JPH03159889A - 比剛性の高い軽量化自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自転車に関し、特に比強度，比剛性の向上を
図り、軽量化に貢献できるようにしたフレームに関する
。

〔従来の技術〕

ロードレースや１・ライアスロン等のような競技走行に
用いられる自転車のフレームには、走行中の曲げやねし
りに対する剛性．強度が高いこと、かつ軽量であること
が要求されている。この要求に応えるには比強度（強度
／比重），比剛性（ヤング率／比重）が大きいことが必
要である。このような自転車の高性能化の要求に応える
ために、従来、自転車のフレームには各種の素材が使用
されている。例えば、普通鋼，クロムモリブデン鋼，ア
ル旦合金製フレーム、あるいはカーボンファイバーとア
ルく合金とのハイブリソトフレーム、さらにはカーボン
コンポジノトフレーム等がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら上記従来の各フレームは、いずれにおいて
も上述の高比強度，高比剛性及び軽量という全ての条件
を満足できるものではなく、例えば、普通鋼，クロムモ
リブデン鋼は軽量化に対応し難く、またアル旦合金．カ
ーボンコンポジソト等は軽量化では満足できるものの強
度，剛性に劣るという問題点があり、これらに代わる新
素材の開発が要望されている。

本発明の目的は、フレーム自体の高比強度，高比剛性を
満足でき、かつ薄肉化が容易であり、従って軽量化に貢
献できる自転車を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本願第１項の発明は、ＳｉＣウィスカを配合したＡｎ合
金基複合材料製で、肉厚１．４ｍ＋＋ｔ以下、引張強度
５０，Ｏｋｇｆ／ｍ璽２以上、弾性率９０００　ｋｇ　
ｆ　／　ａｍ　２以上で比剛性が４０００　Ｘ　１０６
＋ｎ以上の薄肉シームレスパイプをフレームとして用い
たことを特徴とするＳｉＣウィスカ強化六１合金製自転
車である。

また第２項の発明は、上記ＳｉＣウィスカが一方向に配
向し、かつ均一に分散していることを特徴としている。

以下、本発明において上記構戒を採用した理由について
説明する。

■　ＳｉＣウィスカ強化Ａ１合金複合材料を採用した理
由 本件発明者らは、上記従来の各素材に代わるものとして
、軽量金属であるＡｎ合金とセラミクスウィスカとを複
合一体化したウィスカ強化Ａｌ合金複合材料に着目した
。このウィスカ強化Ａ１合金複合祠料は、マトリノクス
となるＡ６合金粉末と強化材となるＳｉＣウィスカとを
混合し、該混合粉末をホットプレスや熱間等方加圧（＋
−｛ＩＰ）により或形ずるとともに加圧焼結し、もしく
はＳｉＣウィスカのブリフォームにＡ１合金溶湯を加圧
鋳造させる溶湯鍛造法により製造されるもので、これは
比強度，比弾性率，疲労強度，耐摩耗性等において優れ
た特性を有している。

ここで、上記ＳｉＣウィスカの添加量は１０〜２５容積
％の範囲が望ましい。これは、ＳｉＣウィスカの添加量
が１０容積％未溝の場合は、補強材としての絶対量が不
足し、所定の強度が得られなくなるからである。また２
５容積％を超えると、特性はそれほど向上せず、逆にＡ
７！量が滅る分靭性が低下し、しかも押出，圧延等によ
るパイプへの塑性加工性が低下し、薄肉化が困難となっ
て割損が生し易くなり、結局軽量化が達或できないから
である。

また、マトリソクスとなるＡ１合金としては、通常、時
効による強化能の大きいＭｇを０．４〜６．Ｑｗｔ％程
度含有したものを使用するのが望ましい。

さらにまた上記ウィスカ強化Ａ１合金複合材料の強度，
弾性率をさらに向上するためには、上記複合材料中のＡ
ｌ４Ｃ３量及び残存酸素量をそれぞれ０．５　ｗｔ％以
下、０．４　ｗｔ％以下に規制することが好ましい。即
ち、上記複合材料の加圧焼結時に、ＳｉＣウィスカとＡ
７！合金粉末との界面結合を強固にするには、ＳｉＣウ
ィスカとＡＡ合金粉末とが濡れてある程度反応すること
が必要である。

方この反応によりＳｉＣウィスカは分解し、反応生戒物
としてＡ７！４Ｃ３を生戒する。そしてこの反応が過剰
となってＡＩｌａＣ３生或量が０．５　ｗｔ％を超える
と強度が著しく低下する。この点から、上記ＡｌａＣｓ
生戒量をＱ．５　ｗｔ％以下に抑制することが好ましい
。

また、上記複合材料中の残存酸素量と強度，硬度などの
特性との間には密接な関係があり、残存酸素量が０．４
ｗｔ％を越えると強度，硬度の低下が顕著となる。その
理由は、残存酸素量が多くなるほどＡｌ合金マトリソク
ス中に酸素が残存し、析出強化に寄与するＭｇをＭｇＯ
等の酸化物に変化させる。このためマトリソクス中に、
Ｍｇを含有する微細な時効析出物が減少．もしくは存在
しなくなるためと考えられる。この点から、複合材料中
の残存酸素量を０．４ｗｔ％以下に抑制することが好ま
しい。

次に、上記ＳｉＣウィスカ強化ＡＩ！合金基複合材料の
製造方法としては、溶湯鍛造法，粉末冶金法が採用でき
る。上記溶湯鍛造法は、ＳｉＣウィスカプリフォーム体
にＡｌ合金溶湯を加えて溶湯鍛造する方法、あるいはＳ
ｉＣウィスカをＡｌ合金溶湯中に添加混合する方法であ
る。また、上記粉末冶金法には、バインダを用いてＳｉ
Ｃウィスカとマトリックスとなる／ｌ合金粉末とを混合
し、ホットプレスやＨＩＰを用いて高温高圧下で固化戒
形した後、押出，圧延．鍛造等の熱間威形を行う方法と
、バインダを用いずに両者を混合して直接粉末鍛造する
方法とがある。ここで、バインダを用いる場合は上記バ
インダの種類によってバインダに含まれる０２量を制御
することにより、あるいは威形時の雰囲気中の酸素量（
０２分圧）を制御することにより、複合材料の残存酸素
量を調整ずる。またハインダを用いない場合は、戒形時
の雰囲気のみを制御して残存酸素量を調整する。

■　シームレスパイプの肉厚を１．４ｉｍｔ以下とした
理由は、フレームに必要な所定の強度，剛性を確保しな
がら、軽量化するためである。またこの場合、上記肉厚
はシームレスパイプの使用箇所及び外径によって異なり
、実際には０．５〜１．４關ｔの範囲が好ましい。

■　上記ＳｉＣウィスカを一方向に配向させ、かつ均一
に分散させる理由は、このような構造にすることにより
配向方向における比強度．比弾性率をさらに向上できる
からである。ＳｉＣウィスカを一方向に配向させるには
、上述のように、焼結後におけるパイプへの熱間或形方
法として、押出、あるいは圧延（強加工〉法を採用する
ことにより実現できる。なお、配向させない場合は鍛造
法を用いればよい。また、ＳｉＣウィスカを均一に分散
させるには、有機溶媒中でウィスカに超音波振動を与え
て絡まりを解きほぐし、この中にＡｌ合金粉末を加えて
攪拌し、これにより得られた混合粉末スラリーを吸引濾
過し、該ケーキを真空乾燥して有機溶媒を除去すること
により実現できる。なお、上記均一分散を実現する製造
方法は特開昭６２−８９８０１号公報，特開昭６０−２
５１９２２号公報に記載されている。

〔作用〕

本願第１項の発明に係るＳｉＣウィスカ強化ＡＡ合金製
自転車によれば、該自転車に採用したフレームは、引張
強度５０．Ｏｋｇｆ／ｍｍ”以上、弾性率９０００ｋｇ
ｆ／璽一以上で比剛性４０００　Ｘ　１０’真１以上を
有しており、従って走行中の曲げやねしりに幻する剛性
，強度を向上でき、乗員の出力性能の向上及び体力消耗
の軽減を図ることができる。しかもこの強度等を確保し
ながらフレームパイプの肉厚を１．４ｍｔ以下にでき、
それだけ軽量化に貢献でき、その結果上述した全ての条
件を満足できる高性能の自転車が実現できる。また第２
項の発明によれば、ＳｉＣウィスカを一方向に配向し、
かつ均一に分散させたので、さらに比強度，比弾性率を
向上できる。

（実施例〕 以下、本発明の実施例を図について説明する。

第１図及び第２図は本発明の一実施例によるＳｉＣウィ
スカ強化Ａｌ合金製自転車を説明するための図である。

第１図において、１は本実施例のＳｉＣウィス力強化Ａ
７！合金複合材料を用いて製造された競技用自転車のフ
レームである。このフレーム１は、ヘソドパイプ２に後
方に延びる上パイプ３を接続するとともに、斜め下方に
延びる下パイプ４を接続し、咳上，下パイ１３．４の後
端同士を立バイブ５で接続し、さらに該立パイプ５の下
端に後部ほど小径となるテーパー状のチェーンステ−６
の一端を接続するとともに、立パイプ５の上端にバソク
ステー７の一端を接続し、該両ステ−６．７の後端同士
をリャエンド９で接続した構戒となっている。上記各接
続部分はジョイン｝８ａ〜８ｃを介して接着固定されて
いる。また、上記ヘソドパイプ２にはフロントフォーク
１０が回転自在に枢支されており、該フォーク１０の上
端に図示しないハンドルが固着され、下端に前輪が軸支
される。さらに、上記縦バイプ５の上端にこれも図示し
ないサドルが固着され、下端にペダルが軸支され、さら
にまた上記リャエンド９に後輪が軸支される。

そして、本実施例のフレームｌを構戒する各パイプ２〜
４，ステ−６．７は、ＳｉＣウィスカ強化／ｌ合金複合
材料製シームレスパイプからなる。

これらは後述するように、Ａ１合金粉末に１０〜２５ν
ｏｌ％のＳｉＣウィスカを混合し、該混合粉末をホント
プレスや熱間等方加圧（ＨＩＰ）により戒形するととも
に加圧焼結してなるビレソトを、熱間押出威形してなる
ものであり、上記ＳｉＣウィスカは一方向に配向し、か
つ均一に分散された構造となっている。上記複合材料は
、引張強度が５０．０　ｋｇ　ｆ　／　＊ｘ　”以上、
耐力が４０．０ｋｇｆ／＊＊２以上、弾性率が９０００
ｋｆｆ／ｍｕ２以上であり、かつ外径がｌＯ〜４０（１
）φ、肉厚が０．５〜１．４璽１ｔ以下、比重が２．８
ｇ／ｃＣである。

次に、本実施例のフレーム１を構或する各パイプ等の製
造方法，及びその工程を第２図に沿って説明する。

１．　０．１　〜１．０　μｍφＸ　５　〜１００　ｐ
ｍ　Ｉｌの針状のＳｉＣウィスカ１０〜２５ｖｏｌ％と
、３５０メソシュ以下（ｍａｘ４４　ｐ　ｍ以下）に分
級した６０６１Ａｘ合金粉末とをエチルアルコール中に
て超音波振動を加えて分散，混合する（ステソプ８１〜
３３）。この後、混合スラリーよりエチルアルコールを
濾過し、この混合粉末を乾燥させる。これによりＳｉＣ
ウィスカが均一に分散した複合混合粉が得られる。

■．次に、この混合粉末を軟鋼製ＨＩＰカプセルに充填
し（ステソブ４）、真空脱気するとともに密封した後、
６２５℃Ｘ２０００ｋｇｆ／ａｎ”　ｘ　４時間の条件
でＨＩＰ処理し（ステソプ３５．６）、これによりＳｉ
Ｃウィスカ強化，１１合金複合材料を得る。

■．上記カプセルを除去し、該複合材料をビレソト加工
してビレソトを作製する（ステンプＳ７）１１ ■．次に上記ビレノトを５２０℃に加熱し、静水圧押出
法によりステム速度５ｍｍ／秒で押出或形し（ステソプ
Ｓ８）、シームレスパイプを作或する。

この押出加工によりＳｉＣウィスカは一方向に配向され
る。ここで、必要に応して該パイプをテーパ状にするた
めのスエジ加工等の２次加工を施し（ステップＳ９）、
テーパ状のチェーンステ−６を作或する。

■．次に、上記各パイプにＴ６処理等の熱処理を施し（
ステソブＳＩＯ）、Ｌかる後各パイプを組み立てる（ス
テソプＳ１１）。これにより本実施例フレーム１が製造
される。

このように本実施例によれば、自転車のフレーム１の強
度、剛性を大幅に向上できるとともに、軽量化でき、乗
員の出力性能の向上及び体力消耗の軽減を図ることがで
きる。その結果、上述した自転車の高性能化の要請に対
応できる。また、本実施例ではＳｉＣウィスカを一方向
に配向させ、かつ均一に分散させたので、さらに比強度
，比弾性率を向上できる。

ｌ２ なお、上記実施例では、フレームの製造方法として粉末
冶金法によるＨ　Ｉ　Ｐ一押出法の場合を例にとって説
明したが、本発明のフレームの製造方法としては溶湯鍛
造法を採用でき、さらに粉末鍛造或形法も採用できる。

特に、この粉末鍛造戒形法を用いた場合は製造コストを
著しく低減できるという効果が得られる。

ここで、本実施例の効果を確認するために行った実験に
ついて説明する。

この実験は、１５〜２５ｖｏ　Ｉｔ％ＳｉＣウィスカと
、６０６１Ａ＊合金粉末とを採用し、各外径がｌ５．５
〜３１．５ｎφで肉厚が０．９〜１．２ｍｔのシームレ
スパイプを上記製造方法にて作製した。そして各パイプ
の比重，耐力，強度，ヤング率を測定するとともに、比
強度，比剛性を求め、さらに自転車１台当たりの重量を
測定し、それぞれの平均値を求めた。

また、比較するために、従来のｔ通鋼、クロムモリブデ
ン鋼、アルく合金を採用して各パイプを作製し、同様の
測定を行った。なお、上記比較例のうちアルミ合金は肉
１’９Ｅ１．４　＋ｏ＋ｔとした。

表はその結果を示す。表からも明らかなように、比較例
としての普通鋼，クロムモリブテン鋼は耐力１強度，ヤ
ング率は高いものの、両者とも比重が７．８ｇ／一と大
きいことから比強度＋２．８．　１３．５ｘｌＯ６１ｈ
比剛性２６９２，　２６９２ｘｌＯ’璽１と小さく、そ
の結果自転車１台当たり重量が１１．０，　１０．５ｋ
ｇと重い。またアルミ合金は自転車１台当たりの重量は
９．３　ｋｔｒと上記普通鋼等に比べて軽いものの、耐
力，強度１ヤング率がそれぞれ３０，３５，７５００　
　ｋｇｆ／ｍｍ”と小さい。このようにいずれの比較例
においても上記全ての条件を満足することはできない。

これに対して本実施例の場合は、それ自体の耐力強度は
それぞれ４０〜４７．５１〜５７ｋｇｆ／ｉｓ２と比較
的小さいが、比重が２．７７〜２．８２　ｇ　／一とア
ル案合金と同等であることから比強度，比剛性はそれぞ
れ１８．４〜２０．２　Ｘ　１０’　ｗｓ貫，４１１６
　〜４４３２　Ｘ　１０６ｘ重と上記比較例と比べて４
０〜５０％向上している。特に従来最高の材料であるハ
イブリソト材の比剛性と比較してこの向上は顕著である
。その結果自転車１台当たりの重量は８．５　ｋｇとな
っており、上記アル５合金あるいはハイブリソト材と比
べてもさらに軽くなっている。

〔発明の効果〕

以上のように本発明に係るＳｉＣウィスカ強化Ａ／２合
金製自転車によれば、該自転車のフレームにＳｉＣウィ
スカ強化Ａε合金製で比剛性４０００　ｘ１０ｂｍｍ以
上、肉厚１．４ｆｉ以下のシームレスパイプを採用した
ので、これにより比強度，比剛性を向上でき自転車全体
の軽量化が図れる効果があり、また本願第２項の発明に
よれば、ＳｉＣウィスカを一方向に配向し、かつ均一に
分散させたので、この場合はさらに比強度．比剛性を向
上できる効果がある。

１５

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にょるＳｉＣウィス力強化Ａ
ｌ合金製自転車のフレームを説明するための側面図、第
２図はその製造方法を説明するための工程図である。 図において、■は自転車のフレームである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｉＣウィスカ強化Ａｌ合金製で、肉厚１．４ｍ
   ｍｔ以下、比剛性４０００×１０＾６ｍｍ以上の薄肉シ
   ームレスパイプをフレームとして用いたことを特徴とす
   る比剛性の高い軽量化自転車。
2. （２）上記ＳｉＣウィスカが一方向に配向し、かつ均一
   に分散していることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の軽量化自転車。