鈦合金車架與其他材料車架性能比較

鈦合金車架與其他材料車架性能比較

一．鈦合金特點
鈦合金是航空航太產品中採用的高性能材料，具有卓越的金屬材料性能，是目前國際上公認的生產各類比賽及休閒用高檔自行車最先進、最理想的材料。
鈦合金突出的特點是重量輕，強度高，彈性好，抗衝擊、疲勞性能好，耐腐蝕永不生銹。自行車特別是賽車要求重量輕、剛度好並且衝擊性能好。重量輕可以提高速度，並在長距離運動時降低體力消耗；剛度好的車架有利於驅動力的轉換，並提高操縱性能；衝擊吸收性好的車架可以較好地減緩來自路面的衝擊，從而減輕車手的疲勞。對於製作自行車架來說，在眾多的金屬材料中，鈦合金同時滿足上述要求，因此它是十分理想地製作車架的材料。鈦合金具有超強的抗腐蝕性能，具有比其他金屬與非金屬材料更長的壽命，我們可以說其經久耐用，無老化、無磨損、不刮傷的特性是其他材料所欠缺的。作為自行車架的使用，它的表面不需要塗漆保護，因為它不會象鐵和鋁車架那樣生銹或腐蝕，並耐酸雨、紫外線、潮濕等的侵蝕，所以你不必擔心其金屬表面會因裸露在空氣中形成凹陷、銹蝕。用鈦合金材料製作的自行車架讓騎行者感覺更加安全可靠，它不會突然斷裂，斷裂時會從小裂紋開始，此時你便會有察覺；即使意外碰撞斷裂，金屬的特有韌性也會保護您不受傷害。
鈦合金和很多合金金屬一樣，也是由鈦與一些有用的金屬成份組成，以滿足對材料性能的要求，但其主要成份中鈦占到90%以上。在航空航太技術中廣泛應用的是兩種合金，既Ti6AL4V（6％鋁，4％釩，90％鈦）和Ti3AL2.5V（3％鋁，2.5％釩，94.5％鈦）。Ti3AL2.5V最大的優點是屈服強度高且工藝塑性好，並具有較好的焊接性能。由於具有良好的成形性、抗腐蝕性和延伸率，且疲勞強度高，密度低，所以符合自行車市場對材料性能的要求。Ti6AL4V是應用最為成熟、綜合力學性能較好、性能資料最為齊全的鈦合金材料，它具有良好的工藝塑性和超塑性，適合於各種壓力加工成型，也可以採用多種方式進行焊接和機加工，但成形性、焊接性和機加工性能不如前者。
此外，鈦合金也廣泛地應用於醫療器械、化工設備、軍工及運動器材等領域。由於加工工藝複雜，所以材料價格昂貴，這是造成產品價格較高的主要原因。
目前大部分的鈦合金車架採用Ti 3AL2.5V無縫管材的焊接技術，其管材經冷軋成形後經過嚴格地挑選、檢驗，以保證其材料的強度和品質。為了使車架的設計更加完美並滿足輕量化、幾何學結構、空氣動力學的要求，管材的加工採用專用的設備保證其精密的尺寸，管形被設計加工成橢圓、水滴、錐管、垂直橢圓等各種形狀，再經過工藝要求很高的氬弧焊接和外表面的精細手工打磨處理。
二．與其他金屬材料的比較
鈦合金不僅其重量僅為鋼的50％，且強度重量比比鉻鉬鋼高28.4％。鈦合金的疲勞極限是鋼的兩倍，鋁合金車架在使用較長時間以後在這方面也無法與鈦合金車架相比。作為應用在自行車架上的高強度和低密度的鈦合金材料，它不僅會讓車架重量輕、強度高而且會讓車架更經久耐用。
鋁合金車架性能
鋁是彈性率及剛性低的材料，其比重輕但不夠硬，為了增強強度把它製成合金並施予熱處理。許多鋁合金車架用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。一般的規模不大的工廠無能力購買熱處理設備。另外通常還有7005和7075鋁合金的材料用於自行車架的生產，7005合金的強度比不上7075合金。
鋁本身是很容易受到腐蝕的金屬，騎這種材料的自行車時，騎的次數越多，應力發生的次數也高，強度也顯著引起變化。近年為了謀求輕量，許多車架使用薄料來製作（薄的程度已達到極限），其使用壽命將受到很大影響。
鉻鉬鋼車架性能
鉻鉬鋼材質的自行車架是應用最早的自行車架的材料，其加工性能好、焊接容易，價格也相對便宜很多，主要用來生產低檔次的自行車架。其突出的缺點是容易生銹，金屬的疲勞顯著（應力集中引起的金屬疲勞），由此而影響車架的強度，當金屬的疲勞達到一定程度時，車架可能會發生突發破壞性斷裂。
三．與碳纖維材料的比較
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。
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（拉伸強度強但剪切強度弱），因此採用把薄料層層重疊的方法來解決缺點，加工時需要進行複雜的應力計算。相對于鈦合金材料，同時作為生產高檔自行車架的理想材料，目前在市場發展的趨中逐漸成為了製作高檔車架的主流，但客戶對其材料的性能並不完全瞭解，鈦合金材料與碳纖維材料的對比方面，主要有以下幾個問題：
（1）碳纖維車架如果外力作用在與纖維成一定角度的方向，其強度會大大下降，容易產生裂紋。
（2）碳纖維車架固化成型過程中所加入的樹脂存在老化的問題，風吹日曬將會逐漸影響車架的性能
（3）碳纖維車架是以模具固化後一體成型，模具成本相當高，工廠無法廉價滿足為客戶量身定制的服務。
（4）碳纖維成架成型後，如果斷裂將無法再進行修復。
四．鈦合金的優勢
（1）鈦合金車架其強度和重量比率要高出一般的鋼車架和鋁車架75%以上。
（2）鈦合金車架其疲勞壽命比一般的鋼車架和鋁車架高出5倍，這意為著它將陪伴您度過一段相當長的美好時光。
（3）鈦合金車架有獨特的產品魅力，現在在設計方面也注重美觀、輕量化與強度設計的完美結合。
（4）在你經過了一個長達5個小時的騎行以後，使用其他材料的車架你會感覺來自公路的振動與衝擊會通過車架更直接地作用於你的身體，這時你會更喜歡鈦合金材料的車架在長途騎行後的感受。
（5）其超強的耐腐蝕能力，具有很長的壽命。

鈦合金車架性能優勢

可以說，鈦合金是製造高性能自行車的最好材料。
多年來，世界上很多公司致力於鈦合金自行車架及零配件的生產與研發，不斷摸索改進產品的加工工藝，挖掘材料的潛力，提高製造技術。這裏重點介紹的幾種材料特性在車架的設計中非常重要，希望可以對廣大鈦合金自行車愛好者在選購產品時有所瞭解和幫助。
一，抗拉性（Tensile Strength）
抗拉性就是將材料拉伸所需要的力量，在車架設計中，選擇抗拉性更強的材料，就意味著使用更少的材料就能達到需要的抗拉性，從而減輕重量。鈦合金的抗拉性能要優於碳纖維和鋁合金。
二，抗腐蝕性（Corrosion Resistance）
鈦的另外一個最大的優點就是，幾乎不受包括清水、鹽水、糖、高溫、低溫、紫外線、紅外線、石油化工產品等任何化學品的腐蝕。這就意味著車架維護成本的大大降低。
三，彎曲應力（Yiele Strength）
彎曲應力就是使材料永久彎曲而不恢復的力量。和抗拉性，抗疲勞性一樣，彎曲應力越大越好。鈦的超高彎曲應力，又可以極好的達到減輕重量的效果。
四，抗疲勞性（Fatihue Strength）
抗疲勞性就是將材料多次彎曲直到損壞的次數。鋼和鈦幾乎可以抵抗無限次的彎曲，而不損壞。
五，韌性（Toughness）
韌性就是材料可以拉伸的程度。非凡的韌性重量比，就是鈦會被應用於軍事領域的原因之一。純鋁是一種具有很好韌性的材料，但是加工的過程使鋁的抗疲勞性極大的降低。碳纖維幾乎沒有任何彈性，很小的撞擊都有可能造成碳纖維凹陷，而無法恢復原狀
六，延展性（Elongation）
延展性就是材料能被壓平而又不被撕開的程度。理想狀況是，在達到一定的安全係數的情況下，材料越薄越好。鈦合金的延展性要優於碳纖維和鋁合金。
七，冷加工（Cold-Working）
鈦合金這種難於加工的特性，卻恰恰是它能用於製造高性能自行車的原因之一。鈦金屬具有良好的冷加工特性，冷加工就是在室溫下使金屬產生永久形變而成形的過程。冷加工過程實際上會提高材料的硬度和抗疲勞性。這種加工方法為車架製造帶來的好處就在不增加重量的前提下，提高車架的強度！

當設計高性能自行車架時以上的每個因素都非常重要，因為真正高性能車架必須綜合考慮以上的各種材料特性，使它們很好的結合在一起。

 

鈦合金車架焊接

 焊接鈦合金車架，我們不能用取近似值的態度來對待。在焊接的時候，高溫的環境下，要把所有危險的範圍用氣體隔離，使之不被雜質“感染”。我們稱之為沐浴式熔化（試想人在沖洗熱水澡時，就是全身被熱水包圍，顧名思義）。於是，我們採用氣體被稱為“監督氣體”。在焊接的小環境裏，這種氣體時惰性的。我們有兩種方法來創造一個焊接環境，第一種方法是使用一個鐘形罩，另一種方法是在焊接部位維持提供一種惰性氣體，要求源源不斷，流量豐富，持續穩定，用氣流將整個環境籠罩。一般我們選用氬氣和氦氣，因為它們容易被提供，而且價格便宜。在用量上面，是將75%的氬氣和25%的氦氣混合。對於一些特殊情況，比如說焊接部分較大，為了優化效率，也會使用電弧來充當氣體環境。
  監督氣體也不能保證能提供一個完全被氣體密閉的環境，畢竟工人在手工焊接時，手套還是要接觸管材。為了減小這個影響，好點的焊接工作間都會先淨化空氣環境，而且會在此空間內沖入大量的中性氣體，這所有的一切帶來的顯著問題就是——成本的提高（現在大家該知道為什麼鈦合金車架貴了吧）。
  主要的焊接技術有三種，都是採用電弧。
TIG（Tungstene Inert Gas 惰性鎢氣體焊接），這裏採用的是一種用鎢做絲的不可熔電極。
MIG（Metal Inert Gas 惰性金屬氣體焊接），它使用的是線圈狀的可熔電極。
PAW，這種方法暫時沒有應用於自行車製造，主要用於軍工。