自行車車架的鋁合金材料及其加工工藝

祝春艷

摘要：本文在介紹了自行車車架及其材料的同時(shí)，重點(diǎn)對(duì)自行車車架鋁合金材料的性能進(jìn)行了研究，從實(shí)驗(yàn)的角度，證實(shí)了鋁合金材料用于自行車車架加工的優(yōu)勢(shì)，并給出了具體加工工藝，僅供參考。

關(guān)鍵詞：自行車車架；鋁合金材料；加工工藝

前言：自行車是人民出行的代步工具之一，環(huán)保性較高，且可達(dá)到體育鍛煉的目的。車架是自行車的主要組成部分，其材料的性能與自行車整體性能息息相關(guān)。目前，鋁合金材料是自行車車架加工的主要材料，本文從實(shí)驗(yàn)的角度，對(duì)材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及加工工藝進(jìn)行了深入研究：

1自行車車架及其材料

1.1自行車車架

作為自行車的主要構(gòu)成部分，車架的主要功能在于承受自行車處于行駛狀態(tài)時(shí)的沖擊荷載Ⅲ。根據(jù)自行車車架材料以及設(shè)計(jì)工藝的不同，其在舒適度、安全性等方面，也存在一定差異，對(duì)駕駛者帶來(lái)的使用體驗(yàn)也不盡相同。提高自行車車架的強(qiáng)度與剛度，是增強(qiáng)自行車穩(wěn)定性與舒適度的關(guān)鍵，而提高車架的抗腐蝕性，則是延長(zhǎng)其使用壽命的主要途徑。

1.2自行車車架材料

自行車車架材料，以鋁合金、碳纖維、鎂合金、鈦等為主，不同材料的楊氏彈性模量與密度差異較大。以鋁合金為例，其楊氏彈性模量為70-79GPa，密度一般在2.5-3.0g/cm3之間。在上述四種材料中，碳纖維的楊氏彈性模量值最高，鈦合金的密度值最大。楊氏彈性模量值是決定車架抗疲勞破壞能力的主要因素，其值越小，代表車架抗疲勞破壞能力越高。密度是決定車架重量的主要因素，密度越低，重量越小。將上述四種材料互相比較，鋁合金用于自行車車架的制作，具有更大的優(yōu)勢(shì)。

2自行車車架的鋁合金材料性能實(shí)驗(yàn)

為判斷鋁合金材料用于自行車車架的設(shè)計(jì)，是否能夠滿足自行車對(duì)于性能的需求，采用實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)其不同物質(zhì)構(gòu)成情況下鋁合金材料的性能進(jìn)行了分析與研究：

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備Mg、Si、Cu、Cr、Mn、Ti等材料，對(duì)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以控制，為鋁合金的制備以及性能測(cè)試做準(zhǔn)備。共準(zhǔn)備了3種材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的鋁合金制各標(biāo)準(zhǔn)。

2.2實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)遵循以下流程：（1）準(zhǔn)備合金制各所依賴的材料。（2）熔鑄試棒，并擠壓型材。（3）對(duì)一部分型材的性能進(jìn)行測(cè)試，另一部分型材用于車架的制作。（4）對(duì)所制作成的車架的性能進(jìn)行測(cè)試。（4）將型材性能測(cè)試與車架性能測(cè)試結(jié)果結(jié)合，分析是否能夠達(dá)到自行車對(duì)性能的要求，如能夠達(dá)到，則生產(chǎn)自行車，并進(jìn)一步對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

2.3車架制備

熔鑄：（1）準(zhǔn)備熔煉爐。（2）將金屬原料置于熔煉爐中熔煉。（3）熔煉時(shí)間15-25min，后扒渣處理。（4）將熔煉后的材料澆筑，待冷卻至室溫后取出。

擠壓：（1）采用熱擠壓方法擠壓成型。（2）胚料外徑控制在90mm，長(zhǎng)度控制在300mm。（3）擠壓桿速度控制在2-3mm/s。（4）溫度控制在480℃。（5）模具預(yù)熱450℃。（6）擠壓機(jī)噸位控制在630T。

焊接：采用手工鎢極氬弧焊方法焊接。

熱處理：將材料淬火，后冷卻至室溫，直至形成飽和固溶體。

2.4測(cè)試方法

力學(xué)性能測(cè)試：采用鋁合金韋氏硬度計(jì)測(cè)試鋁合金材料硬度。

可靠性測(cè)試：采用水平力與垂直力可靠性測(cè)試方法，測(cè)試鋁合金材料的可靠性。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）在合金中Si、Cu、Mn含量提高的條件下，材料反應(yīng)后一般存在Si剩余，可有效提高鋁合金的強(qiáng)度。

（2）在上述條件下，將鋁合金上、下梁管壁厚度控制在1.4mm，制作出的山地車，車身重量可減輕1450g，且斷裂次數(shù)明顯減少，車架強(qiáng)度與剛度較強(qiáng)，可靠性較高。

3自行車車架的鋁合金材料加工工藝

自行車車架鋁合金材料的加工，對(duì)工藝的選擇，應(yīng)重視有關(guān)工藝參數(shù)對(duì)車架硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等的影響。

3.1工藝參數(shù)與車架硬度

通過(guò)對(duì)固溶溫度、時(shí)間、實(shí)效溫度、實(shí)效時(shí)間的調(diào)整，對(duì)四項(xiàng)因素對(duì)車架硬度的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)固溶溫度與時(shí)間對(duì)材料硬度的影響最為顯著。

在Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8-1.2%間、Si為0.4-0.8%、Cu為0.15-0.4%、Cr為0.04-0.35%、Mn與Ti<0.15%時(shí)，將固溶溫度控制在510℃、水淬時(shí)間控制在3h，后在170℃條件下保溫4h空冷，此時(shí)車架的硬度可達(dá)到最高。

3.2工藝參數(shù)與抗拉強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)固溶溫度、時(shí)間、實(shí)效溫度、實(shí)效時(shí)間的調(diào)整，對(duì)四項(xiàng)因素對(duì)車架抗拉強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)固溶溫度與時(shí)效溫度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響最為顯著。

在Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8-1.2%間、Si為0.4-0.8%、Cu為0.15-0.4%、Cr為0.04-0.35%、Mn與Ti<0.15%時(shí)，將固溶溫度控制在510℃、保溫水淬時(shí)間控制在3h，后在170℃條件下保溫4h空冷，此時(shí)車架的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到最高。

3.3工藝參數(shù)與延伸率

通過(guò)對(duì)固溶溫度、時(shí)間、實(shí)效溫度、實(shí)效時(shí)間的調(diào)整，對(duì)四項(xiàng)因素對(duì)車架延伸率的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)時(shí)效時(shí)間和固溶溫度對(duì)材料延伸率的影響最為顯著。

在車架鋁合金材料中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及固溶溫度、保溫水淬時(shí)間、空冷時(shí)間等，與上述參數(shù)相同的情況下，車架的延伸率同樣可達(dá)到最高。結(jié)論：

鋁合金材料中，Si、Cu、Mn含量的提高，可有效增強(qiáng)車架的強(qiáng)度，將Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.4-0.8%、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.15-0.4%，固溶溫度控制在510℃、保溫水淬時(shí)間控制在3h，在170℃條件下保溫4h空冷，可使鋁合金材料的強(qiáng)度、硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率均達(dá)到最高，采用該加工工藝，可有效增強(qiáng)自行車的使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。