自行车车架的铝合金材料及其加工工艺

祝春艳

摘要：本文在介绍了自行车车架及其材料的同时，重点对自行车车架铝合金材料的性能进行了研究，从实验的角度，证实了铝合金材料用于自行车车架加工的优势，并给出了具体加工工艺，仅供参考。

关键词：自行车车架；铝合金材料；加工工艺

前言：自行车是人民出行的代步工具之一，环保性较高，且可达到体育锻炼的目的。车架是自行车的主要组成部分，其材料的性能与自行车整体性能息息相关。目前，铝合金材料是自行车车架加工的主要材料，本文从实验的角度，對材料的应用优势以及加工工艺进行了深入研究：

1自行车车架及其材料

1.1自行车车架

作为自行车的主要构成部分，车架的主要功能在于承受自行车处于行驶状态时的冲击荷载Ⅲ。根据自行车车架材料以及设计工艺的不同，其在舒适度、安全性等方面，也存在一定差异，对驾驶者带来的使用体验也不尽相同。提高自行车车架的强度与刚度，是增强自行车稳定性与舒适度的关键，而提高车架的抗腐蚀性，则是延长其使用寿命的主要途径。

1.2自行车车架材料

自行车车架材料，以铝合金、碳纤维、镁合金、钛等为主，不同材料的杨氏弹性模量与密度差异较大。以铝合金为例，其杨氏弹性模量为70-79GPa，密度一般在2.5-3.0g/cm3之间。在上述四种材料中，碳纤维的杨氏弹性模量值最高，钛合金的密度值最大。杨氏弹性模量值是决定车架抗疲劳破坏能力的主要因素，其值越小，代表车架抗疲劳破坏能力越高。密度是决定车架重量的主要因素，密度越低，重量越小。将上述四种材料互相比较，铝合金用于自行车车架的制作，具有更大的优势。

2自行车车架的铝合金材料性能实验

为判断铝合金材料用于自行车车架的设计，是否能够满足自行车对于性能的需求，采用实验的方法，对其不同物质构成情况下铝合金材料的性能进行了分析与研究：

2.1实验准备

准备Mg、Si、Cu、Cr、Mn、Ti等材料，对其质量分数加以控制，为铝合金的制备以及性能测试做准备。共准备了3种材料质量分数不同的铝合金制各标准。

2.2实验流程

实验遵循以下流程：（1）准备合金制各所依赖的材料。（2）熔铸试棒，并挤压型材。（3）对一部分型材的性能进行测试，另一部分型材用于车架的制作。（4）对所制作成的车架的性能进行测试。（4）将型材性能测试与车架性能测试结果结合，分析是否能够达到自行车对性能的要求，如能够达到，则生产自行车，并进一步对其性能进行测试。

2.3车架制备

熔铸：（1）准备熔炼炉。（2）将金属原料置于熔炼炉中熔炼。（3）熔炼时间15-25min，后扒渣处理。（4）将熔炼后的材料浇筑，待冷却至室温后取出。

挤压：（1）采用热挤压方法挤压成型。（2）胚料外径控制在90mm，长度控制在300mm。（3）挤压杆速度控制在2-3mm/s。（4）温度控制在480℃。（5）模具预热450℃。（6）挤压机吨位控制在630T。

焊接：采用手工钨极氩弧焊方法焊接。

热处理：将材料淬火，后冷却至室温，直至形成饱和固溶体。

2.4测试方法

力学性能测试：采用铝合金韦氏硬度计测试铝合金材料硬度。

可靠性测试：采用水平力与垂直力可靠性测试方法，测试铝合金材料的可靠性。

2.4实验结果

（1）在合金中Si、Cu、Mn含量提高的条件下，材料反应后一般存在Si剩余，可有效提高铝合金的强度。

（2）在上述条件下，将铝合金上、下梁管壁厚度控制在1.4mm，制作出的山地车，车身重量可减轻1450g，且断裂次数明显减少，车架强度与刚度较强，可靠性较高。

3自行车车架的铝合金材料加工工艺

自行车车架铝合金材料的加工，对工艺的选择，应重视有关工艺参数对车架硬度、抗拉强度、延伸率等的影响。

3.1工艺参数与车架硬度

通过对固溶温度、时间、实效温度、实效时间的调整，对四项因素对车架硬度的影响进行了分析，发现固溶温度与时间对材料硬度的影响最为显著。

在Mg质量分数为0.8-1.2%间、Si为0.4-0.8%、Cu为0.15-0.4%、Cr为0.04-0.35%、Mn与Ti<0.15%时，将固溶温度控制在510℃、水淬时间控制在3h，后在170℃条件下保温4h空冷，此时车架的硬度可达到最高。

3.2工艺参数与抗拉强度

通过对固溶温度、时间、实效温度、实效时间的调整，对四项因素对车架抗拉强度的影响进行了分析，发现固溶温度与时效温度对材料抗拉强度的影响最为显著。

在Mg质量分数为0.8-1.2%间、Si为0.4-0.8%、Cu为0.15-0.4%、Cr为0.04-0.35%、Mn与Ti<0.15%时，将固溶温度控制在510℃、保温水淬时间控制在3h，后在170℃条件下保温4h空冷，此时车架的抗拉强度可达到最高。

3.3工艺参数与延伸率

通过对固溶温度、时间、实效温度、实效时间的调整，对四项因素对车架延伸率的影响进行了分析，发现时效时间和固溶温度对材料延伸率的影响最为显著。

在车架铝合金材料中各元素质量分数，以及固溶温度、保温水淬时间、空冷时间等，与上述参数相同的情况下，车架的延伸率同样可达到最高。结论：

铝合金材料中，Si、Cu、Mn含量的提高，可有效增强车架的强度，将Si质量分数控制在0.4-0.8%、Cu质量分数控制在0.15-0.4%，固溶温度控制在510℃、保温水淬时间控制在3h，在170℃条件下保温4h空冷，可使铝合金材料的强度、硬度、抗拉强度、延伸率均达到最高，采用该加工工艺，可有效增强自行车的使用性能，延长其使用寿命。