Os vagões dos trens de alta velocidade são soldados com materiais de alumínio. Algumas linhas de trem de alta velocidade passam por regiões geladas com temperaturas tão baixas quanto 30 a 40 graus Celsius negativos. Alguns instrumentos, equipamentos e suprimentos vivos nos navios de pesquisa da Antártica são feitos de materiais de alumínio e precisam resistir a temperaturas tão baixas quanto 60 a 70 graus Celsius negativos. Os navios de carga chineses que viajam do Ártico para a Europa também utilizam alguns equipamentos feitos de materiais de alumínio, e alguns deles estão expostos a temperaturas tão baixas como 50 a 60 graus Celsius negativos. Eles podem operar normalmente em um frio tão extremo? Não tem problema, as ligas de alumínio e os materiais de alumínio não têm medo do frio ou do calor extremos.

O alumínio e as ligas de alumínio são excelentes materiais para baixas temperaturas. Eles não apresentam fragilidade em baixas temperaturas como o aço comum ou ligas de níquel, que apresentam uma diminuição significativa na resistência e ductilidade em baixas temperaturas. No entanto, o alumínio e as ligas de alumínio são diferentes. Eles não apresentam nenhum traço de fragilidade em baixa temperatura. Todas as suas propriedades mecânicas aumentam significativamente à medida que a temperatura diminui. Isso independe da composição do material, seja liga de alumínio fundido ou liga de alumínio forjado, liga de metalurgia do pó ou material compósito. Também é independente do estado do material, seja no estado processado ou após tratamento térmico. Não está relacionado ao processo de preparação do lingote, seja ele produzido por fundição e laminação ou fundição e laminação contínua. Também não está relacionado ao processo de extração de alumínio, incluindo eletrólise, redução térmica de carbono e extração química. Isso se aplica a todos os níveis de pureza, desde alumínio de processo com 99,50% a 99,79% de pureza, alumínio de alta pureza com 99,80% a 99,949% de pureza, alumínio de superpureza com 99,950% a 99,9959% de pureza, alumínio de extrema pureza com 99,9960% com pureza de 99,9990% e alumínio de ultra-alta pureza com mais de 99,9990% de pureza. Curiosamente, dois outros metais leves, magnésio e titânio, também não apresentam fragilidade em baixas temperaturas.

As propriedades mecânicas das ligas de alumínio comumente usadas em vagões de trens de alta velocidade e sua relação com a temperatura são mostradas na tabela abaixo.

Os vagões de trem de alta velocidade usam materiais de alumínio, como placas de liga Al-Mg série 5005, placas de liga 5052, placas de liga 5083 e perfis; Placas e perfis de liga Al-Mg-Si série 6061, perfis de liga 6N01, perfis de liga 6063; Placas e perfis de liga Al-Zn-Mg série 7N01, perfis de liga 7003. Eles vêm nos estados padrão: O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

A partir dos dados da tabela, fica evidente que as propriedades mecânicas das ligas de alumínio aumentam à medida que a temperatura diminui. Portanto, o alumínio é um excelente material estrutural de baixa temperatura adequado para uso em tanques de combustível de baixa temperatura (hidrogênio líquido, oxigênio líquido) de foguetes, navios de transporte de gás natural liquefeito (GNL) e tanques terrestres, contêineres de produtos químicos de baixa temperatura, armazenamento refrigerado , caminhões refrigerados e muito mais.

Os componentes estruturais dos trens de alta velocidade que circulam na Terra, incluindo componentes de vagões e locomotivas, podem ser fabricados com ligas de alumínio existentes. Não há necessidade de pesquisar uma nova liga de alumínio para estruturas de transporte que operam em regiões frias. No entanto, se uma nova liga 6XXX com desempenho cerca de 10% superior ao da liga 6061 ou uma liga 7XXX com desempenho geral aproximadamente 8% superior ao da liga 7N01 pudesse ser desenvolvida, isso seria uma conquista significativa.

A seguir, vamos discutir as tendências de desenvolvimento de ligas de alumínio para transporte.

No curaluguel de fabricação e manutenção de vagões de veículos ferroviários, são utilizadas placas de liga como 5052, 5083, 5454 e 6061, juntamente com perfis extrudados como 5083, 6061 e 7N01. Algumas ligas mais recentes como 5059, 5383 e 6082 também estão sendo aplicadas. Todos eles apresentam excelente soldabilidade, com fios de soldagem normalmente sendo ligas 5356 ou 5556. Obviamente, a soldagem por fricção e mistura (FSW) é o método preferido, pois não apenas garante alta qualidade de soldagem, mas também elimina a necessidade de fios de soldagem. Liga 7N01 do Japão, com composição de Mn 0,200,7%, Mg 1,02,0% e Zn 4,0~5,0% (todos em %) encontraram ampla utilização na fabricação de veículos ferroviários. A Alemanha usou placas de liga 5005 para produzir paredes laterais para carros Trans Rapid de alta velocidade e empregou extrusões de liga 6061, 6063 e 6005 para perfis. Em resumo, até agora, tanto a China como outros países aderiram principalmente a estas ligas para a fabricação de trens de alta velocidade.

Ligas de alumínio para transportes a 200km/h~350km/h

Podemos categorizar as ligas de alumínio dos vagões com base na velocidade operacional dos trens. As ligas de primeira geração são usadas para veículos com velocidades abaixo de 200 km/h e são ligas convencionais usadas principalmente na fabricação de vagões de veículos ferroviários urbanos, como as ligas 6063, 6061 e 5083. Ligas de alumínio de segunda geração como 6N01, 5005, 6005A, 7003 e 7005 são usadas na fabricação de vagões de trens de alta velocidade com velocidades que variam de 200 km/h a 350 km/h. As ligas de terceira geração incluem 6082 e ligas de alumínio contendo escândio.

Ligas de alumínio contendo escândio

O escândio é um dos refinadores de grãos de alumínio mais eficazes e é considerado um elemento essencial para otimizar as propriedades da liga de alumínio. O teor de escândio é normalmente inferior a 0,5% em ligas de alumínio, e as ligas que contêm escândio são coletivamente chamadas de ligas de alumínio-escândio (ligas Al-Sc). As ligas Al-Sc oferecem vantagens como alta resistência, boa ductilidade, excelente soldabilidade e resistência à corrosão. Eles estão sendo usados ​​em diversas aplicações, incluindo navios, veículos aeroespaciais, reatores e equipamentos de defesa, tornando-os uma nova geração de ligas de alumínio adequadas para estruturas de veículos ferroviários.

Espuma de alumínio

Os trens de alta velocidade são caracterizados por cargas leves por eixo, acelerações e desacelerações frequentes e operações sobrecarregadas, que exigem que a estrutura do vagão seja o mais leve possível, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de resistência, rigidez, segurança e conforto. Claramente, a alta resistência específica, o módulo específico e as características de alto amortecimento da espuma de alumínio ultraleve alinham-se com esses requisitos. Pesquisas estrangeiras e avaliações da aplicação de espuma de alumínio em trens de alta velocidade mostraram que os tubos de aço cheios de espuma de alumínio têm uma capacidade de absorção de energia 35% a 40% maior do que os tubos vazios e um aumento de 40% a 50% na resistência à flexão. Isto torna os pilares e divisórias do carro mais robustos e menos propensos a desmoronar. O uso de espuma de alumínio para absorção de energia na zona intermediária dianteira da locomotiva aumenta a capacidade de absorção de impacto. Painéis sanduíche feitos de espuma de alumínio com 10 mm de espessura e folhas finas de alumínio são 50% mais leves que as placas de aço originais, aumentando a rigidez em 8 vezes.