Rozdział Pierwszy

Wybór materiału

Wersja 1.01

Autor: Rickey M. Horwitz


Uwaga

Wszelkie prawa zastrzeżone,
kopiowanie i publikacja w całości i fragmentami WYŁĄCZNIE po uzyskaniu zgody
Autora oraz za podaniem źródła.


Jednym z najważniejszych wyborów przed jakim staje przyszły twórca dowolnego pojazdu napędzanego siłą mięśni ludzkich jest wybór materiału na ramę. Do budowy Thunderbolta ograniczyłem je do trzech metali: stali węglowej, stali chromowo-molibdenowej oraz aluminium. Każdy z tych metali ma swoje mocne i słabe punkty, które to chciałbym opisać w tym rozdziale. Zanim rozpoczniemy, chciałbym was ostrzec, że niektóre liczby lub dane mogą być niedokładne, ale tak czy inaczej powinny przybliżyć materiałoznawstwo wszystkim majsterkowiczom


Aluminium


Aluminium staje się podstawowym materiałem do budowy ram rowerowych takich marek jak Trek, Cannondale, Mongoose, Klien i innych. Dzięki nowym technologiom ostatnio obniżył się koszt wytworzenia aluminium, które stało się mocnym przeciwnikiem stali chromowo-molibdenowej. Aluminium o oznaczeniu 6061-T6 jest teraz przemysłowym standardem w budowie ram aluminiowych. Stało się tak częściowo dlatego, że ten typ aluminium łatwo się spawa i jest relatywnie wytrzymały

Wykonanie ramy z aluminium może być wyzwaniem dla majsterkowiczów ze względu na zastosowanie do spawania technik TIG lub MIG, które są trudniejsze niż techniki używane przy spawaniu stali węglowej lub stali chromowo-molibdenowej. Muszę również wspomnieć, że typ 6061 T6 traci połowę swojej ogólnej wytrzymałości po procesie spawania. W wyniku czego po zakończeniu spawania należy ramę poddać procesowi odpuszczania, który powoduje powrót materiału do jego poprzedniej wytrzymałości

Aluminium typu 6061 jest stopem wraz z magnezem i krzemem. Są to najważniejsze elementy stopu, dodatkowo tworzą go również miedź, cynk, mangan i tytan. W sumie materiałów domieszkowych jest 4%. Typ 6061 dzieli się na gatunki zależne od procesu końcowej obróbki(odpuszczania). Najbardziej popularne to T0, T4 i T6. Gatunki, procesy i wytrzymałości są opisane w poniższej tabeli

gatunki końcow obróbka wytrzymałość na zrywanie (MPa) wytrzymałość na zginanie(MPa)
T0 wyżarzone aluminium 122 54
T4 przesycone i naturalnie starzone 238 143
T6 przesycone i sztucznie starzone 306 272

Aluminium jest materiałem wyjątkowo łatwym w obróbce, dzięki czemu wykonanie ramy staje się procesem bezbolesnym. W zależności od średnicy i grubości ścian rury aluminiowe mogą być względnie łatwo formowane przy użyciu standardowej giętarki do rur. Aluminium jest wzglednie miękkie co czyni łatwym wiercenie w nim otworów czy piaskowanie.

Dodatkowo chciałbym jeszcze tylko wspomnieć o aluminium typu 7075. Jest on stopem o wysokiej zawartości cynku co czyni go niewiarygodnie twardym i wytrzymałym. Jednakże typ ten jest bardzo trudnym materiałem do spawania, co ogranicza jego zastosowanie na części maszyn i podobne oraz ramy klejone


Stal chromowo-molibdenowa


Nie mam zbyt rozległej wiedzy czy też zbyt wielkiej praktyki w budowie ram ze stali chromowo-molibdenowej. Jedno jednak wiem na pewno - jest to materiał wyjątkowo twardy i wytrzymały co czyni go idealnym do budowy ram. Stosunek wytrzymałości do wagi typu 4130 (najbardziej popularny) przekracza tę wartość dla aluminium typu 6061 T6. Stwierdzenie to może Was zdziwić - bo niby dlaczego większość ram aluminiowych jest lżejsza niż ich odpowiedniki ze stali chromowo-molibdenowej (autor nie rozwinął tego tematu - przyp. JS). Niewątpliwą zaletą tego materiału jest jego niski koszt w stosunku do właściwości.

Ze względu na pierwiastki domieszkowe ten typ stali musi być spawany przy wykorzystaniu technik TIG lub MIG , chociaż może być również spawany lutem mosiężnym. Najważniejszymi domieszkami w tej stali są chrom i molibden. Zadziwiającym jest to, że tylko 2,3% domieszek daje temu materiałowi super wytrzymałość.

Cyfry tworzace typ stali "4130" opisują : "41" - typ stopu i jego jakość; "30" - reprezentuje zawartość węgla w dziesiątych procenta.

Podobnie jak aluminium, tak i stal chromowo-molibdenowa 4130 jest odpuszczana na kilka sposobów. Ze względu właśnie na te sposoby, samo określenie materiału z jakiego została wykonana rama, występujące często w reklamach np. "rama wykonana w 100% ze stali chromowo-molibdenowej 4130" czasami nic nie znaczy. Dzieje się tak dlatego, że sposób końcowej obróbki cieplnej w sposód znaczący zmienia wytrzymałość na zrywanie i zginanie. Wiele osób sądzi, że te różnice są minimalne, ale tak nie jest co pokazuje poniższa tabelka:

Odpuszczanie wytrzymałość
na zrywanie
(MPa)
wytrzymałość
na zginanie
(MPa)
Wyżarzona 544 340
Normalizowana 612 476
Ulepszana cieplnie 871 769

Odpuszcznie oznacza proces wygrzewania jakiemu poddawana jest rama po jej spawaniu. Jeśli nie była ona poddana temu procesowi to tylko spoiny są wyżarzone lub normalizowane. Pamiętamy przecież, że łańcuch jest tak wytrzymały jak jego najsłabsze ogniwo. Tak więc jeśli rama ze stali chromowo-molibdenowej nie została poddana procesowi wygrzewania jest wtedy wyjatkowo słaba (jak na stal cro-mo). To "niedociągnięcie" jest powszechne wśród producentów rowerów poziomych, którzy niewiele wiedząc o metalurgii, ignorują ten ważny temat.


Stal węglowa


Stal ta jest najbardziej popularnym materiałem z jakiego są robione ramy rowerów. Dzieje się tak dlatego, że jest ona tania i może być spawana lub łączona na wiele sposobów co czyni ją idealną dla produkcji masowej i majsterkowiczów. Istnieje kilkanaście gatunków stali węglowej. Gatunki o których wiem cokolwiek więcej to 1010, 1018, 1020, 1028. Ostatnie dwie cyfry oznaczają zawartość węgla w stali w dziesiątych procenta. Np. 1028 oznacza stal o zawartości węgla 0.28%, a jest to nieco mniej niż w stali chromowo-molibdenowej 4130. Im więcej węgla tym stal jest twardsza i mocniejsza. Gdy jednak węgla jest zbyt dużo stal staje się krucha. Stąd też 0.5% węgla w stali to maximum w konstrukcjach ramowych.

Budując ramy rowerowe najczęściej korzystam ze stali 1028. Zapewnia wytrzymałość na zrywanie 87,000 PSI (592 MPa) a na zginanie 72,000 PSI (490 MPa). Jakkolwiek, zwykła stara rura od tłumika o średnicy 2" (50,8 mm) może działać równie dobrze, jeśli jadący będzie ważył poniżej 80 kg.


Stal chromowo-molibdenowe kontra aluminium


W środowisku rowerzystów porównanie tych dwu materiałów zawsze wywołuje ożywione dyskusje. Każdy materiał ma swoje wady i zalety. Niniejszym chciałbym rozwiać wszelkie mity związane z tymi materiałami.

Stal chromowo-milibdenowa jest wytrzymalsza od aluminium.

Tak i nie. Stosunek wytrzymałości do ciężaru jest nieco większy dla stali chromowo-molibdenowej niż dla aluminium 6061-T6. Różnice te są niemal bez znaczenia w porównaniu z aluminium 7005-T6. Jednakże w przypadku aluminium typu 7075-T6 przewaga jest właśnie po jego stronie

Ramy aluminiowe łatwiej pękają niż stalowe.

Absolutna bzdura.
Po pierwsze ramy aluminiowe wytważane są jako produkty najlepszej jakosci (aluminium jako takie jest drogie, dlatego producentom nie opłaca się wytwarzanie niskiej jakości ram). Podobnie było do niedawna w przypadku ram chromowo-molibdenowych do czasu, aż nie powstały nowe technologie ich wytwarzania dzięki którym ramy te pojawiły się w produktach niższej jakości. I oczywiście w takich przypadkach szansa na pęknięcie ramy jest większe.
Po drugie ramy aluminiowe są lżejsze niż chromowo-molibdenowe co czyni je bardziej wrażliwymi na pękanie. Daje to wrażenie, że aluminium łatwiej pęka. I wreszcie po trzecie wielu producentów ram nie stosuje procesu wyżarzania co czyni je słabszymi.
W ostatnich 20 latach wielu producentów (do których sam się zaliczam) nauczyło się korzystać z rur o dużej średnicy i wzmocnień, co w rezultacie daje sztywniejsze konstrukcje. Główną przyczyną pękania aluminium jest zmęczenie spowodowane nadmiernym zginaniem. (także jeśli idzie o ilość cykli). W przeciwieństwie do CroMo, aluminium ma małą sprężystość Jednak gdy konstrukcja ramy jako taka jest sztywna, aluminium staje się bardzo solidnym materiałem.

Niech przykładem na to będą samoloty w których aluminium jest stosowane w szerokim zakresie.

Ramy aluminiowe są mniej żywotne niż chromowo-molibdenowe.

Teoretycznie jest w tym troche prawdy, ale nie zostało to dowiedzione w praktyce w przemyśle rowerowym. Ze względu na to, że aluminium dopiero niedawno zostało wprowadzone do produkcji ram, nie ma jeszcze wystarczającej ilości danych by w pełni porównać go ze stalą chromowo-molibdenową. Tylko teoretycznie rama z aluminium po zestarzeniu się może ulec zniszczeniu lub stać się krucha. Proces starzenia się aluminium można odwrócić przez ponowne jego wyżarzenie (ale jest to dosyć kosztowne przedsięwzięcie). Należy również wspomnieć, że i ramy chromowo-molibdenowe mogą zardzewieć, co niewątpliwie obniży ich wytrzymałość. Ale w tym wypadku można temu łatwo zaradzić przez okresową konserwację.

Wczesne aluminiowe ramy były łączone przez wklejanie rur w mufy. Nie były one zbyt popularne ze względu na ich tendencję do pękania. Dodatkowo były one wytwarzane z rur o małej średnicy co w efekcie dawało ich małą sztywność. Obecnie tylko mała liczba ram jest jeszcze klejona. Ale teraz proces ich wytwarzania jest nowocześniejszy, przekroje rur są większe, no i ramy są sztywniejsze. Co więcej, ramy te są budowane z mocniejszego aluminium 7075-T6 i są to jedne z najlżejszych ram (oczywiście oprócz kompozytowych). Mimo, że typ 7075-T6 ma wyższy współczynnik wytrzymałości do ciężaru, to jednak jest mniej odporne na pękanie niż 6061-T6.

Wszystkie te fakty dowodzą, że niezawodność ramy rowerowej bardziej zależy od projektu i wykonania niż od rodzaju materiału użytego do jej wytworzenia.

Aluminium utlenia się

Tak jest w istocie. Typ 6061-T6 ma jednak dosyć dużą odporność na ten proces.Utlenianiu się jednak nic nie zapobiegnie jeśli rama zostanie np. częściowo zanurzona w słonej wodzie. Aluminium umieszczone w środowisku tlenowym pokryje się warstwą tlenków która nie pozwala mu dalej się utleniać jak i również chroni go przed wieloma czynnikami zewnętrznymi. Utlenianie się aluminium nie ma jednak wpływu integralność konstrukcji czego nie można powiedzieć o ramach stalowych, które rdzewiejąc potrafią się rozpaść pod własnym ciężarem.

Ramy aluminiowe są lżejsze od chromowo-molibdenowych

Nie jest to zawsze prawdą. Jak już wspomniałem stal chromowo-molibdenowa ma wyższy współczynnik wytrzymałości do ciężaru, wyższy niż aluminium 6061-T6. Niewiele jednak rowerów jest w całości zbudowanych ze stali chromowo-molibdenowej. W większości takie części jak mufy, wsporniki, haki i różne rury ramy są wytwarzane ze średniej lub niskiej jakości stali. Ponadto niewiele ram jest poddawanych procesowi wyżarzania i zamiast tego zwiększa się grubość ścianek rur by zwiększyć wytrzymałość ramy co wiąże się ze zwiększeniem jej ciężaru. W efekcie ramy stalowe są cięższe od aluminiowych. Tylko ramy stalowe najwyższej jakości mogą konkurować na polu walki o ciężar z ramami aluminiowymi.

Ostatecznie to właśnie projektant ramy jest tym, który decyduje ile będzie ona ważyła.

Fakty o aluminium i stali chromowo-molibdenowej.

Aluminium jest droższe niż stal chromowo-molibdenowa
Stal chromowo-molibdenowa jest relatywnie tania (ale kosztuje o rząd wielkości więcej niż stal węglowa)
Spawanie aluminium jest bardziej skomplikowane niż spawanie stali chromowo-molibdenowej, aluminium nie może być lutowane mosiądzem.
CroMo może być lutowane na mosiądz, spawane techniką TIG lub MIG , lecz nie można go spawać palnikiem acetylenowym (gdzie lutem jest żelazo).
Ramy aluminiowe nie rdzewieją, czego nie można powiedzieć o stali węglowej i chromowo-molibdenowej
Stal chromowo-molibdenowa jest trudna w obróbce.
Rury aluminiowe są produkowane w dużo większej różnorodności wymiarów niż rury ze stali chromowo-molibdenowej.
Aluminium jest materiałem na którym można polegać, o czym może min. świadczyć jego wykorzystanie w konstrukcjach statków powietrznych - to już chyba o czymś świadczy.

 

Z powyższego tekstu może wynikać, że jestem uprzedzony do wszystkich innych materiałów oprócz aluminium. Ale to tylko dlatego, że uważam je za materiał posiadający najwięcej zalet i dlatego, że jestem jednym z niewielu budowniczych ram HPV, który doprowadził do mistrzostwa technikę ich spawania i produkcji. Inni producenci rowerów poziomych bazują na stali chromowo-molibdenowej bo nie wymaga ona tak skomplikowanego procesu spawania jak aluminium. Według mnie prawidłowo zespawana rama aluminiowa jest dziełem sztuki. Muszę jednak szybko dodać, że aluminium to nie jest "panaceum" na wszystkie konstrukcje.

Powrót