论镁合金自行车车架应用进展

　摘要 详细介绍了镁合金适用于自行车架的性能、镁合金的加工性能及镁合金车架的制造工艺、国内外自行车架的镁合金使用状况，并对镁合金应用于自行车架的前景作了展望。

关键词 镁合金；性能；自行车车架；应用

分类号 TG146.22

1 概述

镁合金作为目前密度最小的金属结构材料，广泛应用于航空航天工业、汽车工业、通讯电子业等领域。镁合金突出的优异性能受到了自行车生产厂家与客户的青睐，逐渐被各大公司应用于自行车的零部件生产。近年来，国内外的许多公司纷纷开始了镁合金自行车架的研发，许多知名厂商已经成功地生产出性能优越的镁合金车架自行车并投入使用，取得了很好的效果。

2 镁合金的性能

2.1 镁合金适用于自行车车架的优异性能

2.1.1 高的比强度、比刚度

表1 镁合金与铝合金、塑料、普通钢的性能参数

如表1所示，应用于自行车架的材料中，钢的强度和刚度是最好的。同时，镁合金的抗拉强度，弹性模量也明显低于铝合金和钢。但是，镁合金的比刚度与钢、铝合金几乎相同，比强度更是优于铝合金，几乎是钢的2倍。因此，镁合金在进行自行车架设计时，通过截面变化及表面处理等手段，可以减轻镁合金性能低的不利因素，改善镁合金的使用性能。

2.1.2 优异的减振性能

    许多镁合金都具有优异的减振性能，能吸收冲击与振动。镁合金的单位减振性能比硬铝高100倍，比合金钢高20倍，比钛合金高300~500倍。这一特点使以镁合金为车架的自行车具有更好的骑行舒适性。

2.1.3 其他主要优点

镁合金的优点还有（１）疲劳无记忆性能突出^[2]。（２）密度低，很大程度上减轻了车身质量。（３）接触性、生物相容性好。镁合金在生物领域的应用日益广泛，舒适的接触性，使其非常适合用于与人体紧密接触的零部件；（４）易于回收^[3]，环境负荷小，被称为“绿色材料”。

2.2 镁合金的加工及使用性能

2.2.1 镁合金的腐蚀与保护

镁的标准电极电位是-2.37V，电负性很强，耐蚀性很差。在潮湿的空气中会发生腐蚀，生成氧化膜薄层。这种薄层脆性大，疏松，耐蚀性很差，在使用过程中需要增加工艺来对其进行防护。常用的保护方法有三种，一种是添加或消除某些相容性材料构成复杂合金或者复合材料。常见的添加材料有Mn、Fe、Zr、Si、Ni、SiC、TiC等。合理的控制添加物的比例，不仅可以满足使镁合金增强的效果，还能适当的保护镁合金减小腐蚀。另外一种方法是表面处理。常用的方法是化学氧化膜、阳极氧化膜、表面陶瓷化、电镀、化学镀、气相沉积、涂层、氮离子改性、激光表面处理等。需要注意的是，不同的表面处理对镁合金都具有保护作用，但是得到的镁合金的表面硬度、耐磨性、强度、导电性等各项性能会有很大差异。第三种方法就是合理掌握零部件工艺设计。比如圆角比尖锐的边角更不易被腐蚀。另外，在水蚀、盐蚀、高温等化学环境中，应尽量避免使用镁合金部件^[4]。

2.2.2 镁合金的压铸

压铸镁合金已经经历了数十年的发展，目前，绝大部分镁合金的应用部件是压铸件。镁合金用于压铸具有很多优点：

（1）生产效率高，表面质量好，易成形，有时甚至可以取消随后的机加工。

（2）制造成本低。镁合金具有低熔化潜热，低比热，低溶铁性，可以使用任何铸造工艺来成形。

（3）压铸镁合金寿命长，镁合金熔化和压铸时不与铁反应, 因此其熔化耗能少,凝固速度快,压射周期短,同时镁合金不冲击钢模和工具，使压铸型寿命长达20万次以上^[5]。镁合金粘度很小，利于脱模。

压铸镁合金同时具有以下一些缺点：

（1）体积收缩率大。纯镁在结晶凝固时，体积收缩率为4.2%，从熔点923K降温至室温时，体积收缩率约为5%。镁合金的收缩率与纯美极为接近。由于镁合金的铸造及冷却收缩率很大，铸造镁合金会产生微孔，铸件具有低韧性和高缺口敏感性。

（2）压铸镁合金的试模成本较高，试模时间较长。大多数镁合金零件的原始设计不是镁合金,而是铝合金、钢板冲压和塑料件等,其最初的结构和尺寸与最终采用的镁合金零件结构可能会有很大的变化,而且在试装阶段还有可能更改结构。这种情况有可能导致模具报废，重新设计模具，增加成本。

（3）镁的铸造烧损率高。镁的表面活性很高，压铸时烧损率最高可达4%。

近几年来，镁合金压铸技术不断发展，国际上常用半固态金属流变压铸法。这种方法具有充型平稳、无金属喷溅、金属液氧化损失少、节能、操作安全、可以减少铸件内孔洞类缺陷等优点^[6]。中国的力劲集团对于镁合金的压铸问题研究深入，已经在国内首先利用半固态金属流变压铸获得了较好的镁合金试件^[4]。

2.2.3 镁合金的焊接

与压铸镁合金相比，焊接镁合金不用模具，节约了成本；操作更为简便；便于将各个部件进行组合。但是镁合金的焊接性能并不好，所以，焊接镁合金并不常见。镁合金在焊接过程中会遇到如下问题^[7]：

（1）粗晶问题。镁合金热传导率较大，焊接时需要较大的热源，焊缝附近出现金属过热和晶粒长大的现象。

（2）氧化、氮化和蒸发。高温下，镁容易被氧化、氮化生成夹杂物，破坏接头的性能。另外，镁的沸点只有1100℃，焊接时很容易蒸发。

（3）变形和下塌。镁的热膨胀系数比较大，高温电弧下很容易产生较大变形并引起很大的热应力。同时，镁的表面张力很小，容易形成塌陷。

（4）气孔。氢气在镁中的溶解度随温度升高而增大，焊接时，氢气进入镁中，同时，镁的密度小，气体不易逸出。这样，焊接过程会形成气孔。

（5）热裂纹。镁合金焊接时，组织中低熔点化合物首先熔化，出现空穴或者晶界氧化现象，即产生了热裂纹。

（6）燃烧。高温下操作时，即使在气氛保护下，镁合金焊接时仍会产生大量氧化镁浓烟及臭氧，甚至出现飞溅、燃烧等剧烈的氧化现象，操作要十分小心^[8]。

目前镁合金的焊接问题正逐步得到解决。目前公认较好的几种焊接工艺主要是混合焊以及惯性摩擦焊。混合焊是将激光焊和氩弧焊结合在一起，这样做比单独使用其中一种方法更有优势。可以实现晶粒细小均匀、无下陷、提高能量利于率等优点，达到镁合金的高效、优质连接^[9]。惯性摩擦焊适用于异种金属的焊接，通过惯性摩擦焊，基本可以得到性能可靠的焊接接头 ^[10,11]。除此之外，熔化极气体保护焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、点焊等也是常用于镁合金的焊接方法^[12]相关热词搜索： 车架 镁合金 进展 自行车