يتم لحام عربات القطارات عالية السرعة باستخدام مواد الألومنيوم. تمر بعض خطوط القطارات عالية السرعة عبر مناطق شديدة البرودة مع درجات حرارة منخفضة تصل إلى 30 إلى 40 درجة مئوية تحت الصفر. بعض الأدوات والمعدات ولوازم المعيشة في سفن الأبحاث في القطب الجنوبي مصنوعة من مواد الألومنيوم وتحتاج إلى تحمل درجات حرارة منخفضة تصل إلى 60 إلى 70 درجة مئوية تحت الصفر. كما تستخدم سفن الشحن الصينية التي تسافر من القطب الشمالي إلى أوروبا بعض المعدات المصنوعة من مواد الألومنيوم، ويتعرض بعضها لدرجات حرارة منخفضة تصل إلى 50 إلى 60 درجة مئوية تحت الصفر. هل يمكنهم العمل بشكل طبيعي في مثل هذا البرد القارس؟ لا توجد مشكلة، فسبائك الألومنيوم ومواد الألومنيوم لا تخاف من البرودة الشديدة أو الحرارة.

تعتبر سبائك الألومنيوم والألمنيوم مواد ممتازة تتحمل درجات الحرارة المنخفضة. وهي لا تظهر هشاشة عند درجات الحرارة المنخفضة مثل الفولاذ العادي أو سبائك النيكل، والتي تظهر انخفاضًا كبيرًا في القوة والليونة عند درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، الألومنيوم وسبائك الألومنيوم مختلفة. أنها لا تظهر أي أثر لهشاشة درجات الحرارة المنخفضة. جميع خواصها الميكانيكية تزداد بشكل ملحوظ مع انخفاض درجة الحرارة. وهذا مستقل عن تكوين المادة، سواء كانت سبائك الألومنيوم المصبوبة أو سبائك الألومنيوم المطاوع، أو سبائك تعدين المساحيق، أو المواد المركبة. كما أنها مستقلة عن حالة المادة، سواء كانت في حالة المعالجة أو بعد المعالجة الحرارية. ولا علاقة لها بعملية تحضير السبائك، سواء تم إنتاجها عن طريق الصب والدرفلة أو الصب والدرفلة المستمرة. كما أنه لا علاقة له بعملية استخلاص الألومنيوم، بما في ذلك التحليل الكهربائي، وتقليل حرارة الكربون، والاستخلاص الكيميائي. ينطبق هذا على جميع مستويات النقاء، بدءًا من الألومنيوم المعالج بنقاء 99.50% إلى 99.79%، والألومنيوم عالي النقاء بنقاء 99.80% إلى 99.949%، والألمنيوم فائق النقاء بنقاء 99.950% إلى 99.9959%، والألمنيوم شديد النقاء بنقاء 99.9960%. نقاء يصل إلى 99.9990%، وألمنيوم فائق النقاء بنسبة نقاء تزيد عن 99.9990%. ومن المثير للاهتمام أن اثنين من المعادن الخفيفة الأخرى، المغنيسيوم والتيتانيوم، لا يظهران أيضًا هشاشة عند درجات الحرارة المنخفضة.

يوضح الجدول أدناه الخواص الميكانيكية لسبائك الألومنيوم شائعة الاستخدام في عربات القطارات عالية السرعة وعلاقتها بدرجة الحرارة.

تستخدم عربات القطارات عالية السرعة مواد الألمنيوم مثل ألواح سبائك 5005 من سلسلة Al-Mg، وألواح سبائك 5052، وألواح سبائك 5083، والمقاطع الجانبية؛ سلسلة Al-Mg-Si من ألواح وملامح سبائك 6061، وملامح سبائك 6N01، وملامح سبائك 6063؛ ألواح وملامح سبائك سلسلة Al-Zn-Mg 7N01، وملامح سبائك 7003. أنها تأتي في الحالات القياسية: O، H14، H18، H112، T4، T5، T6.

يتضح من البيانات الواردة في الجدول أن الخواص الميكانيكية لسبائك الألومنيوم تزداد مع انخفاض درجة الحرارة. لذلك، يعتبر الألومنيوم مادة هيكلية ممتازة ذات درجة حرارة منخفضة ومناسبة للاستخدام في خزانات وقود الصواريخ ذات درجة الحرارة المنخفضة (الهيدروجين السائل والأكسجين السائل)، وسفن نقل الغاز الطبيعي المسال (LNG) والخزانات البرية، وحاويات المنتجات الكيميائية ذات درجة الحرارة المنخفضة، والتخزين البارد. والشاحنات المبردة، وأكثر من ذلك.

يمكن تصنيع المكونات الهيكلية للقطارات عالية السرعة التي تعمل على الأرض، بما في ذلك مكونات النقل والقاطرات، باستخدام سبائك الألومنيوم الموجودة. ليست هناك حاجة للبحث عن سبائك ألومنيوم جديدة لهياكل النقل العاملة في المناطق الباردة. ومع ذلك، إذا أمكن تطوير سبيكة 6XXX جديدة ذات أداء أعلى بحوالي 10% من سبيكة 6061 أو سبيكة 7XXX ذات أداء إجمالي حوالي 8% أعلى من سبيكة 7N01، فسيكون ذلك بمثابة إنجاز كبير.

بعد ذلك، دعونا نناقش اتجاهات تطوير سبائك الألومنيوم النقل.

في Curيتم استخدام تصنيع وصيانة عربات السكك الحديدية، وألواح السبائك مثل 5052، و5083، و5454، و6061، إلى جانب المقاطع المبثوقة مثل 5083، و6061، و7N01. يتم أيضًا تطبيق بعض السبائك الأحدث مثل 5059 و5383 و6082. تتميز جميعها بقابلية لحام ممتازة، حيث تكون أسلاك اللحام عادةً من 5356 أو 5556 سبيكة. وبطبيعة الحال، فإن اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW) هو الطريقة المفضلة، لأنه لا يضمن جودة لحام عالية فحسب، بل يلغي أيضًا الحاجة إلى أسلاك اللحام. سبيكة 7N01 يابانية، بتركيبتها Mn 0.200.7%، ملغم 1.02.0%، والزنك 4.0~5.0% (الكل في المائة%)، وجد استخدامًا واسع النطاق في تصنيع مركبات السكك الحديدية. استخدمت ألمانيا 5005 ألواح من السبائك لإنتاج الجدران الجانبية لعربات ترانس رابيد عالية السرعة واستخدمت 6061 و6063 و6005 من سبائك السبائك للتشكيلات الجانبية. باختصار، حتى الآن، التزمت كل من الصين والدول الأخرى في الغالب بهذه السبائك لتصنيع القطارات عالية السرعة.

سبائك الألومنيوم للعربات بسرعة 200 كم/ساعة ~ 350 كم/ساعة

يمكننا تصنيف سبائك الألومنيوم الخاصة بالنقل على أساس السرعة التشغيلية للقطارات. يتم استخدام سبائك الجيل الأول للمركبات التي تقل سرعتها عن 200 كم/ساعة وهي سبائك تقليدية تستخدم بشكل أساسي لتصنيع عربات السكك الحديدية الحضرية، مثل سبائك 6063 و6061 و5083. يتم استخدام سبائك الألومنيوم من الجيل الثاني مثل 6N01، 5005، 6005A، 7003، و7005 لتصنيع عربات القطارات عالية السرعة بسرعات تتراوح من 200 كم/ساعة إلى 350 كم/ساعة. تشمل سبائك الجيل الثالث 6082 وسبائك الألومنيوم المحتوية على سكانديوم.

سبائك الألومنيوم المحتوية على الإسكنديوم

يعد سكانديوم أحد أكثر مصافي الحبوب فعالية للألمنيوم ويعتبر عنصرًا أساسيًا لتحسين خصائص سبائك الألومنيوم. عادة ما يكون محتوى سكانديوم أقل من 0.5% في سبائك الألومنيوم، ويشار إلى السبائك التي تحتوي على سكانديوم بشكل جماعي باسم سبائك الألومنيوم سكانديوم (سبائك Al-Sc). توفر سبائك Al-Sc مزايا مثل القوة العالية، والليونة الجيدة، وقابلية اللحام الممتازة، ومقاومة التآكل. يتم استخدامها في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك السفن والمركبات الفضائية والمفاعلات ومعدات الدفاع، مما يجعلها جيلًا جديدًا من سبائك الألومنيوم المناسبة لهياكل مركبات السكك الحديدية.

رغوة الألومنيوم

تتميز القطارات عالية السرعة بأحمال محورية خفيفة الوزن، وتسارع وتباطؤ متكرر، وعمليات تحميل زائدة، مما يتطلب أن يكون هيكل النقل خفيف الوزن قدر الإمكان مع تلبية متطلبات القوة والصلابة والسلامة والراحة. ومن الواضح أن القوة النوعية العالية لرغوة الألومنيوم خفيفة الوزن، والمعامل المحدد، وخصائص التخميد العالية تتوافق مع هذه المتطلبات. أظهرت الأبحاث الأجنبية وتقييم تطبيق رغوة الألومنيوم في القطارات عالية السرعة أن الأنابيب الفولاذية المملوءة برغوة الألومنيوم تتمتع بقدرة امتصاص طاقة أعلى بنسبة 35% إلى 40% من الأنابيب الفارغة وزيادة بنسبة 40% إلى 50% في قوة الانحناء. وهذا يجعل أعمدة وأقسام النقل أكثر قوة وأقل عرضة للانهيار. يؤدي استخدام رغوة الألومنيوم لامتصاص الطاقة في المنطقة العازلة الأمامية للقاطرة إلى تعزيز قدرات امتصاص الصدمات. ألواح الساندوتش المصنوعة من رغوة الألومنيوم بسمك 10 مم وألواح الألومنيوم الرقيقة أخف بنسبة 50% من الألواح الفولاذية الأصلية مع زيادة الصلابة بمقدار 8 مرات.