Τα βαγόνια τρένων υψηλής ταχύτητας συγκολλούνται με υλικά αλουμινίου. Ορισμένες γραμμές τρένων υψηλής ταχύτητας διέρχονται από παγωμένες περιοχές με θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο μείον 30 έως 40 βαθμούς Κελσίου. Ορισμένα όργανα, εξοπλισμός και εφόδια διαβίωσης σε ερευνητικά σκάφη της Ανταρκτικής είναι κατασκευασμένα από υλικά αλουμινίου και πρέπει να αντέχουν σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο μείον 60 έως 70 βαθμούς Κελσίου. Τα κινεζικά φορτηγά πλοία που ταξιδεύουν από την Αρκτική προς την Ευρώπη χρησιμοποιούν επίσης εξοπλισμό κατασκευασμένο από υλικά αλουμινίου και μέρος του εκτίθεται σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο μείον 50 έως 60 βαθμούς Κελσίου. Μπορούν να λειτουργήσουν κανονικά σε τόσο ακραίο κρύο; Κανένα πρόβλημα, τα κράματα αλουμινίου και τα υλικά αλουμινίου δεν φοβούνται το υπερβολικό κρύο ή τη ζέστη.

Το αλουμίνιο και τα κράματα αλουμινίου είναι εξαιρετικά υλικά χαμηλής θερμοκρασίας. Δεν παρουσιάζουν ευθραυστότητα σε χαμηλή θερμοκρασία όπως τα συνηθισμένα κράματα χάλυβα ή νικελίου, τα οποία παρουσιάζουν σημαντική μείωση της αντοχής και της ολκιμότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, το αλουμίνιο και τα κράματα αλουμινίου είναι διαφορετικά. Δεν παρουσιάζουν κανένα ίχνος ευθραυστότητας σε χαμηλή θερμοκρασία. Όλες οι μηχανικές τους ιδιότητες αυξάνονται σημαντικά όσο μειώνεται η θερμοκρασία. Αυτό είναι ανεξάρτητο από τη σύνθεση του υλικού, είτε πρόκειται για χυτό κράμα αλουμινίου είτε για σφυρήλατο κράμα αλουμινίου, κράμα μεταλλουργίας σκόνης ή σύνθετο υλικό. Είναι επίσης ανεξάρτητο από την κατάσταση του υλικού, είτε βρίσκεται σε κατάσταση ως επεξεργασμένη είτε μετά από θερμική επεξεργασία. Δεν σχετίζεται με τη διαδικασία προετοιμασίας του πλινθώματος, είτε παράγεται με χύτευση και έλαση είτε με συνεχή χύτευση και έλαση. Επίσης, δεν σχετίζεται με τη διαδικασία εξαγωγής αλουμινίου, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρόλυσης, της θερμικής αναγωγής του άνθρακα και της χημικής εξαγωγής. Αυτό ισχύει για όλα τα επίπεδα καθαρότητας, από αλουμίνιο επεξεργασίας με καθαρότητα 99,50% έως 99,79%, αλουμίνιο υψηλής καθαρότητας με καθαρότητα 99,80% έως 99,949%, αλουμίνιο υπερ-καθαρότητας με 99,950% έως 99,9959% αλουμίνιο καθαρότητας 99,999%, ακραία καθαρότητα σε καθαρότητα 99,9990% και αλουμίνιο εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας με καθαρότητα άνω του 99,9990%. Είναι ενδιαφέρον ότι δύο άλλα ελαφρά μέταλλα, το μαγνήσιο και το τιτάνιο, επίσης δεν παρουσιάζουν ευθραυστότητα σε χαμηλή θερμοκρασία.

Οι μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται συνήθως για βαγόνια τρένων υψηλής ταχύτητας και η σχέση τους με τη θερμοκρασία φαίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Τα βαγόνια τρένων υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούν υλικά αλουμινίου όπως πλάκες κραμάτων σειράς Al-Mg 5005, πλάκες από κράμα 5052, πλάκες από κράμα 5083 και προφίλ. Πλάκες και προφίλ κραμάτων σειράς Al-Mg-Si 6061, προφίλ κράματος 6N01, προφίλ κράματος 6063. Πλάκες και προφίλ κράματος σειράς Al-Zn-Mg 7N01, προφίλ κράματος 7003. Έρχονται σε τυπικές καταστάσεις: O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

Από τα δεδομένα του πίνακα, είναι προφανές ότι οι μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου αυξάνονται όσο μειώνεται η θερμοκρασία. Ως εκ τούτου, το αλουμίνιο είναι ένα εξαιρετικό δομικό υλικό χαμηλής θερμοκρασίας κατάλληλο για χρήση σε δεξαμενές καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας πυραύλων (υγρό υδρογόνο, υγρό οξυγόνο), πλοία μεταφοράς υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) και χερσαίες δεξαμενές, δοχεία χημικών προϊόντων χαμηλής θερμοκρασίας, αποθήκευση ψύξης , φορτηγά ψυγεία και πολλά άλλα.

Τα δομικά στοιχεία των τρένων υψηλής ταχύτητας που κινούνται στη Γη, συμπεριλαμβανομένων των εξαρτημάτων βαγονιών και μηχανών, μπορούν όλα να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας υπάρχοντα κράματα αλουμινίου. Δεν χρειάζεται να ερευνήσετε ένα νέο κράμα αλουμινίου για κατασκευές φορείων που λειτουργούν σε ψυχρές περιοχές. Ωστόσο, εάν μπορούσε να αναπτυχθεί ένα νέο κράμα 6XXX με απόδοση περίπου 10% υψηλότερη από το κράμα 6061 ή ένα κράμα 7XXX με συνολική απόδοση περίπου 8% υψηλότερη από το κράμα 7N01, αυτό θα ήταν σημαντικό επίτευγμα.

Στη συνέχεια, ας συζητήσουμε τις τάσεις ανάπτυξης των κραμάτων αλουμινίου μεταφοράς.

Στην κούρσαενοικίαση κατασκευής και συντήρησης βαγονιών σιδηροδρομικών οχημάτων, χρησιμοποιούνται πλάκες από κράμα όπως 5052, 5083, 5454 και 6061, μαζί με εξωθημένα προφίλ όπως 5083, 6061 και 7N01. Μερικά νεότερα κράματα όπως 5059, 5383 και 6082 εφαρμόζονται επίσης. Όλα παρουσιάζουν εξαιρετική ικανότητα συγκόλλησης, με τα σύρματα συγκόλλησης να είναι συνήθως κράματα 5356 ή 5556. Φυσικά, η συγκόλληση με τριβή ανάδευσης (FSW) είναι η προτιμώμενη μέθοδος, καθώς όχι μόνο εξασφαλίζει υψηλή ποιότητα συγκόλλησης αλλά και εξαλείφει την ανάγκη για σύρματα συγκόλλησης. Κράμα Ιαπωνίας 7N01, με σύνθεση Mn 0,200,7%, Mg 1,02,0% και Zn 4,0~5,0% (όλα σε %), έχει βρει ευρεία χρήση στην κατασκευή σιδηροδρομικών οχημάτων. Η Γερμανία χρησιμοποίησε πλάκες κράματος 5005 για την παραγωγή πλευρικών τοιχωμάτων για βαγόνια Trans Rapid υψηλής ταχύτητας και χρησιμοποίησε εξώθηση κραμάτων 6061, 6063 και 6005 για προφίλ. Συνοπτικά, μέχρι τώρα, τόσο η Κίνα όσο και άλλες χώρες έχουν ως επί το πλείστον προσκολληθεί σε αυτά τα κράματα για την κατασκευή τρένων υψηλής ταχύτητας.

Κράματα αλουμινίου για άμαξες στα 200km/h~350km/h

Μπορούμε να κατηγοριοποιήσουμε τα κράματα αλουμινίου με βάση την ταχύτητα λειτουργίας των τρένων. Τα κράματα πρώτης γενιάς χρησιμοποιούνται για οχήματα με ταχύτητες κάτω των 200 km/h και είναι συμβατικά κράματα που χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή οχημάτων αστικών σιδηροδρομικών οχημάτων, όπως τα κράματα 6063, 6061 και 5083. Τα κράματα αλουμινίου δεύτερης γενιάς όπως τα 6N01, 5005, 6005A, 7003 και 7005 χρησιμοποιούνται για την κατασκευή βαγονιών τρένων υψηλής ταχύτητας με ταχύτητες που κυμαίνονται από 200 km/h έως 350 km/h. Τα κράματα τρίτης γενιάς περιλαμβάνουν 6082 και κράματα αλουμινίου που περιέχουν σκάνδιο.

Κράματα αλουμινίου που περιέχουν σκάνδιο

Το σκάνδιο είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά προϊόντα διύλισης σιτηρών για το αλουμίνιο και θεωρείται απαραίτητο στοιχείο για τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του κράματος αλουμινίου. Η περιεκτικότητα σε σκάνδιο είναι συνήθως μικρότερη από 0,5% στα κράματα αλουμινίου και τα κράματα που περιέχουν σκάνδιο αναφέρονται συλλογικά ως κράματα αλουμινίου-σκανδίου (κράματα Al-Sc). Τα κράματα Al-Sc προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή αντοχή, καλή ολκιμότητα, εξαιρετική ικανότητα συγκόλλησης και αντοχή στη διάβρωση. Χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των πλοίων, των αεροδιαστημικών οχημάτων, των αντιδραστήρων και του αμυντικού εξοπλισμού, καθιστώντας τα μια νέα γενιά κραμάτων αλουμινίου κατάλληλα για δομές σιδηροδρομικών οχημάτων.

Αφρός αλουμινίου

Τα τρένα υψηλής ταχύτητας χαρακτηρίζονται από ελαφρά φορτία αξόνων, συχνή επιτάχυνση και επιβράδυνση και υπερφορτωμένες λειτουργίες, οι οποίες απαιτούν τη δομή του φορείου να είναι όσο το δυνατόν πιο ελαφρύ ενώ πληροί τις απαιτήσεις αντοχής, ακαμψίας, ασφάλειας και άνεσης. Σαφώς, η υψηλή ειδική αντοχή, ο ειδικός συντελεστής και τα χαρακτηριστικά υψηλής απόσβεσης του εξαιρετικά ελαφρού αφρού αλουμινίου ευθυγραμμίζονται με αυτές τις απαιτήσεις. Ξένη έρευνα και αξιολόγηση της εφαρμογής αφρού αλουμινίου σε τρένα υψηλής ταχύτητας έχουν δείξει ότι οι σωλήνες από χάλυβα με πλήρωση με αφρό αλουμινίου έχουν 35% έως 40% υψηλότερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας από τους άδειους σωλήνες και 40% έως 50% αύξηση στην αντοχή σε κάμψη. Αυτό καθιστά τις κολόνες και τα χωρίσματα του φορείου πιο στιβαρά και λιγότερο επιρρεπή σε κατάρρευση. Η χρήση αφρού αλουμινίου για απορρόφηση ενέργειας στην εμπρόσθια ζώνη ασφαλείας της ατμομηχανής ενισχύει τις δυνατότητες απορρόφησης κρούσεων. Τα πάνελ σάντουιτς από αφρό αλουμινίου πάχους 10 mm και λεπτά φύλλα αλουμινίου είναι 50% ελαφρύτερα από τα αυθεντικά χαλύβδινα ελάσματα ενώ αυξάνουν την ακαμψία κατά 8 φορές.