本文摘要：摘要：介紹了阻燃性鎂合金的研制、鐵道車輛零件的試制、空心擠壓型材的焊接及模型車體的組裝等基礎技術的開發與成果，闡述了有待解決的課題。 關鍵詞：鐵道車輛,阻燃性鎂合金,日本 1概述 鐵路部門為了使列車更快捷、舒適地到達目的地，很早以前就已進行了輕
摘要：介紹了阻燃性鎂合金的研制、鐵道車輛零件的試制、空心擠壓型材的焊接及模型車體的組裝等基礎技術的開發與成果，闡述了有待解決的課題。
關鍵詞：鐵道車輛,阻燃性鎂合金,日本
1概述
鐵路部門為了使列車更快捷、舒適地到達目的地，很早以前就已進行了輕量化、安全化的鐵道車輛的開發工作。具體到車體材料而言，鐵路開業初期，車體是用木材制作的。為了提高車體強度，演變為用鋼鐵制造車體。此后，為實現車輛的輕量化，進行了各種各樣的開發。目前，鋼制車輛雖仍在使用，但是，更輕量化的不銹鋼制車輛以及鋁合金制車輛成為主流車型。為了在車輛的高速化與節能化中發揮作用，進一步實現車輛輕量化的目標，研究了將阻燃性鎂合金應用于車輛車體結構的可行性。
2高速化課題與輕量化
2.1實現車輛進一步高速化的課題
如果能夠進一步實現鐵道車輛高速化，則可以壓縮旅客到達目的地的時間，提高乘客的便利性。車輛高速化首先面臨的課題是以沿線噪聲為首的環境問題。與噪聲相關的環境標準是由日本國家的法律、法規規定的，故有必要滿足環境法規要求。此外，隨著車輛的高速化，由于安裝各種設備，車輛質量會增加，沿線地基振動及噪聲之類的新問題也會顯現出來。從車內環境的角度看，高速化有導致車內噪聲及車體振動增大的可能性，為了提供舒適的車內環境，就要針對這些問題采取適當的對策。
而且，隨著高速化導致的能量增加，二氧化碳(CO2)等排放量也會增加，會加大環境負擔。因此，在車輛高速化方面，以下3個方面尤為重要：(1)環境對策(沿線噪聲、地基振動、低頻噪聲等的降低);(2)降低CO2排放量(伴隨車輛壽命周期的CO2排放量的降低，尤其是隨著車輛運行而產生的CO2排放量的降低);(3)提高車內環境舒適性(降低車內噪聲，提高乘坐舒適性)。對以上課題而言，車輛輕量化就是其中一條有效措施。
2.2車輛的輕量化
縱觀以往鐵道車輛，推進車輛輕量化的主要因素有以下4項：(1)車體結構材料的變更(鋼鐵→不銹鋼或鋁合金);(2)控制方式的變更(電阻控制→VVVF(變壓變頻)控制);(3)安裝設備的小型化、緊湊化;(4)轉向架結構的變更等。當考慮車輛的進一步高速化時，實現產生并傳遞與功率增加相對應的動力機械的輕量化是非常困難的，為了維持良好的舒適度而安裝的系統會增加質量，所以，當前情況下，車輛的進一步輕量化是相當困難的。在上述背景下，為了從根本上實現輕量化，迫切要求應用具有以下特性的金屬系新型材料。
(1)比現有車體最輕結構材料———鋁合金更加輕量化的材料;(2)可再生利用性及良好的振動吸收特性;(3)屬于資源豐富的金屬材料，便于購買;(4)具有阻燃性，強度和疲勞強度與鋁合金相同或超過鋁合金，并可以焊接。鎂合金具有上述材料特性。
對比鐵、鋁、鎂的密度(每立方厘米體積的質量)，則鐵為7.8g左右，鋁為2.7g左右，鎂僅為1.7g左右，鎂堪稱結構用金屬材料中最輕的材料。此外，鎂衰減能力(減振能力)是鋁的2倍，振動吸收特性也優異。但鎂是活性金屬，在某些條件下，有可能引起燃燒，這是一大問題。針對這個問題，有報道稱[1]，如果在鎂合金中添加鈣(Ca)，則顯示出良好的阻燃性。假如能夠開發出阻燃性鎂合金，進而應用于車輛的車體結構，實現車輛輕量化，則能夠確保車輛安全性、舒適性，并對車輛高速化做出貢獻。而且，輕量化也關系到節能與降低CO2排放量。
3阻燃性鎂合金的研究開發示例
3.1阻燃性鎂合金的制作
通過在鎂中添加鈣及稀土類元素(例如釔(Y)、鈧(Sc)等)，可以實現鎂合金的阻燃性。由于稀土類元素價格高，基于成本考慮，宜在鎂中添加鈣。圖2是利用煤氣燃燒器，對阻燃性鎂合金(Mg-6A1-Zn-Ca合金)，通用鎂合金(Mg-6A1-Zn合金)以及鋁合金(A1(6N01)合金)3種試樣直接進行火焰加熱，確認阻燃性效果的結果。環境溫度達到將近600℃時，通用鎂合金著火了，但阻燃性鎂合金沒有著火。
而且，如提升環境溫度，無論鋁合金，還是阻燃性鎂合金，都不著火，但會熔化。根據這些試驗情況，認為阻燃性鎂合金與鋁合金同樣難以燃燒。此外，焊接阻燃性鎂合金的板件，進而試制四面體結構的試件，試件中放置盛有煤油的油盤，進行燃燒試驗。試件上雖然能看到煤煙及變形，但沒有發生著火現象。雖說有若干變形，但基本上與原形相差無幾。這樣一來，通過添加鈣，就確認了能夠實現鎂合金的阻燃性。通過調整化學成分，試制了多種阻燃性鎂合金。
如比較阻燃性鎂合金與通用鎂合金，從板材狀態方面看，兩者狀態相同，但用顯微鏡觀察，則可以看到金屬組織以及機械特性方面的差異。鎂合金軋制板材的金屬組織。通用鎂合金整體上可看到顆粒狀組織(晶粒)。相比之下，阻燃性鎂合金在晶粒比通用鎂合金晶粒要微細，而且，整體上分散有析出物。故通用鎂合金與阻燃性鎂合金在晶粒大小及析出物的有無方面存在差異。
上述金屬組織對阻燃性鎂合金的機械性能產生較大影響。通用鎂合金的0.2%屈服強度(見附注)為180MPa，拉伸強度(見附注)為220MPa，延伸率(見附注)為12%，而阻燃性鎂合金的0.2%屈服強度為220MPa，拉伸強度為240MPa，延伸率為5%，阻燃性鎂合金的強度增加而延伸率顯著降低。這是由于脆性析出物與晶粒微細化造成的，雖然變形阻力增加，但析出物本身成為破損源，故延伸率降低。
3.2試制鐵道車輛結構件
鐵道車輛結構件中，除使用軋制板材外，也使用其他截面形狀的型材。這類型材主要采用擠壓加工法制造。擠壓法中，型材斷面形狀的垂向、橫向的非對稱性越大，且材料的變形阻力越高，則擠壓加工的難度會越大。阻燃性鎂合金制作的薄壁桁架式斷面形狀的型材擠壓加工難度大，不過，通過在截面形狀上精心考慮，試制了擠壓型材(試樣)。試樣上看不出明顯的撓曲，所有截面形狀的型材都按照接近目標的尺寸試制而成。
3.3阻燃性鎂合金的接合
為了將阻燃性鎂合金應用于車體結構，考慮裝配接合技術是很有必要的。在阻燃性鎂合金接合方法方面，研究了金屬接合常用的電弧焊接，以及將旋轉工具向接合部推壓，利用摩擦熱接合的摩擦攪拌接合(FSW)工藝。在阻燃性鎂合金的空心型材上進行接合的結果。即MIG(MetalInertGas：熔化電極惰性氣體保護焊)接合的材料;利用摩擦攪拌接合的材料。
4結束語
本文研究了將阻燃性鎂合金應用于車輛車體結構的可能性。根據該型合金的制作、加工方法、焊接方法等的基礎性研究，通過截面的模型車體結構的試制，獲得了阻燃性鎂合金相關材料技術的知識。要達到實用化水平，尚需較長時間。今后一方面要與生產商一起扎扎實實地開展FSW接合的研究，表面處理的選定研究等，推進各項技術發展。另一方面，要不斷積累應用實績。
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