摩托車低成本鋁合金方向把的開發

（天津大學內燃機研究所 天津 300072）

引言

摩托車方向把的材料通常要求符合輕量化及外形美觀等特點，在競技用車以及高級車上經常采用鋁制方向把。

鋁合金分為一般合金和高強度合金，按照不同使用要求被區分用于摩托車上。

形狀上，傳統摩托車車把通常是采用定直徑合金，近些年開始逐漸采用錐形車把。錐形車把在方向把中央受力處直徑增大，延伸到兩端把手末端處逐漸變細，因此被稱作錐形方向把。采用此設計的方向把僅集中受力部位采用較粗直徑，減少了不必要的用材，使方向把質量更輕、外觀更簡潔。

本次研究也采用了具備高強度的鋁合金材質A7075。但是，A7075 在加工成管狀進行壓鑄工藝時難度較大，工藝要求高，壓出效率低，使得管狀素材的制造成本升高。

本文旨在探討如何提高7000 系合金的生產效率，通過對管狀素材進行熱處理，改進加工設定條件等，從而實現降低產品生產成本，開發出兼具高強度、耐應力及耐腐蝕性等特點的鋁合金錐度方向把產品。

1 7000 系鋁合金材料當前面臨的難題

圖1 為近些年逐漸采用的錐形把示意圖，圖2為傳統利用高強度鋁合金制作方向把的流程圖。原料先經高溫壓鑄成管狀，再拉伸至所需直徑。之后經過塑性鍛造，將兩端壓成方向把形狀。再后的熱處理工序可以在彎曲工序之前或者之后進行。最后，對表面進行氧化處理。

選材方面，通常采用2000 系列Al-Cu 合金以及部分特殊合金，除此之外，擁有高強度的7000 系列Al-Zn-Mg-Cu 合金也較為常用。但原材強度高，致使壓鑄效率較低，造成了生產成本居高不下。這也是本課題需要解決的一個課題之一。

圖1 錐形車把示意圖

圖2 錐形鋁合金把手流程圖

2 選取兼顧壓鑄效率和滿足特性要求的替代材料

2.1 關于改進材料提高生產效率的探討

造成壓鑄效率低的原因是高強度材料即使在高溫下也保持著較高的強度，導致壓鑄時阻抗較大[1]。雖然提高壓鑄溫度可以降低材料阻抗，但會致使材料的表面局部溫度過高，超過熔點而形成熔解裂紋。因此，壓鑄溫度受制于材料熔點，不能過高。在Al-Zn-Mg-Cu 合金成分中，Cu 熔點最低，其壓鑄溫度主要取決于合金中Cu 的添加量。當Cu 的添加量逐步升高時，為了防止產生裂紋，就要降低壓鑄速度。因此，若想提高壓鑄速度就應降低合金中Cu 的含量。

基于以上分析，本課題決定采用不含Cu 的Al-Zn-Mg 合金來進行進一步研究。

2.2 關于材料強度的探討

不含Cu 的合金會導致合金強度降低，為了保證性能需要增加管壁厚度，這樣一來用料增加，導致成本上升以及成品質量增加。而在合金的成分中，Zn與Cu 比起來，熔點較高，提高合金強度效果顯著[2]。

因此，我們的目標是通過調整Zn 的比例使得新材料的強度不低于A7075-T73 合金。圖3 是基于參考文獻[3]繪制的Al-Zn-Mg 合金中隨Mg、Zn 添加量的變化合金拉伸強度的變化曲線圖。

圖3 Al-Zn-Mg 合金拉伸強度曲線圖

根據結果分析看，當添加8%的Zn 及1.7%的Mg 時，合金強度有望達到500 MPa 以上。

2.3 關于如何防止材料應力腐蝕開裂的探討

解決了強度問題，再來探討一下材料應力腐蝕開裂問題。所謂的應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking：以下簡稱SCC）是指材料曝露在應力腐蝕條件下，持續在拉伸應力作用下，沿結晶面發生斷裂的現象。

7000 系合金耐SCC 性能比較低。Al-Zn-Mg 合金耐SCC 性能會隨著Zn 以及Mg 添加量的增加而降低。即同一強度下，Zn/Mg 比例越大越容易發生SCC 現象。為了保持良好的耐SCC 性能，Zn/Mg 添加量合計應控制在6%～7%，Zn/Mg 比在2.7～3.0[4-6]。

本課題中的方向把為了減小振動在車把末端增加了螺栓配重。在把手外圓周方向上螺栓擰緊處會產生拉伸應力。當螺栓按照扭力值上限擰緊時會產生大約90 MPa 的應力。在該應力條件下，進行耐腐蝕疲勞實驗，求得試驗循環最大數量以及耐SCC 性能指標。

之前為了提高熔點，配比中去掉了Cu，但少量添加Cu 可以提高材料的耐SCC 性能。圖4 結合參考文獻[7]繪制，表述了Al-8Zn-Mg 材料在鉻酸溶液中，隨著Cu 添加量的變化合金耐SCC 性能變化的關系圖。由圖可知，Cu 添加量的增加與合金的SCC耐受性成正相關。當添加量達到0.5%時，SCC 耐受性增加趨于穩定。因此，為了兼顧熔點和耐SCC 性能，Cu 的添加量定在0.5%最佳。

圖4 隨Cu 添加量變化合金耐SCC 性能變化關系圖

2.4 選材確定

綜合分析，在Al-8Zn-1.7Mg 合金中添加0.5%Cu 是最為理想的方案。管材壓鑄速度可達到A7075材質的7 倍。

3 熱處理以及管材壓鑄

接下來，我們進行對比試驗，總結出不同熱處理條件與管材制法對合金機械特性帶來的影響，進而制定改進生產工藝[8]。

熱處理分為固溶工序后和自然時效后兩個階段進行人工時效。熱處理條件如圖5 所示。若將熱處理條件設定為水準3，過時效設定為T6 時材料強度最佳；設定為T7 時，犧牲部分強度，帶來耐SCC 性能的提升。因此，在T6 基礎上，延長第二階段人工時效時長，設定過時效為水準2，將T6 第二階段人工時效設定為t，則2.4 t 長的時間是充分過時效時長（T73），通過調節介于T6 和T73 之間的這段1.4 t 的時長內，可以對合金強度和耐SCC 性能進行平衡（成為T76）。

圖5 熱處理條件示意圖

在進行壓鑄工藝時，芯棒壓鑄法成品可靠性好較為常用，舷窗壓鑄法由于對原材料的強度受限不適應壓鑄阻抗大的材質，且易發生SCC 斷裂，所以使用較少。但芯棒制法需要在毛坯上打孔，以及壓鑄后拔模。舷窗壓鑄法則無此顧慮。關于壓鑄方法示意圖如圖6 所示。

圖6 壓鑄方法示意圖

本次研討的目標是打造高強度和耐SCC 性能兼優的合金材料。采用舷窗法壓鑄出的管材需要切斷后再融合，增加了不確定性。因此，本次試驗只采用芯棒壓鑄法來進行評價。

在制作材料評價試驗切片時，對材料進行壓鑄、拔模、塑型、彎曲等工序制成方向把半成品，再分別按照T6、T76、T73 進行熱處理。在此基礎上再進行切片得到最終的試驗樣品。同時采用芯棒壓鑄法制得A7075-T73（原材料）管材樣品，進行數據采集對比。

3.1 材料單體評價結果-機械特性

首先，對樣品進行了拉伸試驗，將各樣品沿著與管材壓出方向平行方向進行拉伸，評價樣品的強度、0.2%耐力以及拉伸形變[9]。評價結果如圖7 所示。

圖7 機械性能

由圖7 可以看出，隨著時效時間的延長，樣品的強度、耐力下降，拉伸形變增加。在強度上，采用T6、T76 熱處理的樣品要優于原材料，耐力也顯著提升。

在測試性能時，對方向把施加負荷來進行評價，材質較以往更加輕薄。

3.2 材料單體評價結果-耐SCC 特性

制作樣品時，采用T6、T76 熱處理方式以獲得較佳的機械特性[10]。再通過塑型、切片工序（最細徑處切片）制得。切片上有類似字母C 形狀的缺口，呈C狀。管壁厚度是通過保持樣品外周直徑不變，僅對內徑部分進行加工來控制。試驗樣品切片示意圖如圖8所示。

圖8 C 環樣品切片示意圖

為了模擬方向把在有配重螺栓擰緊時外圓周受力狀態，在樣品環狀直徑正中央打貫穿孔，用螺栓和螺母從上下兩個方向進行擰緊，使樣品外圓周受到等同拉伸。

過程采用復合循環進行腐蝕試驗。包含鹽水噴霧、干燥、濕潤等多種腐蝕環境條件，多次循環預設的這些程序后，評價材料耐腐蝕特性。

加載的負荷應力從75 MPa 到300 MPa 分為10檔，每隔25 MPa 為一檔。每檔各用3 個試驗切片進行對比試驗。在規定循環下，3 個樣品都不產生裂紋時的最大加載應力為最佳適用應力值。

試驗結果如圖9 所示。柱狀圖表示各種規格樣品最佳適用應力值，圖上部的百分比表示與樣品加配重部位的實測應力值相比的材質耐應力的富裕度。

圖9 規定循環下不產生裂效應力值

各樣材最佳適用應力值，T6 為150MPa，T76 是175MPa，既有的A7075-T73 是250MPa。在耐SCC 性能方面，熱處理時間較長的T76 要優于T6 樣材。本次試驗所選樣材的耐SCC 性能低于既有的A7075-T73，但對于實際使用中加配重處產生的應力也綽綽有余。

為了確認管材毛坯制法以及熱處理條件對耐SCC 性能的影響，對管材毛坯及試驗后的樣品進行了檢測。

首先對斷面組織情況進行了確認。斷面在經過鏡面研磨后，用蝕刻液進行蝕刻。觀察到的組織照片如圖10 所示。

圖10 原料管組織照片

組織中可觀察到約200 μm 厚度均勻的再結晶層。該結晶組織是管材在進行壓鑄時與模具的接觸以及塑型冷卻加工時在其表面殘留的扭曲應力作用下，在熱處理時生成了結晶，然后發生再結晶所生成的粗大顆粒結晶組織。

之后又對產生裂痕的樣品進行觀測。發生裂痕的斷面如圖11 所示。

圖11 裂痕斷面圖

觀測結果顯示鋁合金SCC 沿結晶邊界處出現裂痕。

為了確認熱處理對樣材耐SCC 特性的影響，對結晶粒邊界進行進一步的研究。用電子顯微鏡分別對T6 熱處理后樣品的再結晶組織、T6、T76、T73 熱處理樣品非再結晶組織進行了觀察。結果如圖12 所示。

圖12 晶體組織與粒界圖

圖12 中上半圖分別是觀測到的結晶組織情況。通過對比可知，T6 狀態下的再結晶組織較非再結晶組織的結晶尺寸粗大。但對于不同熱處理工藝樣材的非再結晶組織的尺寸經過對比是相同的。

圖12 中下半圖是放大后的結晶粒邊界圖。粒子邊界處有無析出帶（PFZ：Precipitate Free Zone），該地帶中央處有結晶粒界的析出物質。對其進行成分分析結果顯示，改析出物是Zn-Mg 化合物形成的η相，PFZ 是母相Al 的α 相。粒界析出物小且均勻地分布易形成電勢差，從而促進腐蝕的發生。通過粒界析出物的尺寸和分散狀態的觀測來對粒界單位長度內粒界析出物的合計周長進行綜合評價。析出物越小、分布越均勻該數值越大。結果見圖13 所示。

圖13 粒界析出物合計周長圖

該數值的排列順序按照再結晶部尺寸由大到小依次是T6、T76、T73 與SCC 耐受性的排序一致。再結晶使得不止在結晶組織、在顆粒邊界處析出物的析出狀態，其SCC 耐受性都較高，隨著人工時效的增長，顆粒邊界析出物變得稀疏，耐SCC 性能也進一步得到提高。

在機械特性方面，從對耐SCC 性評價結果看，T76 較T6 略勝一籌，跟既有的樣品相比又具備輕量化的優點，也能滿足所需強度。因此，最終選定采用芯棒壓鑄的T76 作為新式方向把的材料。

4 型材成型加工條件的設定

4.1 設定合理塑型鍛造加工條件，使得再結晶層最薄化

在加工時，為了獲得較高耐SCC 材料特性，就需要設定合適的加工條件。

首先，分析塑型鍛造條件對再結晶層厚度的影響。以方向盤為例，加工時是對芯棒型材末端進行擊打鍛造、扭轉，最后塑型加工成盤狀。塑型機的加工模式如圖14 所示。設備的4 只錘頭如圖14 所示被凸輪擠在外圓周位置，對固定在內圓周處的原材料進行鍛造。原材的中心插入金屬棒。加工參數包括：原材進給速度、錘頭及原材旋轉速度等。在本次研究所用設備中，原材和錘頭同方向旋轉，只能設定原材回轉速度。通過調整該速度，對原材進行塑型鍛造，測定熱處理后再結晶層的厚度。原材回轉速度可分為3 檔進行設定：靜止、錘頭轉速一半、與錘頭同轉速。原材靜止時與錘頭的相對轉速最大，同轉速時最小。

圖14 塑形機加工示意圖

試驗結果如圖15 所示。當不斷調低原材轉速時，與錘頭的相對轉速越大再結晶層越薄。當原材與錘頭同轉速時，每個錘頭擊打固定位置，原材的表面被垂直固定在錘頭正下方。當調低原材轉速，增大與錘頭間的相對轉速時，錘頭在轉動方向上有相對移動，是從原材斜上方落錘。推測正是由于落錘方向的不同，所以當兩者相對轉速較小時，殘留應力作用更深，再結晶層也更厚。

由分析可知，原材轉速設定為靜止不轉動時，結晶層更薄。但會縮短錘頭使用壽命。因此，折中方案就是不固定原材，讓其隨錘頭的旋轉自由轉動。該方案下，再結晶層厚度大約為160 μm，使選材進一步實現了輕量化。

圖15 原材轉速設定與再結晶層厚度關系圖

4.2 調整工序去除殘留應力

原料在進行彎曲工序時發生巨大塑性形變，在彎曲部位形成殘留應力。該應力可以通過熱處理去除。因此，熱處理工序宜排在彎曲工序之后。但在進行熱處理工序時，原料隨著殘留應力的釋放以及自重的影響，材料在固溶的高溫中也會發生一定的形變。從保證產品成型穩定性角度，彎曲工序宜安排在固溶工序后，之后再進行人工時效工序較為理想。但這樣安排會導致熱處理工序被分為彎曲工序前后兩段。需要多次安裝與拆卸卡具，抑制自然冷卻，追加保溫措施，對后工序進行時間控制，以及固溶后材料在軟化狀態下如何防止打痕和變形等，這些增加的作業量導致生產效率降低。綜上，如果能提前將熱處理中的形變進行量化，在計算彎曲量時納入該值影響，這樣就可實現彎曲工序后進行固溶、人工時效等工序一氣呵成。

為了量化熱處理形變，減小過程偏差，我們對熱處理卡具進行了重新設計。使其滿足既能保持方向把姿勢不變，又能在方向把發生熱膨脹時不會干涉造成受力。使用該卡具對方向把進行熱處理后，對形變進行測定。

如圖16 所示，以方向把右端面為基準測定左側端面的位置。中間方框是允差范圍。雖未進行精確測定，也可看出超差較多。再分別對彎曲角度和扭轉等工序按照相同方法進行驗證，將與目標值的偏差計入到彎曲量的計算中。在進行了最終補正后全部都達到了公差要求。從而實現了工序安排的合理化。

圖16 右端面為基準測定左端面位置圖

經過如上這些調整，我們對最終的方向把產品進行評價。對耐SCC 性確認結果如圖17 所示，展現了經過復合循環進行腐蝕老化后的方向把外觀情況。可見除配重安裝部位外，方向把在支撐部和彎曲部位等處均未產生裂紋。之后在整車上進行了強度評價、騎行性能評價及預設腐蝕環境騎行試驗等，所有性能均達標。

本課題通過合適的選材及合理安排熱處理工序，對傳統的方向把材料實現了強度提升，使得產品進一步輕薄化。使用本課題的方式生產的方向把與相同外形規格的A7075-T73 材質產品相比，質量減輕約20%。質量的降低減少了耗材，成本減低約30%。

5 結論

本課題通過選材及工序調整等一系列嘗試，開發出性能更佳及成本更低的方向把產品。在開發過程中，得出以下幾點結論：

1）壓鑄性能優秀的基礎上，降低Cu 含量有利于提高材料強度和耐SCC 性，與Al-Zn-Mg 相比，提高Zn 添加量的Al-8Zn-1.7Mg 合金最為符合要求。

2）芯棒壓鑄法制得的管材再結晶組織范圍小，T6 強度最佳，T73 耐SCC 性能優異，而T76 介于兩者之間，通過熱處理后，強度和耐SCC 性能兼優。

3）為了減小塑型鍛造中表面再結晶層厚度，兼顧錘頭使用壽命，要減小原材轉動，加工時采取原材不固定，利用原材與錘頭間巨大的速差，使得原材隨著錘頭的旋轉自由轉動的方式最為有效。

4）采用特殊的熱處理卡具，獲得穩定的熱處理形變量，將該形變量補償到彎曲角度計算中，再通過調整工序，既能保證彎曲角度符合精度要求，又能將彎曲部位殘留應力釋放掉。

基于以上幾點結論，我們在Al-Zn-Mg 合金基礎上，開發出了強度與耐SCC 性能兼優材料，結合生產工藝調整，實現了產品的輕量化和生產成本的降低。本次開發，與傳統高強度合金產品比較可知，產品質量減低20%，成本減低約30%，該工藝未來會有更廣闊的應用空間。