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          高鐵車廂是用鋁材焊接的，有的高鐵線經(jīng)過零下三四十?dāng)z氏度的高寒地帶；南極科考船上的一些儀器、裝備與起居用品是以鋁材制造的，需要經(jīng)受零下六七十?dāng)z氏度的考驗(yàn)；由中國經(jīng)北極到歐洲的商船上有些裝備也是用鋁材制造的，其中的一部分露在外面，環(huán)境溫度也在零下五六十?dāng)z氏度；它們能在這樣的寒冷環(huán)境中正常運(yùn)轉(zhuǎn)嗎？沒問題，鋁合金及鋁材是*不怕寒冷酷熱的。說說鋁合金的低溫性能--鋁及鋁合金是*好的低溫材料，沒有低溫脆性，不像普通鋼材、鎳合金等那樣有明顯的低溫脆性，它們的強(qiáng)度性能雖然隨著溫度的降低而升高，但是塑性與韌性卻隨著溫度的下降而降低，即有明顯的低溫脆性。可是鋁及鋁合金則大不一樣，沒有一絲絲低溫脆性，它們的一切力學(xué)性能均隨著溫度的降低而明顯上升，與材料的成分無關(guān)，不管是鑄造鋁合金還是變形鋁合金，也不管是粉末冶金合金，還是復(fù)合材料；與材料狀態(tài)也沒有關(guān)系，不管是加工狀態(tài)的，還是熱處理狀態(tài)的；也與錠坯制備工藝無關(guān)，不管是用鑄錠軋制的，還是用熔體連續(xù)鑄軋的或連續(xù)連軋的；與鋁的提取工藝更無關(guān)系，電解的、碳熱還原的、化學(xué)提取，通通都沒有低溫脆性；與純度也無關(guān)，不管是99.50%~99.79%的工藝純鋁，還是99.80%~99.949%的高純鋁、99.950%~99.9959%的超純鋁（Super Purity）、99.9960%~99.9990%的極純鋁（extreme purity）、>99.9990%的超高純鋁等都沒有低溫脆性。有趣的是，另兩個(gè)輕金屬——鎂、鈦跟鋁一樣也沒有低溫脆性。高鐵車廂鋁材有Al-Mg系的5005合金板材、5052合金板材、5083合金板材及型材，Al-Mg-Si系的6061合金板材及型材、6N01合金型材、6063合金型材，Al-Zn-Mg系7N01合金板材及型材、7003合金型材。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。由表中的數(shù)據(jù)可明顯地看出，不管哪種鋁合金，它的力學(xué)性能均隨著溫度的降低而上升，所以鋁材是一類絕妙的低溫結(jié)構(gòu)材料，火箭的低溫燃料（液氫、液氧）儲罐、液化天然氣（LNG）運(yùn)輸船上與岸基儲罐、低溫化工產(chǎn)品容器、冷庫、冷藏車等都可以用鋁材制造。在地球上跑的高速列車的車廂與車頭的結(jié)構(gòu)件凡是可用鋁合金制造的零部件都可以用現(xiàn)行的相應(yīng)鋁合金制造，不需要另辟蹊徑研究一種在高寒地區(qū)運(yùn)營的廂體結(jié)構(gòu)鋁合金及其生產(chǎn)工藝，當(dāng)然如果能研發(fā)一種各項(xiàng)性能比6061合金大10%左右的6XXX合金，或比7N01合金約大8%的7XXX合金，那當(dāng)然是功勞很大的。實(shí)際上，在我國黑龍江省，以及以后在內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)、西藏自治區(qū)、青海省跑的高鐵對鋁合金結(jié)構(gòu)來說算不了“高寒”，不需要對合金成分作特殊處理，也不需要對材料生產(chǎn)工藝參數(shù)作專門調(diào)整。只要為高張高鐵或以后為在其他寒冷地區(qū)運(yùn)營的高鐵車輛廂體生產(chǎn)的鋁材性能符合中國GB、歐洲EN、日本JIS、美國ASTM等標(biāo)準(zhǔn)要求，就是合格的產(chǎn)品，不需要采取特殊措施，以免加大成本。車廂鋁合金的發(fā)展趨勢：在現(xiàn)在軌道車輛廂體制造和維護(hù)中用的板材合金有5052、5083、5454、6061等合金，用的擠壓型材有5083、6061、7N01等，此外一些新的合金諸如5059、5383、6082等也有所應(yīng)用。它們都有良好的可焊性，焊絲為5356或5556合金，當(dāng)然*好是采用摩擦攪拌焊（FSW），不但焊接質(zhì)量高，而且不用焊絲。后來日本研發(fā)的7N01合金（Mn0.20~0.7、Mg1.0~2.0、Zn4.0~5.0，單位%），在軌道車輛制造中獲得廣泛應(yīng)用；德國在制造高鐵Trans Rapid車廂時(shí)采用5005合金板制作壁板，用6061、6063、6005合金擠壓所用的型材。總之，直到目前無論是中國還是其他 制造高鐵車輛基本上仍沿用這些合金。200km/h~350km/h列車廂體鋁合金：我們可根據(jù)列車運(yùn)營速度將廂體鋁合金分為：速度<200km/h的車輛用的可稱為 代合金，它們是常規(guī)的合金，多用于制造城市軌道車輛廂體，如6063、6061、5083合金等；第二代鋁合金如6N01、5005、6005A、7003、7005合金等用于制造速度為200km/h~350km/h的高鐵車輛廂體；第三代合金是6082、含鈧的鋁合金等。除了6N01、7N01合金（它們是日本合金，N代表Nippon）外，還有7003合金，它的Mg含量比7N01合金的低，是一種低Mg的Al-Zn-Mg合金，它的可焊性及強(qiáng)度與7N01合金的相當(dāng)，并具有更高的可擠壓性能。日本東北和上越新干線、札幌地鐵大量采用7003、7N01合金生產(chǎn)壁厚3mm的寬幅型材6005A合金（Si0.50~0.9、Mg0.40~0.7、Mn和Cr 0.12~0.50,%）是法國注冊的，與美國6005合金相比，Mg與Si的含量相等，但增加了0.12%~0.50%的Mn的Cr，不但有與6063合金相當(dāng)?shù)目蓴D壓性能，而且強(qiáng)度性能也有所提高。6N01合金也如此，日本山陽電化鐵路3050型車輛廂體側(cè)板（寬507mm、壁厚2.5mm）、寬558mm的地板，以及制造側(cè)板掛鉤、檐梁等的大型寬幅空心型材都是用6N01合金擠壓的。350ktm/h~450km/h列車廂體鋁合金：這是廂體用的新一代鋁合金，列車速度高達(dá)450m/h，車輛須承受更大的外力，受到的震動(dòng)也更強(qiáng)烈，因此應(yīng)研發(fā)新一代輕量化高鐵鋁合金。含鈧的鋁合金。鈧是鋁及鋁合金*有效的晶粒細(xì)化劑，也是優(yōu)化鋁合金性能有效的元素之一，鈧的含量都<0.5%，凡含有鈧的合金，不管含量多少都統(tǒng)稱鋁-鈧合金。Al-Sc合金有強(qiáng)度高、塑性好、可焊性優(yōu)良、抗蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是艦船、航空航天器、反應(yīng)堆、國防軍工器械等領(lǐng)域選用的新一代鋁合金之一，當(dāng)然也可以用于制造鐵路車輛結(jié)構(gòu)。不過向現(xiàn)行鋁合金添加鈧，對組 織性能的改善如何，尚有待系統(tǒng)的研究，鈧是一種稀土元素，中國是世界上的鈧生產(chǎn)國，在Al-Sc合金研究方面居世界前列，但總的來看還不如俄羅斯，在Al-Sc合金研究與應(yīng)用方面俄羅斯是領(lǐng)跑者。東北輕合金有限責(zé)任公司、中南大學(xué)、航天材料及工藝研究所對Al-Sc合金的研發(fā)作了許多工作，他們研究的“大尺寸5B70鋁-鎂-鈧合金板材”獲2017年度中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，獲二等獎(jiǎng)的也有一項(xiàng)，為“航天用可焊高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Sc合金”。

            淺談如何提高鋁型材用粉末涂料的耐候性:噴涂在鋁型材表面的粉末涂膜的耐候性，是影響鋁型材壽命的關(guān)鍵性因素。本文主要從粉末涂料的原材料、配方結(jié)構(gòu)、制作工藝、固化條件等技術(shù)角度分析，并結(jié)合所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出幾個(gè)提高粉末涂料耐候性的可供參考的思路，從而*終達(dá)到延長鋁型材壽命的目的。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，粉末涂料的戶外應(yīng)用越來越普遍，人們對粉末涂層耐候性和耐久性的關(guān)注度不斷提高，特別是對鋁型材、天花板、幕墻板等室外用品表面的粉末涂膜的耐候性要求越來越高。粉末涂料主要由樹脂、固化劑、助劑、顏填料等組成，噴涂在鋁型材表面的涂層隨著時(shí)間的延長，受周圍自然因素如日曬、雨淋、氧化、冷熱變化以及生物等的作用，會(huì)出現(xiàn)性能逐漸降低的現(xiàn)象，即老化。粉末涂料抑制或延緩自然老化的能力稱為耐自然老化性，簡稱耐老化性，也叫耐候性。影響粉末涂料耐候性的因素很多，其中包括粉末涂料成分中的樹脂、固化劑、顏填料、助劑等各種原材料的性能、用量、配比等內(nèi)部因素；以及粉末涂料制作過程的工藝條件和涂料的固化程度；還有涂膜的使用環(huán)境如日光（主要是紫外線）的作用、大氣的組成（氧、臭氧、工業(yè)煙霧等）、濕度（包括酸雨、鹽霧等）、溫度變化等外部因素。
從粉末涂料本身的角度來看，提高粉末涂層耐候性能主要從原材料、配方結(jié)構(gòu)以及制作工藝等方面著手。一、原材料：粉末涂料主要由樹脂、固化劑、助劑、顏填料等材料組成，這些原材料的耐候性，基本上決定了涂料的耐候性。因此，要提高粉末涂料的耐候性能，首先要選擇耐候性能滿足鋁型材行業(yè)要求的原材料，而且這些耐候性合格的原材料也要滿足涂膜的其他性能。當(dāng)涂膜的各項(xiàng)性能相互間產(chǎn)生沖突時(shí)，可以根據(jù)客戶的要求側(cè)重于某項(xiàng)性能，但是人工加速老化試驗(yàn)結(jié)果要滿足GB 5237.4-2008中加速耐候性的要求。1.樹脂：因?yàn)闃渲欠勰┩苛系闹饕赡の镔|(zhì)，是決定粉末涂料性質(zhì)和涂膜性能的*主要成分，所以樹脂的選擇至關(guān)重要。選取市面上大型廠家常用的鋁型材用粉末涂料聚酯樹脂，使用同一配方結(jié)構(gòu)和相同制作工藝分別制粉進(jìn)行300小時(shí)耐老化試驗(yàn)以及涂膜外觀比較，結(jié)果如表1所示。（加速老化條件為8小時(shí)光照，4小時(shí)凝露循環(huán)；UVB-313EL燈，輻照度0.65W/㎡，光照溫度60℃；凝露溫度50℃）由試驗(yàn)結(jié)果可知，樹脂D、F、H在通一系列的樹脂中耐候性較好，但這種樹脂的缺點(diǎn)是分子量大，熔融黏度高，如果應(yīng)用在平面粉中*終會(huì)導(dǎo)致涂膜流平性能差。所以，通過在粉末涂料配方中選用耐候性能好的樹脂來提高平面粉的耐候性能時(shí)，必須考慮到涂膜的流平是否會(huì)變差，變差之后客戶能否接受。2.固化劑：盡管HAA體系的固化劑環(huán)保型眾所周知，但是它的缺點(diǎn)是固化反應(yīng)有副產(chǎn)物形成，厚噴時(shí)容易產(chǎn)生針孔、豬毛孔等弊端，涂膜過烘烤耐泛黃性和耐久性不如TGIC體系。[1]鋁型材行業(yè)目前難以接受HAA體系的這些弊端，或者說是大部分粉末廠家沒有解決這些弊端，所以鋁型材用粉末涂料還是以TGIC體系為主。固化劑TGIC對粉末涂料的耐候性能也有一定的影響。
經(jīng)過對國內(nèi)三家銷售量排名靠前的廠家的TGIC進(jìn)行耐老化檢測，發(fā)現(xiàn)它們的耐老化性能基本一致，無較大的差別。因此，在通過固化劑TGIC的選擇上去提高粉末涂料的耐候性，并無多大的意義。3.顏料：顏料對粉末涂料耐候性的影響在原材料中是除了樹脂之外影響*大的因素，因?yàn)轭伭显谑褂眠^程中會(huì)褪色，所以對于鋁型材用粉末涂料的顏料的選擇也很重要。市場上即使是用一種顏色的顏料，它的品種非常多，不同品種的色相、著色力、遮蓋力、耐候性、耐熱性等性能千差萬別，這給我們粉末涂料廠家的選擇帶來很大的難度。顏料按化學(xué)組成分為無機(jī)顏料和有機(jī)顏料，它們的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。顏料的選擇要從多方面考慮，如顏料的色相、著色力、遮蓋力、耐熱性、耐候耐光性、耐沸水性、毒性等等；而且由于一些顏料可能帶有對樹脂和固化劑起到促進(jìn)作用的活性基團(tuán)，所以也要考慮顏料對涂料反應(yīng)速度、粘度的影響。為了提高粉末涂料的耐候性，顏料要選擇耐光性在7-8級（8級*好），耐候性4-5級（5級*好）的品種，同時(shí)耐熱性和耐沸水性要滿足鋁型材行業(yè)的使用要求。從表2可知，由顏料本身的性質(zhì)決定，有機(jī)顏料的耐光性和耐候性有限，而無機(jī)顏料不夠鮮艷，所以一些鮮艷顏色的粉末大多使用了耐光性和耐候性有限的有機(jī)鮮艷顏料，這就是鮮艷顏色的涂膜耐老化色差較大的主要原因。因此，為了保證鮮艷顏色涂膜的耐候性，除了選用耐候性能優(yōu)異的其他材料，更加要注意顏料的選擇。4.填料：填料的重要功能是添加到粉末涂料中以后，能夠改進(jìn)涂膜的硬度、剛性和耐劃傷性等物理力學(xué)性能，同時(shí)有利于改進(jìn)粉末涂料的貯存穩(wěn)定性、松散性和帶電等性能。[3]鋁型材粉末涂料中*常用的填料為硫酸鋇，經(jīng)過對多個(gè)廠家的硫酸鋇進(jìn)行耐老化檢測，發(fā)現(xiàn)耐候性能無明顯差別。因此，為了保證涂料的耐候性，必須使用純度高的硫酸鋇作為填料。硫酸鋇進(jìn)倉前必須經(jīng)過檢驗(yàn)，使用10%的鹽酸溶液是*簡單快捷的方法，可以快速檢測出硫酸是否含有碳酸鈣，碳酸鈣會(huì)降低涂料的耐候性能，不能作為鋁型材用粉末涂料的填料。5.助劑：在粉末涂料配方中，助劑的用量很少，但在一般粉末涂料配方組成中是不可缺少的成分，而且對涂膜的外觀及某些性能起決定性作用。經(jīng)過對各國內(nèi)大型廠家同類助劑進(jìn)行加速老化對比試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)不同廠家的流平劑、光亮劑、安息香等對涂膜耐老化性能影響不大；而不同廠家的蠟粉、消光劑對涂膜耐老化的影響較大。因此，為了提高粉末涂料的耐候性，可以考慮使用耐老化性能好的蠟粉和消光劑。二、配方結(jié)構(gòu)：通過粉末涂料中聚酯樹脂的酸值和固化劑羥基當(dāng)量的計(jì)算，設(shè)計(jì)合適的固化劑用量，并通過加速老化試驗(yàn)的驗(yàn)證，使用*佳的固化劑用量，使涂料在固化時(shí)能夠充分固化，從而達(dá)到*好的耐候性能。
在滿足粉末涂料各項(xiàng)性能的前提下，盡量在配方中減少原材料的種類，特別是對涂膜耐候性起負(fù)作用的材料。在不影響涂膜遮蓋力以及硬度、耐磨性的前提下，適當(dāng)降低配方中的顏料（特別是吸油量大的顏料）和填料的用量，使配方中的顏料能夠在熔融混煉過程充分被樹脂包覆，在涂膜的使用過程中減少顏料的顏色變化，從而達(dá)到提高涂膜耐候性的目的。三、制作工藝：粉末涂料制作過程主要包括預(yù)混合、熔融擠出、壓片破碎、分級粉碎四個(gè)階段，其中預(yù)混合、熔融擠出兩個(gè)工藝對粉末涂料的耐候性能有很大影響。預(yù)混合的作用是為了使粉末涂料配方中的各種原材料組成分散均勻，為熔融擠出打下良好的基礎(chǔ)。為了提高耐候性，在預(yù)混合階段，原材料必須按一定的先后順序進(jìn)行投料，而且投料量控制在混料缸容量的20%-80%，并適當(dāng)延長混合時(shí)間。熔融擠出是為了使粉末涂料組成中的各種成分混合均勻，也就是達(dá)到粉末涂料成品中的每個(gè)粒子組成成分一樣。為了提高耐候性，在熔融擠出階段，在不出現(xiàn)膠化粒子的前提下，適當(dāng)提高擠出機(jī)溫度（特別是在氣溫較低的情況下），使樹脂熔融成一種流體，保證顏料能有良好的潤濕和獲得*大的剪切力，有利于顏料等的高度分散，使各組分成為一個(gè)均勻的體系；在保證生產(chǎn)進(jìn)度的同時(shí)，可以適當(dāng)降低擠出速度，保證物料有充足的熔融混煉時(shí)間；從而提高混煉效果，使粉末涂料中的顏料填料被樹脂充分包覆，而且各種原材料成分粒子分散均勻，特別是固化劑和樹脂能按配方的比例混煉均勻，固化時(shí)涂膜能夠充分固化，從而增加涂膜的表面致密性，*終提高粉末涂層的耐候性。四、固化條件：粉末涂料只有充分固化的情況下，樹脂的高分子鏈才會(huì)和固化劑完全交聯(lián)，各項(xiàng)物理化學(xué)性能才會(huì)達(dá)到*佳狀態(tài)，耐候性能也不例外。因此，提高耐候性能必須使粉末涂料充分固化，固化時(shí)要控制好溫度和時(shí)間。綜上所述，對于提高鋁型材用粉末涂料的耐候性，可參考如下思路：選用耐候性能好且流平不至于太差的樹脂；注意鮮艷顏料、蠟粉、消光劑的選擇；設(shè)計(jì)有利于提高涂膜耐候性的配方結(jié)構(gòu)；控制好粉末涂料生產(chǎn)工藝。