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关于飞轮的那些事之一:谈谈材质和表面处理

2016-04-13 19:45阅读:
好像又有大半年时间没写东西了……嗯这段时间发生了好多事情,作为final11的创始人之一,暗地里倒腾了两年的功率飞轮终于面世了;作为骑记曾经的员工,那台传说中的自行车也终于见光了。无论是出于恐惧还是好奇,游击队小队长终究还是被招安了;然后又因为和常人格格不入,还是又回到了丛林中。曾经的许多自以为是的想法已经被证明是幼稚的,然而梦想和追求,却未曾改变。
——好吧以上皆是废话,不过是和某骗子学的骗人伎俩而已,哈哈哈。不过琢磨飞轮这坨铁疙瘩这么久,确实踩了非常非常多的坑,今天就来说说第一个——关于材质和表面处理这回事。
通常地……飞轮这坨玩意,用的是很大路货的4130铬钼钢,嗯,也就是和普通钢架一样的材料。为啥?因为这是一种应用很广泛、性能也很不错的模具钢和结构钢呗。不过4130这个名称其实有点儿笼统,实际上全称应该是AISI4130(美标)或者是30CrMo(国标),具体的成分和性能……请自己翻百度百科(or wiki)。
然而,铬钼钢其实是一个很大的类,性能和加工性、耐腐蚀性也各有不同,其中和4130相接近的就有30Cr、35Cr、35CrMo、35CrMoV、38CrMoAL、40Cr、40CrMo、42CrMo、45CrMo、50CrMo……碳含量越高强度就越高(嗯也就高一点点,不算很明显),因应Cr和Mo元素的含量多少也对耐腐蚀性有所影响。
总的来说,飞轮本身的材质其实没啥神秘的,shimano用的是比较标准的30CrMo,而sram的更接近于35CrMoV(嗯我确实都拿去切了化验过了……)。当然嘛其实有更高强度的材料的,比如沉淀硬化不锈钢系列,强度能达到1100-1800MPa,在冷拉处理后甚至有强度能高达3000MPa的火星型号。然而迄今为止,并没有看到在飞轮这个东西上有这类高级材料出现,而我们也在不断的试验中,所以就不做详述了。
既然是结构钢……那么防锈性能当然是和不锈钢差好远了。因此对表面进行防锈处理就成了重中之重。从低端到高端,shimano和sram两家的表面处理工艺可列举如下:
1、油淬
对应飞轮等级:
Shimano Tourney
这个级别……其实没啥好说的,最低端的玩意,所以其实基本就没做啥处理,基本就是用油冷方式淬火后呈现的效果,防锈纯靠机油,因此也是效果最差的。
估计费用:
0(嘛淬火是必须的,不算表面处理了)
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2、发黑
对应飞轮等级:
Shimano 2300
Sram 1020、1150(?)
所谓发黑处理,其实有点儿类似铝合金阳极氧化,也是利用酸或者碱生成致密氧化膜,从而隔绝空气和水分,防止锈蚀。然而氧化铁的硬度远不如氧化铝,因此这层氧化层也就比较容易被磨掉,从而失去防锈效果。
估计费用:
10-20(很常用的中低端工艺了……)
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3、镀硬铬
对应飞轮等级:
Shimano sora、tiagra、105
Sram 1030 1050 1070 1150 1170
这应该是最常见的飞轮表面处理工艺了……亮晶晶的表面一看就知道是铬。通常来说铬层硬度非常好(900HV),防锈性能也很好,然而因为铬和钢的硬度差异很大,并且镀层并不会渗进钢质内,因此结合力并不算好,很容易就出现成片剥落的情况——仔细观察下旧的105飞轮,上面的磨损也多数是整片整片的剥落形态。铬层剥落后,露出下面没有处理的钢体,就会比较容易产生锈蚀了。并且,铬层厚度比较大(20μm+),还会在一定程度上影响尺寸精度。
这些型号的飞轮均在中国大陆生产,其中重要的原因恐怕是镀硬铬的排放物对环境污染严重,在西方国家基本无法进行。
估计费用:
30-40(很常用的工艺,但是因为环境污染逐渐被淘汰)
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4、渗氮+镀硬铬(?)
对应飞轮等级:
Shimano 105
Sram 1070 1170
这项其实并不确定。感觉105飞轮这个等级应该不止是单纯的镀铬……似乎还做了渗层。另一方面,sram从apex到force用的都是一种表面处理工艺,价格差了好大一截,特么也太坑爹了吧?但是暂时并没有专门去化验渗层,所以只是个猜测。
5、渗氮+镀镍
对应飞轮等级:
Shimano ultegra
Sram 1090 1190(?)
渗氮处理是一种比较常用的模具处理方式,分为液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮,基本原理为在加热条件下让氮原子渗入钢件表层,形成氮化物(Fe4N和Fe2N,以及和杂质形成CrN、AlN、TiN等)。虽然在30crmo基础上进行渗氮所形成的表面硬度不高(约550HV),但是由于渗层深入钢件4-10μm,结合强度远比化学镀层高,耐磨性能要比镀硬铬好不少。然而渗氮处理虽具有一定的防锈性能(只会在边角位出现轻微锈斑,不会发展),但是毕竟还是会锈,且颜色呈烟灰色不好看,所以一般还会再镀一层镍以改善防锈性能和美观度。
估计费用:
100-120
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6、渗氮+镀钛
对应飞轮等级:
Shimano Dura-Ace(?)
Sram 1190、1199(?)
同样是比较不肯定的工艺,因为仅仅是表面颜色有轻微差异。镀钛层的耐磨性能比镀镍好一点儿,然而也就只是一点点而已。基本可以看作和渗氮+镀镍是一样的。
另外,DA飞轮的钛合金片用的也是渗氮工艺。钛合金的耐腐蚀性能良好,形成氮化钛后硬度也足够好,因此并不需要额外的镀层。当然渗氮流程和钢会有一些差异。
估计费用:
130-140
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7、QPQ
对应飞轮等级:
Sram 1150(?)、1175、1180、1195、1295
QPQ,中文称为盐浴复合处理,在液体渗氮后紧接进行一次抛光处理,然后再进行盐浴氧化。该工艺氧化层和氮化层的结合力大大提高,相比其镀硬铬、发黑处理等具有高得多的耐磨性和抗蚀性。同时,对工件的尺寸影响也更小,也环保得多,被认为是镀硬铬、镀镍、镀钛等工艺的取代者。因此,sram最近推出的一堆山地飞轮,均使用了该工艺(包括最新的eagle 12速飞轮黑色版)。缺点是氧化层毕竟还是会掉,并且掉了之后露出银灰色的钢体,观感较差。
估计费用:
100-120
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8、渗氮+PVD镀氮化钛
对应飞轮等级:
Sram 1299
迄今为止在飞轮上使用过的最高端的工艺……PVD全称为物理气相沉积法,通过高温气化金属化合物微粒,再通过磁场控制等方式溅射到钢件表面。PVD镀层最早发展出来的就是氮化钛(TiN),呈金色,尔后又发展出氮化铬(CrN)、氮化铝钛(TiAlN)、氮化钛铝(TiN-AlN)、碳化钛(TiC)、氮化碳钛(TiCN)、类金刚石(DLC)等等,能呈现出包括紫红色、灰色、亮黑色、哑黑色、银色、蓝色等各种色泽。作为一种镀层,虽然比化学镀有着更高的结合力,但是毕竟还是外铺的性质,结合力很大程度上取决于和基材的硬度差异,因此对于较软的材料如铝合金、钛合金或调质至较低硬度的钢,应用效果并不好,因而应用用途受限,最主要的用途为各种硬质合金车刀、铣刀。
估计费用:
300+
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9、镀钛
对应飞轮等级:
Token、SEQ lite等各种台湾一体飞轮厂商
好了接下来的是对岸友商的工艺……一体钢飞轮卖800多块,乃们以为怎么做出来的?其实就是省掉了渗层嘛。不好意思,这真的是辣鸡。
估计费用:
30-40
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10、渗铬、渗硼
对应飞轮等级:

道理上……还有比渗氮更好的渗层工艺的啦。对于渗氮而言,最高能达到的硬度,也就是在38CrMoAL上达到的1100-1200HV而已。而渗铬和渗硼,最高分别能达到1500HV和1800HV。然而,渗氮工艺只需要400-600度下进行,对于低温离子氮化而言,甚至有低至100多度的工艺。这意味着钢件本身硬度下降有限(铬钼钢在500度下回火,硬度在40HRC左右,而100多度下将能完全维持低温回火后的硬度,最高可达50HRC以上)。而渗氮和渗硼却需要900多度下进行,这时候钢件将被退火,虽然表面硬度因为渗层的原因变得很高,但是内部却软如豆腐,因此,在渗铬和渗硼后还必须进行调质处理(即淬火+回火),工件尺寸精度难以保证,报废率高。因此,这两种渗层的产品比较少见到,也没有出现在飞轮上。
11、TD处理
再往高处走……还有热扩散法碳化物覆层处理。以碳化钒为例,能达到3200HV的表面硬度。因为略为火星,这种工艺我还没详细试过(是的……上面10种工艺我都试过了,哈哈哈),所以也就不做详述了,待我以后玩过再说。

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