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文档简介
关于如何选择一个性价比最高的自行车,材料是关键自行车什么样的材料才算好材料? 从最宏观的观点看,好材料有三个要求,一个是弹性模量高,就是说受力时变形小;另一个要求是强度高,就是说可以承受很大的外力;最后一个要求是韧性好,就是说万一外力太大了,材料承受不了,那么材料也不会立刻断裂,而是经过一定变形,吸收一定能量后才断裂。 铝合金和钢和碳纤维。 从绝对性能看,铝比不上钢。就算是很好的铝,比如制作我们自行车常用的6061铝合金,从模量、强度和韧性上看,绝对性能仍旧比不上钢。可是我们的自行车还多数都是用铝的,为什么?其实就是因为铝很轻。换句话说,为了达到同样的强度,只用很轻的铝就可以达到目的,而用钢就必须用很重的原材料才行。用术语说,就是铝合金的比模量高,比强度高。 那么碳纤维呢?碳纤维的比重只有1.75左右,而铝是2.7,钢是8.7。强度呢?目前最好的碳纤维可以超过7000MPa,而钢呢?通常钢的强度在1000MPa以下,最好的超合金钢不过是2000MPa.那么我们再算算比强度呢?碳纤维的比强度比钢高30多倍! “比强度”就是强度除以密度。但纤维的比强度跟用此纤维增强的复合材料的比强度不是一回事。碳纤维是种复合材料.是在完成整个结构后才叫碳纤维碳纤维还没完成结构体时.是环氧树酯+碳纤维预浸布.碳纤维预浸布在还没编织成品时.是碳纤维丝! 上面的数据都是碳纤维丝的数据碳纤维/环氧树脂,比重1.4,强度1500Pa,我们的自行车大概就这个性能(当然不能和航天飞机比了)。比强度多少?1000MPa吧?那么钢呢?我们的普通自行车用A3钢比重7.8,强度400MPa,比强度50MPa。差多少?20倍吧!这些数据都不用记,只记住一点,碳纤维复合材料比一般的钢比强度高几十倍。 用钢管同样可以让自行车很轻,也对呀!可是刚度和强度是不一样的,钢的刚度大但是强度差-越轻越危险呀!总之,碳纤维比铝和钢强适合做自行车车架! 我们知道钢在断裂前有很明显的塑性变形的。碳纤维断裂前几乎没有塑性变形。而环氧树脂呢?也很脆。所以碳纤维/环氧树脂复合材料,总体上看也没有明显的塑性变形,只有弹性变形。当你发觉碳纤维自行车架有明显变形的时候-嘿嘿嘿!肯定是哪儿有大裂纹啦!,物以希为贵,碳复合材料车架轻以及刚性好,作为比赛用途是不错,而作为普通爱好者来说就不合算了.长期(7-8年)阳光下骑行树脂很容易老化,碳纤表面不耐刮擦,破损后雨水很容易渗进多孔的碳纤内部,将大幅度降低本身强度.另外,像碳纤把横、坐管等需要螺丝固定处都得有严格力矩规定,乱拧一气绝对会破坏碳纤结构,比金属娇嫩多了。作为新材料,碳纤的价格也是普通百姓望之兴叹。虽然中国生产高级铝合金的能力也不如外国,但是一般的铝合金比如6061之类的东西还是很成熟的(除非你买了个碳纤维自行车水货公司的水货)。所以用铝合金自行车还是不错的选择。碳素的自行车大概有多重?碳素的自行车的车架重量一般在1000克以内,美利达的整车做到0.9kg左右 车架材料车架制作:车架的制作过程一般是厂家买来不同直径的圆形或者方形管材,然后上机器把直管压制成需要的弯曲度,如果要抽管也是上机器抽,如果是需要异型管材就用圆管或者方管用机器压出来,之后就是焊接,焊接分两道工序,第一道是用几个点焊把管材连接在一起,之后就是正式的用鱼鳞焊把车架牢固的焊接在一起,然后上台架校正,之后要用酸把车架表面的氧化层洗掉,然后就是T4,T6 的热处理工序了。如果是钛架,焊接就要用氩弧焊以保证质量了。第一部分自行车材料的常用知识1、应力以及变形应力的定义=负荷/断面积 (即:单位面积上所能承受的重量) 虽然负荷大,但是可以增加厚度来降低断面积上的应力。从这里也可知为什么铬钼钢、铝、钛管的厚度不同。 (2)受应力之后,用于车架的材料会变形。其变形可分为弹性变形和塑性变形。 弹性变形:虽然变形,但是除去应力后恢复原状。 塑性变形:变形后除去应力也无法恢复原状。 (3)弹性率:弹性率所指的是像弹簧一样变形的材料的低抗程度。弹性率高的材料硬,承受负荷后变形也少;弹性率低的材料较软,承受负荷后变形较多。作为自行车的材料,有些部位需要变形多些,有些部位需要变形少些。 弹性率以杨氏弹性模量(GNm2)来表示。数据越大弹性率越高。 相关数据如下: 铬钼钢 (低合金钢) 200-207 铝合金 69-79 钛 116 钛合金 80-130 碳纤 70-200 镁合金 41-45 结论:从上表可知铬钼钢的弹性率最高,镁合金的弹性率最低。弹性率将决定材料刚性的强弱,对自行车来说该数据是很重要的。 2、屈服强度、拉伸强度(MPa,N/mm2) 屈服强度:是弹性变形的极限也叫屈服点。增加应力到一定程度时成为塑性变形,也就是变弯了。 拉伸强度:指的是增加应力到一定程度时不单是成为塑性变形,还被拉断。 相关资料如下: 用在自行车上的材料 拉伸强度 :SCM415 (铬钼合金结构钢)铬钼钢834以上SCM415適用於簡單彎曲加工,焊接時須以氬氣保護綑綁器、自行車管及零配件4130铬钼钢930以上6061(6000系铝合金) 无热处理的场合 100以上 有热处理的场合(T6) 246以上 7005(7000系铝合金) 有热处理的场合(T6) 345以上 7075 (特超硬铝,飞机合金) 无热处理的场合 230以上 有热处理的场合(T6) 597以上 CPTi (纯钛) 有热处理的场合(T6) 597以上 用的较多的纯钛为如下:PTT800 800、Grade4 588753、UTT75 753 597以上 3-2.5Ti(3%Al2.5V Ti合金) 685以上 6-4Ti(6%AlV Ti合金) 有热处理的场合(时效) 1160 无热处理的场合 980 3、密度 密度是单位体积的重量。密度是决定车架的重量时重要因素之一。设计轻的车架时不可勿视的数据。但是密度小不等于车架轻。 用在自行车上的材料 密度(g/cm3) 铬钼钢(低合金钢) 7.9 铝合金 2.6-2.9 钛 4.5 钛合金 4.3-5.1 碳纤 (CFRP) 1.5-1.6 镁合金 1.7 结论:从上表可知铬钼钢密度最高,镁合金最低。密度低的话,可以制作轻车架,假若这样认为的话只讲对了一半。还要考虑拉伸强度、弹性率等因素。虽然密度低,但是强度不够的话也不行,密度低1/3不等于重量也轻1/3。 3、增强材料 重排:所指的是在金属结晶中会产生的移动现象(原子间存在间隙,使结晶移来移去)。发生重排现象时金属会变形。强化材料也就是想办法制造出不要发生重排现象的结构。在此介绍4种强化材料的方法。固溶体强化、析出强化、通过硬化加工来增强、结晶体的微细化来增强 固溶体强化 在铁等母体材料中熔入铬、钼等,使母体材料变成不同半径的结晶构造。此时的原子称为固溶体。在此举个例来说明这种现象。比母体的原子半径小的原子进来时发生的现象。 在电梯里已有9位大汉子已相当拥齐,此时进来了小孩,为了防止小孩被挤坏,汉子们开始靠向四周。 比母体的原子半径大的原子进来时: 在电梯里已有9位大汉子已相当拥齐,其中有一个人下了电梯,但是又进来了肥胖的大娘,此时汉子们又开始靠向四周。如上述现象在结晶体四周发生了应力,使得重排现象变小了。利用这个方法的是铬钼钢。 析出强化 当前,自行车材料中的铝合金制品普遍受到欢迎。增强铝的方法将在铝项目中记述,在此只讲强化的原理。固溶在金属中的添加物,会产生饱和状态(不完全溶解),添加的量超过饱和状态时,因未能完全溶解而析出。 具体地说,提高温度时饱和量也增加,完全溶解的瞬间开始慢慢冷却时,能析出大的结晶。用食盐来做实验会看到这个现象,食盐的场合,急速冷却时析出细小的盐结晶,但是金属一般不会析出,若冷却速度快时,不会析出而强迫使它固溶。 对处于此状态下的金属,逐渐提高它的温度时慢慢析出。在此需要注意的是过于析出不可,析出不够也不行,温度过高、过低也不可以,该温度叫作热处理温度(也称作人工时效处理)。最理想的是析出的结晶细而均一,从而阻止重排,材料不容易变形。举个例子:走在森林里,若大树较多时容易走路(大的析出物),密密麻麻小树多的话不容易走(细小的析出物),和这个道理一样细小的析出物较难重排。 硬度加工来增强的方法 对材料进行加工就产生重排现象,也就产生材料的变形。各种材料的重排现象是极为复杂,不在此记述,简单地说:重排后不是整齐地排队,而复杂地啮在一起的话,材料的变形就困难了。如马路上走路时,走路的人不断增加(重排的增殖),就难于前进(重排移动变得困难,从而不容易变形)。利用此方法的有管道拉拔和喷丸硬化(SHOT PEENING)。 结晶体的微细化来增强 结晶在高温下完全溶解后,急冷时得到微细的组织。这个过程叫作淬火。结晶变微细后,重排移动的连续性就难于保持,结果材料得到了增强。(比方:人能活动的范围变小了)。 第二部分铬钼钢、不锈钢、铝合金,钛合金,钪合金,镁合金、碳纤维和车架:铬钼钢 (Fe-Cr-Mo) 在自行车的100年历史当中,钢材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。钢制车架的最大特征是可在各种成份,各种粗细厚薄的钢管中,任意选择所需要的钢管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架,这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其它的材料重(过去)。但是最近的钢车架经过热处理,把薄的管道做成粗的管来使用,其重量不会输给轻的合金。国内民用自行车用钢,一般都是钢板卷焊,采用低合金Mn钢,也不适合不会搞什么拉拔和热处理,屈服强度充其量达到355MPa,当然壁厚和重量也只有加大了。捷安特钢车架全部是高碳钢,高碳钢-HI-TEN其碳含量在0.65一1.35%,高碳钢是钢的一个分类,会拉拔和热处理,铬钼钢和高碳钢的强度差别不大,但高碳钢更硬,铬钼钢韧性好,骑行感觉相比高碳钢的舒适些,美利达车架为铬钼钢。4130是铬钼合金钢管的一个型号,早期大名山地车架都是采用4130铬钼钢制造的,相对雷诺钢4130属于一个比较常规化价格适中的管料,高碳钢则更廉价些。4130铬钼钢 美国SAE4130、AISI4130、UNS G4130。原联邦德国25CrMo4,原苏联30XM,法国30CD4,日本SCM430,CDS13,中国仿制叫合金结构钢 牌号:30CrMo 如高级自行车车架就用它,有叫(不锈钢、合金钢,这种钢管材仍然会生锈的,只是过程比较缓慢,且多半发生在表面、不易造成深度锈蚀。)欧亚马折叠车即使低端产品也使用4130铬钼钢力学性能:抗拉强度 b (MPa):930(95)屈服强度 s (MPa):785(80)伸长率 5 ():12断面收缩率 ():50冲击功 Akv (J):63冲击韧性值 kv (J/cm2):78(8)硬度 :229HB试样尺寸:试样毛坯尺寸为25mm热处理规范及金相组织:热处理规范:淬火880,水冷、油冷;回火540,水冷、油冷 DAHON公司0最低的级别,也是入门级。只有国内销售,全部为高碳钢车架。1只有国内销售,针对国内市场研发。基本为高碳钢车架、少数铝合金,4130铬钼钢没有。2开始是国外车款、后面才内销。车架一般都是7005铝合金、4130铬钼钢。且全部都有变速系统。3最经典的代表车型KC083,也就是我们所说的SP8。也是7005铝合金、4130铬钼钢为主。一般,运动车如果使用钢架都是使用铬钼钢,相对民用高碳钢车架价格比较贵。更高级的钢材型号有653,853等等,那些钢材制成的钢架的价格就远比铝价贵了。但是钢架的弹性,可修复性都比一般的铝架好的多。雷诺853钢 非不锈钢,是CrMo合金钢,是铬钼合金钢的一种。这种钢管材仍然会生锈的,只是过程比较缓慢,且多半发生在表面、不易造成深度锈蚀。853抽管时,应该是退火后的软状态,然后焊接,热处理后整形。其成本高在几点:1、产量低,固定成本高2、抽管难,需多次退火和拉拔,如果要抽到0.3的话,目前的技术来看还不现实,再加上整根管还不一样厚,直径也有变化。最后应该是采用的内高压成形技术,这个的成本就高了。3、热处理成本,需要控制气氛的无氧化热处理设备和工艺。为了避免变形,还需要专用的工装共同热处理,也需要专用的淬火机床和模具,使淬火时的变形最小。基于上述原因,国内基本上没人搞这个产品。铬钼钢是铬、钼的合金。它的性能如下: 1 淬火性好。 2 对回火处理的抵抗性大。 3 回火脆性倾向少。 4 高温加工性好,加工后美观。 5 熔接性好。 铬钼钢车架的优点 加工性好 铬钼钢的车架是历史最久的车架,因此对它的研究时间也最长。现在能做到车架所需强度的极薄的管道。 冲击的吸收性能好 骑感极好,如(像弹簧般的骑感)。构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的性能。 焊接容易 铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外,焊接后也不需要热处理,因此不需要大型的热处理设备,成本低。 价格便宜 虽然有些高挡次的铬钼钢车架价格贵,但一般价格便宜。也可以说,用便宜的价格买到高挡次的车架。 铬钼钢车架的缺点 容易生锈 车架用的铬钼钢含有铬,但是添加量少(不锈钢含有12%的铬)的铁系合金。若没有施有表面处理的话,有伤口时容易生锈。但是一般都有进行防锈加工。自行车的场合,管道的肉压薄,生锈后的影响将会非常大。生锈内压减少强度下降(应力集中)。 金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳) 若使用内薄的铬钼钢车架时需要注意!当然金属疲劳这个现象任何金属都会产生包括铝等在内。金属疲劳现象简单地说:金属虽然具有防止塑性变形的小小的力量,但是反复施加应力时,金属可能被破坏(被称为微细的应力集中)。飞机出事时,有时候也是某部分的金属疲劳引起。对自行车来说,由于金属疲劳的原故,可能出现强度不能保持。例如,进行DH时产生的冲击缩短了自行车的寿命。若感觉到踩踏时不那么顺利前进时很有可能是金属已发生疲劳。 焊接部位,如从管道侧(母体)到溶融的部位(溶接部),结晶的特性都会显著变化。为使这些组织均一化,本来应该再次结晶化(详细内容后述)。但是车架加工厂不一定有这种大型炉,另一方面,这种加工使已经冷却过的再次硬化,使得变增强的管道的强度降低。 由于存在上述原因,焊接时采用各种方法来加工。如利用低温焊接等方法制造车架。不管是任何优秀的焊接,焊接部位(1000C以上)和另管道侧(室温)之间的温度差,冷却时收缩而发生残留应力。该部位受到应力集中时,可能会产生裂缝。结果自行车骑的时间长时可能会引起金属疲劳,微观的硬化加工也使冲击的吸收性也变得差。 不锈钢 铬钼钢中铬的含量超过13%的钢材不管其他成分一般都可以称呼为“不锈钢” 也就是高铬钢(马氏体不锈钢)雷诺953是一种钢性超强的不锈钢材质,高达2000MPA的超高强度已经达到坦克车钢板的强度,此一超高强度以至能抽出0.3mm的超薄车管而不会断裂也因此,让很重的钢,达到轻量化的车架要求。在自然条件下基本不生锈,价格也更加昂贵。一副953车架的话,可能从5000-7000起。一般201、301那些不锈钢只要经过冷挤压拉丝等工艺,加工出来抗拉强度应该随便都是一千多mpa以上,要达到2000MPA的强度也是很容易,使用含碳量超过0.3%马氏体俗称不锈铁的热处理(低温化学热处理)之后就可以轻易达到这个抗拉强度(无非就是退火-塑性-退火-再塑形,无休止地无计成本折腾出一跟钢管出来才甘心)。可以用提高很强的硬度,3CR13氮化轻易可以得到HRC60度,2500MPA强度,0.3的厚度直接渗透了。制造雷诺953没有什么难度有难度的是很廉价和快速地制造出来,当然还有人愿意出钱。一块普通含碳量超过0.6%以上的高碳钢,几块钱一公斤,加上热处理费用几块一公斤,十块一公斤就顶天了。如果要将这块碳钢轧制成0.1毫米薄片,热处理好之后的成本就变成一百几十块一公斤了。如果要将它轧制成0.05的厚度还要热处理,将会在0.1厚度材料的价钱上乘10倍达千儿几百块一公斤。假如你需要一片轧制到0.01有要热处理有强度的钢片,那是几千块一公斤的材料。问题的难度在于拉管,焊接和热处理的加工工艺,和材料没半点关系。马氏体的可塑性差(这个差是相对于延展性能非常好的奥氏体不锈钢而言),常温焊接有开裂倾向,焊接工艺复杂需要预热。0.3的薄壁零件热处理时估计也有严重的变形倾向。不过这个工艺难度绝对上升到“一国之力”的高度。雷諾管材公司一直都是高階自行車管材的代名詞,而雷諾953則是該公司在推出受到廣泛使用的853十餘年之後的最新力作。2005年11月發表,2009年正式量產之後世界各地的焊接工作室陸續推出953的產品。 在目前一切向碳纖維看齊的碳素年代推出笨重的鋼管似乎有點不符潮流,其實並不然。953的原始設計是為了要符合國防工業的需求,它不僅要承受強大的衝擊力,耐腐蝕,還要不易疲勞,因此,953不只是一個不鏽鋼材,而是超級不鏽鋼,然而,從其物理特性看來,雷諾953和鋼的差異比較大,反而比較類似鈦合金。它的張力強度可以達到2000 MPa,非常接近Toray T700碳纖維複合材料的2500 MPa (單層的數據,疊層之後反而降低整體強度),幾乎達到6/4鈦合金的兩倍。由於其超高強度以及近乎裝甲鋼板的耐撞擊力,雷諾953的管材可以薄到像晶圓般的0.3mm,而且無法用手壓凹,下次看到一台953車架的時候,別忘記練練指力。雷諾953車架的管壁遠比一般鉻鉬鋼(Chromoly steel)車架薄,因此重量也輕得多,以一台49公分架高(center to center)的跑車車架而言,重量不到1500公克,此外,由於其管材強度夠,因此剛性十足,踏板的動能可以很有效率地轉換成前進的速度,單車界已經有人預測,雷諾953車架出現在環法大賽指日可待。此外,它仍保有部分鋼車架的彈性,所以路面的小震動能被車架本身吸收(參考資料: Cycling Plus, 10/2005)。換言之,這款車兼具了輕、快、舒適的特性,再加上抗腐蝕性以及高撞擊性,對於鐵車架的忠實愛護者而言,不悌是一大福音。製作雷諾953車架的最大瓶頸在於焊接,它的焊接特性和一般的鋁合金或是鉻鉬鋼(Chromoly steel)管材完全不同,反而接近鈦合金,因此,如果沒有焊接鈦合金車架的經驗,要直接跨入製作雷諾953車架的門檻相當高,再加上材料本身非常昂貴,開發的經費將會相當可觀。台灣雲豹在進行雷諾953車架試做的過程則非常順利,以近二十年的鈦合金焊接技術做根基,再加上雷諾管材公司的重點提示,第二台樣品車的焊接品質就深受雷諾公司的肯定,此外,台灣雲豹在表面所添加的藝術筆觸讓這台車架更具有質感,因而在歐洲展期間雷諾公司甚至商借展示於其攤位上三天的時間,直接用來介紹給全世界的買家。雷诺厂脾气大的很,653、753、853钢一般只卖给指定的厂家。雷诺钢管简介:Reynolds,英國鋼管廠 1898年 - Reynolds Tube Company成立,是第一家擁有抽管專利的公司. 1935年 - 推出531管,號稱高強度,無接縫,輕量化的自行車工業用管. 1975年 - 推出753管,第一種經過熱處理的鋼管材,應用在自行車的製造上. 1995年 - 推出853管,第一種商業上應用的Air harden(有沒有標準的中文說法呀?)鋼管. 從1958年開始,環法賽有27屆的冠軍都是使用Reynolds管製造的自行車. Reynolds把他們的管材分成三類: Air hardening steel Chrome Molybdenum steel Manganese Molybdenum steel 所有的Reynolds鋼管都有熱處理以及冷鍛處理兩種版本. Air hardening steel 853 - 熱處理 UTS(應該是Ultimate Tensile Strength吧?), 12501450Mpa 適宜氬焊或是銅焊的接管方式,據Reynolds公司說,853的重量強度比僅次於鈦合金,但是彈性疲乏限度要比鈦合金更高. 一般的CrMoly鋼材在連接加熱的地方會減低強度,但是853管特殊的地方就在於, 在焊接時的接點溫度提高到850度以上,然後在使他自然的冷卻,則在焊接處強度反而會變得更高.Reynolds公司提供853所有的管徑. 據說,這種Air hardening steel最先是用來作為汽車的防撞鋼樑*. Reynolds公司建議使用531管製成的前叉來搭配853車架. 631 - 冷鍛 UTS:800900Mpa 1998年新推出的Air hardening steel, 有著跟853同樣的特性,沒有經過熱處理,強度稍弱,只提供前三角的管徑,Reynolds公司建議使用725 or 525來作為後下叉的材料. 搭配531前叉. Chrome Molybdenum Steel - 鉻鉬合金鋼 Reynolds公司的主力產品並不是CrMoly,1997年才將其列入主力. 725 - 熱處理 UTS:10801280Mpa 經過熱處理的25CrMo4合金,(這種合金應該類似於標準的4130吧?),熱處理將其強度大幅提高, 但是延展性降低到僅有8%.建議配合753 or 531前叉. 525 - 冷鍛 UTS:700900Mpa Reynolds公司建議使用在下管以及座管.配合531前叉. 500 唯一一種沒有經過抽管的Reynolds鋼管.用於大量生產的車種. Manganese Molybdenum Steel錳鉬合金鋼 753 - 熱處理 UTS:10801280Mpa 錳鉬合金的焊接非常困難,在連接處經常造成斷裂,焊接的溫度必須非常低,因此,並不適合進行氬焊,Reynolds公司建議使用接頭(lug)配合銀焊來進行接合. Reynolds公司只提供753管給通過他們的銀焊認證的工廠,因為753的強度極高,所以管壁可以做的極薄,是場地賽選手經常使用的武器.不過,相較於現代的氬焊技術,銀焊顯然增加了許多不必要的重量. Reynolds公司建議配合725的後下叉. 531 - 冷鍛 UTS:700900Mpa 1935年就推出了,是Reynolds公司進行發展的基礎.也是市場是第一組雙抽管. 仍然許多的旅行車是使用這款老忠實製造的.建議的接管方式是銅焊, Reynolds公司提供兩組管組:competition, super tourist.铝合金 (Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu))铝材料概述很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从“轻”来说,当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是“虽轻但易弯曲”。虽然经过多次改进,但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架,为了提高杨氏弹性模量,加大管道外径,使用扁平管,或者对铝管进行热处理等,制造出轻而有刚性的车架,这种最新的铝合金车架对车手来说,具有足够的轻量与刚性。 铝合金是纯铝中加入Mg,Zn,Si,Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点,加入其他金属后显著提高了机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系(Al-Mg-Si)和7000系(Al-Zn-Mg-Cu)两种,经过热处理(铝耐高温,在高温下能改变性质)可以制成名种各样的材料。 2 铝合金车架的优点可以制作重量轻的车架 铝的比重轻但不够硬,为了增强强度把它制成合金并施予热处理。热处理采用时效析出增强法,简单地说,在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时,会引起时效析出,若没有经过这个程序的车架,也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。 许多铝合金制车架用6061T6材料来制造。T6标志表示经过热处理、时效。若没有热处理的话强度只能达到1/2,或者1/5的程度。 有7075标志的自行车零件(如XTR曲柄等),严格来讲没有经过热处理。也就是说因没有时效,因此是常温时效。7075合金本来就必要进行热处理,通过热处理其强度可以增加5倍。 另外,7005合金也常用来制造车架,它的强度比不上7075,但是它在常温下也能够进行足够的时效的材料。这种材料也可用Padded加工制成薄料。但是材料本身的强度及杨氏弹性模量低,因此加粗管道直径来提高刚性。通常被称作铝制粗管道的是这种类型。 长时间使用外观不怎么变化 铝本身是很容易受腐蚀的金属,在空气中几乎不存在没有被氧化的铝,放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。为什么不生锈呢?原因是该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白)。 另一方面,骑这种材料制造的自行车时,骑的次数越多,应力发生的次数也高,强度也显著引起变化。近来为了谋求轻量,许多车架使用薄料来制作(薄的程度已达到极限)。这些都是使用没有疲劳极限的铝合金来制作车架,到底长时间使用后强度变化将是如何呢!Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有喷丸硬化加工(KET处理)的管道,这种加工的目的是延长疲劳的寿命。根据公开的数据,能提高140%。,KET处理是:疲劳破坏是在金属表面上所发生的裂缝为起因,因此用硬化加工技术来提高金属表面的硬度。3 铝合金车架的缺点 1).铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道,或者改变形状如cross-over管、padded管等。 (2).需要进行热处理 必须进行热处理,否则强度不够。因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。尤其是6000系的铝合金管,多数情况是管道厂家指定热处理条件。自行车上最常见的铝合金型号6000 7000 7075 7005 6061 2093 2000 6061高低成色 原色矿石铝合金 阿伯其铝合金 一、分类 :展伸材料分非热处理合金及热处理合金1.1 非热处理合金:纯铝1000系,铝锰系合金3000系,铝矽系合金4000系,铝镁系合金5000系。 1.2 热处理合金:铝铜镁系合金2000系,铝镁矽系合金6000系,铝锌镁系合金7000系。二、合金编号:我国目前通用的是美国铝业协会Aluminium Association的编号。 举例说明如下:1070-H14(纯铝) 2017-T4(热处理合金) 3004-H32(非热处理合金) 2.1第一位数:表示主要添加合金元素。 1:纯铝 2:主要添加合金元素为铜 3:主要添加合金元素为锰或锰与镁 4:主要添加合金元素为矽 5:主要添加合金元素为镁 6:主要添加合金元素为矽与镁 7:主要添加合金元素为锌与镁 8:不属於上列合金系的新合金 2.2第二位数:表示原合金中主要添加合金元素含量或杂质成分含量经修改的合金?BR0:表原合金 1:表原合金经第一次修改 2:表原合金经第二次修改 2.3第三及四位数: 纯铝:表示原合金 合金:表示个别合金的代号 -:后面的Hn或Tn表示加工硬化的状态或热处理状态的链度符号 -Hn :表示非热处理合金的链度符号 -Tn :表示热处理合金的链度符号6000系被认为是耐腐蚀、强度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061合金的机械强度。 7000系是铝合金中最强的材料。尤其是7075是特超硬铝(制造飞机的材料),但是它的焊接难度大,耐腐蚀性差(会发白)等。下表表示使用最多的7005和7075合金的机械特性。表中的有关热处理以如下数字来表示: -0:完全退火 -T5:人工时效(无溶体化处理) -T6:溶体化处理后人工时效 -T7:溶体化处理后稳定化处理 -T8:溶体化、硬化加工、人工时效 6061合金的机械特性 热处理 T5 T6 T83 伸长强度 (MPa) 190 246 260 耐力(MPa) 148 218 246 伸长() 12 12 11 剪断强度(MPa) 119 155 155 布氏硬度 60 73 82 疲劳强度(MPa) 67 67 7005,7075合金的机械特性 合金名称 7005 (7003) 7075 T6 热处理 T53 0 0 T651 伸长强度(MPa) 345 230 597 耐力(MPa) 305 107 526 疲劳强度(MPa) 130 163 163 伸长() 17 11 E(GPa) 74 74 746061和7005的技术指标相接近,7005比6061更硬,且可以抽制db不等管,山地车架极端轻量15寸可做1400多克,公路车架可做到48架高1200多克,据说经过7道延展工艺后的tb管还可以令车架再轻100到150克。从98年开始,台湾就在研究一款比6061和7005更好,但比钪合金更便宜的铝材料来做车架,后来就诞生了u6(6063铝合金),u6并不是6000级铝族的一个延伸,这仅是其一个代号,据说还有个别名,这种铝材的强度重量比和7005更高,但不如钪合金铝,但是材料中由于添加成分不同,所以铝材居然具有了新的特性,也就是具有了一点弹性,这种铝生产车架也不会产生类似6061和7005的死硬,用于攀爬车架的时候,后叉的这点弹性可以避免车架更容易遭受冲击的直接伤害,将冲击力度花费在轻微的金属型变上,目前国内最著名的两家攀爬车架公司深圳的echo和石家庄的speedrace,都使用u6铝合金生产其出口级铝架。另外还有些比如闪电s-work采用的特殊铝材(有人称其为u7),以及目前最新的加入了钛敲击声如陶瓷的KINESIUM合金.今年年低或者明年,还可能会出现u8合金,现在正在研制中。7075是可以焊接的但难度极大,使用4000号焊条,但是这种焊条的强度不足,只能用于焊车架过线器等部位,所以目前7075不适合规模化做车架。 7075目前台湾已经开始生产,过去是美国军方的一种机密金色,用于做战斗机外壳,铝中添加了大量的锰,使得硬度非常的高,但是脆性也是非常的大,其金属具有特殊的分子方向型,这种方向性成就了这种合金的朝硬度,所以这种铝不适合用于铸造件的生产,通常是金属合成后,锻造在cnc切割,以保持其金属分子方向性。目前世界上只有几个不多的工厂可以对其进行铸造保持分子方向性,如德国的西塔公司,就能铸造生产7075龙头。U6就是6063,mega-lite6066铝合金,具有比u6更好一点的弹性,speed race出口车架在204将会使用;另外,pulo车料在展会也展出了U6pro,基本上已经是u7,明年可能会出现u8。这些型号的强度差别不太大,原材料价格也差不了太多。6061为最常用的铝合金材料,汽车、摩托车包括自行车用得比较多,价格低,上到7系强度要大一些,工艺性相对6系铝材而言也要差一些(但铝合金材料的工艺性都很好),当然价格要高,但高不了太多(对于各种型号的铝合金的价格从网络上很简单的就可以知道个大体)。材料的区别并不是车架价格的主要因素,(以下只代表优秀品牌)研发才是主要的,某个车架,如果多用普及型管材,就算是用了7075,那价格也不会高到哪儿去,但如果多用异型管材和特殊结构,价格当然就上去了。美洲的很多品牌多用7005和7075,比如GT、MOUTAINCYCLE、ROCKYMOUNTAIN、KONA这一类的现在DA BOMB也多用7系铝了,捷安特也把6系档次提高了,美丽达还在铝镁合金上下功夫。铝合金的牌号代表了他们的强度,强度越高越好,但强度与工艺也有关,比如T6之后的6061-T6的强度与SS400有相同的相许应力,也就是说其硬度可能大于没有T6的7075,而且CNC的强度更大,比如SHIMANO的XTR曲柄严格来讲没有经过T6,所以即使是用了7075CNC的盘片和曲柄,还是有人说TV的比它硬.一般是牌号越大,就越硬.不过像2014 2024的是超硬铝.1,3,4系属非热处理铝,6061不能CNC,这里不谈这些.拿LZ的7005来说,7005铝是由Al-Zn-Mg-Cu合成的,密度2780KG/M3,在加工上,7005液相线温度是643C,固相线温度是604C,退火温度是345C400C T53:挤压机淬火后,先以自然时效72h而后人工时效60-110C要8h 145-155C要16h.但是7005如果热处理不妥,会有应力腐蚀.不过LZ用7005的也很不错了. 一般情况下1xxx是纯铝,3xxx是铝锰合金,这两个系列都不是很好,强度也是最差的,5xxx是铝镁合金,强度一般也不是很高,在向上面就是6xxx,自行车上面一般都是6061或者6063的,这种比较常见,再向上面就是2xxx,一般2024 2017,这种还可以,但是因为含铜,比较容易腐蚀,最好的就是7xxx,一般自行车上面采用的是6061 6063 7005 7075 ,7075比7005好,一般情况下,保持40公里每小时,撞倒什么东西不会变形。 1. 目前铝合金车架普遍使用的材料是7005与6061两种。 2. 7000系列主要以锌为主要合金,成分比例达到6。6000系列主要以镁和矽为主要合金,总成分比例较低。 3 论强度的话7005较强,但只是稍微强一点,从表中可以看出来,yield strength(让铝材永久弯曲变形的力度)只比6061强一点。 4 所有用作车架材料的铝合金都经过热处理T6, 5 但论整体来讲,6061是较好的材料。由于7005含其他金属比例高,所以焊接,处理都比较困难,尤其是7075(后两个数字代表含合金比例)它的比例更高,所以一般是不能用作车架的材料。相比之下,6061由于含其他金属比例较低,因此可以通过异型,各种处理来增加它的强度和减低它的风阻,甚至可以做到3次抽管来减低重量。 6 虽然7005管购买价比较高,但整体来讲6061的生产成本比较高,因为6061所经过的热处理和其他工序比较烦琐复杂。因此6061的车架一般比较贵。也因此大多比较高端的车架(如TCR)也使用6061.纯铝的硬度不高,比较软,但是合金就很硬了。通过加入不同的金属可以得到各种合金,6061,7005,7075都是铝合金的型号。 6061是最普遍的铝材,轻,强度好,而且经济实惠。 7005是轻化铝材,强度比6061稍微高点,但是轻了很多,价格也高。7075是最轻且强度最高的的铝材,价格也超级贵!7075的强度不亚于钢了。 另外还有就是Estane铝材,estane是-聚氨基甲酸乙酯,是一种弹性纤维,混合在铝材中,可以彻底解决铝合金的硬度过高的问题。还没见过有哪种estane铝材的车架价格低于7000人民币。主要用来做DH,目前知道的就只有Giant DH team了。DH comp是7075 T6,DH team是 7075 estane,外观一样,差别就跟XT与XTR一样,材料的本质差别。这也可以解释同样都是铝合金的车架,为什么便宜的只有几百,贵的就上好几千。最后,还有一个T6,是一种金属加工工艺,T6标志表示经过热处理、时效。若没有热处理的话强度只能达到1/2,或者1/5的程度。 T6 是一种热处理工艺,为了使金属表面产生淬火层,达到更高的硬度。一次T6 热处理要花二十多个小时。 热处理,在进行T6热处理之前,一般是进行T4热处理,时间长度为十几个小时,之后出热处理炉,冷却,校形,再进入T6 热处理炉,做二十多个小时的T6热处理。之后出来再检查一下是否需要校正,不需要的就可以开始做图装,打标出厂了。其实热处理的种类非常多,像以前美利达帮闪电作的一款架子上面使用的是U7热处理工艺,那个的具体工艺流程就不知道了。铝合金型材生产铝合金型材生产包括熔铸、挤压和氧化三个过程。1.熔铸是铝材生产的首道工序。主要过程为:(1)配料:根据需要生产的具体合金牌号,计算出各种合金成分的添加量,合理搭配各种原材料。(2)熔炼:将配好的原材料按工艺要求加入熔炼炉内熔化,并通过除气、除渣精炼手段将熔体内的杂渣、气体有效除去。(3)铸造:熔炼好的铝液在一定的铸造工艺条件下,通过深井铸造系统,冷却铸造成各种规格的圆铸棒。2、挤压:挤压是型材成形的手段。先根据型材产品断面设计、制造出模具,利用挤压机将加热好的圆铸棒从模具中挤出成形。常用的牌号6063合金,在挤压时还用一个风冷淬火过程及其后的人工时效过程,以完成热处理强化。不同牌号的可热处理强化合金,其热处理制度不同。3、氧化:挤压好的铝合金型材,其表面耐蚀性不强,须通过阳极氧化进行表面处理以增加铝材的抗蚀性、耐磨性及外表的美观度。其主要过程为:(1)表面预处理:用化学或物理的方法对型材表面进行清洗,*出纯净的基体,以利于获得完整、致密的人工氧化膜。还可以通过机械手段获得镜面或无光(亚光)表面。(2)阳极氧化:经表面预处理的型材,在一定的工艺条件下,基体表面发生阳极氧化,生成一层致密、多孔、强吸附力的AL203膜层。(3)封孔:将阳极氧化后生成的多孔氧化膜的膜孔孔隙封闭,使氧化膜防污染、抗蚀和耐磨性能增强。氧化膜是无色透明的,利用封孔前氧化膜的强吸附性,在膜孔内吸附沉积一些金属盐,可使型材外表显现本色(银白色)以外的许多颜色,如:黑色、古铜色、金黄色及不锈钢色等。钛合金(Ti,Ti-Al-V) 钛合金是在纯钛中掺入了很多不同种类的金属,有铝,钒等等等等,非常多,掺入不同的金属可以制造出特性差异极大的钛合金出来,纯钛因为太软所以不是很适合使用在受力较大的运动器械上。在钛金属中添加铝和钒,弹性更高(和铝比较),也有利于设计。可以制作轻量而强度大的车架。钛合金优点不生锈 钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如,不同种类的合金接合在一起时,成为电极状态,电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏,如商品名:Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失,即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧,接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为“粘住”,它和“烘焙”是不同的。 “粘住、咬合”:金属之间通过腐蚀来接合的现象。 “烘焙接合”:加工金属时所产生的热量来溶融接合。 骑感好 钛也用在避震器的弹簧上。现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行。有些车手酷爱钛制车架,认为骑感极佳。但是个人各异,有人和铬钼钢比较后认为,铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好,骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关)。假若钛管的加工技术得到进一步改进,也许会有和铬钼钢同样的骑感。 有些钛制车架使人感到摇摆,这也许是使用plane管(没有加padded的,厚薄不能变化的管)有关。或者虽使用高强度的钛合金,但没有用薄的管等也有关系。 钛合金车架的缺点 价格高 钛在自然界以二氧化钛的形态存在,提练及加工过程复杂,技术要求高,并花时间因此成本高。再有溶接加工极为困难,因为钛和氧的亲和力极强,和空气接触后马上变成二氧化钛,而二氧化钛硬而脆,该部分的强度会不断下降。因此用惰性气体小心焊接。通常所说的Tig焊接是:(Tig:钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接。钛的焊接必需隔绝空气下进行。由于以上原因钛车架价格很贵。 近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵,这说明钛合金车架的价格下降了。其因是冷战结束后军费缩小,钛的用量少了;优秀的技术员开始用钛来制作车架;制作钛车架的成本降低等原因。 历史 美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是“轻而硬”。早期的钛合金车架,作为比赛用车,刚性不足,其车架不适合于长距离赛车,也不是适用于所有的比赛,只适合用在山地,或者Big reces, Time traial等需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷,曾经有些热中于轻量化的骑手,把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉,贵而稀有,实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高,价格才较贵。 金属钛比重轻、强度大,同时耐腐蚀性高的材料,一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高,热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度 钛合金的机械性能 合金名称 区分 拉伸强度(MPa) 耐力(Mpa) 伸长() E(GPa) 纯钛 JIS 3种 480620 345 18 105 Grade 4 550 480 15 PTT800 800 UTT75 750 3-2.5Ti 退火 685 590 20 6-4Ti 退火 980 920 14 110 时效处理 1160 1100 10一、钛合金特点钛合金是广泛地运用于航空航天技术领域的高性能材料,其重量轻、强度高、韧性好、耐腐蚀是其最显著的特点。对于制作自行车架来说,在众多的金属材料中,钛合金是唯一同时具有高强度、低密度,极好的抗疲劳和耐腐蚀性能,以及较低的弹性模数的材料,因此它是十分理想地制作车架的材料。此外,钛合金也广泛地应
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