Из недавно разработанного в России сплава алюминия можно строить высокоскоростные поезда. Но для производства грузовых вагонов новинка вряд ли пригодится.
Сплав как тренд
Алюминизация железнодорожного транспорта — глобальный тренд, к которому Россия присоединилась в 2017 году. Об этапах внедрения алюминия в отечественное вагоностроение «Про Металл» уже писал. Так совпало, что в том же 2017 году в Москве был основан Институт лёгких материалов и технологий (ИЛМиТ), где совсем недавно разработали сплав 1343 системы «алюминий-кремний-магний».
Институт лёгких материалов и технологий (ИЛМиТ) был создан в 2017 году в сотрудничестве ОК «Русал» с НИТУ «МИСиС» при поддержке Алюминиевой ассоциации, Минпромторга и Минобрнауки.
Благодаря оптимизированному химическому составу новый сплав имеет улучшенные характеристики усталостной долговечности и прочности и предназначен для вагоностроительной отрасли, в том числе для производства элементов конструкции высокоскоростных поездов.
У российской разработки есть зарубежный аналог — сплав 6005, который также применяется в вагоностроении в большинстве моделей скоростных поездов. Сплавы системы «алюминий-кремний-магний» в целом характеризуются высокой прочностью, усталостной долговечностью и технологичностью при прессовании.
Но и на этом фоне российская разработка стоит особняком. Благодаря оптимизированному химическому составу сплав 1343 имеет улучшенные характеристики по сравнению с аналогами. Усталостная долговечность сплава выше на 12–15%, прочность — на 5%.
Металл не устал
Усталостная долговечность металла (сопротивляемость переменным нагрузкам) — важный показатель для железнодорожного транспорта, испытывающего при движении постоянную вибрацию. Высокая выносливость материалов необходима, прежде всего, для скоростных и высокоскоростных поездов.
Алюминий уже давно используется в вагоностроении, например, при производстве вот таких вагонов-хопперов.
Сплав 1343 предполагается использовать для основного элемента конструкции высокоскоростных поездов — кузова в виде экструзионных панелей. Для этого были отработаны технологии прессования, термической обработки, а также сварки различных видов, включая классический метод автоматической аргонодуговой сварки (ААрДЭС), лазерную сварку и современную сварку трением с перемешиванием (СТП).
В одном из крупнейших российских холдингов транспортного машиностроения «Синара — транспортные машины» (СТМ) уже сообщили, что готовы рассмотреть возможность применения отечественных алюминиевых панелей в высокоскоростных поездах, которые планируется строить в кооперации с «Трансмашхолдингом».
Просто прокат и экструзия
У нас в стране вот уже семь лет производятся или находятся в опытной эксплуатации несколько моделей грузовых вагонов — хопперов-минераловозов, вагонов-цистерн и контейнер-цистерн — с алюминиевым корпусом и другими элементами конструкции. Инновационный подвижной состав сначала строили из сплава марки 1565ч, затем из 1581 (для хопперов-минераловозов) и 1407 (для вагонов-цистерн под концентрированную азотную кислоту).
Сегодня для грузовых вагонов есть сплавы 5ххх серии, для высокоскоростных — 6ххх, однако изменение подходов к проектированию возможно изменит это условное разделение.
Почему же сейчас, когда есть положительный опыт применения существующих сплавов для постройки грузовых вагонов, возникла необходимость в разработке сплава специально для высокоскоростного подвижного состава? На этот вопрос нам ответили в ИЛМиТ.
Это вагон-цистерна с алюминиевым корпусом.
По словам учёных, важно различать типы вагонов и подходы к их проектированию, равно как и особенности тех или иных алюминиевых сплавов. Сравним свойства сплавов 5ххх и 6ххх серий и технологии производства из них грузовых вагонов и подвижного состава для высокоскоростных поездов.
Простые товарные вагоны из сплавов 5ххх серии проектируют по принципу стальных, когда кузов представляет собой набор проката и экструзии — так обеспечиваются необходимые показатели прочности и жёсткости всей конструкции. В результате алюминиевый вагон состоит из катаных и прессованных элементов, соединённых сваркой. К слову, на саранском предприятии компании «РМ Рейл», где строят алюминиевые грузовые вагоны, используют сварку методом СТП для формирования боковых и торцевых стенок вагона.
Вагон преимуществ
У алюминиевых вагонов есть несколько важных преимуществ перед их стальными собратьями. Эти преимущества связаны с экономией: веса, топлива, краски и антикоррозийных средств, а следовательно, расходов на эксплуатацию. Во-первых, у вагона из алюминиевого сплава лучше коэффициент тары — отношение массы тары (масса всех частей вагона с тележками и колёсными парами) к грузоподъёмности: 0,26 против 0,32 у стального. Чем легче вагон, тем больше груза в него помещается без превышения нормативов нагрузки на ж/д пути.
Во-вторых, за счёт экономии топлива для тяги алюминиевого подвижного состава, алюминиевые корпуса вагонов не нужно красить и подвергать антикоррозионной обработке — на поверхности алюминия и так образуется защитная оксидная плёнка.
В-третьих, алюминиевый подвижной состав служит дольше — всё из-за тех же уникальных свойств алюминия и сплавов на его основе. И, наконец, в-четвёртых, алюминиевый корпус вагона по завершению срока его службы подлежит переработке и повторному запуску в производство в полном соответствии с принципами экономики замкнутого цикла. Опять-таки владелец списанного вагона не останется внакладе.
Кроме прочности применяемый материал должен отличаться хорошей свариваемостью. Сплавы 5ххх серии (1581 и 1565ч) одни из лучших с точки зрения технологичности при сварке: получаются практически равнопрочные соединения. Правда, для созданного в стенах ИЛМиТ сплава 1581 соединения выходят прочнее в силу более высокой прочности основного материала по сравнению с 1565ч.
Но как бы то ни было, их свариваемость лучше, чем на сплавах 6ххх, а с учётом простоты форм конструкций грузовых вагонов их можно признать идеальным вариантом для данного типа подвижного состава. Кроме того, прочность этих сплавов фактически аналогична прочности мало- и среднелегированных сплавов 6ххх, что также позволяет получить оптимальный вес конструкции в целом.
У алюминия большое количество преимуществ в вагоностроении.
Сплав под прессом
В свою очередь сплавы 6ххх серии, аналогом которых является новый 1343, обладают несколькими существенными преимуществами, которые могут раскрываться при ином подходе к проектированию конструкции. Они отлично прессуются, а значит, из них можно получать сложные панели и профили — пустотелые, с различной толщиной стенки, с внутренними рёбрами. Всё это невозможно сделать из сплавов 5ххх серии из-за их пониженной технологичности при прессовании. Сказанное, уточняют в ИЛМиТ, относится исключительно к сплавам с высоким содержанием магния.
Из панелей можно собрать несущий кузов с прекрасным соотношением веса, прочности и жёсткости. Чтобы понять, насколько сложным может получиться профиль, достаточно взглянуть на оконный профиль: на его примере отчётливо видны возможности технологии экструзии. Поэтому в большинстве современных высокоскоростных поездов можно видеть именно широкие экструзионные панели — конструкция целиком собирается буквально из десятка панелей.
При таком формате проектирования альтернатив сплавам 6ххх серии не существует. Стали также не могут быть экструдированы в такие конструкции. Кроме того, сплавы 6ххх серии с малой добавкой меди отлично сопротивляются многоцикловой усталости, что увеличивает ресурс работы изделия. Чуть менее высокие показатели свариваемости компенсируются применением различных автоматизированных комплексов и в принципе меньшим количеством сварных соединений в случае использования панелей.
Алюминий в вагоностроении
Алюминиевые сплавы пришли в вагоностроение с 1940-1950-х годах. Первоначально ими заинтересовались вагоностроители из Северной Америки. Так, в 1958 году американцы начали строить из них полувагоны. В 1970-х применение «крылатого» металла стало уже массовым явлением. К 2009 году около 20% парка вагонов-углевозов в США и Канаде были изготовлены из алюминиевых сплавов. В странах Европы подвижной состав из лёгких сплавов появился с 1980-х годов. У нас в стране, если не считать выпускавшиеся в советское время цистерны под концентрированную азотную кислоту, первые попытки освоения алюминиевых сплавов предпринимались на ФГУП «Уралвагонзавод» в 1960-х и затем 1990-х годах. Но эти проекты не имели развития. В 2005 году специалисты НПП «Технологический центр» на производственной базе ОАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество» начинали опытно-конструкторские работы по изготовлению полувагонов из лёгких сплавов. Первый отечественный алюминиевый хоппер-минераловоз модели 19-1244 сертифицировали в январе 2017 года, тогда же первая партия вагонов из 222 единиц была передана транспортным операторам в опытно-промышленную эксплуатацию.
Алюминиевый грузовой вагон производства США.
Итак, может ли недавно созданный сплав 1343 также применяться для производства грузовых вагонов? Может, но это было бы не рационально, поясняют в ИЛМиТ. Применять тот или иной сплав надо с учётом конструкции в целом и особенностей её эксплуатации, резюмируют в институте. То есть сегодня для грузовых вагонов есть сплавы 5ххх серии, для высокоскоростных — 6ххх, однако изменение подходов к проектированию возможно изменит это условное разделение.
Так и запишем
На фоне большого количества распространённых за рубежом сплавов 6ххх серии выбор среди отечественных марок невелик. Но разработанные в России материалы для вагоностроения, что называется, берут не числом, а умением. Вот и испытания нового сплава 1343 подтвердили его преимущества перед иностранным аналогом. А это значит, считают в ИЛМиТ, он скоро будет вписан в отечественную нормативную документацию, где займёт достойное место.
Сплавы алюминия, применяемые в вагоностроении, включены в специально разработанные стандарты: ГОСТ Р 59598-2021 «Алюминий и алюминиевые сплавы. Полуфабрикаты для производства элементов кузовов грузового подвижного состава железнодорожного транспорта. Технические условия и сортамент» и ГОСТ Р 59849-2021 «Соединения сварные конструкций кузовов железнодорожного подвижного состава из алюминиевых сплавов. Требования к проектированию, изготовлению, ремонту и контролю качества». Но эти нормативные документы распространяются только на грузовой подвижной состав, а не пассажирский.
Как уточнили в Алюминиевой ассоциации, сплав 1343 обязательно войдёт в общий марочник сплавов — межгосударственный стандарт ГОСТ 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые». Работа над соответствующим изменением в этот стандарт уже идёт.
Пётр Орлов
