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摘 要：本文阐述了国内外镁合金在高速列车上的应用现状，针对镁合金在高速列车应用领域存在的问题进行了探讨并对其发展趋势进行了展望。
关键词：镁合金；高速列车；轻量化
镁合金作为最轻的结构材料，具有高比强度、高比刚度、导热导电性能优良、高阻尼减振和电磁屏蔽等优点，已成为国防军事、航空航天、汽车、电子通信等工业领域的重要材料[1，2]。我国是镁资源大国，可利用镁资源储量占世界总量的70%。目前，我国原镁产量居世界首位，占全球产量的40%。随着能源短缺和环境污染问题愈发严重，发展轻量化材料已成为国家可持续发展迫切需要解决的问题。车体轻量化对降低原材料消耗、降低车辆制造成本、节省牵引动力、降低列车运行费用、减轻车辆对线路的冲击、提高列车启动减速度及制动减速度、减少制动系统的负担具有重大意义。根据西南交通大学交通运输装备轻量化研究所的研究，如果用镁合金车体代替铝合金车体，列车的减重率可以达到25%。因此，镁合金作为重要的工程材料应用于高速列车是高速轨道交通装备制造技术未来发展的必然趋势，镁合金的资源优势更易于推动其技术进步，并在高速列车上的应用过程中取得良好的技术经济效益。
1.镁合金材料在高速列车上的应用现状
目前轨道交通的两个主要发展方向为短途便捷的城市轻轨和长距离的高速轨道交通。
对于城市轻轨和普通轨道客车来说，采用镁合金除了减轻重量以外，还可以提高车辆的加速和制动性能，达到提高车辆整体技术水平的目的。镁合金材料已经比较成功的应用在25G型客车的空调系统通风格栅，还有诸如车窗防护栏杆、衣帽钩等小件产品。现在已经开发出来，并达到装车试验和应用水平的镁合金产品还有软卧车的卧铺框架，其主要功能是托住软卧垫，并承受相应的载荷[3]。
而对于高速列车来说，由于铁轨的承载能力有限，必须对列车的最大轴重做出限制。列车速度越高，对轨道的冲击力越大，当运行速度高于250km/h及以上时，对轨道的冲击力就会变得很大[4]。减小列车重量可以有效减小轮轨摩擦阻力，改善转向架等重要部件的运行条件，同时可以减小所需的牵引功率并节省能耗。车体轻量化还可以更安全有效地起动加速和减速制动。镁合金密度小，大量使用镁合金材料，对于高速列车来说，可以使车体大幅减重，从而提高车速，降低能耗。
法国已经在TGVDuplex双层高速列车座椅上应用了镁合金件，采用镁合金件的座椅总数量超过了45000个，应用镁合金的部件包括座椅小桌面板、座椅扶手、脚踏板、座椅侧面面板[4]。采用镁合金的座椅重量明显减轻，和原先的铝合金座椅相比每个双人座椅由36kg减轻到30kg，实现了减重、节约成本和应用功能的良好结合。德国西门子公司的ICE高速列车已经开始在一些零部件上采用镁合金材料，如坐椅骨架、行李架、框架等。韩国KTX特快列车在座椅基座上也使用了镁合金板材零件，与之前采用铝合金和玻璃钢相比较每个座椅减重5kg，还可节约8-l0%的成本。日本新干线N700系列高速列车座椅骨架已经采用镁合金，包括座椅扶手、中央支撑架、底垫、底座、扶手座、背靠等，实现了整车减重目的，不但提升了动车组的动力性能还有效地减少了能耗。
在国内，比如使用AZ91D镁合金替代动车组PA塑料制作小桌支臂减轻列车重量。唐山机车车辆厂采用镁合金型材替代了约三分之一的木骨架，采用镁合金电线槽代替普通线槽，车内部分装饰件采用了镁合金材料，如窗框、门框、行李架、风口、饰带、压线等。用镁合金制作一个列车卧铺铺板，比同样大小的铝合金铺板轻了14kg，“相当于一个四五岁小孩的重量”高速列车的轻量化，将会大大提高高速列车的行驶速度。
镁合金的阻尼能力好，吸收震动的能力强，可以达到明显的减震降噪效果，降低乘客乘坐时的颠簸感。在轨道交通车辆中使用镁合金蜂窝板，既能减重，又能最大程度地吸收震动能量，隔温隔湿，降低噪音，增加旅客乘坐的舒适性和安全感。大连交通大学以及采用AZ31镁合金制备蜂窝板，经过研究发现，其强度要低于铝合金，但比强度要高于铝合金蜂窝板，具有很好的应用前景[5]。大连交通大学还开发出一种镁合金轨道列车车体及其制造方法。其中，镁合金轨道列车车体包括：车底架、车顶、两个侧墙和两个端墙，车体是由车底架、车顶、两个侧墙和两个端墙焊接成的箱式结构，车底架、车顶、两个侧墙和两个端墙是由镁合金型材焊接而成。采用镁合金型材焊接成镁合金车体，实现了轨道列车车体的轻量化，同时解决了现有技术中用铝合金做列车车体资源受限的问题。
2.存在的问题及展望
镁合金在轨道交通上的目前应用在内饰件及车身，如座椅、扶手、桌子等零部件，一般通过压铸方式生产，技术已经比较成熟。由于镁合金为密排六方晶格，滑移系少，塑性变形能力较差，因此采用挤压方式生产的地板和车体框架等产品，还需要在技术上进行一定的攻关。镁合金材料的发展应用也存在一些基础问题尚待解决，如镁合金铸锭熔炼纯净度控制技术有待进一步提高，大断面或宽幅镁合金型材的挤压成型工艺技术还不成熟，镁合金焊接性能和焊接工艺的研究不够完善，镁合金耐蚀性能和表面处理技术还有待突破。随着国家对发展轻量化材料越来越重视，镁合金已被列为我国《新材料“十二五”发展规划》的重点发展材料之一，对于镁合金发展过程中存在的问题也将会逐步得到解决。
轨道交通领域对于镁合金应用有着强烈的需求，高速铁路建设和高铁列车制造都需要镁合金。由于镁合金具有的一系列优点，应用在轨道交通领域可以明显减轻重量，提高经济效益。随着镁合金潜在性能的开发与应用技术的进步，镁合金材料的应用也会逐步从非承载的装饰件走向承载的结构件，在高速列车轻量化中发挥更大的作用。
参考文献：
[1] K.U. Kainer. Magnesium Alloys and Technologies. John Wiley & Sons， 2006
[2] S. Schumann， H.E. Friedrich. Current and Future Use of Magnesium in the Automobile Industry. In： Materials Science Forum： Trans Tech Publ， 2003： 51-56
[3] 李瑞淳. 鎂合金在高速列车上的应用与开发. 铁道机车车辆. 2011， 31 （6）： 59-62
[4] 李岩， 郭建强， 孙召进， 林君山. 镁合金在轨道客车上的应用及展望. 现代商贸工业. 2012， 24 （1）： 276-278
[5] 迎春， 谷秀娥， 权高峰， 周鹤龄. 镁合金蜂窝板的制备及力学性能研究. 科技创新导报. 2009 （15）： 4-4
作者简介：
刘囝 1982年生，工程师，主要从事高速列车车体焊接工艺研究
关键词：镁合金；高速列车；轻量化
镁合金作为最轻的结构材料，具有高比强度、高比刚度、导热导电性能优良、高阻尼减振和电磁屏蔽等优点，已成为国防军事、航空航天、汽车、电子通信等工业领域的重要材料[1，2]。我国是镁资源大国，可利用镁资源储量占世界总量的70%。目前，我国原镁产量居世界首位，占全球产量的40%。随着能源短缺和环境污染问题愈发严重，发展轻量化材料已成为国家可持续发展迫切需要解决的问题。车体轻量化对降低原材料消耗、降低车辆制造成本、节省牵引动力、降低列车运行费用、减轻车辆对线路的冲击、提高列车启动减速度及制动减速度、减少制动系统的负担具有重大意义。根据西南交通大学交通运输装备轻量化研究所的研究，如果用镁合金车体代替铝合金车体，列车的减重率可以达到25%。因此，镁合金作为重要的工程材料应用于高速列车是高速轨道交通装备制造技术未来发展的必然趋势，镁合金的资源优势更易于推动其技术进步，并在高速列车上的应用过程中取得良好的技术经济效益。
1.镁合金材料在高速列车上的应用现状
目前轨道交通的两个主要发展方向为短途便捷的城市轻轨和长距离的高速轨道交通。
对于城市轻轨和普通轨道客车来说，采用镁合金除了减轻重量以外，还可以提高车辆的加速和制动性能，达到提高车辆整体技术水平的目的。镁合金材料已经比较成功的应用在25G型客车的空调系统通风格栅，还有诸如车窗防护栏杆、衣帽钩等小件产品。现在已经开发出来，并达到装车试验和应用水平的镁合金产品还有软卧车的卧铺框架，其主要功能是托住软卧垫，并承受相应的载荷[3]。
而对于高速列车来说，由于铁轨的承载能力有限，必须对列车的最大轴重做出限制。列车速度越高，对轨道的冲击力越大，当运行速度高于250km/h及以上时，对轨道的冲击力就会变得很大[4]。减小列车重量可以有效减小轮轨摩擦阻力，改善转向架等重要部件的运行条件，同时可以减小所需的牵引功率并节省能耗。车体轻量化还可以更安全有效地起动加速和减速制动。镁合金密度小，大量使用镁合金材料，对于高速列车来说，可以使车体大幅减重，从而提高车速，降低能耗。
法国已经在TGVDuplex双层高速列车座椅上应用了镁合金件，采用镁合金件的座椅总数量超过了45000个，应用镁合金的部件包括座椅小桌面板、座椅扶手、脚踏板、座椅侧面面板[4]。采用镁合金的座椅重量明显减轻，和原先的铝合金座椅相比每个双人座椅由36kg减轻到30kg，实现了减重、节约成本和应用功能的良好结合。德国西门子公司的ICE高速列车已经开始在一些零部件上采用镁合金材料，如坐椅骨架、行李架、框架等。韩国KTX特快列车在座椅基座上也使用了镁合金板材零件，与之前采用铝合金和玻璃钢相比较每个座椅减重5kg，还可节约8-l0%的成本。日本新干线N700系列高速列车座椅骨架已经采用镁合金，包括座椅扶手、中央支撑架、底垫、底座、扶手座、背靠等，实现了整车减重目的，不但提升了动车组的动力性能还有效地减少了能耗。
在国内，比如使用AZ91D镁合金替代动车组PA塑料制作小桌支臂减轻列车重量。唐山机车车辆厂采用镁合金型材替代了约三分之一的木骨架，采用镁合金电线槽代替普通线槽，车内部分装饰件采用了镁合金材料，如窗框、门框、行李架、风口、饰带、压线等。用镁合金制作一个列车卧铺铺板，比同样大小的铝合金铺板轻了14kg，“相当于一个四五岁小孩的重量”高速列车的轻量化，将会大大提高高速列车的行驶速度。
镁合金的阻尼能力好，吸收震动的能力强，可以达到明显的减震降噪效果，降低乘客乘坐时的颠簸感。在轨道交通车辆中使用镁合金蜂窝板，既能减重，又能最大程度地吸收震动能量，隔温隔湿，降低噪音，增加旅客乘坐的舒适性和安全感。大连交通大学以及采用AZ31镁合金制备蜂窝板，经过研究发现，其强度要低于铝合金，但比强度要高于铝合金蜂窝板，具有很好的应用前景[5]。大连交通大学还开发出一种镁合金轨道列车车体及其制造方法。其中，镁合金轨道列车车体包括：车底架、车顶、两个侧墙和两个端墙，车体是由车底架、车顶、两个侧墙和两个端墙焊接成的箱式结构，车底架、车顶、两个侧墙和两个端墙是由镁合金型材焊接而成。采用镁合金型材焊接成镁合金车体，实现了轨道列车车体的轻量化，同时解决了现有技术中用铝合金做列车车体资源受限的问题。
2.存在的问题及展望
镁合金在轨道交通上的目前应用在内饰件及车身，如座椅、扶手、桌子等零部件，一般通过压铸方式生产，技术已经比较成熟。由于镁合金为密排六方晶格，滑移系少，塑性变形能力较差，因此采用挤压方式生产的地板和车体框架等产品，还需要在技术上进行一定的攻关。镁合金材料的发展应用也存在一些基础问题尚待解决，如镁合金铸锭熔炼纯净度控制技术有待进一步提高，大断面或宽幅镁合金型材的挤压成型工艺技术还不成熟，镁合金焊接性能和焊接工艺的研究不够完善，镁合金耐蚀性能和表面处理技术还有待突破。随着国家对发展轻量化材料越来越重视，镁合金已被列为我国《新材料“十二五”发展规划》的重点发展材料之一，对于镁合金发展过程中存在的问题也将会逐步得到解决。
轨道交通领域对于镁合金应用有着强烈的需求，高速铁路建设和高铁列车制造都需要镁合金。由于镁合金具有的一系列优点，应用在轨道交通领域可以明显减轻重量，提高经济效益。随着镁合金潜在性能的开发与应用技术的进步，镁合金材料的应用也会逐步从非承载的装饰件走向承载的结构件，在高速列车轻量化中发挥更大的作用。
参考文献：
[1] K.U. Kainer. Magnesium Alloys and Technologies. John Wiley & Sons， 2006
[2] S. Schumann， H.E. Friedrich. Current and Future Use of Magnesium in the Automobile Industry. In： Materials Science Forum： Trans Tech Publ， 2003： 51-56
[3] 李瑞淳. 鎂合金在高速列车上的应用与开发. 铁道机车车辆. 2011， 31 （6）： 59-62
[4] 李岩， 郭建强， 孙召进， 林君山. 镁合金在轨道客车上的应用及展望. 现代商贸工业. 2012， 24 （1）： 276-278
[5] 迎春， 谷秀娥， 权高峰， 周鹤龄. 镁合金蜂窝板的制备及力学性能研究. 科技创新导报. 2009 （15）： 4-4
作者简介：
刘囝 1982年生，工程师，主要从事高速列车车体焊接工艺研究