Le carrozze dei treni ad alta velocità sono saldate utilizzando materiali in alluminio. Alcune linee ferroviarie ad alta velocità attraversano regioni gelide con temperature che vanno da meno 30 a 40 gradi Celsius. Alcuni strumenti, attrezzature e viveri sulle navi da ricerca antartiche sono realizzati con materiali in alluminio e devono resistere a temperature fino a meno 60-70 gradi Celsius. Anche le navi mercantili cinesi che viaggiano dall’Artico all’Europa utilizzano alcune attrezzature realizzate con materiali in alluminio, alcune delle quali sono esposte a temperature fino a meno 50-60 gradi Celsius. Possono funzionare normalmente in un freddo così estremo? Nessun problema, le leghe di alluminio e i materiali in alluminio non temono il freddo o il caldo estremi.

L'alluminio e le leghe di alluminio sono eccellenti materiali a bassa temperatura. Non mostrano fragilità alle basse temperature come l'acciaio comune o le leghe di nichel, che mostrano una significativa diminuzione di resistenza e duttilità alle basse temperature. Tuttavia, l’alluminio e le leghe di alluminio sono diversi. Non presentano alcuna traccia di fragilità alle basse temperature. Tutte le loro proprietà meccaniche aumentano significativamente al diminuire della temperatura. Ciò è indipendente dalla composizione del materiale, che si tratti di lega di alluminio pressofuso o lega di alluminio lavorato, lega di metallurgia delle polveri o materiale composito. Inoltre, è indipendente dallo stato del materiale, sia esso allo stato grezzo di lavorazione o dopo il trattamento termico. Non ha alcuna relazione con il processo di preparazione del lingotto, sia esso prodotto tramite colata e laminazione o colata e laminazione continua. Inoltre, non è correlato al processo di estrazione dell’alluminio, compresa l’elettrolisi, la riduzione termica del carbonio e l’estrazione chimica. Ciò si applica a tutti i livelli di purezza, dall'alluminio di processo con purezza dal 99,50% al 99,79%, alluminio di elevata purezza con purezza dal 99,80% al 99,949%, alluminio superpuro con purezza dal 99,950% al 99,9959%, ​​alluminio di estrema purezza con 99,9960% al 99,9990% di purezza e alluminio ad altissima purezza con oltre il 99,9990% di purezza. È interessante notare che anche altri due metalli leggeri, magnesio e titanio, non mostrano fragilità alle basse temperature.

Le proprietà meccaniche delle leghe di alluminio comunemente utilizzate per le carrozze dei treni ad alta velocità e la loro relazione con la temperatura sono mostrate nella tabella seguente.

Le carrozze dei treni ad alta velocità utilizzano materiali in alluminio come piastre in lega Al-Mg serie 5005, piastre in lega 5052, piastre in lega 5083 e profili; Piastre e profili in lega Al-Mg-Si serie 6061, profili in lega 6N01, profili in lega 6063; Piastre e profili in lega Al-Zn-Mg serie 7N01, profili in lega 7003. Sono disponibili negli stati standard: O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

Dai dati in tabella risulta evidente che le proprietà meccaniche delle leghe di alluminio aumentano al diminuire della temperatura. Pertanto, l'alluminio è un eccellente materiale strutturale a bassa temperatura, adatto per l'uso nei serbatoi di carburante per razzi a bassa temperatura (idrogeno liquido, ossigeno liquido), navi da trasporto di gas naturale liquefatto (GNL) e serbatoi terrestri, contenitori di prodotti chimici a bassa temperatura, celle frigorifere. , camion refrigerati e altro ancora.

I componenti strutturali dei treni ad alta velocità che circolano sulla Terra, compresi i componenti delle carrozze e delle locomotive, possono essere tutti prodotti utilizzando le leghe di alluminio esistenti. Non è necessario ricercare una nuova lega di alluminio per le strutture delle carrozze che operano in regioni fredde. Tuttavia, se si potesse sviluppare una nuova lega 6XXX con prestazioni superiori di circa il 10% rispetto alla lega 6061 o una lega 7XXX con prestazioni complessive superiori di circa l'8% rispetto alla lega 7N01, ciò sarebbe un risultato significativo.

Successivamente, discutiamo delle tendenze di sviluppo delle leghe di alluminio per carrelli.

Nel curnella produzione a noleggio e nella manutenzione di carrozze di veicoli ferroviari, vengono utilizzate piastre in lega come 5052, 5083, 5454 e 6061, insieme a profili estrusi come 5083, 6061 e 7N01. Vengono utilizzate anche alcune leghe più recenti come 5059, 5383 e 6082. Presentano tutti un'eccellente saldabilità, con fili di saldatura generalmente costituiti da leghe 5356 o 5556. Naturalmente, la saldatura per attrito (FSW) è il metodo preferito, poiché non solo garantisce un'elevata qualità di saldatura ma elimina anche la necessità di fili di saldatura. Lega giapponese 7N01, con la sua composizione di Mn 0,200,7%, Mg 1,02,0% e Zn 4,0~5,0% (tutto in %), ha trovato ampio utilizzo nella produzione di veicoli ferroviari. La Germania ha utilizzato piastre in lega 5005 per produrre pareti laterali per carrozze Trans Rapid ad alta velocità e ha utilizzato estrusioni in lega 6061, 6063 e 6005 per i profili. In sintesi, fino ad ora, sia la Cina che altri paesi hanno aderito principalmente a queste leghe per la produzione di treni ad alta velocità.

Leghe di alluminio per carrozze a 200 km/h~350 km/h

Possiamo classificare le leghe di alluminio delle carrozze in base alla velocità operativa dei treni. Le leghe di prima generazione vengono utilizzate per veicoli con velocità inferiori a 200 km/he sono leghe convenzionali utilizzate principalmente per la produzione di vagoni ferroviari urbani, come le leghe 6063, 6061 e 5083. Le leghe di alluminio di seconda generazione come 6N01, 5005, 6005A, 7003 e 7005 vengono utilizzate per la produzione di carrozze di treni ad alta velocità con velocità comprese tra 200 km/h e 350 km/h. Le leghe di terza generazione includono 6082 e leghe di alluminio contenenti scandio.

Leghe di alluminio contenenti scandio

Lo scandio è uno degli affinatori del grano più efficaci per l'alluminio ed è considerato un elemento essenziale per ottimizzare le proprietà della lega di alluminio. Il contenuto di scandio è tipicamente inferiore allo 0,5% nelle leghe di alluminio e le leghe contenenti scandio sono denominate collettivamente leghe di alluminio-scandio (leghe Al-Sc). Le leghe Al-Sc offrono vantaggi quali elevata resistenza, buona duttilità, eccellente saldabilità e resistenza alla corrosione. Vengono utilizzati in varie applicazioni, tra cui navi, veicoli aerospaziali, reattori e apparecchiature di difesa, rendendoli una nuova generazione di leghe di alluminio adatte alle strutture dei veicoli ferroviari.

Schiuma di alluminio

I treni ad alta velocità sono caratterizzati da carichi sugli assi leggeri, frequenti accelerazioni e decelerazioni e operazioni di sovraccarico, che richiedono che la struttura della carrozza sia quanto più leggera possibile soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di resistenza, rigidità, sicurezza e comfort. Chiaramente, l'elevata resistenza specifica, il modulo specifico e le elevate caratteristiche di smorzamento della schiuma di alluminio ultraleggera sono in linea con questi requisiti. Ricerche estere e valutazioni sull'applicazione della schiuma di alluminio nei treni ad alta velocità hanno dimostrato che i tubi di acciaio riempiti di schiuma di alluminio hanno una capacità di assorbimento di energia superiore dal 35% al ​​40% rispetto ai tubi vuoti e un aumento dal 40% al 50% della resistenza alla flessione. Ciò rende i pilastri e le partizioni delle carrozze più robusti e meno inclini al collasso. L'uso della schiuma di alluminio per l'assorbimento dell'energia nella zona cuscinetto anteriore della locomotiva migliora le capacità di assorbimento degli urti. I pannelli sandwich realizzati in schiuma di alluminio spessa 10 mm e sottili lamiere di alluminio sono più leggeri del 50% rispetto alle piastre in acciaio originali, aumentando allo stesso tempo la rigidità di 8 volte.