鈦及鈦合金材料在自行車制造領域的開發應用

隨著人們對自行車功能觀念認識的轉變，尤其是國際自行車競賽運動的日益激烈，自行車制造廠商們便不斷謀求重量輕、強度高的新材料，于是鈦便成了他們注意的目標。

本星球每年都舉辦自行車博覽會，其中最有名的是一年一度輪流于意大利的米蘭和西德的科隆召開的國際自行車博覽會。最早能看到自行車鈦零件展品的是1975年11月的米蘭博覽會。在這次博覽會上，意大利的畢安奇自行車公司展出了一輛全鈦車架的公路賽車。由于這輛新型賽車的總重量只有。66公斤，而引起了轟動。

早在70年代初，西德的卡爾科夫公司、美國的泰列達因鈦公司、英國的史皮德一威爾公司等生產廠家，就曾進行過鈦車架的試制工作。但是，由于當時生產自行車鈦零件的加工和焊接技術還未趕關，而未能形成批量生產能力。進人80年代以后，隨著科學技術的不斷進步，各種自行車鐵零件競一相問世，從而推動了自行車的鈦材化。

一、鈦在自行車行業的應用現狀

按照自行車各部分的功能，可把自行車分為13個部分，即車體部、控制部、驅動部、行走部、變速部、。制動部、座位部、裝載部、停立部、警報部、照明部、附屬件和連接件 。其中車體部包括車架、前車又、車頭、懸吊件、閥座和擋泥板。這一部分按其重量計約占車重的27%。驅動部包括鏈輪、曲軸、腳蹬、鏈條、飛輪、鏈盒。這部分約占車重的22%。行走部包括輪胎、內胎、車圈、輻條、輪毅，這部分約占自行車總重的24%。由此可見，車體部、驅動部和行走部這三部分的重鼠之和，就占自行車總重量的70%以上。

因此，旨在降低自行車重量的鈦材化問題，首先就是從這兒開始的，并且經過10多年的開發研究，其中人部分零部件已實現了鈦材化。

下面概述一下自行車鈦零件的生產現狀。

1、車體部

這部分鈦材化的重點是車架，因為車架是自行車的最大部件，也是最重要的零件之一。日本生產的小型輕便自行車鈦車架的基本數據如表1所示。

生產鈦車架的主要難點是管材的加l和焊接，尤其是焊接技術。70年代初，各國自行車制造公司之所以沒有開發出批量生產鈦車架的能力，其關鍵就是沒有解決好認的焊接問題，致使車架的強度不夠。

日本的日美富士自行車公司，早在1975年就開始鐵車架的開發研究工作，但很長時間內未能實現批量生產。現在該公司已解決了車架的上、下、立管和其它形狀管材的旋鍛、切削等加工問題，形成了普通自行車和賽車用鈦車架的批量生產能力。此外，該公司對叉頭和叉尾件也開發出相應的鍛造方法。

表1 鈦車架基本規格

2、驅動部

這部分自行車零件的特點是件小，種類多，其多數零件目前已能用鈦制作。

1）曲軸

由鈦曲軸、曲軸螺栓、軸承和軸承碗組成的曲軸裝配件的重量為185克，而同樣尺寸的鋼制曲軸裝配件重290克。

2)腳蹬軸

鈦腳蹬軸的重量為100克，而鋼腳蹬軸的重量為170克。

3）鏈條

鏈條的重量隨著鏈條節數的不同而異。114節鋼鏈條的重量為385克，112節不銹鋼鏈條重365克，而112節鈦鏈條的重量僅為265克。為了適應更苛刻的行駛條件的要求，人們正期待著開發鈦合金鏈條。

4)飛輪

目前日本已有多速鈦一鋼組合飛輪上市。

3、行走部

1）車圈

由鐵管制成的高級鈦車圈目前僅用于賽車。在鈦車圈出現之前，用的是鋁合金。然而，自1983年日本自行車振興會把鈦管車圈定為賽車車圈以來，截止到1987年，僅日本就使用了近萬只鈦車圈。日本新家工業公司采用薄壁焊接鈦管。經精密壓力加工，制成公差為士2mm、外周長為1996mm的圓形件后，于切口處配以適當的接頭，就制成了完全對接接合的圓形車圈。然后經表面拋光，再按規定的36，32，28輻條孔數打孔就行了。這種鈦車圈的單重只有300克。

2)輻條

普通自行車輻條鈦絲的單根重量為4.6克，直徑為2mm；其大小、形狀與鋼輻條完全一樣，拉伸強度為676MPa，即大體相當于我國的TA3。

4、控制部

這一部分的主要零件是車把。

自行車車把有三種形狀:下彎式、扁平式和上彎式。

制作車把用的管材直徑通常有兩個規格，即外徑為22mm和23.8mm的兩種管子。

1985年春M公司用鈦管制作的下彎式車把，其管材外徑為23.8mm，壁厚為1.2mm。

5、其它鈦制品

除上述自行車零件外，目前還能生產鈦制延遲器、大齒輪、車座、車閘等零部件，尤其是螺栓、螺母之類的連接件。日本施瑪諾工業公司，從1973年開始試制自行車零件，目前它生產的各種自行車鈦零件已銷往世界很多地方。其產品包括輪毅、飛輪、鏈輪、曲軸、支架、腳蹬、導向輪、卡式制動器等。

該公司聲稱，用鈦鏈輪、曲軸、飛輪和導向裝置取代鋼制件后，可減重50%一60%。

二、障礙與辦法

總的說來，影響自行車鈦零件推廣的主要障礙是技術和價格這兩個方面。在整個70年代及80年代初，技術是影響鈦零件生產推廣的主要障礙。由于當時人們對鈦的加工性能和焊接特性了解的不多，因此遲遲不能形成批量生產能力。經過10多年的開發研究之后，現在國外一些自行車生產廠家已經基本掌握了各種管材的加工和焊接技術，因此不斷有新的鈦零件問世，為自行車鈦零件的推廣應用奠定了技術基礎。

進人80年代以后，隨著自行車鈦零件生產技術的不斷進步和生產的鈦零件數量的不斷增加，阻礙鈦零件推廣的主要障礙就轉移到價格上來。例如，雖然鈦曲軸裝配件比相同尺寸的鋼裝配件輕105克，但其價格卻是鋼的6倍；鈦輻條的價格為同尺寸不銹鋼輻條的15倍，為普通鋼輻條的30倍;而鈦合金螺栓的價格竟為普通鋼螺栓的100倍左右，日本人曾對裝有部分鈦零件的高級自行車的單重價格與汽車和彩電進行了比較。

結果表明，高級自行車的價格為每克6日元，汽車為1.8日元，彩電是5日元;而對于定做的高級自行車來說，其單重價格竟高達每克20日元。由此可見，高級自行車是比汽車和彩電擋次更高的產品。

裝有鈦零件的高級自行車的價格如此昂貴，就必然阻礙了鈦零件的推廣應用。因此，要打開自行車鐵零件的銷路，就必須大幅度地降低鈦零件的生產成本。

據日刊報道，日本大同特殊鋼公司，通過先在等離子弧爐中溶煉殘鈦和海綿鈦的棍合料，然后于真空電弧爐中重熔的方法，把出售的高級自行車的成本降低了15%。

此例說明，在降低高級自行車鈦零件的成本方面是大有潛力的，其基本辦法就是向科學技術要效益。熔煉工藝尚能有如此大幅度地降低生產成本的潛力，那么存在于流程更長的鈦管加工和焊接工藝方面的潛力也一定更大。因此，要在進一步穩定現有工藝的基礎上，努力探索更經濟的生產鈦零件的新技術。

三、自行車鈦材化的前景

國外一些自行車公司經過10多年的開發研究，已能批量生產自行車的主要鐵制零部件，一批裝有鐵制零件的高級自行車也相繼問世。例如日美富士自行車公司，通過與住友重型機械公司合作，克服了管材加工、焊接和小零件生產的困難，開始了純鐵自行車的批量生產。在它出售的高級賽車“富士鈦”中，車架和前叉都是用純鈦制作的，其單價為23一30萬日元。日本松下自行車工業公司，從1987年4月開始出售一種稱為B一PCT500型的高級自行車，這是一種凈重為8。68公斤的賽車，售價為29萬日元(4)。據稱，由于這種賽車重量輕、強度高、穩定性好，尤其是外觀漂亮，而受到體育界，尤其是賽車運動員們的喜愛，故其銷售頗為順利。

然而，至今自行車鈦零件的應用還主要限于賽車領域。據日本人士估計，1986年日本生產的各種用途的自行車約為660萬輛，其中小型自行車為270萬輛，約占總數的41%，輕便車139萬輛，占20%，體育用車100萬輛，占巧%。而且在這三種主要車型中，輕便車有大幅度增長之勢。由此可見，鈦在自行車行業的應用前景是光明的，市場潛力很大。我國是世界聞名的自行車王國，倘若能在我國打開銷路，其市場之大遠非日本市場可比。

四、幾點粗淺的看法

鈦作為一種新型結構材料，以其重量輕、強度高、耐腐蝕、易著色等優良性能而獲得自行車行業的青睞。由于材料科學工作者們10多年的努力，現已初步形成了某些鈦零件的批量生產能力，為鈦材在自行車行業的推廣應用開辟了道路。目前，鈦在自行車上的用量正在逐步增加，但所生產的品種數量還很有限，應用面也很窄，故鈦在自行車行業的應用市場潛力很大。有人曾對日本市場做過估算，認為目前日本國內自行車市場的年銷售量約為600萬輛，如果以單車用鈦50%來計算的話，那么日本每年僅自行車行業的用鈦量就可達。26萬多噸。盡管對市場前景的預測未必能用這種簡單的計算方法估計出來，但它卻直觀地說明了鈦在自行車行業的潛在市場是很大的。我國是一個鈦資源十分豐富的國家，充分利用我國的資源優勢，開拓鈦的新應用領域，是我們始終不渝的追逐目標之一，因此我們應該努力占領這一應用市場。這是第一點。

第二點是加強橫向聯合，建立一支專業化隊伍。

我國的鈦工業至今已有30多年的歷史，而自70年代初我國開展鈦的民用推廣以來也已將近20年。在這20年的時間里，鈦的足跡已涉及到哆多個民用行業、十幾個部門，民用鈦的數量也猛增到鈦材消費總量的80%以上。

但是，迄今為止自行車行業對鈦卻很少問津，而我們的鈦加工廠雖然積累了一定的鈦加工和焊接經驗，但要生產自行車鈦零件尚需自行車專業技能的支持。因此，加強鈦加工廠與自行車制造廠之間的橫向聯合，建立一支專業化隊伍，實在是認向自行車行業擴展之必要。這支專業隊伍從一開始就要以研制最佳工藝，努力降低生產成本，提高制品的競爭能力為己任。

第三點是小件向內，大件對外，總結經驗，向單車發展。

如上所述，用鈦取代鋼后，車的重杖雖然下降了，但價格卻激劇上升。按照我國人民的目前生活水平，采用大比例取代的自行車是很難打開銷路的。但是，若用小件，如鈦螺栓螺母取代相應的鋼制品，卻是可行的。這種嘗試性的工作尤以向體育界推廣為宜。至于較大的鈦零部件，如車架、車圈等，可向國外銷售。據說，一副純鈦自行車車架在美國可賣到250美元，而且這個價格在美國尚有一定的競爭力。在此基礎上，可逐漸發展提高生產高級自行車單車的能力，以便讓我國生產的高級自行車能躋身于國際市場。