Waggons von Hochgeschwindigkeitszügen werden aus Aluminiumwerkstoffen geschweißt. Einige Hochgeschwindigkeitszüge führen durch kalte Regionen mit Temperaturen von minus 30 bis 40 Grad Celsius. Einige Instrumente, Geräte und lebende Vorräte auf antarktischen Forschungsschiffen bestehen aus Aluminiummaterialien und müssen Temperaturen von minus 60 bis 70 Grad Celsius standhalten. Auch chinesische Frachtschiffe, die von der Arktis nach Europa reisen, verwenden teilweise Ausrüstung aus Aluminiumwerkstoffen und sind zum Teil Temperaturen von bis zu minus 50 bis 60 Grad Celsius ausgesetzt. Können sie bei solch extremer Kälte normal funktionieren? Kein Problem, Aluminiumlegierungen und Aluminiumwerkstoffe haben keine Angst vor extremer Kälte oder Hitze.

Aluminium und Aluminiumlegierungen sind ausgezeichnete Niedertemperaturmaterialien. Sie weisen keine Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen auf wie gewöhnlicher Stahl oder Nickellegierungen, die bei niedrigen Temperaturen einen deutlichen Rückgang der Festigkeit und Duktilität aufweisen. Allerdings sind Aluminium und Aluminiumlegierungen unterschiedlich. Sie weisen keinerlei Anzeichen von Kältesprödigkeit auf. Alle ihre mechanischen Eigenschaften nehmen mit sinkender Temperatur deutlich zu. Dies ist unabhängig von der Zusammensetzung des Materials, ob es sich um eine Aluminiumgusslegierung oder eine Aluminiumknetlegierung, eine pulvermetallurgische Legierung oder einen Verbundwerkstoff handelt. Sie ist außerdem unabhängig vom Zustand des Materials, sei es im verarbeiteten Zustand oder nach der Wärmebehandlung. Es hat nichts mit dem Herstellungsprozess des Barrens zu tun, unabhängig davon, ob er durch Gießen und Walzen oder Stranggießen und Walzen hergestellt wird. Es hat auch nichts mit dem Aluminiumextraktionsprozess zu tun, einschließlich Elektrolyse, thermischer Kohlenstoffreduktion und chemischer Extraktion. Dies gilt für alle Reinheitsgrade, von Prozessaluminium mit einer Reinheit von 99,50 % bis 99,79 %, hochreines Aluminium mit einer Reinheit von 99,80 % bis 99,949 %, hochreines Aluminium mit einer Reinheit von 99,950 % bis 99,9959 % und hochreines Aluminium mit einer Reinheit von 99,9960 %. bis 99,9990 % Reinheit und ultrahochreines Aluminium mit über 99,9990 % Reinheit. Interessanterweise zeigen zwei weitere Leichtmetalle, Magnesium und Titan, ebenfalls keine Tieftemperatursprödigkeit.

Die mechanischen Eigenschaften häufig verwendeter Aluminiumlegierungen für Waggons von Hochgeschwindigkeitszügen und ihr Zusammenhang mit der Temperatur sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Hochgeschwindigkeitszugwaggons verwenden Aluminiummaterialien wie Al-Mg-Legierungsplatten der Serie 5005, 5052-Legierungsplatten, 5083-Legierungsplatten und Profile; Al-Mg-Si-Serie 6061-Legierungsplatten und -Profile, 6N01-Legierungsprofile, 6063-Legierungsprofile; Platten und Profile aus Al-Zn-Mg-Legierung 7N01, Profile aus 7003-Legierung. Sie sind in den Standardzuständen erhältlich: O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

Aus den Daten in der Tabelle geht hervor, dass die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen mit sinkender Temperatur zunehmen. Daher ist Aluminium ein ausgezeichnetes Tieftemperatur-Strukturmaterial, das sich für den Einsatz in Tanks für Raketen-Niedertemperaturtreibstoff (flüssiger Wasserstoff, flüssiger Sauerstoff), Transportschiffen und Onshore-Tanks für Flüssigerdgas (LNG), Tieftemperaturbehältern für chemische Produkte und Kühllagern eignet , Kühlfahrzeuge und mehr.

Die Strukturkomponenten von Hochgeschwindigkeitszügen auf der Erde, einschließlich Wagen- und Lokomotivkomponenten, können alle aus vorhandenen Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Es besteht keine Notwendigkeit, eine neue Aluminiumlegierung für Wagenstrukturen zu erforschen, die in kalten Regionen eingesetzt werden. Wenn jedoch eine neue 6XXX-Legierung mit einer um etwa 10 % höheren Leistung als die 6061-Legierung oder eine 7XXX-Legierung mit einer um etwa 8 % höheren Gesamtleistung als die 7N01-Legierung entwickelt werden könnte, wäre das ein bedeutender Erfolg.

Lassen Sie uns als Nächstes die Entwicklungstrends von Aluminiumlegierungen für Wagen besprechen.

Im CurBei der Herstellung und Wartung von Schienenfahrzeugwaggons werden Legierungsplatten wie 5052, 5083, 5454 und 6061 sowie Strangpressprofile wie 5083, 6061 und 7N01 verwendet. Einige neuere Legierungen wie 5059, 5383 und 6082 werden ebenfalls verwendet. Sie alle weisen eine ausgezeichnete Schweißbarkeit auf, wobei Schweißdrähte typischerweise aus 5356- oder 5556-Legierungen bestehen. Natürlich ist das Reibrührschweißen (FSW) die bevorzugte Methode, da es nicht nur eine hohe Schweißqualität gewährleistet, sondern auch den Einsatz von Schweißdrähten überflüssig macht. Japans 7N01-Legierung mit einer Zusammensetzung von Mn 0,200,7 %, Mg 1,02,0 % und Zn 4,0–5,0 % (alle in %) haben bei der Herstellung von Schienenfahrzeugen weit verbreitete Verwendung gefunden. Deutschland verwendete 5005-Legierungsplatten zur Herstellung von Seitenwänden für Hochgeschwindigkeits-Trans-Rapid-Wagen und verwendete Strangpressteile aus den Legierungen 6061, 6063 und 6005 für Profile. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl China als auch andere Länder bisher größtenteils an diesen Legierungen für die Herstellung von Hochgeschwindigkeitszügen festgehalten haben.

Aluminiumlegierungen für Kutschen mit 200 km/h bis 350 km/h

Wir können Wagenaluminiumlegierungen anhand der Betriebsgeschwindigkeit der Züge kategorisieren. Die Legierungen der ersten Generation werden für Fahrzeuge mit Geschwindigkeiten unter 200 km/h verwendet und sind herkömmliche Legierungen, die hauptsächlich für die Herstellung von Waggons für städtische Schienenfahrzeuge verwendet werden, wie z. B. die Legierungen 6063, 6061 und 5083. Aluminiumlegierungen der zweiten Generation wie 6N01, 5005, 6005A, 7003 und 7005 werden für die Herstellung von Waggons von Hochgeschwindigkeitszügen mit Geschwindigkeiten von 200 km/h bis 350 km/h verwendet. Zu den Legierungen der dritten Generation gehören 6082 und scandiumhaltige Aluminiumlegierungen.

Scandiumhaltige Aluminiumlegierungen

Scandium ist einer der wirksamsten Kornverfeinerer für Aluminium und gilt als wesentliches Element zur Optimierung der Eigenschaften von Aluminiumlegierungen. Der Scandiumgehalt beträgt in Aluminiumlegierungen typischerweise weniger als 0,5 %, und Legierungen, die Scandium enthalten, werden zusammenfassend als Aluminium-Scandium-Legierungen (Al-Sc-Legierungen) bezeichnet. Al-Sc-Legierungen bieten Vorteile wie hohe Festigkeit, gute Duktilität, ausgezeichnete Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Sie werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter in Schiffen, Luft- und Raumfahrtfahrzeugen, Reaktoren und Verteidigungsausrüstung, was sie zu einer neuen Generation von Aluminiumlegierungen macht, die für Schienenfahrzeugstrukturen geeignet sind.

Aluminiumschaum

Hochgeschwindigkeitszüge zeichnen sich durch geringe Achslasten, häufiges Beschleunigen und Abbremsen sowie Überlastbetrieb aus, was eine möglichst leichte Wagenstruktur bei gleichzeitiger Erfüllung der Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit, Sicherheit und Komfort erfordert. Die hohe spezifische Festigkeit, der spezifische Modul und die hohen Dämpfungseigenschaften des ultraleichten Aluminiumschaums entsprechen eindeutig diesen Anforderungen. Ausländische Untersuchungen und Bewertungen der Anwendung von Aluminiumschaum in Hochgeschwindigkeitszügen haben gezeigt, dass mit Aluminiumschaum gefüllte Stahlrohre eine um 35 bis 40 % höhere Energieabsorptionsfähigkeit als leere Rohre und eine um 40 bis 50 % höhere Biegefestigkeit aufweisen. Dadurch werden Wagensäulen und Trennwände robuster und weniger anfällig für Einstürze. Der Einsatz von Aluminiumschaum zur Energieabsorption in der vorderen Pufferzone der Lokomotive verbessert die Stoßabsorptionsfähigkeit. Sandwichpaneele aus 10 mm dickem Aluminiumschaum und dünnen Aluminiumblechen sind 50 % leichter als Original-Stahlplatten und erhöhen gleichzeitig die Steifigkeit um das Achtfache.