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市场与行情
说说如今高铁上的新材料
/文 2017/07/03

中国高铁的出口意义非凡,因为这不仅仅是单个产业的“出海”,而是整个产业链条的“走出去”。尽管目前中国高铁的市场规模较小,可一旦受到海外市场的认可,将重塑中国制造的全球品牌形象,带动产业链上下游细分领域的发展。
对于高速铁路,所用材料的强度、疲劳性能、轻量化、工艺性等应具备更高的水准,因此有越来越多的新材料应用于此,如今大体在以下几个方面。

车体 

(1)不锈钢
不锈钢主要用镍铬奥氏体不锈钢,由于其高耐蚀性和美观的特点,在日本、美国、前苏联应用较多,在保证强度和刚度前提下,如梁、柱等骨架的板厚由普通钢的3.2~6.0mm减至1.0~1.5mm,可减重40%左右。20世纪60年代初,日本率先研制出不锈钢车辆,其轻量、节能、不需涂装,产生了显著的经济效益,目前不锈钢车辆超过5000辆,占全部客车10%以上。
主要应用:不锈钢车体由于不易解决车体气密性问题,只用于制造20km/h速度级的车体、及车内承载和装饰件。

(2)铝合金
铝的密度小,仅为2.7(属轻金属),约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜,所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性,由于铝的融化温度低,流动性好,易于制造各种复杂外形的零件。铝合金仍然保持了质轻的特点,但机械性能明显提高。
主要应用:一是作为受力构件;二是作为门、窗、管、盖、壳等材料;三是作为装饰和绝热材料。铝合金容易加工和具有高度的散热性。
特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。此外,铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。
从长期来看,铝合金价格适中。铝材价格较高,使得车辆制造成本增加,但由于铝合金使得车辆轻量化,车辆的轻量化带来了运能的增加,耗能的减少,维修的费用降低。有资料显示,交通工具的重量每减少10%,燃料可节约8%。在报废回收时,铝型材产品可以实现100%回收,回收铝型材循环再用可以减少95%的能源消耗。
早在20世纪50年代,世界上较发达的一些国家就开始采用铝型材来制造铁路车辆,包括美国、加拿大、日本、俄罗斯、德国和法国等国,目前国内高铁列车车厢已大量使用铝合金材料。业内专家指出,时速300公里以上的高速列车车体必须采用轻量化的铝合金材料,350公里以上的列车车厢除底盘外全部使用铝型材。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。
近年来国外有用镁合金、钦合金等航空材料制造车体骨架的尝试,其重量只有铝合金的66%,减重效果明显。但还在考察试验中。

(3)复合材料
复合材料己开始应用于车辆,且用量不断增加,代表了未来发展趋势。纤维增强树脂基复合材料(FRF)因为高比强度(刚度)、耐疲劳、耐蚀、隔热、阻燃、可设计性强等优点,英国、日本、德国先后在60年代开始应用于非结构件,现在越来越多地应用于各种结构件,例如车体和车头前端部采用玻璃钢、芳纶纤维增强环氧树脂等。目前在西欧,制造铁道车辆用的复合材料中,按纤维种类分,玻璃纤维占58%. 芳族聚酸胺纤维占20%,碳纤维占20%,其他占2%;按树脂的种类分,聚酯占35%,乙烯酸酯占22%,环氧树脂占21%,酚醛树脂占15%,改性的丙烯酸树脂占4%,其他占3%。

转向架

 转向架的构架是特别重要的高强度部件,关系到整个车辆安全性。转架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。
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。

车辆内装及设备

车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座椅及水箱等,以铝合金和高分子材料为主,如装饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料,厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性,也以不燃性的为佳。
轮一轨系统

车轮与钢轨材料除了要有足够的强度、韧性、耐磨性外,还必须具有耐擦伤、抗剥离的性能。
就线路而言,高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大,钢轨的磨耗较小,疲劳损伤相对突出,因此对钢轨材料的选择要求较高。
对于钢轨材料而言,欧洲铁路一直在合金钢轨上进行研究,如非热处理的Cr—Mo,合金钢轨除了有较高的循环软化抗力外,也有较好的抵杭短波磨损的能力,是今后钢轨材料的重点选择对象之一。 此外,还应从钢轨钢的强韧化和纯净化方面进行努力,大力发展全长热处理钢轨、稀土钢轨和降噪降振新钢轨。
目前,国外正在研究的贝氏体钢抗剥离性能优于珠光体钢,不过尚处于试验阶段。为了减重,德国正研究组合车轮,即轮心采用纤维增强树脂复合材料,再套上钢质轮和轮箍。

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