Wagony pociągów dużych prędkości spawane są z materiałów aluminiowych. Niektóre linie kolei dużych prędkości przebiegają przez mroźne regiony, w których temperatury sięgają minus 30–40 stopni Celsjusza. Niektóre instrumenty, sprzęt i zapasy do życia na statkach badawczych w Antarktyce są wykonane z aluminium i muszą wytrzymać temperatury tak niskie, jak -60 do 70 stopni Celsjusza. Chińskie statki towarowe podróżujące z Arktyki do Europy również korzystają ze sprzętu wykonanego z materiałów aluminiowych, a niektóre z nich są wystawione na działanie temperatur sięgających od -50 do 60 stopni Celsjusza. Czy mogą normalnie działać w tak ekstremalnie niskich temperaturach? Nie ma problemu, stopy aluminium i materiały aluminiowe nie boją się ekstremalnego zimna ani ciepła.

Aluminium i stopy aluminium są doskonałymi materiałami niskotemperaturowymi. Nie wykazują kruchości w niskich temperaturach jak zwykła stal czy stopy niklu, które wykazują znaczny spadek wytrzymałości i plastyczności w niskich temperaturach. Jednak aluminium i stopy aluminium są różne. Nie wykazują śladów kruchości w niskich temperaturach. Wszystkie ich właściwości mechaniczne znacznie rosną wraz ze spadkiem temperatury. Jest to niezależne od składu materiału, niezależnie od tego, czy jest to odlewany stop aluminium, stop aluminium do obróbki plastycznej, stop metalurgii proszków czy materiał kompozytowy. Jest to również niezależne od stanu materiału, czy jest on w stanie po przetworzeniu, czy po obróbce cieplnej. Nie ma to związku z procesem przygotowania wlewka, niezależnie od tego, czy jest on wytwarzany w drodze odlewania i walcowania, czy też ciągłego odlewania i walcowania. Nie ma to również związku z procesem ekstrakcji aluminium, w tym elektrolizą, termiczną redukcją węgla i ekstrakcją chemiczną. Dotyczy to wszystkich poziomów czystości, od aluminium procesowego o czystości od 99,50% do 99,79%, aluminium o wysokiej czystości o czystości od 99,80% do 99,949%, aluminium o super czystości o czystości od 99,950% do 99,9959%, ​​aluminium o ekstremalnej czystości o czystości 99,9960% do czystości 99,9990% oraz aluminium o ultrawysokiej czystości o czystości ponad 99,9990%. Co ciekawe, dwa inne metale lekkie, magnez i tytan, również nie wykazują kruchości w niskich temperaturach.

Właściwości mechaniczne powszechnie stosowanych stopów aluminium do wagonów pociągów dużych prędkości i ich związek z temperaturą przedstawiono w poniższej tabeli.

W wagonach pociągów dużych prędkości zastosowano materiały aluminiowe, takie jak płyty ze stopu Al-Mg serii 5005, płyty ze stopu 5052, płyty i profile ze stopu 5083; płyty i profile ze stopów Al-Mg-Si serii 6061, profile ze stopów 6N01, profile ze stopów 6063; Płyty i profile ze stopu Al-Zn-Mg serii 7N01, profile ze stopu 7003. Występują w standardowych stanach: O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

Z danych zawartych w tabeli wynika, że ​​właściwości mechaniczne stopów aluminium rosną wraz ze spadkiem temperatury. Dlatego aluminium jest doskonałym niskotemperaturowym materiałem konstrukcyjnym, odpowiednim do stosowania w zbiornikach paliwa rakietowego o niskiej temperaturze (ciekły wodór, ciekły tlen), statkach transportowych skroplonego gazu ziemnego (LNG) i zbiornikach lądowych, pojemnikach na produkty chemiczne w niskich temperaturach, chłodniach , chłodnie i inne.

Wszystkie elementy konstrukcyjne pociągów dużych prędkości poruszających się po Ziemi, w tym elementy wagonów i lokomotyw, można wytwarzać przy użyciu istniejących stopów aluminium. Nie ma potrzeby badań nad nowym stopem aluminium do konstrukcji wagonów eksploatowanych w zimnych regionach. Jednakże, gdyby udało się opracować nowy stop 6XXX o wydajności około 10% wyższej niż stop 6061 lub stop 7XXX o wydajności ogólnej około 8% wyższej niż stop 7N01, byłoby to znaczącym osiągnięciem.

Następnie omówmy kierunki rozwoju stopów aluminium do przewozu pojazdów.

W kurdo produkcji i konserwacji wagonów pojazdów szynowych stosuje się płyty ze stopów takich jak 5052, 5083, 5454 i 6061, a także profile wytłaczane, takie jak 5083, 6061 i 7N01. Stosowane są również niektóre nowsze stopy, takie jak 5059, 5383 i 6082. Wszystkie wykazują doskonałą spawalność, przy czym druty spawalnicze są zwykle wykonane ze stopów 5356 lub 5556. Oczywiście preferowaną metodą jest zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSW), ponieważ nie tylko zapewnia wysoką jakość spawania, ale także eliminuje potrzebę stosowania drutów spawalniczych. Japoński stop 7N01 o składzie Mn 0,200,7%, Mg 1,02,0% i Zn 4,0 ~ 5,0% (wszystko w%), znalazło szerokie zastosowanie w produkcji pojazdów szynowych. Niemcy użyli płyt ze stopu 5005 do produkcji ścian bocznych szybkich wagonów Trans Rapid, a do profili wykorzystali profile ze stopów 6061, 6063 i 6005. Podsumowując, jak dotąd zarówno Chiny, jak i inne kraje w większości stosowały te stopy do produkcji pociągów dużych prędkości.

Stopy aluminium do wagonów o prędkości 200 km/h ~ 350 km/h

Możemy kategoryzować stopy aluminium wagonów na podstawie prędkości eksploatacyjnej pociągów. Stopy pierwszej generacji stosowane są w pojazdach poruszających się z prędkością poniżej 200 km/h i są to stopy konwencjonalne stosowane głównie do produkcji wagonów pojazdów kolei miejskiej, takie jak stopy 6063, 6061 i 5083. Stopy aluminium drugiej generacji, takie jak 6N01, 5005, 6005A, 7003 i 7005, są wykorzystywane do produkcji wagonów pociągów dużych prędkości o prędkościach od 200 km/h do 350 km/h. Stopy trzeciej generacji obejmują stopy aluminium zawierające 6082 i skand.

Stopy aluminium zawierające skand

Skand jest jednym z najskuteczniejszych rozdrabniaczy ziarna aluminium i jest uważany za niezbędny pierwiastek optymalizujący właściwości stopu aluminium. Zawartość skandu w stopach aluminium wynosi zazwyczaj mniej niż 0,5%, a stopy zawierające skand są zbiorczo określane jako stopy aluminiowo-skandowe (stopy Al-Sc). Stopy Al-Sc oferują takie zalety, jak wysoka wytrzymałość, dobra ciągliwość, doskonała spawalność i odporność na korozję. Są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w statkach, pojazdach kosmicznych, reaktorach i sprzęcie obronnym, co czyni je stopami aluminium nowej generacji odpowiednimi do konstrukcji pojazdów szynowych.

Pianka aluminiowa

Pociągi dużych prędkości charakteryzują się niewielkimi obciążeniami osi, częstym przyspieszaniem i zwalnianiem oraz operacjami przeciążonymi, co wymaga, aby konstrukcja wagonu była jak najlżejsza, a jednocześnie spełniała wymagania dotyczące wytrzymałości, sztywności, bezpieczeństwa i komfortu. Bez wątpienia wysoka wytrzymałość, moduł właściwy i wysoka charakterystyka tłumienia ultralekkiej pianki aluminiowej odpowiadają tym wymaganiom. Zagraniczne badania i ocena zastosowania pianki aluminiowej w pociągach dużych prędkości wykazały, że rury stalowe wypełnione pianką aluminiową mają o 35% do 40% wyższą zdolność pochłaniania energii niż puste rury i o 40% do 50% wzrost wytrzymałości na zginanie. Dzięki temu słupki i ścianki działowe wózka są solidniejsze i mniej podatne na zawalenie. Zastosowanie pianki aluminiowej do pochłaniania energii w przedniej strefie buforowej lokomotywy zwiększa zdolność pochłaniania uderzeń. Płyty warstwowe wykonane z pianki aluminiowej o grubości 10 mm i cienkich blach aluminiowych są o 50% lżejsze od oryginalnych płyt stalowych, zwiększając jednocześnie sztywność 8 razy.