論鎂合金自行車車架應用進展

1、論鎂合金自行車車架應用進展        文章標題：論鎂合金自行車車架應用進展摘要詳細介紹了鎂合金適用于自行車架的性能、鎂合金的加工性能及鎂合金車架的制造工藝、國內(nèi)外自行車架的鎂合金使用狀況，并對鎂合金應用于自行車架的前景作了展望。關鍵詞鎂合金；性能；自行車車架；應用分類號TG146.221概述鎂合金作為目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，廣泛應用于航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、通訊電子業(yè)等領域。鎂合金突出的優(yōu)異性能受到了自行車生產(chǎn)廠家與客戶的青睞，逐漸被各大公司應用于自行車的零部件生產(chǎn)。近年來，國內(nèi)外的許多公司紛紛開始了鎂合金

2、自行車架的研發(fā)，許多知名廠商已經(jīng)成功地生產(chǎn)出性能優(yōu)越的鎂合金車架自行車并投入使用，取得了很好的效果。2鎂合金的性能2.1鎂合金適用于自行車車架的優(yōu)異性能表1鎂合金與鋁合金、塑料、普通鋼的性能參數(shù)性能參數(shù)AZ91DAM60A380ABSQ215密度(g*cm-3)1.811.792.741.057.86抗拉強度(MPa)23022032045335450比強度138.1122.9116.842.942.657.3彈性模量(GPa)4545722.1190210比剛度24.925.126.32.024.226.7如表1所示，應用于自行車架的材料中，鋼的強度和剛度是最好的。同時，鎂合金的抗拉強度，彈

3、性模量也明顯低于鋁合金和鋼。但是，鎂合金的比剛度與鋼、鋁合金幾乎相同，比強度更是優(yōu)于鋁合金，幾乎是鋼的2倍。因此，鎂合金在進行自行車架設計時，通過截面變化及表面處理等手段，可以減輕鎂合金性能低的不利因素，改善鎂合金的使用性能。許多鎂合金都具有優(yōu)異的減振性能，能吸收沖擊與振動。鎂合金的單位減振性能比硬鋁高100倍，比合金鋼高20倍，比鈦合金高300500倍。這一特點使以鎂合金為車架的自行車具有更好的騎行舒適性。鎂合金的優(yōu)點還有（）疲勞無記憶性能突出2。（）密度低，很大程度上減輕了車身質(zhì)量。（）接觸性、生物相容性好。鎂合金在生物領域的應用日益廣泛，舒適的接觸性，使其非常適合用于與人體緊密接觸的零部

4、件；（）易于回收3，環(huán)境負荷小，被稱為“綠色材料”。2.2鎂合金的加工及使用性能鎂的標準電極電位是-2.37V，電負性很強，耐蝕性很差。在潮濕的空氣中會發(fā)生腐蝕，生成氧化膜薄層。這種薄層脆性大，疏松，耐蝕性很差，在使用過程中需要增加工藝來對其進行防護。常用的保護方法有三種，一種是添加或消除某些相容性材料構(gòu)成復雜合金或者復合材料。常見的添加材料有Mn、Fe、Zr、Si、Ni、SiC、TiC等。合理的控制添加物的比例，不僅可以滿足使鎂合金增強的效果，還能適當?shù)谋Ｗo鎂合金減小腐蝕。另外一種方法是表面處理。常用的方法是化學氧化膜、陽極氧化膜、表面陶瓷化、電鍍、化學鍍、氣相沉積、涂層、氮離子改性、激光表

5、面處理等。需要注意的是，不同的表面處理對鎂合金都具有保護作用，但是得到的鎂合金的表面硬度、耐磨性、強度、導電性等各項性能會有很大差異。第三種方法就是合理掌握零部件工藝設計。比如圓角比尖銳的邊角更不易被腐蝕。另外，在水蝕、鹽蝕、高溫等化學環(huán)境中，應盡量避免使用鎂合金部件4。壓鑄鎂合金已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，目前，絕大部分鎂合金的應用部件是壓鑄件。鎂合金用于壓鑄具有很多優(yōu)點：（1）生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好，易成形，有時甚至可以取消隨后的機加工。（2）制造成本低。鎂合金具有低熔化潛熱，低比熱，低溶鐵性，可以使用任何鑄造工藝來成形。（3）壓鑄鎂合金壽命長，鎂合金熔化和壓鑄時不與鐵反應,因此其熔化耗能少,

6、凝固速度快,壓射周期短,同時鎂合金不沖擊鋼模和工具，使壓鑄型壽命長達20萬次以上5。鎂合金粘度很小，利于脫模。壓鑄鎂合金同時具有以下一些缺點：（1）體積收縮率大。純鎂在結(jié)晶凝固時，體積收縮率為4.2，從熔點923K降溫至室溫時，體積收縮率約為5。鎂合金的收縮率與純美極為接近。由于鎂合金的鑄造及冷卻收縮率很大，鑄造鎂合金會產(chǎn)生微孔，鑄件具有低韌性和高缺口敏感性。（2）壓鑄鎂合金的試模成本較高，試模時間較長。大多數(shù)鎂合金零件的原始設計不是鎂合金,而是鋁合金、鋼板沖壓和塑料件等        ,其最初的結(jié)構(gòu)和尺寸與最終采

7、用的鎂合金零件結(jié)構(gòu)可能會有很大的變化,而且在試裝階段還有可能更改結(jié)構(gòu)。這種情況有可能導致模具報廢，重新設計模具，增加成本。（3）鎂的鑄造燒損率高。鎂的表面活性很高，壓鑄時燒損率最高可達4。近幾年來，鎂合金壓鑄技術不斷發(fā)展，國際上常用半固態(tài)金屬流變壓鑄法。這種方法具有充型平穩(wěn)、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全、可以減少鑄件內(nèi)孔洞類缺陷等優(yōu)點6。中國的力勁集團對于鎂合金的壓鑄問題研究深入，已經(jīng)在國內(nèi)首先利用半固態(tài)金屬流變壓鑄獲得了較好的鎂合金試件4。與壓鑄鎂合金相比，焊接鎂合金不用模具，節(jié)約了成本；操作更為簡便；便于將各個部件進行組合。但是鎂合金的焊接性能并不好，所以，焊接鎂合金并不常

8、見。鎂合金在焊接過程中會遇到如下問題7：（1）粗晶問題。鎂合金熱傳導率較大，焊接時需要較大的熱源，焊縫附近出現(xiàn)金屬過熱和晶粒長大的現(xiàn)象。（2）氧化、氮化和蒸發(fā)。高溫下，鎂容易被氧化、氮化生成夾雜物，破壞接頭的性能。另外，鎂的沸點只有1100，焊接時很容易蒸發(fā)。（3）變形和下塌。鎂的熱膨脹系數(shù)比較大，高溫電弧下很容易產(chǎn)生較大變形并引起很大的熱應力。同時，鎂的表面張力很小，容易形成塌陷。（4）氣孔。氫氣在鎂中的溶解度隨溫度升高而增大，焊接時，氫氣進入鎂中，同時，鎂的密度小，氣體不易逸出。這樣，焊接過程會形成氣孔。（5）熱裂紋。鎂合金焊接時，組織中低熔點化合物首先熔化，出現(xiàn)空穴或者晶界氧化現(xiàn)象，即產(chǎn)

9、生了熱裂紋。（6）燃燒。高溫下操作時，即使在氣氛保護下，鎂合金焊接時仍會產(chǎn)生大量氧化鎂濃煙及臭氧，甚至出現(xiàn)飛濺、燃燒等劇烈的氧化現(xiàn)象，操作要十分小心8。目前鎂合金的焊接問題正逐步得到解決。目前公認較好的幾種焊接工藝主要是混合焊以及慣性摩擦焊?；旌虾甘菍⒓す夂负蜌寤『附Y(jié)合在一起，這樣做比單獨使用其中一種方法更有優(yōu)勢?？梢詫崿F(xiàn)晶粒細小均勻、無下陷、提高能量利于率等優(yōu)點，達到鎂合金的高效、優(yōu)質(zhì)連接9。慣性摩擦焊適用于異種金屬的焊接，通過慣性摩擦焊，基本可以得到性能可靠的焊接接頭10,11。除此之外，熔化極氣體保護焊、攪拌摩擦焊、電子束焊、點焊等也是常用于鎂合金的焊接方法12。3鎂合金自行車架的生產(chǎn)工

10、藝3.1壓鑄法壓鑄是目前鎂合金成型最成熟、應用最廣的工藝方法。壓鑄分為熱室鑄造和冷室鑄造。用于生產(chǎn)自行車車架的是熱室壓鑄方法。如英國的Kirtprecision公司用熱室壓鑄生產(chǎn)AZ91P鎂合金自行車車架。北京首鋼集團與河北遠東集團組合而成的北京首鋼遠東鎂合金制品有限公司，推出壓鑄法生產(chǎn)的折疊式鎂合金電動自行車13。3.2焊接法車架更新?lián)Q代非?？?，壓鑄件的鑄模成本很高。而焊接的車架易于設計和成形，因此采用變形鎂合金彎曲成車架是一種非常經(jīng)濟的方法。因此鎂合金車架材料應具有高的擠壓能力和焊接能力。目前許多焊接方法已經(jīng)可以容易地將鎂合金焊接成車架，因此焊接將是鎂合金車架的主要成形方法。焊接的效率非常

11、高，因此許多鎂合金都不需要進行熱處理，這樣使加工控制很穩(wěn)定，成本較低14。4鎂合金自行車架的現(xiàn)狀目前，自行車正朝著輕便化、高強度、高舒適度、低成本的方向發(fā)展。國內(nèi)外的自行車研究人員更是將自行車的省力與安全性能放在了首位。鎂合金的強度不如鋼，因此鎂合金最初應用于自行車僅限于少數(shù)零件，如手把、前叉、腳踏板等。研究人員發(fā)現(xiàn)，自行車架的斷裂往往發(fā)生在焊接結(jié)合點處，例如前管與下管結(jié)合點處，立管與下管結(jié)合點處15。這說明自行車架的使用材料只要達到一定的要求即可，不必完全局限于鋼材料。鎂合金性能雖然不如鋼，但是其性能已經(jīng)可以滿足自行車架的要求,而且鎂合金質(zhì)輕，也恰好符合自行車的發(fā)展方向。從國外來看，俄羅斯的

12、JIAETX公司1.3kg的鎂合金車架已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)；日本的自行車廠家也聯(lián)合日本千葉工業(yè)大學成功研制了鎂合金自行車車架16；英國KirkPrecision公司壓鑄的AZ91HP鎂合金自行車架,不但重量輕,而且強度和韌性高,造型美觀，價格上也可與鋼車架競爭。另外，世界頂級自行車生產(chǎn)廠商，如Pinarello、Mozo、Paketa等也先后研制了鎂合金自行車架并投產(chǎn)。我國大陸地區(qū)對于鎂合金自行車架的研究晚于世界發(fā)達國家，目前鎂合金零部件的研究與發(fā)展較為迅速。北京首鋼遠東公司鎂合金車架自行車早已投產(chǎn)，并且已批量生產(chǎn)出鎂合金電動自行車，整車重量只有2430kg13。另外，重慶鎂業(yè)、重慶大學也聯(lián)合研制

13、并推出了鎂合金自行車樣車。臺灣自行車產(chǎn)業(yè)在1980年就已崛起,年產(chǎn)銷量攀升至每年900萬至1000萬輛。近年來，臺灣幾大自行車業(yè)的巨頭也相繼以生產(chǎn)新材料、新用途、新功能的多元化產(chǎn)品為主流。截至目前，臺灣地區(qū)投入鎂合金車種開發(fā)的公司有超過20家，但是平均售價較為昂貴，主要銷售至歐美市場。以巨大機械（主要品牌Giant）和美利達（主要品牌Merida）為代表的臺灣自行車企業(yè)，以開始贊助自行車隊參加國際大賽，并且取得了優(yōu)異的成績。4前景展望鎂合金是繼鋼鐵、鋁合金之后發(fā)展起來的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料，是21世紀的綠色工程材料。鎂在自然界分布非常豐富，居第8位。我國是世界上鎂儲量最豐富的國家，也是原鎂產(chǎn)量最

14、大的國家之一，占世界的40以上。同時，我國大陸地區(qū)是世界最大的自行車產(chǎn)地和自行車消費地，因此在我國發(fā)展鎂合金車架具有得天獨厚的優(yōu)勢。但是我國鎂工業(yè)發(fā)展存在很多問題：原鎂生產(chǎn)技術比較落后，出口大多是初級材料；高性能、高質(zhì)量鎂合金產(chǎn)品的研發(fā)水平遠遠落后于國外許多國家，難以滿足日益增長的需求。鎂及鎂合金的深加工技術是十一五期間我國重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，利用這一契機，我國的鎂合金車架將得到大力發(fā)展，鎂合金車架不僅要應用于登山、越野、競賽等高端產(chǎn)品，也必將朝著多用途、多功能、大眾化的方向不斷發(fā)展。參考文獻1寧興龍.鎂合金在自行車上的應用J.稀有金屬快報,2003,09:113AghionE,BronfinB,

15、EliezerD.TheroleofthemagnesiumindustryinprotectingtheenvironmentJ.MaterProceTechn,2001,(117):3814黎前虎，劉祖明.力勁集團鎂合金壓鑄技術（二）鎂合金的表面處理J.汽車工藝與材料,2003,03:5-95劉海峰等.鎂合金壓鑄的亮點與盲點J.鑄造，2004,08:536汪之清.國外鎂合金壓鑄技術的發(fā)展J.鑄造，1997,8:48-517馮吉才等.鎂合金焊接技術的研究現(xiàn)狀及應用J.中國有色金屬學報,2005,2,(15):28楊清秀.汽車鎂合金的焊接難點與解決方法J.汽車運用,2006,01:479宋剛，

16、劉黎明.鎂合金焊接技術研究J.科學中國人,2005,02:5410KatohK,AsahinaT,TokisueH.MechanicalpropertiesoffrictionweldedjointsofAZ31magnesiumalloyto1050aluminumJ.JournalofJapanInsitituteofLightMaterials.1995,45(5):255-260.11FujumotoS,OnoT,TanakaS,etc.MicrostructuresoffrictionweldedjointsofAZ31toAM60magnesiumalloysJ.MaterialsScienceForum,2003,419-422(1):399-404.12YutakaS.Sato,SeungHwanC,Park,MasatoMichiuchi,HiroyukiKokawa.Constitutionalliquationduringdissimil