鎂合金是將其他元素加入金屬鎂基而形成的合金。鎂（Mg）的密度為1.8g/cm3，是鋁（Al）的2/3，只有鐵（Fe）的1/4，是使用金屬中密度超小的。同時(shí)，Mg具有較高的比強(qiáng)度、彈性模量，并且導(dǎo)熱性好，制成鎂合金后，相比鋁合金等，鎂合金能夠承載更高的沖擊載荷。目前，鎂鋁合金應(yīng)用極為廣泛，已經(jīng)普遍應(yīng)用在航空航天、軌道交通、化工等領(lǐng)域。鎂合金與鋁合金的性能對(duì)比如表1所示。
鎂合金主要特點(diǎn)包括：
①鎂鋁合金強(qiáng)度大幅高于鋼材，而密度與鋁合金相當(dāng)。
②極好的減震抗噪性能。鎂合金在彈性范圍內(nèi)受到?jīng)_擊載荷作用，其吸收的能量大于鋁合金，因而減震能力是鋁的100倍，是鈦合金300～500倍。
③良好的機(jī)械加工和鑄造性能。鎂合金的切削阻力較小，是加工難度非常小的合金材料。并且切削后表面光潔不需后期加工。鎂合金壓鑄件的尺寸較鋁合金提高25%的加工精度，加工能耗降低50%。
④良好的熱導(dǎo)和電磁屏蔽性能。其熱導(dǎo)高于鋁合金，同時(shí)還能做的更薄，更加利于散熱。其具有良好的電磁屏蔽性質(zhì)，能夠勝任對(duì)抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)要求高的場(chǎng)合。
鎂合金主要成分包括Mg、Al、錳（Mn）、鋅（Zn）、硅（Si）、銅（Cu）、鎳（Ni）、Fe等元素。根據(jù)成分范圍可以分為鎂鋁合金、鎂錳合金和鎂鋅合金。根據(jù)鎂合金不同的成型方法，可以將其分為壓鑄鎂合金和形變鎂合金兩種。其中壓鑄鎂合金占據(jù)鑄造鎂合金的絕大部分。鎂合金牌號(hào)為AZ31B、AZ61A、AZ91D等鎂合金已經(jīng)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。軌道交通常鎂合金和鋁合金物理性質(zhì)如表2所示。
軌道交通裝備中鎂合金應(yīng)用情況
現(xiàn)代高速列車必須滿足安全性設(shè)計(jì)指標(biāo)、節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)指標(biāo)和舒適性指標(biāo)。鎂合金能夠很好的地吸收震動(dòng)沖撞等能量，如用其制造高鐵列車座椅，能夠更多地吸收列車碰撞后的震動(dòng)能量，進(jìn)而降低乘客受到的傷害。鎂合金密度低，在列車輕量化方面和其他材料相比優(yōu)勢(shì)非常明顯。由于其良好的可加工性，能夠做成任意復(fù)雜的形狀，因而可以做出符合人體工學(xué)和美學(xué)設(shè)計(jì)的座椅。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和主機(jī)廠對(duì)高速列車用鎂合金型材組件的多項(xiàng)研究和測(cè)試結(jié)果得出結(jié)論，鎂合金在高速軌道列車的輕量化升級(jí)中具有巨大的應(yīng)用潛力。使用AZ92D鎂合金替代動(dòng)車中用聚酰胺（PA）塑料制作的小桌板支架，小桌板的承重能力、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊韌性等性能獲得了顯著提升。
鎂合金已經(jīng)出現(xiàn)在國(guó)外高速列車的很多場(chǎng)合。德國(guó)西門子公司的ICE高速列車和法國(guó)TGV Duplex雙層高鐵列車均采用鎂合金制作了座椅。其中，法國(guó)TGV Duplex列車共制作了4.5萬個(gè)座椅，并且制作了小桌板、扶手、踏板和座椅的側(cè)面等零部件。相比傳統(tǒng)的鋁合金座椅，每個(gè)雙人座椅的質(zhì)量減小了6kg，占總質(zhì)量的1/5。日本新干線N700系類高速列車的座椅和支架、靠背和扶手、地墊、底座等都已經(jīng)使用鎂合金制造。
由于鎂合金相對(duì)鋁合金成本相當(dāng)，列車運(yùn)行時(shí)能耗得到降低，綜合來說總體上降低了列車的運(yùn)行成本。韓國(guó)KTX特快列車座椅在過去使用玻璃鋼和鋁合金作為材料。在使用了鎂合金板材零件后，當(dāng)個(gè)座椅相比之前質(zhì)量降低了5kg，同時(shí)還減少了8%～10%的材料成本。我國(guó)軌道交通裝備的鎂合金應(yīng)用也正在迅速推進(jìn)。當(dāng)前鎂合金在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用在空調(diào)通風(fēng)口格柵、車窗防護(hù)欄桿、座椅和地板、臥鋪床架和支架、行李架邊框、內(nèi)部?jī)x表盤框架等零部件。
軌道交通裝備上常用的鎂合金型號(hào)包括A Z31B、A Z61A、A Z91D、Z K60、AM60B等。鎂合金零部件的承重能力需求越來越大，已經(jīng)開始制造主要承重部件。因此，未來鎂合金開發(fā)的一大重要方向就是開發(fā)高強(qiáng)高韌、耐疲勞和減震鐵道車輛零部件。在我國(guó)唐山軌道客車有限公司也將鎂合金應(yīng)用到了其制造的國(guó)內(nèi)首列實(shí)用型中低速磁懸浮列車上，其車內(nèi)結(jié)構(gòu)件和燈體都采用鎂合金制造，以達(dá)到整體減重的目的。
寶山鋼鐵股份有限公司研究院汽車用鋼所利用其具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BGZ8型鎂合金，制備出了新型鎂合金材料。該鎂合金具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，他們同時(shí)對(duì)擠壓模具進(jìn)行了優(yōu)化，使鎂合金在模具中的擠壓過程中能發(fā)生均勻而劇烈的形變，并誘導(dǎo)其產(chǎn)生在結(jié)晶過程。形成的再結(jié)晶組織具有非常細(xì)的晶粒尺寸，并且均勻分布于鎂合金材料內(nèi)，并存在較強(qiáng)的{0001}基面織構(gòu)。
在低溫T5時(shí)效處理后，在晶界處由于擠壓形成Al12Mg17相釘扎，這種多尺度圍觀組織使鎂抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率等關(guān)鍵機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)都獲得大幅增長(zhǎng)，分別達(dá)到396MPa，289MPa和11.5%，在使零部件成功減重25%的同時(shí)，完全滿足高鐵座椅骨架的機(jī)械性能要求。2017年12月，成都天智輕量化科技公司（簡(jiǎn)稱“天智公司”）生產(chǎn)的擠壓側(cè)墻型材和地板導(dǎo)槽型材鎂合金獲得了成功驗(yàn)收，并交付使用于“復(fù)興號(hào)”列車上。
該批次產(chǎn)品總長(zhǎng)度達(dá)到約一萬延長(zhǎng)米，在該批次11架列車上成功列裝。該公司還交付了2批次約萬延長(zhǎng)米的鎂合金材料擠壓型材，預(yù)計(jì)將列裝于25架地鐵列車上。天智公司成功打通了材料設(shè)計(jì)、擠壓成型模擬、模具優(yōu)化設(shè)計(jì)、擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)調(diào)控、型材矯形定尺等全技術(shù)流程，能夠大批量商業(yè)供應(yīng)大尺寸、薄壁、復(fù)雜截面鎂合金精密擠壓型材，在鎂合金精密擠壓技術(shù)上取得重要進(jìn)展和重大突破。
復(fù)興號(hào)是全球高運(yùn)行速度的高速列車，在安裝鎂合金型材后，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組車內(nèi)件輕量化升級(jí)，完成節(jié)能減重的重要目標(biāo)。重慶理工大學(xué)研發(fā)出第3代氣動(dòng)懸浮列車LOOP，采用阻燃性鎂合金做車身材料。車身采用環(huán)形翼設(shè)計(jì)，在三維面上形成一個(gè)向后傾斜的框。該設(shè)計(jì)相比之前一、二代車體，氣流穩(wěn)定性提高了很多。環(huán)形翼設(shè)計(jì)能夠保持在軌道寬度不變的前提下將列車運(yùn)輸能力提高30%～40%。全球第1條高速氣動(dòng)懸浮列車線路計(jì)劃將于2025年在日本開通。屆時(shí)將建成日本成田機(jī)場(chǎng)到羽田機(jī)楊的地下隧道，該列車將以時(shí)速400km運(yùn)行。預(yù)計(jì)為3節(jié)車廂，每節(jié)車廂一次運(yùn)載120人。
鎂合金更大規(guī)模應(yīng)用的制約問題分析
盡管鎂合金有許多其他材料不具備的優(yōu)勢(shì)，但仍然有一定的缺點(diǎn)制約其獲得更大規(guī)模應(yīng)用。主要包括：①由于鎂合金是六方晶格結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過軋制或定向擠壓等加工處理后容易造成材料的各向異性而導(dǎo)致各方向上力學(xué)性能出現(xiàn)偏差。
②鎂合金性質(zhì)較為活潑，化學(xué)電負(fù)性非常強(qiáng)，其電極電位為-2.37V，低于鋁材料的-1.71V，很容易出現(xiàn)氧化腐蝕情況。例如與其它金屬的接觸表面容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕；在空氣中也容易被氧氣氧化而在表明形成氧化薄層，該氧化層質(zhì)地催而疏松，表明多孔，不能阻擋隔絕空氣，加速氧化過程。并且，溫度越高，氧化過程越快。
鎂合金，特別在液態(tài)下非常容易著火，并且燃燒過程極度劇烈。因此，鎂和鎂合金在進(jìn)行熔煉和鑄造時(shí)必須在溶劑覆蓋或者保護(hù)氣氛或真空中進(jìn)行。金屬鎂熔點(diǎn)650℃，鎂合金熔點(diǎn)更低。只要超過600℃，鎂合金很容易會(huì)融化為液體，進(jìn)而發(fā)生不可控的劇烈燃燒。因此在鎂合金零部件裝車之后必須做好燃燒實(shí)驗(yàn)，確保不會(huì)燃燒。
④鎂合金的焊接不能使用常規(guī)方式進(jìn)行常，必須使用新型的固相焊接方法（攪拌摩擦焊等）焊接。同時(shí)，焊接成品的性能還需要做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步認(rèn)證。
⑤受現(xiàn)階段工藝限制，鎂合金寬幅擠壓較為困難，很難制造出大斷面擠壓型材。目前雖然只要鎂合金成分配比符合標(biāo)準(zhǔn)，加工工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，可以讓鎂合金各項(xiàng)物理性能達(dá)標(biāo)，但無法對(duì)材料尺寸誤差，特別是側(cè)彎值和穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)際操控。目前國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)軌道交通裝備所需的大型薄壁中空鋁型材，已經(jīng)造出250MN擠壓機(jī)，在車體大型擠壓鋁材的各項(xiàng)物理性能上與德國(guó)日本同類產(chǎn)品相當(dāng)，甚至更加優(yōu)秀，但尺寸誤差和穩(wěn)定性還具有相當(dāng)?shù)牟罹唷?/p>
⑥鎂合金在高溫下機(jī)械性能會(huì)出現(xiàn)較大程度的下降。目前絕大多數(shù)的鎂合金材料只能在150℃以下才能保持正常性能。目前正在研究在鎂合金中加入稀土元素來制造耐熱型的鎂合金，但目前稀土鎂合金的成本還無法降低到商用水平。
結(jié)語
我國(guó)菱鎂礦、白云石資源豐富，鎂資源儲(chǔ)量達(dá)到全球總量的一半以上，因此在鎂合金的研究和應(yīng)用上有著巨大的資源和成本優(yōu)勢(shì)。我國(guó)軌道交通發(fā)展速度很快，對(duì)軌道交通裝備輕量化的要求也愈發(fā)強(qiáng)烈。隨著鎂合金冶煉、加工工藝的研究發(fā)展，鎂合金的性能將會(huì)不斷獲得提升，同時(shí)穩(wěn)定性也將更進(jìn)一步加強(qiáng)。預(yù)計(jì)未來鎂合金的新的應(yīng)用層出不窮，從非承重零部件逐漸發(fā)展應(yīng)用到高速列車的承載零部件，是高速列車應(yīng)用鎂合金實(shí)現(xiàn)輕量化升級(jí)的關(guān)鍵。
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