Rude_Boy — Металлургия для велосипедистов от Скота Никола, части 6 и 7

МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 6
 
ПОПРОБУЙТЕ ЧТО-НИБУДЬ НЕОБЫЧНОЕ
 
Вы, возможно, подумали, что в этой шестой части серии мы закончим с нашим предметом. Вы ошиблись. Я добавил седьмую часть, потому что осталось много чего обсудить. И потому что мне так нравится это делать…
 
В этот раз мы поговорим об экзотике: материалах, которые мы не рассматривали, когда говорили про алюминий, сталь, титан и композиты из углеволокна. В последней части серии будет больше об этих экзотических материалах, плюс подведение итогов и, может быть, загадка. Я представлю вам материалы с фантастически параметрами, а вы можете попробовать угадать, что это за материалы, и почему они отстойны при производстве велосипедов.

ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ
 
В предыдущей части рассматривались композиты на основе углеволокна (это не металл, и об этом было сказано в прошлый раз). О чём я специально не упомянул, чтобы не путать читателя, это различие между термореактивными (thermoset) и термопластическими (thermoplastic) композитами. Велосипеды из карбоновых композитов, которые вам встречаются, относятся к термореактивным. Новичок на нашей сцене – термопластический композит. Разница между ними примерно такая же, как между хлебом и шоколадом.
 
Процедура производства детали из термореактивного композита примерно такая (в скобках — выпекание хлеба). Вы смешиваете ингридиенты (мука, вода и дрожжи), кладёте это всё в форму (---), нагреваете (духовка), происходит химическая реакция (дрожжи бродят). Вуаля, чудохлеб! Но с этого момента пути назад нет. Вы не можете переплавить хлеб и начать всё заново.
 
Конструирование из термопластического композита включает смешивание ингредиентов и нагревание их до тех пор, пока не произойдёт изменение их фазы (то есть плавление). Чтобы получить раму, нужно добиться, чтобы материал застыл в нужной форме, но если этого не произошло, то его можно переплавить и переформовать заново. Количество раз, которое вы можете это сделать без снижения свойств, зависит от используемого материала. Также, в отличие от термореактивных композитов, работа с которыми требует дегазации, во время плавления не будет вонять. Материал также должен быть пригоден к повторной переработке как переформовкой, так и измельчением и использованию в новой «смеси». Из-за способности к переформовке и переработке, а также заявлений о том, что он не издаёт противного запаха, некоторый люди называют этот материал «зелёным».
 
Единственный пример использования этой технологии в велоиндустрии, о котором я знаю, — байк, сделанный Yeti совместно с Kaiser Aerospace и Penske. Важным свойством термопластических материалов является их сопротивляемость ударам, которая значительно лучше, чем у термореактивных материалов. Эпоксидная смола ведь относительно хрупкая, а хрупкое не друг велосипедному. Отрицательная черта термопластиков – их сложно с чем-либо соединить. Учитывая историю композитных деталей, а также количество мелких деталей, которые нужно прикрепить к велосипедной раме, это может быть значительной проблемой.
 
МАГНИЙ
Представьте себе металл с плотностью, равной половине алюминия, прочностью лучше, чем у 6061 и удлинением в районе 10-11%. Я описываю магниевый сплав, который в данный момент тестируется Easton. И хотя магний не славится текучестью, Easton заявляет, что материал выглядит многообещающе при этих показателях удлинения. Несмотря на низкий модуль упругости, порядка 6 msi, это не является непреодолимой проблемой. У алюминия тоже относительно низкий модуль упругости, но это не значит, что алюминиевая рама не может быть жёсткой. То же самое справедливо и для магния. В действительности низкий модуль упругости многими даже приветствуется.
 
Одна проблема, которую необходимо решать в случае с этим металлом, — крайне выраженная коррозия. Оставьте магниевую деталь под дождём, и она растворится быстрее, чем что-либо, за исключением неокрашенной стали. Эта проблема решается правильной обработкой поверхности, такой как покраска или анодирование.
 
Одно из невидимых «преимуществ» магния: если вам нужен огонь, просто соскоблите стружку с дропаутов и подожгите её. Она легко загорится. Если хотите мини-Гинденбург – добавьте воды. Кислород и водород воды диссоциируют, чему способствует магний. Кстати, с титаном такая же байда, просто начать всё это немного сложнее.
 
КОМПОЗИТЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АЛЛЮМИНИЕВОЙ МАТРИЦЕЙ

 
Я уверен, что вы слышали о них. Specialized уже несколько лет продвигает свой M2 как сделанный из таких труб  Duralcan. Этот материал – сплав алюминия (в велоиндустрии используется 6061 или 7005), соединённый с керамикой, в случае M2 это оксид алюминия (Al₂O₃). Duralcan запатентовали процесс, при помощи которого они добавляют Al₂O₃ в алюминий, пока тот находится в расплавленном состоянии в ваккуме.
 
Преимуществ у этого процесса множество, но для нас, велосипедных жмотов, важно, что производить данный материал дёшево. Если вы уже слышали про Al₂O₃, так это наверняка потому что обрабатывали что-то наждачкой на основе Al₂O₃. Если это так, то у вас в руках было то же самое, что добавляется в эти трубы: 600 зерен оксид алюминия на см². Всё верно, наждачная бумага. Добавление разных долей Al₂O₃ даёт разные результаты. В M2 массовая доля Al₂O₃  примерно 10%. Изменение доли керамики позволяет корректировать механические свойства. Добавьте больше Al₂O₃ — увеличится жёсткость, но пострадают удлинение и вязкость. При массовой доле 10% материал имеет на 8% более высокий предел текучести и на 20% более высокую жёсткость. Компромиссом является снижение удлинения, но до приемлемых 10%.
 
Вы скажете, что алюминиевые байки достаточно жёсткие. Да, но как вы знаете, жёсткость зависит от конкретной конструкции. Представьте, что вы проектируете задний треугольник байка и хотите определённый уровень жёсткости, а также достаточное количество грязевого просвета для резины, пяток, покрышек и звёзд. С трубами малого диаметра добиться этого проще, и если вы хотите жёсткости с маленькими трубами, то большой модуль упругости будет преимуществом. При большом модуле упругости вы также можете уменьшить размер основных труб рамы так, что они не будут напоминать гигантские сосиски.
 
Осязаемое преимущество возможности изменить модуль упругости разных труб в разных условиях то, что там, где жёсткость важна, вы можете её добиться. Если вы озабочены проблемой текучести, например, в районе соединения рулевой трубы, мы можете усилить и это свойство. Эти относительно небольшие, но очень важные изменения – отличный пример того, что составляет эволюцию велосипедных рам.
 
Термообработка проводится почти также, как и у сплава 6061. Если вы не хотите или не можете нагреть трубу, то в композитах с металлической матрицей будет применён сплав 7005. И хотя пока такие композиты не получили широкого распространения, я уверен, что кода будут представлены  модели 1995 г., вы их увидите. Показатели прочности почти не меняются по сравнению со стандартным 7005, но при этом вы получаете упомянутое увеличение модуля упругости.
 
Я воздержался от обсуждения большой проблемы, что эти композиты не пригодны для сварки, хотя имеют прекрасные механические свойства. Они очень важны при производстве велосипедов, но конструкторам приходится использовать другие способы соединения труб.
 
В целом, если вы посмотрите на композиты с оксидом алюминия, то они не сильно выбиваются из общей картины. Есть небольшие улучшения в механических свойствах и определённые недостатки. Что наиболее важно, как я говорил много раз в этой серии, так это грамотное проектирование всей конструкции. Достаточно для одной заметки? В заключительной части я рассмотрю три других композита с металлической матрицей, бериллий и AerMet 100, вброшу про загадочный металл и подведу итог.
 
МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 7
 
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ГЛАВА
 
Конец близок. Это седьмая часть серии из шести частей о металлургии применительно к велосипедам. Мы расширили серию, но в этой заключительной части (я обещаю, что она заключительная) мы закончим разбирать экзотические материалы, а затем я представлю вам загадочный материал, над которым вы можете поломать голову.
 
АЛЮМИНИЕВЫЙ ЛИТИЙ
 
Я представляю, как рекламщики будут сходить с ума: «Излечение от маниакальной депрессии! Попробуйте новый литиевый байк! Чувствуете, что сходите с ума? Лизните верхнюю трубу!» Всё верно, литий, как в препарате для лечения маниакально-депрессивного психоза, применяется для повышения механических свойств алюминиевых сплавов. В действительности литий используется в виде карбоната лития, производного металлического лития.
 
Беглый взгляд на параметры литиево-алюминиевых сплавов обнаруживает крайне впечатляющие результаты, среди которых высокая прочность и жёсткость. Так почему мы не видим литиевых байков? Мои попытки выяснить больше о литиевых сплавах натолкнулись на кучу секретности, дезинформации и противоречий. Выяснилось, что литиево-алюминиевые сплавы используются уже в течение многих лет, но никто не производит из них трубы для байков или для какого-либо коммерческого применения вообще.
 
У тех, кто работает с металическим литием, он скорее вызовет маниакальную депрессию, чем вылечит её. Видите ли, с литием сложно работать. Алюминий и литий вместе имеют ещё больше недостатков. Минимальные количества лития могут вызвать контаминацию во всём производственном цеху. Литий нестабилен… и любит кислород. Поэтому экструзию нужно проводить медленнее, а закалку дольше.
 
Закалка крайне важна… и её легко запороть. Если проводить закалку слишком долго или при слишком высокой температуре, литий может окислиться. В итоге вы останетесь почти с чистым алюминием. Поскольку в сплавах содержится только около 2% лития, он легко исчезнет из них совсем. Требования к обработке также являются проблемой, которая значит только одно: дорого.
 
Хотя мы и не можем использовать чистый литий для производства рам, зацените его сравнение с другими металлами. Литий – номер три в периодической таблице. Он легчайший из металлов и намного менее плотный, чем бериллий. Плотность бериллия и магния составляют две трети аллюминия, который составляет две трети титана, который составляет половину плотности стали. Сложная последовательность отношений (они приблизительны, но достаточно точны). Теперь вы видите, почему эти материалы так заманчивы.
 
Одна вещь, о которой вам нужно знать, когда вы будете смотреть на параметры лития, это то, что при этом он может находиться в состоянии T-8. Это круто и стильно, если вы производите хоккейную клюшку или бейсбольную биту, которые не требуют сварки. Но при производстве байка литий более не будет в состоянии T-8 (закалённый, состаренный и нагартованный). В более реалистичном состоянии, например, T-6, показатели прочности будут более приземлёнными.
 
У этого материала отличный потенциал, но исходя из моих исследованиях, проведённых при подготовке этой статьи, есть производственные проблемы, которые ещё предстоит преодолеть. Один вопрос: «Сможете ли вы его раздобыть?». Ответ: «Да.» Следующим вопросом будет: «Сможете ли вы производить из него?» Я бы хотел ответь «да» второй раз.
 
КАРБИД БОРА И КАРБИД КРЕМНИЯ
 
Другие материалы, которые можно добавить к алюминию, чтобы сделать композит с металлической матрицей, — карбид бора (B₄C), который содержится в материале Боралин, и карбид кремния (Si₄C). Если добавить эти материалы в алюминий, можно теоретически получить замечательные улучшения. Но обработка этих материалов имеет ряд трудностей. Карбид кремния весьма реактивен и может сломаться в зоне сварки. Будучи расплавленным, карбид кремния может реагировать с образованием карбида алюминия. Карбид алюминия очень плох в плане прочности и реактивен настолько, что растворяется в воде. Подобная реакция с участием карбида кремния может случиться из-за плохой техники сварки, что также может произойти и с композитом с металлической матрицей, содержащей оксид алюминия, правда в меньшей степени. По очевидным причинам карбид кремния не нашёл широкого применения при производстве велосипедов, хотя его механические свойства могут показаться привлекательными.
 
Карбид бора – материал, применяемый в Боралине, а также других усиленных бором алюминиевых сплавах, которые находятся в разработке (некоторые из них сейчас тестируются различными производителями). Вы вряд ли увидите их раньше 1995 г., но есть большой шанс того, что они появятся. Pacific Metal Craft призводит сплав, который они называют B₄C, и если заявления компании правдивы, то это многообещающий сплав. Добавив 15% карбида бора в базовый сплав 6013, PMC заявляет, что смога добиться предела текучести в 52-56 ksi, предельной прочности в 65-72 ksi  при модуле упругости 14-15 msi (много для алюминиевого сплава) и удлинении в 4,5-6%. Сплав 6013 – высокопрочный сплав с хорошей вязкостью разрушения (fracture toughness) для алюминия. Но когда вы добавляете керамику (B₄C), вязкость разрушения снижается.
 
Одно из преимуществ этого сплава это простота работы с ним. Но помните, что сплавы с карбидом бора можно изготавливать по-разному, как и базовые сплавы. Так что последнее слово в этих материалах ещё не сказано.
 
БЕРИЛЛИЙ
 
В это сложно поверить, то есть металл значительно более дорогой, чем титан. Это бериллий. Он имеет плотность примерно две третьих от алюминия, так что он легко попадает в категорию металлов, не имеющих проблем с этим параметром. Более того, у бериллия замечательные механически свойства, и плотность лишь одно из них. Удельная прочность (specific strength, прочность, поделённая на плотность) бериллия очень высока. Удельная жёсткость (specific stifeness, модуль упругости, поделённый на плотность) самая высокая среди всех металлов на Земле… или внутри неё. Но бериллий редок: его концентрация в земной коре примерно 6 мг/м³. Богатых залежей этого металла не существует, и одно из следствий этого – высокая стоимость: в сравнении с алюминием он дороже в 200 раз!
 
Вот некоторые конкретные параметры трубы из прокатного бериллия: предельная прочность 44 ksi и модуль упругости 44 msi, которые в купе с низкой плотностью дают феноменальные показатели удельной жёсткости… намного выше, чем у любого другого металла. Для сравнения, модуль упругости стали лишь в районе 30 msi, а плотность в 5 раз выше, чем у бериллия.
 
Достаточно хороших новостей? Плохие новости заключаются в отвратительных показателях удлинения: 2% в продольном направлении и 0,2% в поперечном. На планетах, где температура около 390 град. по Фаренгейту, удлинение бериллия может достигать 23%. К сожалению, на Земле всё не так хорошо. Интересная запись в одном из учебников по инженерной механике: «Значения текучести слишком низки, 0 в поперечном направлении.»  Ой!
 
К счастью есть альтернатива экструдированному бериллию. Она называется прокатные листы (cross-rolled sheet). Бериллиевый байк, произведённый Brush-Wellman (вертикально интегрированная бериллиевая компания) сделанный для выставки American Bicycle Manufacturing пару лет назад, быль изготовлен из листа, что позволило получить более высокие показатели удлинения (более 10%), предельной прочности и прочности на разрыв. Для производства байка, прокатный лист был скатан в трубы и сварен.
 
В продолжении плохих новостей – бериллий кладёт на лопатки другие металлы по токсичности. Бериллиевая пыль может убить вас. Вдыхание бериллиевой пыли вызывает бериллиоз, воспаление лёгких.
 
Из-за стоимости, текучести, токсичности чистый бериллий коммерчески непригоден для производства велосипедных рам. Нет, вы, конечно, можете сделать байк, как тот выставочный образец за 25 000 долл., но сложно назвать такой проект коммерчески выгодным.
 
Brush-Wellman также создали сплав на основе алюминия с добавлением бериллия. Металл был запатентован под названием AlBelMet и является многообещающим для производства деталей для велосипедов. Этот материал уже коммерчески доступен на других рынках, например, для производства компьютерных дисков. Beyond Fabrications из Сан-Хосе, Калифорния производят подседельные штыри и рули из него. По словам представителя Brush-Wellman рамы на подходе. Всего компания имеет четыре сплава из AlBeMet, в которых доля бериллия варьирует от 30 до 62%, что даёт им следующие механические свойства:
 
Сплав AlBeMet: 130  140  150  162
% бериллия:       30    40    50    62
Плотность:         ,086 ,082 ,080 ,076
Текучесть (ksi):  23    30    33    40
Прочность (ksi): 34    40    50    55
Удлинение (%): 17    15    13    7
Модуль (msi):    19    20    25    28
 
Компания заявляет, что эти сплавы поддаются сварке. Примечательна низкая прочтность у материалов, содержащих менее 50% бериллия. В конечном же счёте бериллий используется в качестве источников нейтронов для детонаторов атомных бомб. При бомбардировке альфа-излучением, бериллий испускает нейтроны. Благодаря бериллию в 1932 г. нейтрон и был открыт.
 
AERMET 100
 
AerMet 100 — перспективный материал, который недавно удивил велопромышленность. Этот новый железосодержащий сплав был запатентован в 1992 г. Реем Хемфиллом и Дейвом Вертом из Carpenter Technology Corporation, и сейчас есть несколько велопроизводителей, которые уже развлекаются с этим сплавом.
 
Зацените удивительный параметры AerMet 100. Плотность 0,285 фунтов на кубический дюйм, почти такая же, как у хромоли. Если посмотреть на состав, то обнаружится большая доля никеля и кобальта, плотность которых немного выше, чем у железа. Где этот материал уделывает все старые стальные сплавы (и другие материалы, применяемые для производства велосипедов), так это в прочности. Наш тест в VeloNews от 13 декабря 1993, изучавший образец, представленный Carpenter, показал предел текучести в 261 ksi и предельную прочность более 300 ksi. Вкусняшка!
 
И это вкупе с хорошим удлинением – тот же тест показал 10% — и модулем обычной стали в 28 msi. Carpenter заявляют, что «сплав спроектирован для деталей, требующих высокую прочность, вязкость разрушения и исключительную стойкость к разрушению из-за коррозии под нагрузкой и усталости».
 
Так что не так? Всё так, но есть несколько препятствий. Как вы догадались, AerMet дорогой, но его стоимость составляет от половину до двух третьих титана. Он недоступен в конусообразном варианте или варианте с баттингом (недоступен пока, оба технологических процесса находятся в разработке). На данный момент производители успешно осваивают их, и они вскоре должны быть коммерчески доступными. В то же время можно приварить или припаять AerMet к 4130, так что конусообразные перья, наварки, дропауты и другие детали могут быть легко присоединены.
 
Плохое. Я скажу то же самое, что я говорил про сталь. У AerMet 100 проблемы с плотностью. Но даже при этому из этого материала можно сделать крайне лёгкие рамы, которые будут обладать необходимой прочностью. Самое большое препятствие, которое я вижу – устойчивость (эффект пивной банки). Чтобы довести вес подобных рам до двух фунтов, следующей знаковой точки по моему мнению, требуется проделать определённую работу. С другой стороны, по-видимому не представляет никаких сложностей построить прочную трёхфунтовую рам. Несколько производителей, включая Kellogg, Davidson, Curve и Arrow, уже производят рамы из AerMet 100.
 
А ТЕПЕРЬ ЗАГАДОЧНЫЙ МЕТАЛЛ…
 
Гэри Хелфрих недавно рассказал мне о чудесном новом материале, обладающем нереальными механическими свойствами. Его слова:
 
Плотность: 0,084 ksi, на 15% меньше, чем у алюминия (вау!);
Предел текучести: 510 ksi, в 12 раз болье, чем у алюминия, в два раза больше, чем у AerMet 100 (тройное вау!);
Модуль упругости: 18 msi, на 80% больше, чем у алюминия (опять вау!);
Отношение прочности к весу: в 14 раз больше, чем у алюминия (четыре раза вау!).
 
Используя 1,25 х 0,030-дюймовые верхнюю и подседельную трубы, а также 1,375 х 0,033-дюймовую нижнюю трубы, чтобы сделать поездку такой же приятной, как при использовании титана в плане жёсткости, что вы получите? Раму весом 1,3 фунта!
 
Что не так? Опять противное удлинение показало своё уродливое лицо. Едва-едва больше 0%.
 
Что за материал? Монокристаллический кремний, материал, который использован для производства чипов для компьютера, на котором напечатан этот документ.
 
НЕ ДАЙТЕ СЕБЯ ОДУРАЧИТЬ
 
В заключении этой серии у меня для вас есть две простые мысли. При оценке материала для производства велосипедов: 1) смотри на картину целиком; 2) помните, что проектирование велосипедной рамы – вопрос для серии из 14 частей. Материал должен быть там, где он нужен.