鋁合金 (Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)) 
  
很久以前就有用鋁合金製作的車架。輕而價格低是它的優點。但是從「輕」來說,當前與鐵素材比較相差並不大。老車手對它的反應是「雖輕但易彎曲 」。雖然經過多次改進,但是始終克服不了楊氏彈性模量低的缺點。最近的鋁合金車架,為了提高楊氏彈性模量,加大管道外徑,使用扁平管,或者對鋁管進行熱處理等,製造出輕而有剛性的車架,這種最新的鋁合金車架對車手來說,具有足夠的輕量與剛性。 
鋁合金是純鋁中加入Mg,Zn,Si,Cu等金屬的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕等優點,加入其他金屬後顯著提高了機械性能。自行車所使用的鋁合金多數為6000系(Al-Mg-Si)和7000系(Al-Zn-Mg-Cu)兩種,經過熱處理(鋁耐高溫,在高溫下能改變性質)可以製成名種各樣的材料。 
6000系被認為是耐腐蝕、強度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061合金的機械強度。 
7000系是鋁合金中最強的材料。尤其是7075是特超硬鋁(製造飛機的材料),但是它的焊接難度大,耐腐蝕性差(會發白)等。下表表示使用最多的7005和7075合金的機械特性。表中的有關熱處理以如下數字來表示: 
-0:完全退火 
-T5:人工時效(無溶體化處理) 
-T6:溶體化處理後人工時效 
-T7:溶體化處理後穩定化處理 
-T8:溶體化、硬化加工、人工時效

●鋁合金車架的優點 
  
(1).可以製作重量輕的車架 
鋁的比重輕但不夠硬,為了增強強度把它製成合金並施予熱處理。熱處理採用時效析出增強法,簡單地說,在金屬內形成一種妨礙金屬變形的物質。在某種高溫下進行熱處理時,會引起時效析出,若沒有經過這個程式的車架,也會引起常溫時效。就是說把車架放置在房間內也會逐漸變強。 
許多鋁合金制車架用6061T6材料來製造。T6標誌表示經過熱處理、時效。若沒有熱處理的話強度只能達到1/2,或者1/5的程度。 
有7075標誌的自行車零件(如XTR曲柄等),嚴格來講沒有經過熱處理。也就是說因沒有時效,因此是常溫時效。7075合金本來就必要進行熱處理,通過熱處理其強度可以增加5倍。 
另外,7005合金也常用來製造車架,它的強度比不上7075,但是它在常溫下也能夠進行足夠的時效的材料。這種材料也可用Padded加工製成薄料。但是材料本身的強度及楊氏彈性模量低,因此加粗管道直徑來提高剛性。通常被稱作鋁制粗管道的是這種類型。 
(2)長時間使用外觀不怎麼變化 
鋁本身是很容易受腐蝕的金屬,在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁,放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。為什麼不生銹呢?原因是該氧化膜達到一定的程度時防止繼續生銹。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發現變化(有時會發白)。 
另一方面,騎這種材料製造的自行車時,騎的次數越多,應力發生的次數也高,強度也顯著引起變化。近來為了謀求輕量,許多車架使用薄料來製作(薄的程度已達到極限)。這些都是使用沒有疲勞極限的鋁合金來製作車架,到底長時間使用後強度變化將是如何呢!Dedacciai公司製作的SC61 -10A等是表面施有噴丸硬化加工(KET處理)的管道,這種加工的目的是延長疲勞的壽命。根據公開的資料,能提高140%。,KET處理是:疲勞破壞是在金屬表面上所發生的裂縫為起因,因此用硬化加工技術來提高金屬表面的硬度。 

●鋁合金車架的缺點 
1).鋁是彈性率及剛性低的材料。因此採用粗的管道,或者改變形狀如cross-over管、padded管等。 
(2).需要進行熱處理 
必需進行熱處理,否則強度不夠。因此一般的規模不大的工廠無能力購買熱處理設備。尤其是6000系的鋁合金管,多數情況是管道廠家指定熱處理條件。 

鈦、鈦合金(Ti,Ti-Al-V) 
  
美國在60年代首次使用鈦合金來製作自行車車架。鈦合金給人的印象是「輕而硬」。早期的鈦合金車架,作為比賽用車,剛性不足,其車架不適合於長距離賽車,也不是適用於所有的比賽,只適合用在山嶽,或者Big reces, Time traial等需要輕型車的特定的場合。開始時鈦合金使一些人著迷,曾經有些熱中於輕量化的騎手,把所有的螺絲都換成鈦合金制的才滿意。鈦金屬給一些人錯覺,貴而稀有,實際上鈦是地球上埋藏量豐富的元素之一。只是由於合金的製作成本高,價格才較貴。 
金屬鈦比重輕、強度大,同時耐腐蝕性高的材料,一般用在特殊的環境裏。在金屬鈦裏添加鋁、釩(Li.V)時強度顯著提高,熱處理也和鋁合金一樣通過時效處理可以提高強度。

●鈦合金車架的優點 
(1).可以製作輕量而強度大的車架 
純鈦金屬的強度更高。在鈦金屬中添加鋁和釩,彈性更高(和鋁比較),也有利於設計。 
(2).不生銹:鈦在一般的環境下幾乎不會被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現象即異種金屬腐蝕。例如,不同種類的合金接合在一起時,成為電極狀態,電位差使局部通電引起腐蝕。對此現象採取的措施是用脂膏等來絕緣(混有金屬粉末的脂膏,如商品名:Ti Plepu等)。這種金屬粉末防止脂膏流失,即使流失後也用來防止緊密接觸。這種金屬粉末有導電性也不要緊,接觸後被較小的荷重破壞掉。這種現象稱為「粘住」,它和「烘焙」是不同的。 
「粘住、咬合」:金屬之間通過腐蝕來接合的現象。 
「烘焙接合」:加工金屬時所產生的熱量來溶融接合。 
(3).騎感好 
鈦也用在避震器的彈簧上。現在用鈦製成的車架適合於長時間的騎行。有些車手酷愛鈦制車架,認為騎感極佳。但是個人各異,有人和鉻鉬鋼比較後認為,鉻鉬鋼的車架衝擊吸收性比鈦車架好,騎感也比鈦車架好(這和鉻鉬鋼車架的形狀以及用薄的管的結果應力得到增大也有關)。假若鈦管的加工技術得到進一步改進,也許會有和鉻鉬鋼同樣的騎感。 
有些鈦制車架使人感到搖擺,這也許是使用plane管(沒有加padded的,厚薄不能變化的管)有關。或者雖使用高強度的鈦合金,但沒有用薄的管等也有關係。 
●鈦合金車架的缺點 
價格高。鈦在自然界以二氧化鈦的形態存在,提練及加工過程複雜,技術要求高,並花時間因此成本高。再有溶接加工極為困難,因為鈦和氧的親和力極強,和空氣接觸後馬上變成二氧化鈦,而二氧化鈦硬而脆,該部分的強度會不斷下降。因此用惰性氣體小心焊接。通常所說的Tig焊接是:(Tig:鎢、惰性氣體的略語)用鎢電極及氬氣體進行弧焊接。鈦的焊接必需隔絕空氣下進行。由於以上原因鈦車架價格很貴。 
近來有些鋁合金車架比鈦合金車架價格貴,這說明鈦合金車架的價格下降了。其因是冷戰結束後軍費縮小,鈦的用量少了;優秀的技術員開始用鈦來製作車架;製作鈦車架的成本降低等原因。 

碳纖維 (CERP) 
  
碳纖維車架的特徵是「輕、不彎曲、衝擊吸收性好」,但是,充分發揮碳纖維的優異性能,在技術上看起來不是那麼容易,各碳纖維材料廠家之間的品質差異也較大。自行車廠家考慮到成本問題,不大可能使用高等級的碳纖維來製作車架。雖然存在上述的現實問題,但是碳纖維車架還是具有其他素材所沒有的優點,可以製造8、9kg左右的輕量自行車,這種碳纖維輕量自行車,登坡時最能體現其優點,登坡順利而爽快。而不會像一些輕的鋁合金車架,登坡時感到有一種向後拉的力量。 
碳纖維是把碳纖維用樹脂凝固成形的東西。非常輕,但它是具有方向性的材料(拉伸強但容易斷),因此採用把薄料層層重疊的方法來解決缺點。(右圖)COLNAGO牌的碳纖維車架,2萬多元) 
●碳纖維車架的優點 
(1).可以製作重量輕的車架 
碳纖維車架是把碳纖維對著發生應力的方向層層疊而得到強度。碳纖維車架非常輕,這是它的密度和強的拉伸強度構成的。 
捷安特的碳纖維車架非常輕,2000年的型號1.2kg重 
(2).衝擊吸收性好 
碳纖維用來製作殘疾者運動時用的假腿,或者特殊的彈簧等被用在各領域。利用它的吸收衝擊力優異的性能,製作不用避震器的自行車。如SCOTT廠的ELEVATED車架是著名的。但是各個廠家之間的品質差異較大,有的很硬,因此這種車架乘騎後才能知道好或者不好。 
(3).可以製造各種形狀的車架 
碳纖維的基本成型方法是,在模具上鋪上纖維片然後流入樹脂並燒固。可以製成各種形狀的車架。如TREK的Y車架是著名的。 
●碳纖維車架的缺點 
(1).複雜的應力計算 
構成碳纖維車架的是碳纖維,它的特點是拉伸強度強,但剪斷強度弱,加工時需要進行複雜的應力計算(縱剛性、橫剛性),根據計算把碳纖維片重疊成型。加工技術各廠家各異,應選擇有經驗而可靠廠家的製品是很重要的。 
(2).難於更改尺寸 
由於作好模具後成型,難於更改尺寸。無法相應多尺寸多款式的訂單。 
(3).老化? 
使用樹脂因此會不會老化?這是一個存在的課題,它放置在陽光下時會逐漸變白。當然這種現象關係到廠家的技術。最好不要放置在陽光下。 

金屬為基體的混合物(M2,MMC) 
  
金屬為基體的混合物是在鋁素材中混入陶瓷粉末或者纖維等物體,使它析出增強,製造出強度大的材料。它的強度比鋁合金強許多,是一個新的素材。有的混入氧化鋁粉末。M4指的是再多加入兩種合金,用這種材料製成的車架衝擊吸收性更好。 
●金屬為基體的混合物車架的優點 
(1).可以製作重量輕的車架 
它和鋁合金比較,拉伸強度大,極薄的管也能保持強度,因此車架很輕。這種輕是有剛性的輕。 
(2).剛性高 
如SPECIALIZD的M2車架使人感到很結實,管的直徑也大,剛性也好。 
●金屬為基體的混合物車架的缺點 
(1).焊接 
關於這方面的資料很少,看實物焊珠部分正常,但是GUSSET就年年大型化。補強的目的是什麼?尚未清楚。陶瓷粉末在鋁母體中均衡地存在,進行焊接時陶瓷粉末能否均衡分散是個非常困難的事,能獲得何等程度的機械強度是大家所關心的事,總之,由GUSSET補強已達到相當的水準。 
(2).衝擊吸收性差 
關於這一點很多人有同樣的感覺,前部有避震器因此個人的感覺會有差異,但是後部非常明顯,衝擊力太大,會腰痛的。該材料的車架不適合於長途騎行。但是在時間短的比賽中能發揮威力。 

鎂合金

  
鎂的比重很輕(1.74),約鐵的1/5,鈦的2/5,鋁的2/3。它是不容易腐蝕的活性金屬。它廣泛用在各種領域裏,如照相器及電腦的外框、車輛的車圈等配件。通過合金化耐腐蝕性也得到進一步提高。 
●鎂合金車架的優點 
(1).可以製造重量輕的車架 
它比鋁密度低,可以製造輕的車架。楊氏彈性模量稍微低些,但是可以用加粗管直徑及橢園化等方法來解決。使用鋁合金的目的僅僅是為了減輕重量,將來可能會被鎂合金取代??鈦和鎂的研究課題稍不同,這兩種金屬今後仍然會活躍下去。 
(2).加工性好 
鎂制車架加工不會差。切粉的燃燒、爆炸等能夠通過合金元素來回避的話,剪斷、溶接性可能不會差。和鈦比較起來加工性好。 
●鎂合金車架的缺點 
(1).耐腐蝕性如何? 
生產鎂車架的廠商都說耐腐蝕性好。但是這方面的資料當前還很少,耐腐蝕性好到何種程度難於判斷。鎂是劇烈氧化的金屬,不小心操作錯了很容易爆炸,純鎂一般不能使用,添加其他金屬(鋁、鋅、錳等)製成合金來使用,製成的鎂合金強度、機械性能都得到提高。有些人曾經使用過鎂合金制用具,如摩托車的曲柄套等、他們說:「雖然用了很久,但是很好,不會象鋁般發白。 
(2).鎂的楊氏彈性模量(決定剛性的因素)比鋁低許多,要增加其剛性管的直徑要大,這可能會影響對空氣的阻抗?。 
(3).成本如何?鎂已經用在筆記本電腦的框體上,用它來製作車架成本將是如何?現在尚未知。

 

文章轉載自 天下一家鐵馬家族

http://tw.myblog.yahoo.com/jw!N0.58VqLEwM86GZi5QZM/article?mid=159&next=158&l=f&fid=19

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