganó el primer premio de la industria de metales no ferrosos de China 2017 en ciencia y tecnología, y el segundo premio para la "aleación soldable de Al-Zn-Mg-Sc de alta resistencia para aeroespacial".

La aleación 6082 tras la popularización de la aleación 6N01, la aleación 6082 formada en 1972 ha atraído la atención del departamento de fabricación de equipos ferroviarios. La fuerza de esta aleación está entre la fuerza de la aleación 7N01 y la aleación 6N01. La resistencia a la tracción Rm del tubo cuadrado 6082-T5 (enfriamiento por pulverización en línea) cumple con los requisitos correspondientes de la viga del bastidor. Los experimentos básicos muestran que esta aleación se puede aplicar en el campo correspondiente. Sin embargo, si se quiere promover ampliamente en el departamento de equipamiento ferroviario, aún queda mucho trabajo por hacer. En cuanto a la resistencia a la fatiga de los nodos de montaje de los trenes de aluminio que se consideraban infalibles hace 30 años, debido a los cambios en el peso de los trenes y la estructura más ligera, ya no es apta para los nuevos trenes de alta velocidad actuales, pero esto no tiene nada que ver con la temperatura en el área muy fría, porque Menos decenas de grados Celsius es realmente una "pequeña prueba" para las aleaciones de aluminio. No es una temperatura baja. Al mismo tiempo, cuanto menor es la temperatura, más fuerte es la estructura de aluminio.

Aluminio espumado: Los trenes de alta velocidad tienen las características de carga ligera por eje, aceleración y desaceleración frecuentes y operación de sobrecarga. La estructura de la carrocería debe ser lo más ligera posible bajo la premisa de encontrar resistencia, rigidez, seguridad y comodidad. Obviamente, la alta resistencia específica, el alto módulo específico, la alta amortiguación y otras propiedades de la espuma de aluminio ultraligera son muy consistentes con estos requisitos. Los países extranjeros han realizado una investigación y una evaluación detalladas sobre la aplicación de espuma de aluminio en los trenes de alta velocidad. Se encuentra que la capacidad de absorción de energía de los tubos de acero rellenos con espuma de aluminio es un 35% -40% mayor que la de los tubos vacíos, y la resistencia a la flexión aumenta en un 40% -50%. Haga que los pilares y las particiones del carro sean más fuertes y no sean fáciles de colapsar; llenar el tope de la cabeza de la locomotora con espuma de aluminio puede mejorar la capacidad de absorber la energía del impacto; el panel sándwich hecho de espuma de aluminio de 10 mm de espesor y placas delgadas de aluminio es un 50% más ligero que la placa de acero original. La rigidez se ha incrementado en 8 veces.

Actualmente, las unidades relevantes del ferrocarril de alta velocidad de China están estudiando la viabilidad de usar paneles sándwich de aluminio espumado para preparar pisos y puertas de compartimentos de riel de alta velocidad. Con el fin de acelerar la resolución de una serie de importantes problemas científicos y tecnológicos que enfrenta la próxima generación de trenes de alta velocidad, el departamento de ferrocarriles y la Academia de Ciencias de China establecieron conjuntamente el Centro de Investigación de Mecánica de Tránsito Ferroviario Avanzado para realizar investigaciones sobre alta velocidad. material del tren y fiabilidad estructural, teoría y tecnología de reducción de ruido, etc. Una parte considerable del contenido está relacionado con el aluminio espumado ultraligero.

Con el aumento continuo de la velocidad 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 en el desarrollo de los trenes de alta velocidad. En comparación con el ruido dentro del automóvil, el ruido fuera del automóvil tiene un impacto más serio en el medio ambiente, y el ruido reverberante y la vibración resultante se generan cuando un tren de alta velocidad pasa por un túnel o dos rieles de alta velocidad se cruzan en un El túnel tiene un poder destructivo bastante fuerte, como Sin un control efectivo, puede convertirse en un obstáculo importante para el desarrollo del ferrocarril de alta velocidad. Para reducir la contaminación acústica de los trenes de alta velocidad, se deben instalar barreras a ambos lados del ferrocarril que atraviesa áreas densamente pobladas y en túneles. 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 tipo de celda o la estructura acústica. Además, el aluminio espumado también tiene buenas propiedades anticorrosivas, de resistencia a la intemperie y de procesamiento, por lo que es un buen material que absorbe el sonido para las barreras acústicas en exteriores.

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