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鋁合金的析出硬化處理
陳克昌教授編撰

一. 實驗目的
1. 瞭解析出硬化的機制。
2. 學習鋁合金析出硬化處理之適當作業步驟。
3. 學習析出硬化效果之量測。

二. 實驗設備
中溫加熱爐、低溫加熱爐、淬火槽、硬度試驗計及金相觀察設備。

三. 實驗原理
1.析出硬化簡介【1~8】：
二 十世紀初德國人Alfred Wilm 把含有4%Cu及微量Mg和Mn之鋁合金，經高溫淬火後，室溫放置或於稍高溫下恆溫處理一段時間，發現此合金有時效硬化現象；即其硬度和強度會隨放置（或 處理）時間之增長逐漸增加。1930年代Guinier和Preston利用X-Ray繞射法量測出微細析出物的存在，1950年代TEM發明而可直接觀 察析出粒子，使析出硬化之理論快速進展而逐漸建立。目前已可使某些鋁、鈦、鎂和銅之合金、不銹鋼、超合金及麻時效鋼等結構材料，利用析出硬化處理大幅提高 它們之強硬度。
析出硬化處理的最基本程序至少須包含三個步驟：溶體化處理（solution treatment）、快速淬火（quenching）及時效處理（aging treatment）。溶體化處理是將材料加熱至固溶線以上之單相區，持溫一適當時間使合金元素全部溶入基地而形成單相固溶體。快速淬火至低溫，則材料形 成過飽和固溶體。時效處理是要把過飽和固溶體放置於室溫或在稍高溫恆溫加熱，使超過溶解度的合金元素或金屬間化合物逐漸析出，來產生強硬化的效應。因此， 能析出硬化的材料必需具備兩項基本的特性：（1）主要合金元素的溶解度須隨溫度之升高而增加，亦即能在淬火後形成過飽和固溶體。（2）能在室溫或稍高溫析 出微細又密集的非平衡相析出物。


2.熱處理型鋁合金【3】
鋁合金因所含的合金元素及產生的組成結構對熱處理的反應不 同，一般可粗分成兩種類型，熱處理型與不能熱處理型鋁合金；前者是指鋁合金之強硬度主要可藉熱處理（析出硬化）來增大，後者之強硬度只有利用固溶硬化或加 工硬化來增大。屬於熱處理型之商用鋁合金有2000系之Al-Cu-(Mg)，6000系之Al-Mg-Si及7000系之Al-Zn-Mg-(Cu)； 其他1000系之純鋁，3000系之Ai-Mn，4000系之Al-Si及5000系之Al-Mg等合金雖亦具有析出硬化所需的第一項特性，但因析出物為 粗大之平衡相，而不適合用為析出硬化型鋁合金。
3.鋁合金析出硬化的機制【3~6】
茲以Al-Cu合金為例，圖1【3，6】顯示此合金平 衡圖靠富鋁之部份。在548℃以下Cu在Al內之溶解度由5.7%降至0.5%，因此，如把Al-5%Cu之鋁合金在545℃固溶體處理一星期後，合金元 素Cu或金屬間化合物CuAl2粒子就完全溶入固溶體之內而成單相固溶體。此時若緩慢冷卻，則降至525℃左右將開始析出AlCu2，隨溫度持續的緩慢下 降至室溫，AlCu2會長成沒有析出硬化作用的粗大析出物，如圖2【6】所示。如果固溶體處理後快速淬火至室溫水中，則高溫之析出被抑制而形成過飽和固溶 體，如圖3【6】所示，大部份之溶質仍留在基地內。把此過飽和固溶體放置在室溫下（自然時效）或在稍高溫度中（人工時效）保持一段適當時間，使合金中過量 的合金原子或金屬間化合物粒子於低溫中析出，此種微細之析出物在溶體內會產生應力場，對差排之滑移產生阻力而達到使合金硬化的效果，材料最後的性質就依析 出粒子的大小和粒子在晶粒內的分佈而定。進行人工時效的溫度愈高，析出粒子的粒徑愈大、顆粒數愈少及分佈愈疏鬆，此種析出粒子對變形的阻力愈小，亦即對硬 化之效益愈少；圖4【6】顯示出Al-4%Cu鋁合金在不同時效溫度下的時效硬化曲線，可清楚的看出在每一特定的溫度時效，其硬度均隨時效時間之增加先逐 漸上升至最大硬度再逐漸下降，而溫度在110℃~130℃之間可獲得最大之硬化效益，溫和度太高或太低，其最高硬度都較小。
鋁合金在固溶體處理及 淬火後的質地為一相當軟、常溫時狀態不安定的過飽和固溶體。欲安定，乃析出第二相，如G.P.一區和G.P.二區等中間相，這些相的晶粒和基地晶粒具有完 全整合性（fully coherency），這種整合性使兩種晶粒間產生具有「鏈」與「鎖」的作用之應力場，在材料承受外力時阻止差排的滑移，如圖5【6】所示，亦即可阻止基 材內部結構的滑動和變形，達到硬化鋁合金的目的。
由於析出需要時間，所以其硬度會隨時效時間的增加而增大。在常溫下進行即可獲得所需硬度者稱為自 然時效（natural aging），一般以T4表示其鍊度（temper）。需要在稍高於室溫的條件下進行者稱為人工時效（artificial aging），一般以T6表示其鍊度。人工時效主要是要使析出硬化作用能在合理的期間內完成，因為時效溫度愈高達到最大硬度的時間愈短，唯所穫得的硬度愈 低，如圖4所示。時效時間太長時，硬度會從最高點逐漸下降，即產生過時效（overaging）現象，這是因為析出粒子和基地間之整合性，將因析出粒子的 成長而逐漸消失，先成為部份整合性（partially coherency），最後變成不整合性（noncoherency），亦即逐漸失去晶粒間的應力場，而失去硬化基地的功能，如圖6所示。

四. 實驗方法與步驟
1. 材料及試片準備
（1） 材料：AA2024，AA6061或AA7075鋁合金之板材。
（2） 試片尺寸：60㎜ ×30㎜ ×2㎜。
（3） 試片之邊緣須去除毛邊並用砂紙研磨。
2. 析出硬化處理
（1） 把三組試片放入中溫爐內、加熱至固溶體化溫度；各種鋁合金的固溶溫度參考表一。
（2）在固溶溫度保持1小時後，急速從爐中取出試片淬火於室溫之水中；容許之淬火延遲時間參考表二。
（3a）第一組試片淬火後，放置於室溫自然時效；時效時間分別為0.5、1、2、5、10、20、50及100小時。
（3b）第二組試片淬火後，放入低溫爐內作人工時效；人工時效溫度參考表一，時效時間同第一組試片。
（3c）第三組試片淬火後，先室溫自然時效1天（24小時），再人工時效，時效溫度及時間同第二組試片。
（4）對不同的時效處理型式及時效時間的試片作硬度量測、拉伸試驗及衝擊試驗。
（5）觀察並攝取各試片的光學顯微鏡組織。

五. 實驗結果
1. 分別繪製硬度、抗拉強度、伸長率和衝擊值與時效時間之變化曲線。
2.分析各試片金相組織的變化與時效溫度和時效時間的關係。
六. 問題與討論
1. 如何計算淬火延遲時間？為什麼淬火時須注意淬火延遲？
2. 為什麼2024鋁合金一般以自然時效進行硬化，而7075常以人工時效來進行硬化？
3. 討論人工時效時、溫度與時間對顯微組織(析出物)及機械性質的影響。
4. 比較三組試片的硬化效益。

七. 補充資料
1. 析出過程的說明示意圖如圖7所示。
2. 淬火延遲對時效後鋁合金機械性質的影響。

八. 參考文獻
1. J. W. Martin, "Micromechanisms in Particle-hardened Alloys", Cambridge University Press, 1980, pp1~78.
2. A. Kelly and R.B. Nicholson, "Precipitation Hardening", Progress in Metals Physics vol. 10, The MacMillan Company, New York, 1963, pp151~292.
3. 陳克昌，"非鐵金屬材料的熱處理"，材料科技，逢甲大學材料科學系，1983，第71~78頁。
4. 金重勳，"熱處理"，復文書局，1991，第463~475頁。
5. 葉均蔚，"鋁合金之析出硬化"、工程材料實驗（I）－金屬材料實驗，洪敏雄主編，中國材料科學學會，1999，第181~203頁。
6. C.R. Brooks, "Heat Treatment, Structure and Properties of Nonferrous Alloys", ASM , 1992, pp18 and 106~114.
7. R.E. Reed-Hill and R. Abbaschian, “Physical Metallurgy Principles”3rd. Ed.PWS Publishing Company, 1994, pp515~534.
8. P. Haasen, “Mechanical Properties of Solid Solution and Intermetallic Compounds”, Physical Metallurgy, Part II, R. W. Cahn and P. Haasen Ed., Elsevier Science Publishers, B. V., 1983, pp1376~1381.


圖1：Al－Cu平衡圖及富Al之部份平衡圖【3，6】

圖2：Al－5%Cu合金在545℃固溶處理一週後，緩慢冷卻至20℃之顯微組織【6】


圖3：Al－5%Cu合金在545℃固溶處理一週後，快速冷卻（水淬）至20℃之顯微組織【6】

表一：鍛鋁的熱處理條件[3] 表二：最小保溫時間及容許的淬火延遲[3]
合金名 固溶處理溫度 人工時效
AAA ℃ 溫度(℃) 時間(hr)
2014 495~505 約175 約8
2017 495~505 － －
2117 495~510 － －
2108 500~520 約170 約10
2024 490~500 約190 8-16
2025 510~520 約170 約12
4032 505~520 約170 約12
6151 510~525 約170 約12
6061 515~530 約175 6-10
7075 460~490 約120 約24
材料厚度 最小保溫時間(min) 容許延遲
(mm) 鹽浴爐 空熱爐 (sec)
<0.5 10 20 5
0.5~0.8 15 25 7
0.8~1.6 20 30 10
1.6~2.3 25 35 10
2.3~3.2 30 40 15
3.2~6.4 35 55 15
6.4~13 45 65 15
13~25 60 90 15
每再增13 +20 +30 －


圖4：Al－4%Cu合金在520℃固溶處理至少48小時後，快速冷卻至20℃，再進行不同溫度的時效處理之時效硬化曲線【6】


圖5：差排受硬粒子阻礙，再滑移切過二個硬粒子的說明圖【6~8】

圖6：（a）析出原子與基地完全整合，顯出界面的局部應變，（b）部份整合，顯出界面生成差排來舒緩應變，（c）不整合析出物【1】


圖8：淬火延遲時間對2024鋁合金時效後機械性質的影響【3】







圖7：時效處理時原子析出過程的說明示意圖【6】


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刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以＂刀具＂一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。
　　刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。
　　然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。
那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和．怀特发明高速钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。
　　在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。
　 　由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。1949～1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其 他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具 材料可使刀具以更高的速度切削。
　　1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年，美国的 邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨 性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。
　　刀具按工件加工表面的形式可分为五类。加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外 表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等； 齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。此外，还有组合刀具。
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自行車的材料有已往使用的鉻鉬鋼以外、還有鋁、鈦、碳纖、鎂等不斷出現新材料。出現了不少用這些新材料製成的車架。關於金屬合金材料的書很多，但是不是專門介紹自行車的材料，在此簡單介紹自行車的材料，供車友們參考。
(此內容是一位元海外的自行車運動愛好者于2000年所寫的內容的摘要)。

材料的常用知識


首先瞭解一下金屬材料的常用語。
應力以及變形
(1).應力的定義=σ=負荷/斷面積 (即：單位面積上所能承受的重量)
雖然負荷大，但是可以增加厚度來降低斷面積上的應力。從這裏也可知為什麼鉻鉬鋼、鋁、鈦管的厚度不同。
(2).受應力之後，用於車架的材料會變形。其變形可分為彈性變形和塑性變形。
彈性變形：雖然變形，但是除去應力後恢復原狀。
塑性變形：變形後除去應力也無法恢復原狀。
(3 .彈性率：彈性率所指的是像彈簧一樣變形的材料的低抗程度。彈性率高的材料硬，承受負荷後變形也少；彈性率低的材料較軟，承受負荷後變形較多。作為自行車的材料，有些部位需要變形多些，有些部位需要變形少些。
彈性率以楊氏彈性模量來表示。資料越大彈性率越高。下表為自行車的各種材料的楊氏彈性模量。

楊氏彈性模量

用在自行車上的材料


楊氏彈性模量(GNm^-2)
鉻鉬鋼 (低合金鋼) 200-207
鋁合金 69-79
鈦 116
鈦合金 80-130
碳纖 70-200
鎂合金 41-45



從上表可知鉻鉬鋼的彈性率最高，鎂合金的彈性率最低。彈性率將決定材料剛性的強弱，對自行車來說該資料是很重要的。

屈服強度、拉伸強度


屈服強度：是彈性變形的極限，也叫屈服點。增加應力到一定程度時成為塑性變形，也就是變彎了。
拉伸強度：指的是增加應力到一定程度時不單是成為塑性變形，還被拉斷。

自行車材料的拉伸強度

用在自行車上的材料


拉伸強度(（MPa，N/mm︿２）
SCM415 (鉻鉬鋼) 834以上
6061 (6000系鋁合金)

無熱處理的場合 100以上
有熱處理的場合(T6) 246以上
7005 (7000系鋁合金)

有熱處理的場合(T6) 345以上
7075 (特超硬鋁，飛機合金)

無熱處理的場合 230以上
有熱處理的場合(T6) 597以上
CPTi (純鈦)

有熱處理的場合(T6) 597以上
用的較多的純鈦為如下：
PTT800 800
Grade4 588～753
UTT75 753
3-2.5Ti （３％Al－2.5V Ti合金）

685以上
6-4Ti （６％Al－４V Ti合金）

有熱處理的場合 (時效)1160
無熱處理的場合 980

密度
密度是單位體積的重量。密度是決定車架的重量時重要因素之一。設計輕的車架時不可勿視的資料。但是密度小不等於車架輕。
用在自行車上的材料 密度（g/cm︿3）
鉻鉬鋼(低合金鋼) 7.9
鋁合金 2.6-2.9
鈦 4.5
鈦合金 4.3-5.1
碳纖 (CFRP) 1.5-1.6
鎂合金 1.7


從上表可知鉻鉬鋼密度最高，鎂合金最低。密度低的話，可以製作輕車架，假若這樣認為的話只講對了一半。還要老慮拉伸強度、彈性率等因素。雖然密度低，但是強度不夠的話也不行，密度低1/3不等於重量也輕1/3。
增強材料


重排：所指的是在金屬結晶中會產生的移動現象(原子間存在間隙，使結晶移來移去)。發生重排現象時金屬會變形。強化材料也就是想辦法製造出不要發生重排現象的結構。在此介紹4種強化材料的方法。固溶體強化、析出強化、通過硬化加工來增強、結晶體的微細化來增強。


固溶體強化
在鐵等母體材料中熔入鉻、鉬等，使母體材料變成不同半徑的結晶構造。此時的原子稱為固溶體。在此舉個例來說明這種現象。比母體的原子半徑小的原子進來時發生的現象。
「在電梯裏已有9位大漢子已相當擁齊，此時進來了小孩，為了防止小孩被擠壞，漢子們開始靠向四周」。
比母體的原子半徑大的原子進來時
「在電梯裏已有9位大漢子已相當擁齊，其中有一個人下了電梯，但是又進來了肥胖的大娘，此時漢子們又開始靠向四周」。如上述現象在結晶體四周發生了應力，使得重排現象變小了。利用這個方法的是鉻鉬鋼。


析出強化


當前，自行車材料中的鋁合金製品普遍受到歡迎。增強鋁的方法將在鋁項目中記述，在此只講強化的原理。固溶在金屬中的添加物，會產生飽和狀態(不完全溶解)，添加的量超過飽和狀態時，因未能完全溶解而析出。
具體地說，提高溫度時飽和量也增加，完全溶解的瞬間開始慢慢冷卻時，能析出大的結晶。用食鹽來做實驗會看到這個現象，食鹽的場合，急速冷卻時析出細小的鹽結晶，但是金屬一般不會析出，若冷卻速度快時，不會析出而強迫使它固溶。
對 處於此狀態下的金屬，逐漸提高它的溫度時慢慢析出。在此需要注意的是過於析出不可，析出不夠也不行，溫度過高、過低也不可以，該溫度叫作熱處理溫度(也稱 作人工時效處理)。最理想的是析出的結晶細而均一，從而阻止重排，材料不容易變形。舉個例子：「走在森林裏，若大樹較多時容易走路(大的析出物)，密密麻 麻小樹多的話不容易走(細小的析出物)」，和這個道理一樣細小的析出物較難重排。


硬度加工來增強的方法
對材料進行加工 就產生重排現象，也就產生材料的變形。各種材料的重排現象是極為複雜，不在此記述，簡單地說：重排後不是整齊地排隊，而複雜地齧在一起的話，材料的變形就 困難了。如馬路上走路時，走路的人不斷增加(重排的增殖)，就難於前進(重排移動變得困難，從而不容易變形)。利用此方法的有管道拉拔和噴丸硬化 (SHOT PEENING)。


結晶體的微細化來增強
結晶在高溫下完全溶解後，急冷時得到微細的組織。這個過程叫作淬火。結晶變微細後，重排移動的連續性就難於保持，結果材料得到了增強。(比方：人能活動的範圍變小了)。

鉻鉬鋼 （Fe-Cr-Mo）


在 自行車的100年歷史當中，鐵素材是剛性與重量方面都均衡的理想素材。鐵制車架的最大特徵是可在各種成份，各種粗細厚薄的鐵管中，任意選擇所需要的鐵管進 行加快。因此可以選擇最適合於的尺寸、剛性、騎感的車架，這對於數毫米的差異也敏感的老車手來說是很有好處的。它的最大的缺點是比起其他的素材重(過 去)。但是最近的鐵素材車架經過熱處理，把薄的管道做成粗的管來使用，其重量不會輸給輕的合金。
鉻鉬鋼是鉻、鉬的合金。它的性能如下：
○淬火性好。
○對回火處理的抵抗性大。
○回火脆性傾向少。
○高溫加工性好，加工後美觀。
○熔接性好。
(右圖)BRIDGESTONE ANCHOR的鉻鉬鋼車架，該公司的宣傳用語是"與鋁合金制一樣輕"，價格約(左)6,700多元，(右)5,000多元。
●鉻鉬鋼車架的優點
(1).加工性好
鉻鉬鋼的車架是歷史最久的車架，因此對它的研究時間也最長。現在能做到車架所需強度的極薄的管道。
(2).衝擊的吸收性能好
騎感極好，如「像彈簧般的騎感」。構成車架的鉻鉬鋼管道有優異的吸收衝擊的性能。
(3).焊接容易
鉻鉬鋼比起鈦、鋁焊接容易。可以設計成名種形狀。另外，焊接後也不需要熱處理，因此不需要大型的熱處理設備，成本低。
(4).價格便宜
雖然有些高擋次的鉻鉬鋼車架價格貴，但一般價格便宜。也可以說，用便宜的價格買到高擋次的車架。
●鉻鉬鋼車架的缺點
(1).容易生銹
車架用的鉻鉬鋼含有鉻，但是添加量少(不銹鋼含有12%的鉻)的鐵系合金。若沒有施有表面處理的話，有傷口時容易生銹。但是一般都有進行防銹加工。自行車的場合，管道的肉壓薄，生銹後的影響將會非常大。生銹→肉壓減少→強度下降(應力集中)。
(2).金屬的疲勞顯著(應力集中引起的金屬疲勞)
若 使用肉薄的鉻鉬鋼車架時需要注意！當然金屬疲勞這個現象任何金屬都會產生包括鋁等在內。金屬疲勞現象簡單地說：金屬雖然具有防止塑性變形的小小的力量，但 是反復施加應力時，金屬可能被破壞(被稱為微細的應力集中)。飛機出事時，有時候也是某部分的金屬疲勞引起。對自行車來說，由於金屬疲勞的原故，可能出現 強度不能保持。例如，進行DH時產生的衝擊縮短了自行車的壽命。若感覺到踩踏時不那麼順利前進時很有可能是金屬已發生疲勞。
焊接部位，如從管道側(母體)到溶融的部位(溶接部)，結晶的特性都會顯著變化。為使這些組織均一化，本來應該再次結晶化(詳細內容後述)。但是車架加工廠不一定有這種大型爐，另一方面，這種加工使已經冷卻過的再次硬化，使得變增強的管道的強度降低。
由 於存在上述原因，焊接時採用各種方法來加工。如利用低溫焊接等方法製造車架。不管是任何優秀的焊接，，焊接部位(1000°C以上)和另管道側(室溫)之 間的溫度差，冷卻時收縮而發生殘留應力。該部位受到應力集中時，可能會產生裂縫。結果自行車騎的時間長時可能會引起金屬疲勞，微觀的硬化加工也使衝擊的吸 收性也變得差。
鋁合金 （Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)）



很久以前就有用鋁合金製作的車架。 輕而價格低是它的優點。但是從「輕」來說，當前與鐵素材比較相差並不大。老車手對它的反應是「雖輕但易彎曲　」。雖然經過多次改進，但是始終克服不了楊氏 彈性模量低的缺點。最近的鋁合金車架，為了提高楊氏彈性模量，加大管道外徑，使用扁平管，或者對鋁管進行熱處理等，製造出輕而有剛性的車架，這種最新的鋁 合金車架對車手來說，具有足夠的輕量與剛性。
鋁合金是純鋁中加入Mg，Zn，Si，Cu等金屬的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕等優 點，加入其他金屬後顯著提高了機械性能。自行車所使用的鋁合金多數為6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu)兩種，經過熱 處理(鋁耐高溫，在高溫下能改變性質)可以製成名種各樣的材料。
6000系被認為是耐腐蝕、強度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061合金的機械強度。
7000系是鋁合金中最強的材料。尤其是7075是特超硬鋁(製造飛機的材料)，但是它的焊接難度大，耐腐蝕性差(會發白)等。下表表示使用最多的7005和7075合金的機械特性。表中的有關熱處理以如下數字來表示：
-0：完全退火
-T5：人工時效(無溶體化處理)
-T6：溶體化處理後人工時效
-T7：溶體化處理後穩定化處理
-T8：溶體化、硬化加工、人工時效
(右圖)i-DRIVE車隊用在XC比賽時的鋁制輕量型車架，價格約2萬元。

6061合金的機械特性

熱處理


伸長強度 (MPa)


耐力
(MPa）


伸長
（％）


剪斷強度(MPa）


布氏硬度


疲勞強度(MPa）

T5


190


148


12


119


60


67

T6


246


218


12


155


73


67

T83


260


246


11


155


82


-


7005，7075合金的機械特性
合金名稱 熱處理 伸長強度(MPa） 耐力
(MPa） 疲勞強度(MPa） 伸長
（％） E
(GPa）
7005 T53 345 305 130
(7003) 10 74
(7003)
7075 0 230 107 163 17 74
T6,T651 597 526 163 11 74

●鋁合金車架的優點



(1).可以製作重量輕的車架
鋁的比重輕但不夠硬，為了增強強度把它製成合金並施予熱處理。熱處理採用時效析出增強法，簡單地說，在金屬內形成一種妨礙金屬變形的物質。在某種高溫下進行熱處理時，會引起時效析出，若沒有經過這個程式的車架，也會引起常溫時效。就是說把車架放置在房間內也會逐漸變強。
許多鋁合金制車架用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。
有7075標誌的自行車零件(如XTR曲柄等)，嚴格來講沒有經過熱處理。也就是說因沒有時效，因此是常溫時效。7075合金本來就必要進行熱處理，通過熱處理其強度可以增加5倍。
另外，7005合金也常用來製造車架，它的強度比不上7075，但是它在常溫下也能夠進行足夠的時效的材料。這種材料也可用Padded加工製成薄料。但是材料本身的強度及楊氏彈性模量低，因此加粗管道直徑來提高剛性。通常被稱作鋁制粗管道的是這種類型。
(2)長時間使用外觀不怎麼變化
鋁本身是很容易受腐蝕的金屬，在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁，放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。為什麼不生銹呢？原因是該氧化膜達到一定的程度時防止繼續生銹。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發現變化(有時會發白)。
另 一方面，騎這種材料製造的自行車時，騎的次數越多，應力發生的次數也高，強度也顯著引起變化。近來為了謀求輕量，許多車架使用薄料來製作(薄的程度已達到 極限)。這些都是使用沒有疲勞極限的鋁合金來製作車架，到底長時間使用後強度變化將是如何呢！Dedacciai公司製作的SC61-10A等是表面施有 噴丸硬化加工(KET處理)的管道，這種加工的目的是延長疲勞的壽命。根據公開的資料，能提高140%。，KET處理是：疲勞破壞是在金屬表面上所發生的 裂縫為起因，因此用硬化加工技術來提高金屬表面的硬度。
●鋁合金車架的缺點
1).鋁是彈性率及剛性低的材料。因此採用粗的管道，或者改變形狀如cross-over管、padded管等。
(2).需要進行熱處理
必需進行熱處理，否則強度不夠。因此一般的規模不大的工廠無能力購買熱處理設備。尤其是6000系的鋁合金管，多數情況是管道廠家指定熱處理條件。
鈦、鈦合金（Ti,Ti-Al-V)



美 國在60年代首次使用鈦合金來製作自行車車架。鈦合金給人的印象是「輕而硬」。早期的鈦合金車架，作為比賽用車，剛性不足，其車架不適合於長距離賽車，也 不是適用於所有的比賽，只適合用在山嶽，或者Big reces, Time traial等需要輕型車的特定的場合。開始時鈦合金使一些人著迷，曾經有些熱中於輕量化的騎手，把所有的螺絲都換成鈦合金制的才滿意。鈦金屬給一些人錯 覺，貴而稀有，實際上鈦是地球上埋藏量豐富的元素之一。只是由於合金的製作成本高，價格才較貴。
金屬鈦比重輕、強度大，同時耐腐蝕性高的材料，一般用在特殊的環境裏。在金屬鈦裏添加鋁、釩(Li.V)時強度顯著提高，熱處理也和鋁合金一樣通過時效處理可以提高強度。

鈦合金的機械性能

合金名稱


區分


拉伸強度(MPa）


耐力（MPa）


伸長（％）


E(GPa）

純鈦


JIS 3種


480～620


345


18


105

Grade 4


550


480


15

PTT800


800


─


─

UTT75


750


─


─

3-2.5Ti


退火


685


590


20


─

6-4Ti


退火


980


920


14


110

時效處理


1160


1100


10




●鈦合金車架的優點
(1).可以製作輕量而強度大的車架
純鈦金屬的強度更高。在鈦金屬中添加鋁和釩，彈性更高(和鋁比較)，也有利於設計。
(2). 不生銹：鈦在一般的環境下幾乎不會被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現象即異種金屬腐蝕。例如，不同種類的合金接合在一起時，成為電極狀態，電位差使局部通電引 起腐蝕。對此現象採取的措施是用脂膏等來絕緣(混有金屬粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等)。這種金屬粉末防止脂膏流失，即使流失後也用來防止緊密接觸。這種金屬粉末有導電性也不要緊，接觸後被較小的荷重破壞掉。這種現象稱為「粘 住」，它和「烘焙」是不同的。
「粘住、咬合」：金屬之間通過腐蝕來接合的現象。
「烘焙接合」：加工金屬時所產生的熱量來溶融接合。
(3).騎感好
鈦 也用在避震器的彈簧上。現在用鈦製成的車架適合於長時間的騎行。有些車手酷愛鈦制車架，認為騎感極佳。但是個人各異，有人和鉻鉬鋼比較後認為，鉻鉬鋼的車 架衝擊吸收性比鈦車架好，騎感也比鈦車架好(這和鉻鉬鋼車架的形狀以及用薄的管的結果應力得到增大也有關)。假若鈦管的加工技術得到進一步改進，也許會有 和鉻鉬鋼同樣的騎感。
有些鈦制車架使人感到搖擺，這也許是使用plane管(沒有加padded的，厚薄不能變化的管)有關。或者雖使用高強度的鈦合金，但沒有用薄的管等也有關係。
●鈦合金車架的缺點
價 格高。鈦在自然界以二氧化鈦的形態存在，提練及加工過程複雜，技術要求高，並花時間因此成本高。再有溶接加工極為困難，因為鈦和氧的親和力極強，和空氣接 觸後馬上變成二氧化鈦，而二氧化鈦硬而脆，該部分的強度會不斷下降。因此用惰性氣體小心焊接。通常所說的Tig焊接是：(Tig：鎢、惰性氣體的略語)用 鎢電極及氬氣體進行弧焊接。鈦的焊接必需隔絕空氣下進行。由於以上原因鈦車架價格很貴。
近來有些鋁合金車架比鈦合金車架價格貴，這說明鈦合金車架的價格下降了。其因是冷戰結束後軍費縮小，鈦的用量少了；優秀的技術員開始用鈦來製作車架；製作鈦車架的成本降低等原因。
碳纖維 （CERP)



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。雖然存在上述的現實問題，但是碳纖維車架還是具有其他素材所沒有的優點，可以製造8、 9kg左右的輕量自行車，這種碳纖維輕量自行車，登坡時最能體現其優點，登坡順利而爽快。而不會像一些輕的鋁合金車架，登坡時感到有一種向後拉的力量。
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(拉伸強但容易斷)，因此採用把薄料層層重疊的方法來解決缺點。(右圖)COLNAGO牌的碳纖維車架，2萬多元)
●碳纖維車架的優點
(1).可以製作重量輕的車架
碳纖維車架是把碳纖維對著發生應力的方向層層疊而得到強度。碳纖維車架非常輕，這是它的密度和強的拉伸強度構成的。
捷安特的碳纖維車架非常輕，2000年的型號1.2kg重
(2).衝擊吸收性好
碳纖維用來製作殘疾者運動時用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領域。利用它的吸收衝擊力優異的性能，製作不用避震器的自行車。如SCOTT廠的 ELEVATED車架是著名的。但是各個廠家之間的品質差異較大，有的很硬，因此這種車架乘騎後才能知道好或者不好。
(3).可以製造各種形狀的車架
碳纖維的基本成型方法是，在模具上鋪上纖維片然後流入樹脂並燒固。可以製成各種形狀的車架。如TREK的Y車架是著名的。
●碳纖維車架的缺點
(1).複雜的應力計算
構成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點是拉伸強度強，但剪斷強度弱，加工時需要進行複雜的應力計算(縱剛性、橫剛性)，根據計算把碳纖維片重疊成型。加工技術各廠家各異，應選擇有經驗而可靠廠家的製品是很重要的。
(2).難於更改尺寸
由於作好模具後成型，難於更改尺寸。無法相應多尺寸多款式的訂單。
(3).老化？
使用樹脂因此會不會老化？這是一個存在的課題，它放置在陽光下時會逐漸變白。當然這種現象關係到廠家的技術。最好不要放置在陽光下。
金屬為基體的混合物（M2，MMC)



金屬為基體的混合物是在鋁素材中混入陶瓷粉末或者纖維等物體，使它析出增強，製造出強度大的材料。它的強度比鋁合金強許多，是一個新的素材。有的混入氧化鋁粉末。M4指的是再多加入兩種合金，用這種材料製成的車架衝擊吸收性更好。
●金屬為基體的混合物車架的優點
(1).可以製作重量輕的車架
它和鋁合金比較，拉伸強度大，極薄的管也能保持強度，因此車架很輕。這種輕是有剛性的輕。
(2).剛性高
如SPECIALIZD的M2車架使人感到很結實，管的直徑也大，剛性也好。
●金屬為基體的混合物車架的缺點
(1).焊接
關 於這方面的資料很少，看實物焊珠部分正常，但是GUSSET就年年大型化。補強的目的是什麼？尚未清楚。陶瓷粉末在鋁母體中均衡地存在，進行焊接時陶瓷粉 末能否均衡分散是個非常困難的事，能獲得何等程度的機械強度是大家所關心的事，總之，由GUSSET補強已達到相當的水平。
(2).衝擊吸收性差
關於這一點很多人有同樣的感覺，前部有避震器因此個人的感覺會有差異，但是後部非常明顯，衝擊力太大，會腰痛的。該材料的車架不適合於長途騎行。但是在時間短的比賽中能發揮威力。

鎂合金



鎂的比重很輕(1.74)，約鐵的1/5，鈦的2/5，鋁的2/3。它是不容易腐蝕的活性金屬。它廣泛用在各種領域裏，如照相器及電腦的外框、車輛的車圈等配件。通過合金化耐腐蝕性也得到進一步提高。
●鎂合金車架的優點
(1).可以製造重量輕的車架
它比鋁密度低，可以製造輕的車架。楊氏彈性模量稍微低些，但是可以用加粗管直徑及橢園化等方法來解決。使用鋁合金的目的僅僅是為了減輕重量，將來可能會被鎂合金取代？？鈦和鎂的研究課題稍不同，這兩種金屬今後仍然會活躍下去。
(2).加工性好
鎂制車架加工不會差。切粉的燃燒、爆炸等能夠通過合金元素來回避的話，剪斷、溶接性可能不會差。和鈦比較起來加工性好。
●鎂合金車架的缺點
(1).耐腐蝕性如何？
生 產鎂車架的廠商都說耐腐蝕性好。但是這方面的資料當前還很少，耐腐蝕性好到何種程度難於判斷。鎂是劇烈氧化的金屬，不小心操作錯了很容易爆炸，純鎂一般不 能使用，添加其他金屬(鋁、鋅、錳等)製成合金來使用，製成的鎂合金強度、機械性能都得到提高。有些人曾經使用過鎂合金制用具，如摩托車的曲柄套等、他們 說：「雖然用了很久，但是很好，不會象鋁般發白。
(2).鎂的楊氏彈性模量(決定剛性的因素)比鋁低許多，要增加其剛性管的直徑要大，這可能會影響對空氣的阻抗？。
(3).成本如何？鎂已經用在筆記本電腦的框體上，用它來製作車架成本將是如何？現在尚未知。
鍛造和鑄造



製造自行車的部件要經過鍛造、鑄造、切削、研磨等加工過程，在此簡單介紹鍛造和鑄造。
鍛 造：鍛造是把棒狀、板狀等的鐵錠加熱，然後用錘子打，或者用油壓等加壓成形。用這個方法加工的比起鑄造在拉伸強度、粘性強等方面好許多，可以製成非常好的 製品。強度大而薄，材料的浪費也少。是一個很好的加工方法。如劍是用這種方法加工的。缺點是價格貴，不適合於大量生產，加工複雜形狀的困難等。

鑄造：鑄造是把金屬溶融後注入模具中冷卻成形。它的優點是可以製造複雜形狀的物體，適合於大量生產，價格便宜。如壓鑄加工可以製造強而複雜形狀的製品(照相器的機體、鋁制車圈等等。但是強度遠遠比不上鍛造。不能進入模具部分的材料浪費(當然這些材料以迴圈使用)。

　


鍛造


鑄造

單件的成本


高


便宜

強度


比較強


比較弱

用在自行車上的製品


高級曲柄


廉價配件
　

材料和環境


何 謂腐蝕：腐蝕是金屬和環境之間科學地相作用的結果改變了金屬的性質，金屬與環境，或者構成它們的一部分實用體系機能受到了損傷。簡單地說金屬表面變質了。 對自行車來說金屬表面受損傷時會引起生銹，其中鉻鉬鋼車架最為明顯。腐蝕自行車的最大原因是下雨，尤其是酸雨的腐蝕性最勵害。



鉻鉬鋼和環境的關係
塗漆加工粗糙以及沒有防銹加工的車架，鉻鉬鋼管表面和塗漆之間開始腐蝕，塗漆部分彭脹起來，或者局部受到腐蝕。若發現自行車受傷，建議把受傷部位擦乾淨並用錘刀搞平傷口，防銹加工後塗漆。總之傷口是腐蝕的最大原因。
另外，發生應力多的部位也容易生銹，如焊接周圍，彎曲部位等。廉價的自行車，焊接後沒有熱處理(消除應力退火)就出貨，這種自行車若發生生銹，局部或整體不斷地腐蝕下去。

鋁和環境的關係
鋁 從外觀上看起來是相當耐腐蝕的材料。尤其是經過鋁表面鈍化處理的強度更大。這種處理是除了美化表面外，在鋁的表面形成的多孔質地Υ-A1203(氧化 鋁)，用滾水或蒸氣處理，封住其孔(如禧碼諾XT.XTR)。氧化鋁非常耐腐蝕，不被一般的酸溶解(如鹽酸、硝酸等)，只能溶在氟酸等強酸。它也使用在研 磨劑裏，不可見它的耐腐蝕性極強。

碳纖維和環境的關係
碳纖維含有樹脂因此也可以說耐酸。但是對碳纖維來說應多考慮內在因素，它用樹脂因此樹脂老化的可能性是存在的。碳纖維制自行車不使用時應該避開陽光，日光和環境的溫度對它的影響最大。

鈦和環境的關係
耐腐蝕性極佳(被使用在和原子能有關的部門)，不怕雨水、不怕受傷、沾上水滴也不用抹乾淨。用這種材料製作自行車實在浪費？？但是鈦也有缺點如前述(異種金屬腐蝕)，如鋁制配件和鈦制配件接合在一起時逐漸被腐蝕掉。
除了鈦之外，其他金屬之間也會發生異種金屬腐蝕，尤其是坐管部位，例如，把鋁制坐管和鉻鉬鋼車架接合在一起而不管它時，接觸面變成褐色，甚至於無法把它們解脫下來。
金屬的疲勞度



自行車和疲勞
製作自行車車架的材料有鉻鉬鋼、鋁、鈦、碳纖等。其中用最薄的管來製作的是鉻鉬鋼車架。它的加工性好，材料便宜，騎感好，但它必需製成薄壁管，這種薄壁的管會有較高的拉伸強度和加工性。
鉻鉬鋼的強度較容易逐漸減弱，也就是較容易疲勞的現象表現在如下。
(1).同樣的衝擊力加在各種材料上，鉻鉬鋼薄管所發生的應力最大(容易發生疲勞而引起的破壞)。
(2).對鉻鉬鋼的研究的歷史較長，最大限制地利用它的特性製成極薄壁的管，應力雖然發生的各個局部部位，但是對整個管來說會發生較高的應力。
(3).由生銹引起的全面腐蝕將會引起管壁的變化，結果這個現象又提高了應力，引起疲勞破壞。
(4).應力集中在局部而生銹、或者外傷引起的凹處，從該處引起疲勞破壞。
(5).參加比賽時產生的衝擊，使車架發生較高的應力，使用的次數越多，疲勞破壞也逐漸增多。
以 上主要是針對鉻鉬鋼，但是近來鋁合金制的車架發展迅速，有許多用薄壁的鋁管制作的車架，它們是否上述的鉻鉬鋼制車架一樣，發生疲勞破壞呢？尤其是鋁沒有耐 疲勞限度，很小的應力也必定會產生破壞。其應力越大破壞所需時間越短。現在所出售的極薄壁管的鋁制車架，廠家都未明確注明其壽命。
焊接和疲勞



鉻鉬鋼車架的焊接使用銀焊料的焊片焊接較多。鉻鉬鋼管是在再結晶溫度下焊接，因此管的強度不會降低，也不會變質。但是所使用焊片加重了管的重量。
鈦管是使用前述的Tig溶接，焊接時所使用的不活性氣體的水蒸氣、或者不純物體在溶接時混入的可能性是存在的，這些事可能將成為引起疲勞破壞的原因。溶接不良使得應力集中在溶接部位，也會引起疲勞破壞。
剛性



曾經多次提過決定剛性的重要因素是楊氏彈性模量，但是管的外徑也會影響剛性。
最大剪斷應力
車 手騎在自行車上面時，複雜的應力加在車架上面。尤其是轉向握把，或者站立騎行而使車子搖擺時，假若車子的剛性不足時，騎起來很不舒服的。車架的剛性夠不夠 往往是在這種場合被議論。在此著重講一講複雜的應力中，在管道上施於扭等動作時的轉矩的情況。在轉矩存在的狀下，最大剪斷應力發生在管的外周，它的公式加 下。

在此τmax是最大剪斷應力，M是給管道的外來荷重，Do是外徑，Di是內徑。所發生的最大剪斷應力由外來的荷重和管的外徑、內徑所決定。從這個公式可以設想：材料本身固有的資料之外，改變外徑、內徑來得到所能承受的最大荷重。
下述公式表示管道所能承受的外來荷重。

剛性比、重量比

在此簡單說明加倍外徑、內徑時的剛性及重量的變化。重量比的計算結果為4倍。2φ表示外徑、內徑為2倍。

剛性比的計算結果如下所述8倍。

從上述計算結果可知，改變外徑時重量加大到4倍，強度增加到8倍，效果還是很大的。利用這種方法也有限度的，外徑過於大時對於外來的壓力會增加面法線的壓力成分，如金屬表面容易凹進去(象啤酒的罐般)。
車架的壽命


車架強度的探索
車友們，希望你的自行車能用多久？除非有經濟條件許可者追求新款式自行車之外，一般都希望能使用越久越好。在此主要記述影響車架強度的金屬疲勞問題。
在前面已講過自行車的金屬疲勞是不可避免的現象。具體地說：影響最大的是，加在管上的應力、管的材料、疲勞極限。
設 計自行車管道時，增加應力的話，不得不增加管壁的厚度。疲勞極限高而薄管壁的加工方法，目前主要採用Padded加工方法，這種方法是：發生集中應力的部 位如接合部位，按理應增加該部位的厚度，但是不增加厚度，代替它的方法是，減少應力小的管道的中心部位的管壁的厚度。在此舉幾個薄壁管道的例子。
高級鉻鉬鋼管：中央部位的管壁厚度為0.5mm。Dedacciai公司的最高級鉻鉬鋼管的管壁厚度為0.4mm。
鋁制車架：Dedacciai公司的最高級鋁管SC61-10A的管壁中央的厚度為0.8mm。最便宜的鋁制車架的管道的厚度為1.8～1.3mm，可見Dedacciai公司的最高級鋁管的厚度多麼薄！這種薄的管使人感到強度行不行呀！
鈦制車架：關於鈦制車架有Panasonic的0.6mm厚度。另外，在鈦制車架方面最著名的美國Litespeed公司，該公司的廣告用語是：我們的鈦合金的疲勞壽命可達到鋁、鐵的5倍。
作為自行車運動愛好者來說，能夠騎上把管壁加工至極限的薄而輕的車子是可以接受的，但是乘騎的次數越多，強度越下降，年年要換新的車子的話，薄料的車子有什麼用呢，當然專業選手就不同了，他們有練習用車及比賽用車。是否能夠維持性能特性的車架應成為選擇車架的條件？
車架的外觀
容易生銹的自行車讓人討厭，雖然小心愛護自行車，但是總是會生銹，愛護車的人看到這種現象很心痛的。因此人們尋找不會生銹的自行車如鋁或鈦制自行車。
筆者心目中的理想的自行車



●材料的選擇
已經介紹了幾種自行車材料，總地來說，騎感好的是鉻鉬鋼制的、要輕的是鋁制的，衝擊吸收性最好的是碳纖。鈦合金制的上述各種性能都不是最好的，但是為什麼對它感興趣呢？因為它是有前途的金屬。
● 鉻鉬鋼已經使用了很久，對它的研究也最多，除非有什麼突破，鉻鉬鋼的前途可想而知的了。使用適正厚度的管道時重量是會增加，但是不容易引起金屬疲勞，這種 車能帶給車手極佳的騎感。有些自行車競技必需用鉻鉬鋼制的車子，因為它很結實，容易操作。這種車子才是鉻鉬鋼本來的面貌。有些薄壁的鉻鉬鋼車子，金屬表面 很容易凹進去，那種車子是不行的。單純地追求薄壁的管道的現在，鉻鉬鋼應該走自己的道路，充分發揮其優勢，否則很可能被其他材料淘汰。
●自行車用 鋁管，當前的設計方針很危險，鋁是沒有疲勞極限，為了降低應力應該增加厚度。但是為了單純地謀求薄壁，使用強勒的新合金來製作車架。從外觀來看這些製品使 人引起很不錯的錯覺，但是疲勞壽命將是如何呢？鋁管的薄壁程度已經到了極限，不可能再薄下去。結果它的命運將和鉻鉬鋼一樣。進一步來說，騎車摔倒時，因它 塑性變形量少，破斷時很可能發生一口氣的脆性破壞。今後鋁制自行車向那一個方向發展呢？我認為可能會成為比賽專用自行車的素材。若用鋁制自行車來練習，一 定會感覺到性能的降低顯著。
●碳纖維制自行車是有前途的，通過應力計算會找到最適合的加工條件。另外是信心問題，假若廠家應該提供可信賴的割裂、耐用等資料時，需要量會增加。當前尚存在各種問題。
● 鈦管還有發展的餘地，強度可能會超過鉻鉬鋼，現在已能製造1.5kg的車架，將來一定會出現1kg的車架，鈦必定會奪去鋁的"輕量王"的寶座。另外，鈦不 需要塗漆，可減少這部分的重量(20～40g)。將來最理想的是鈦制自行車？這只是紙上談兵，和車友們一起探討。筆者所選擇的鈦合金是下述的β合金Ti -15Mo-5Zr-3Al (在TI中添加15%的Mo，5%的Zr，3%Al)。
其他材料如鎂、不銹鋼等不在此記述。這些材料也許將來會有新的突破也說不定。

在此例出各素材的拉伸強度，從下表可知筆者所選的鈦合金是多麼優秀。

合金名稱


拉伸強度（MPa）


伸長（％）

PTT800(純Ti)


800（通常純Ti為550）


＞18

Ti-3Al-2.5V


685


＞20

Ti-6Al-4V


1160


10

SCM415


＞830


＞16

Ti-15Mo-5Zr-3Al


1470


14


筆者所挑選的車架的構造
車架的構造正統的鑽石型(有前三角的車架)的最適宜。因為這種正統款式下訂單時可變性大。其他款式的無法解決各種樣求。chine stay和seat stay不採用碳纖的混合體。我最關心的是接合部位，該部位長期使用時其強度如何變下去，因為我要求自行車的壽命要長。
下 管選擇Panasonic的cobura管，中心厚度要求0.45mm，接合部位1.2mm。上管用double badded，向橫方向壓採取縱oval。坐管採用high seat30mm，seat徑26.8mm，因為筆者已有的pillar為27.mm和26.8mm。車頭是過大形的車把立。seat stay要S形彎曲，由此吸收衝擊性。chine stay增加厚度，採用肉厚的薄管。
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The diamond has the highest hardness, heat conductivity among the substances and excellent in chemical stability,
From such excellent characteristic, the diamond is used to various usage.
For the application as the cutting tool, the simple crystal of the diamond is effective to the ultra precision machining of nonferrous system materials, because the extremely sharp edge of a blade is obtained

The artificial diamond simple crystal is commercialized to the tool for the ultra precise cutting processing such as machining the mold for the laser mirror and magneto-optical disc, optic lens and be supporting it the base of the top industrial field such as electronic industry and optical technology.
The sintered polycrystalline diamond is obtained with some binders such as Co powders by sintering under ultra-high pressure and high temperature(about 5000 atm, several thousand degree of Centigrade) under which condition the diamond is chemicaly safe.

This diamond sintered body shows excellent abrasion resistance with the cutting of the nonferrous metals and unmetallic material and be taking an active part as the high accuracy, high efficiency cutting tool of the difficult processing thing such as the Al-Si alloy and cemented carbide.
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Properties Diamond cBN Cemented Carbide Cermet Silicone Nitride Aliumina
Density
（×106kg/m3 ) 3.5　　　 3.5 14.5 6.8 3.2 4.2
Hardness Hv
（kg/mm2） 10000 5000 1500 1600 1600 2500
Strength（kg/mm2） --- 110 250 200 120 40
Young Modulus
（×104kg/mm2 ) 10.5 7.3 60 40 3.1 3.6
Thermal Conductivity
（W/mK） 2000
（single crystal） 50 76 13 40 20
1kg/mm2=9.8MPa
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CBN(cubic Boron Nitride) www.tool-tool.com

The cubic Boron Nitride which has the hardness and thermal conductivity after the diamond has small reactivity with the iron system materials and is more excellent in the chemical and thermal stability than those of the diamond.
Because of these properties, the cubic Boron Nitride has been paid attention as the tool material that is useful for machining of iron system materials for which the diamond was unavailable.

cBN is synthesized artificially with the condition of the high pressure and at the high temperature as the same as the diamond.
At present, cBN is manufactured under an ultra high pressure high temperature.
The characteristic of mechanical and themal properties of cBN are influenced largely by the kinds and addition quantities of the binders that are used in the case.

Polycrystalline type cBN has an excellent characteristic for cutting tools to machine the cast iron and heat resisting alloy, and the composite type cBN has one to machine the quenched steel. Making the most of such a characteristic cBN is used to the high efficiency cutting tool of the iron system hard material such as automobile parts such as the engine block and gear, shaft, bearing.


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