引言：镁合金的应用领域。镁及镁合金当前有近100万吨的产量，虽明显不及铝合金的产量，但镁合金在轻量化、医疗以及矿物冶炼等方开展了大范围的应用。本文展开论述镁及镁合金在轨道列车领域的应用。镁合金作为最轻的金属材料，其运用可有提高运输效率，提升列车运行速度，同时有利于促进实现“双碳”目标建设。
“文章内容来源于镁合金文献和大量的镁合金推广应用报道。本公众号仅做汇总和阐述。在此感谢各位前辈在镁及镁合金行业的开拓和付出”
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镁合金的的特点和优势
镁合金的密度为1.74 g/cm³，近似于碳纤维的密度。相比于铝合金的2.8g/cm³ 和钢的7.9 g/cm³。镁合金的密度明显较小，在同种结构替换下，镁合金零部件的重量是铝零部件的2/3，是钢零部件的1/4，能极大的减轻零部件的重量。
镁合金是最轻的工程金属结构材料，另一种常见的轻量化材料是钛合金，其密度为4.5 g/cm³。相较于镁合金，钛合金的比重约为镁合金的2.5倍左右，这意味同样外形的部件，钛合金比镁合金重2.5倍左右。（当然，以上仅为理论对比，结合强度等其他性能，镁合金零部件需要根据工况结构优化）。
此外，镁合金还具有优异的抗震性能、良好的散热性能以及生物相容性，因此，广泛的应用于汽车、电子、航空、军工和医疗等领域。
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轨道交通车辆市场背景和新材料应用
轨道车辆包括高速铁路、中低速磁悬浮线、地铁、高架城轨、市域快轨、城际高速、市区单轨和磁悬浮车辆等，延续着半个世纪以来的高速化、重载化、电气化的技术进步之路，促进全球大都市圈的城市形态发生重要的演变和转型。![]()
车体结构轨道交通装备制造业是我国自主创新程度最高、国际创新竞争力最强、产业带动效应最明显的高端装备制造行业之一。在新的发展时期，绿色、环保、智能、可持续等理念使公众对轨道交通安全、舒适、环保和可靠的期望不断提高，金属材料制造的传统结构车体在高原、沙漠、高温、高寒和高海拔等复杂多变的服役环境中面临诸多性能挑战。因此，必须持续吸收和利用包括材料可续在内的高新科技成果，不断提高轨道交通工程建设和运营水平，材料的多元化则是实现轨道交通性能平衡（强度、振动、噪声、隔热、辐射）的主要途径。
轨道车辆车体由底板、侧墙、顶板、端墙组成，车体下有转向架，多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。近来研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。车厢内装包括座椅、空调系统、门窗、卫生设施、照明系统、电视、行李架、隔声隔热材料等，车体和台车带有制动器和连接器。高速列车制动盘要求选用高强度抗热裂的合金锻钢，也有研制金属基复合材料和C-C复合材料制动盘。受电弓滑板是机车供电系统重要集电元件，通常有碳滑板、金属滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板，各国多采用碳滑板。轨道车辆车体选材的重要指标是轻量化和安全性，不同材料密度和抗拉强度如表1所示。
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来源：轨道交通车辆新材料应用前景分析
不锈钢车体由于不易解决车体气密性问题，往往用于制造200Km/h速度级的车体及车内承载。铝合金密度小，比强度高，易于制造各种复杂外形的零件。在300及350Km/h的高速列车中，均已采用铝合金型材作为车体材料。目前中国铁路客运专线动车组采用的CRHI、CRH2、CRH3、CRH5四种类型中，除CRHI型车体采用的是不锈钢材外，其余3种动车组车体均为铝合金材质，主要采用5000、6000和7000系列（AI-Mg-Si），主要采用5083、6005、6008、6063、6082和7020等牌号。其他轨道车辆厢体的铝化率已超过40%（例如，转向架箱体）。铝合金车体多采用大型中空挤压型材纵向焊接筒形结构。日本新干线、德国ICE和TGV系列已普遍采用高强度铝合金制造的传动齿轮箱；日本多孔性薄壁空心铝合金型材已应用于机车车辆的侧板、地板和天花板等结构。对于车辆轻量化来讲，仅考虑车体显然是不够的，簧下减重意义更大。转向架的质量又主要取决于牵引电机、轮对、构架和制动系统。在高速列车上采用了高强度铝合金如齿轮箱体、枕梁、轴箱前盖、轴箱体、制动盘等。
碳纤维复合材料（CFRP）具有密度低、无蠕变、耐超高温、耐疲劳性和耐腐蚀性等优异性能，可以满足车体设计的阻燃、隔热保温和减震等设计指标，应用范围正逐渐由次承载结构零部件向主承载结构发展。主要应用集中在车体、转向架、车外设备和车内内装领域，如蒙皮、横梁等。
近年来，国内外高强度镁合金、钛合金和（中空夹心）复合材料等材料开始尝试应用于高速轨道列车上，其重量相比铝合金更轻，减重效果明显。已有部分新型材料装载到高速轨道列车上，另有部分新材料正处于考察实验中。
材料的使用原则是在满足轻量化、安全性和环保性的基础上，最大限度的满足市场对轨道交通舒适性和美观性的日益增长的需求。未来轨道车辆材料预计将集中在高强度钢、镁合金铝合金、碳纤维及复合材料等方向上，结合列车的气动减阻和轻量化结构设计，发展新一代高速轨道车辆。轻量化是轨道交通装备追求的目标。列车时速200公里时，每牵引一吨大约要消耗电力12千瓦，时速300公里时，每牵引一吨要消耗16-17千万。近年来，随着铁路速度的提高和节能的重要性，对减轻重量的需求进一步增加。镁的比重比铝小30%以上，作为减轻重量的材料备受关注。
对于轨道交通领域而言，镁具有轻量化和比强度高（密度为1.8g/cm3，与树脂基复合材料接近，是铝合金的三分之二）、阻尼减震效果好（金属材料中最佳，减震效果是铝的100倍，钛的300-500倍）、良好的物理性能（电和热的良导体，良好的电磁屏蔽性能）、资源丰富容易回收（原镁产能占比高，回收仅为新材料的约4%）的特点和优势。国内外研究机构和主机厂对高速列车用镁合金型材组件的多项研究和测试结果得出结论，镁合金在高速轨道列车的轻量化升级中具有巨大的应用潜力。当前，镁合金已经出现在国内外高速列车的多种零部件上，对用于非主要承载件或内饰件，如空调通风口格栅、车窗防护栏杆、座椅和地板、卧铺床架和支架、行李架边框、内部仪表盘框架等。常用的镁合金材料有AZ31、ZK60、AZ80等，这些镁合金的性能已接近或超过部分铝合金材料。镁合金从非主要承载零件到主要承载零件的应用将是轨道交通车辆轻量化的关键。所需的新型阻燃镁合金材料开发及大规格镁合金型材制备加工技术是镁合金拓展其在轨道交通领域应用的重要研发方向。德国西门子公司的ICE高速列车、日本新干线N700系类高速列车、韩国KTX特快列车和法国TGVDuplex双层高铁列车均采用镁合金座椅、小桌板、扶手、踏板和座椅的侧面等零部件。德国西门子公司的ICE高速列车和法国TGVDuplex双层高铁列车均采用镁合金制作了座椅。其中，法国TGVDuplex列车共制作了4.5万个座椅，并且制作了小桌板、扶手、踏板和座椅的侧面等零部件。相比传统的铝合金座椅，每个双人座椅的质量从36Kg减轻到30Kg，占总质量的1/6。镁合金件所需成本不高，减重之后节约了列车运行成本，实现了减重、节约成本和应用功能的良好结合。韩国KTX型特快列车采用镁合金构件生产座椅基座。该座椅与原来玻璃钢和铝合金座椅相比重量可以减少 5kg，节约成本 8%～10% 。日本新干线 N700系列高速列车的座椅骨架同样采用镁合金制备而成，该座椅由背靠、扶手、底垫、底座和中央支架等组成，可以实现整车减重，具有很好的减震效果。在提升列车动力性的同时，实现了节能降本。
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2017年，日本新结构材料技术研究协会使用新开发的阻燃镁合金制造了一种用于新干线车辆的车厢地板，安装在ALFA-X的一辆中间车厢上，长约9m，宽约3m。通过性能测试，研究人员发现在保持隔音的情况下，新型地板可实现约 23% 的减重（约 50 kg）。可以承受长期运行所带来的负荷。2019年5月试跑的日本新型新干线FASTECH360 列车，时速360公里，原型车车体结构采用该大型阻燃镁合金挤压型材制造。![]()
此外，日本新干线列车还尝试使用镁蜂窝模块。蜂窝结构因其有效的强度分布和良好的隔音/隔热性而成为工程上的成功设计。许多材料，包括纸张、树脂、玻璃和铝合金，都被加工成蜂窝结构。与铝蜂窝结构相比，高强度镁合金蜂窝结构由于其更高的能量吸收和比强度，提供了更好的轻量化解决方案。采用精密建模技术制造的代表性镁合金蜂窝结构和模块（555 mm×235 mm×194 mm）。镁蜂窝模块是车钩和火车头缓冲器的理想选择。此外，镁蜂窝结构板正被用于轨枕，墙侧，地板，甚至是车身外壳。
我国轨道交通装备的镁合金应用也正在迅速推进。镁合金在国内主要应用在空调通风口格栅、车窗防护栏杆、座椅和地板、卧铺床架和支架、行李架边框、内部仪表盘框架等零部件。轨道交通装备上常用的镁合金型号包括AZ31B、AZ61A、AZ91D、ZK60、AM60B等。例如用AZ91D镁合金替代PA塑料制作动车组小桌支臂，AZ91D支臂比原PA实心塑料支臂减重约35%。
除上述结构件外，当前国内对镁合金零部件的承载能力需求越来越大，已经开始尝试制造主要承载部件。国内山西、河南等公司已攻关高铁型材，包括挤压侧墙型材（复兴号）、地板导槽型材、横梁型材、中央纵梁及内外侧纵梁型材等，具有大截面、超长度、高精度等特点，形状复杂，挤压难度大，对挤压、精加工及表面处理的要求都很高。
山西银光华盛镁业等镁合金加工企业的镁制品已在100 余条地铁、400 余条高铁线路上得到了应用，使得整车车身得以减重，很大程度上提高了列车的动力，降低能耗。2020年中车戚墅堰所与航天八院合作开发稀土镁合金齿轮箱体完成型式实验，单个箱体重量比铝合金降低30公斤。宝山钢铁股份有限公司研究院汽车用钢所利用其具有自主知识产权的BGZ8型镁合金，制备出了新型镁合金材料，该镁合金具有非常高的机械强度和韧性，可用于座椅结构材料。天智公司生产的挤压侧墙型材和地板导槽型材镁合金交付使用于“复兴号”列车上，批次产品总长度达到约一万延长米，在11架列车上成功列装。此外，所镁合金材料挤压型材还列装于地铁列车上。
以京沪高铁的客运专列为例，如果将其车身用镁合金来制造，整体将减重约13%以上，平均节能8%。以京沪高铁目前全线运营每天1000多班次的动车组来计算，全部应用镁合金车体，一天可节约用电126万度、折合减少二氧化碳排放1146吨。由此可见，运用镁合金对列车进行减重后，对铁路提速和节能减排意义重大。1、镁合金兼具阻燃性和高强韧：已开发一系列高强镁合金，是的部分镁合金的力学性能能够达到甚至超过铝合金。但传统镁合金的燃点在650-700℃左右，无法满足在轨道交通车辆关键部件中得到应用。目前开发了一系列含Ca和含RE的镁合金体系，该合金的燃点相比于传统镁合金可提高200-300℃。如何开发出高强度兼具阻燃性的结构功能一体化镁合金材料，是未来的研发攻关方向。2、综合成本方面：虽然目前原镁坯锭的价格低于镁合金，但加工成铸锭或压铸成镁合金构件之后，其成本近似。更由于镁合金的后续处理，如焊接、表面处理等工序并没有铝合金完善和多样，因此，镁合金替代铝合金还有很长的路要走。对于型材加工方面更甚，由于镁合金加工效率低、加工过程往往伴随热处理，镁合金型材的综合成本要高于相似条件下的铝合金。3、制备加工技术方面：目前铝合金车体主要采用大型中空挤压型材纵向焊接而成。其中涉及到大型中空型材的挤压制备难题和焊接难题。此外，其他构件中涉及的大宽幅镁合金、复杂中空镁合金型材的制备难度大，同时还要获得较高的强度，目前技术储备仍需进一步完善，严重制约着镁合金在高速轨道车辆领域的应用。目前，部分研究学者正在开展大规格非对称挤压技术、搅拌摩擦焊等挤压和连接方法，为镁合金构件的开发提供有力的支撑。[1] 根据网络资料进行整理。
[2] 镁合金在轨道交通领域的应用。
[3] 轨道交通装备中镁合金的应用情况
[4] 最新！镁合金材料产业发展报告，果断收藏
[5] 镁合金选用与设计
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