Vozne pre vysokorýchlostné vlaky sú zvárané pomocou hliníkových materiálov. Niektoré trate vysokorýchlostných vlakov prechádzajú mrazivými oblasťami s teplotami až mínus 30 až 40 stupňov Celzia. Niektoré nástroje, vybavenie a živé zásoby na antarktických výskumných plavidlách sú vyrobené z hliníkových materiálov a musia odolať teplotám až mínus 60 až 70 stupňov Celzia. Čínske nákladné lode, ktoré cestujú z Arktídy do Európy, tiež používajú niektoré zariadenia vyrobené z hliníkových materiálov a niektoré z nich sú vystavené teplotám až mínus 50 až 60 stupňov Celzia. Môžu normálne fungovať v takom extrémnom mraze? Žiadny problém, hliníkové zliatiny a hliníkové materiály sa neboja extrémneho chladu ani tepla.

Hliník a zliatiny hliníka sú vynikajúce nízkoteplotné materiály. Nevykazujú krehkosť pri nízkych teplotách ako bežná oceľ alebo zliatiny niklu, ktoré vykazujú výrazný pokles pevnosti a ťažnosti pri nízkych teplotách. Hliník a zliatiny hliníka sú však odlišné. Nevykazujú žiadne známky krehkosti pri nízkych teplotách. Všetky ich mechanické vlastnosti sa s poklesom teploty výrazne zvyšujú. To je nezávislé od zloženia materiálu, či už ide o liatu hliníkovú zliatinu alebo tvárnenú hliníkovú zliatinu, zliatinu práškovej metalurgie alebo kompozitný materiál. Je tiež nezávislý od stavu materiálu, či už v stave spracovania alebo po tepelnom spracovaní. Nesúvisí s procesom prípravy ingotov, či už sa vyrába liatím a valcovaním alebo kontinuálnym liatím a valcovaním. Nesúvisí to ani s procesom extrakcie hliníka vrátane elektrolýzy, tepelnej redukcie uhlíka a chemickej extrakcie. Platí to pre všetky úrovne čistoty, od procesného hliníka s čistotou 99,50 % až 99,79 %, vysoko čistého hliníka s čistotou 99,80 % až 99,949 %, superčistého hliníka s čistotou 99,950 % až 99,9959 %, extrémne čistého hliníka s 99,9960 % do 99,9990 % čistoty a ultravysoko čistý hliník s čistotou nad 99,9990 %. Zaujímavé je, že dva ďalšie ľahké kovy, horčík a titán, tiež nevykazujú krehkosť pri nízkych teplotách.

Mechanické vlastnosti bežne používaných hliníkových zliatin pre vozne vysokorýchlostných vlakov a ich vzťah k teplote sú uvedené v tabuľke nižšie.

Vozne pre vysokorýchlostné vlaky používajú hliníkové materiály, ako sú zliatinové dosky Al-Mg série 5005, zliatinové dosky 5052, zliatinové dosky 5083 a profily; zliatinové dosky a profily Al-Mg-Si série 6061, zliatinové profily 6N01, zliatinové profily 6063; Dosky a profily zo zliatiny Al-Zn-Mg radu 7N01, profily zo zliatiny 7003. Prichádzajú v štandardných stavoch: O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

Z údajov v tabuľke je evidentné, že mechanické vlastnosti hliníkových zliatin so znižovaním teploty stúpajú. Preto je hliník vynikajúcim nízkoteplotným konštrukčným materiálom vhodným na použitie v raketových nízkoteplotných palivových nádržiach (kvapalný vodík, tekutý kyslík), prepravných lodiach a pobrežných nádržiach na skvapalnený zemný plyn (LNG), nízkoteplotných kontajneroch na chemické produkty, chladiarňach , chladiarenské vozidlá a ďalšie.

Konštrukčné komponenty vysokorýchlostných vlakov jazdiacich na Zemi, vrátane komponentov vozňa a lokomotívy, môžu byť vyrobené z existujúcich hliníkových zliatin. Nie je potrebné skúmať novú hliníkovú zliatinu pre nosné konštrukcie fungujúce v mrazivých oblastiach. Ak by sa však podarilo vyvinúť novú zliatinu 6XXX s výkonom približne o 10 % vyšším ako zliatina 6061 alebo zliatinu 7XXX s celkovým výkonom približne o 8 % vyšším ako zliatina 7N01, bol by to významný úspech.

Ďalej poďme diskutovať o vývojových trendoch prepravných hliníkových zliatin.

V kúrprenájom výroby a údržby vozňov koľajových vozidiel, používajú sa zliatinové dosky ako 5052, 5083, 5454 a 6061 spolu s extrudovanými profilmi ako 5083, 6061 a 7N01. Používajú sa aj niektoré novšie zliatiny ako 5059, 5383 a 6082. Všetky vykazujú vynikajúcu zvárateľnosť, pričom zváracie drôty sú zvyčajne zliatiny 5356 alebo 5556. Uprednostňovanou metódou je samozrejme zváranie trením s premiešavaním (FSW), pretože nielenže zaisťuje vysokú kvalitu zvárania, ale tiež eliminuje potrebu zváracích drôtov. Japonská zliatina 7N01 so zložením Mn 0,200,7 %, Mg 1,02,0 % a Zn 4,0 až 5,0 % (všetky v %) našli široké uplatnenie pri výrobe koľajových vozidiel. Nemecko použilo zliatinové dosky 5005 na výrobu bočných stien pre vysokorýchlostné vozíky Trans Rapid a na profily použilo výlisky zo zliatiny 6061, 6063 a 6005. Stručne povedané, až doteraz sa Čína a ďalšie krajiny väčšinou držali týchto zliatin na výrobu vysokorýchlostných vlakov.

Hliníkové zliatiny pre vozne pri rýchlosti 200 km/h~350 km/h

Vozové hliníkové zliatiny môžeme kategorizovať na základe prevádzkovej rýchlosti vlakov. Zliatiny prvej generácie sa používajú pre vozidlá s rýchlosťami pod 200 km/h a sú to bežné zliatiny, ktoré sa primárne používajú na výrobu vozňov mestských koľajových vozidiel, ako sú zliatiny 6063, 6061 a 5083. Zliatiny hliníka druhej generácie ako 6N01, 5005, 6005A, 7003 a 7005 sa používajú na výrobu vozňov vysokorýchlostných vlakov s rýchlosťami od 200 km/h do 350 km/h. Zliatiny tretej generácie zahŕňajú zliatiny hliníka 6082 a skandium.

Zliatiny hliníka obsahujúce skandium

Scandium je jedným z najúčinnejších zjemňovačov zŕn hliníka a považuje sa za základný prvok pre optimalizáciu vlastností hliníkovej zliatiny. Obsah skandia je v hliníkových zliatinách zvyčajne nižší ako 0,5 % a zliatiny obsahujúce skandium sa súhrnne označujú ako zliatiny hliníka a skandia (zliatiny Al-Sc). Zliatiny Al-Sc ponúkajú výhody, ako je vysoká pevnosť, dobrá ťažnosť, vynikajúca zvárateľnosť a odolnosť proti korózii. Používajú sa v rôznych aplikáciách, vrátane lodí, leteckých vozidiel, reaktorov a obranných zariadení, čo z nich robí novú generáciu hliníkových zliatin vhodných pre konštrukcie železničných vozidiel.

Hliníková pena

Vysokorýchlostné vlaky sa vyznačujú nízkou hmotnosťou na nápravu, častým zrýchľovaním a spomaľovaním a preťaženými prevádzkami, ktoré vyžadujú, aby bola konštrukcia vozňa čo najľahšia a zároveň spĺňala požiadavky na pevnosť, tuhosť, bezpečnosť a pohodlie. Je zrejmé, že vysoká špecifická pevnosť, špecifický modul a vysoké tlmiace vlastnosti ultraľahkej hliníkovej peny sú v súlade s týmito požiadavkami. Zahraničné výskumy a hodnotenia aplikácie hliníkovej peny vo vysokorýchlostných vlakoch ukázali, že oceľové rúrky plnené hliníkovou penou majú o 35% až 40% vyššiu schopnosť absorpcie energie ako prázdne rúrky a 40% až 50% zvýšenie pevnosti v ohybe. Vďaka tomu sú stĺpiky a priečky vozíka robustnejšie a menej náchylné na zrútenie. Použitie hliníkovej peny na absorpciu energie v prednej nárazníkovej zóne lokomotívy zvyšuje schopnosť absorpcie nárazu. Sendvičové panely vyrobené z 10 mm hrubej hliníkovej peny a tenkých hliníkových plechov sú o 50 % ľahšie ako pôvodné oceľové platne, pričom zvyšujú tuhosť 8-krát.