Велоиндустрия — Металлургия для велосипедистов от Скота Никола, части 3 и 4

Продолжение статей от Скота Никола. В этот раз про алюминий и титан.


МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 3
 
СВЕТЛОЕ АЛЮМИНИЕВОЕ БУДУЩЕЕ
 
Доброе утро… день… вечер (обвести нужное), класс. Сегодня мы будем изучать алюминий. То, что мы узнаем сегодня, будет основано на знаниях, которые вы получили во время наших двух предыдущих занятий. Вы просмотрели первый урок, обзорный? А второй, про сталь? Хорошо. Сегодняшнее занятие, посвящённое алюминию, станет серединой нашего 6-серийного сериала.
 
В последнее десятилетие алюминий стал очень популярным материалом для производства рам. В начале 1980-х алюминиевые байки были в новинку и производились лишь небольшой кучкой хай-энд-брендов. Затем в 1982 пришли Cannondale и стали продвигать этот материал на массовом рынке. Сейчас почти каждый средне-крупномасштабный производитель имеет в арсенале хотя бы один алюминиевый байк. Более того, сырья для них более чем достаточно: алюминий – самый распространённый металл в земной коре. И за исключением магния и бериллия, это самый лёгкий металл. Основной источник алюминия – боксит, названный так в честь города, где он впервые был обнаружен – Les-Baux-de-Provence во Франции. В этой руде содержится гидроксид алюминия (Al₂O₃*2H₂O) с примесями железа и оксида титана. Похоже, что лучшего велопромышленность и желать не может: все потребности в металлах удовлетворяются одним разом, а? Не совсем так, поскольку есть более удачные источники титановой и железной руды.
 

ДЕЛАЕМ ИЗ АЛЮМИНИЯ ТРУБЫ
В целом процесс, который превращает алюминий из земной коры в трубы, пригодные для производства байка или лежака, сложен, противен и энергозатратен. Наиболее важный этап преобразования боксита в алюминий называется методом Байера, потому что изучение его вызовет у вас головную боль (скаламбурил, ибо есть такая немецкая фармацевтическая компания Байер, которая изобрела Аспирин… а также героин и зарин, прим. перев.)… Требуется около 9 кВт энергии для производства одного фунта алюминия – намного больше, чем для стали. И хотя производство алюминия из вторсырья требует менее 5% от этого количества энергии, «девственный» алюминий по-прежнему необходим для производства кованных (wrought) деталей, то есть те которые получаются путём проката (rolled), экструзии (extruded) или вытягивания (drawn).
 
Сырой алюминий используется для производства ряда сплавов. В велопромышленности кованные алюминиевые детали обозначаются с использованием четырёхзначной системы. В качестве примера можно привести старый добрый 6061. У литых деталей из алюминия между третьей и четвёртой цифрой в обозначении есть точка. Детали, полученные при помощи обоих методов, имеют ещё одну цифру в конце — обозначение закалки. Вы наверняка встречали T4 или T6 в обозначении некоторых сплавов: например, 7075 T6 или 2024 T4. При обозначении литых алюминиевых сплавов указываются холодная обработка (coldwork), закалка (heat treatment) и состаривание (aging), если они применялись при обработке.
 
Закаливание оказывает огромное влияние на механические свойства большинства алюминиевых сплавов (некоторые из них могут быть подвергнуты закаливанию, а некоторые нет). Если вы приварите нижнюю трубу из 6061 к рулевой трубе из 6061, то в приваренном состоянии прочность у них будет меньше, чем до сварки. Поэтому вам нужно подвергнуть раму закаливанию – состарить её искусственно, чтобы вернуть к прежней высокой прочности. Это относится, например, к материалу Duralcan, использованному в Specialized M2, так как исходно это сплав 6061 и объёмной долей оксида алюминия примерно в 10%. И хотя сплавы 7005, как, например, Easton Varilite, не требуют закаливания после сварки, их по-прежнему нужно искусственно состаривать. При закаливании и состаривании вы имеете дело с твёрдыми растворами, кристаллическиими решётками, насыщением легирующими элементами (alloying constituents), их последующими субмикроскопическими преципитатами и кучей других мелких, но очень важных вещей, которые я не буду обсуждать.
 
Сплавы, которые нельзя закалить, часто усиливаются за счёт холодной обработки (cold work), также известной как деформационное упрочнение (strain hardening). Вместо изменения структуры за счёт рекристаллизации при холодной обработке структуру меняют при помощи грубой силы: прокат (rolling), вытягивание (drawing), выпрямление (straightening) или расплющивание (flattening). Примеры таких сплавов – 5086 и 5083, которые можно встретить в некоторых рамах. Когда производится закалка (правильнее её следовало бы называть термообработкой) в действительности происходят два отдельных процесса. Сначала закаливание, которое обычно производится при температуре 800-1000 F в течение нескольких часов. Затем алюминий охлаждается до комнатной температуры на воздухе или в воде, в зависимости от сплава. После этого алюминий должен быть подвергнут дисперсионному отвердению (precipitation hardened), также известному как состаривание. Легирующие элементы, которые в процессе закаливания перешли в раствор, с течением времени снова образуют преципитаты, что повышает прочность алюминия. Поскольку легирующие элементы более растворимы при высоких температурах, состаривание, обычно, производится в печи (при 250-300 F в течение 8-36 ч.), что позволяет процессу идти быстрее. Вот что подразумевается, когда вы слышите про искусственное состаривание.
 
СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
Первое свойство алюминия, которые мы рассмотрим, самое простое для понимания и является одним из тех, что делает алюминий столь желанным при производстве рам. Оно называется плотность. Алюминий, как вы уже знаете, имеет плотность равную трети плотности стали и половине плотности титана. Поскольку наша область очень озадачена вопросами снижения веса, алюминий стал очень серьёзным игроком. На самом деле, чем больше я узнаю о материалах, тем более светлым для меня выглядит будущее алюминия. Представьте, что один из новых алюминиевых композитов имеет прочность близкую или равную CrMo с втрое меньшей плотностью. Так как вы хорошие студенты, вы знаете, что нужно рассматривать плотность и прочность в контексте других свойств. Так давайте сделаем это.
 
Несмотря на низкие значения модуля упругости алюминия, по сравнению с другими материалами, используемыми для производства рам, из него всё равно можно построить жёсткий байк, поскольку низкая плотность позволяет сделать трубы большего диаметра без увеличения веса. Как вы помните из предыдущей части, с увеличением диаметра труб байка значительно возрастает его жёсткость. А поскольку плотность мала, их толщина может быть достаточной, чтобы обеспечить ещё и устойчивость стенок — защиту от эффекта «пивной банки». Как жёсткая рама будет ощущаться при езде – зависит от конкретной конструкции. И Stels, и Cannondale производятся из алюминия, однако никто не назовёт первый жёстким, равно как и второй гибким.
 
Первый спорный момент у алюминия – относительное удлинение. Насколько алюминий деформируется прежде чем сломаться? Даже рядом не стоял с титаном и близко не был к стали. Однако если вы уже кое-что поняли из этой серии статей, нужно всегда смотреть на другие свойства, прежде чем принимать решение. Действительно, низкое относительное удлинение увеличивает риск «раскалывания» рамы, и при значениях ниже примерно 9%, следует серьёзно подумать и тщательно оценить все аспекты. Также нужно посмотреть на прочность, вязкость и предел выносливости. Мы обнаружим, что алюминий (за исключением пары примеров вроде сплава 5086) не имеет предела выносливости. Это значит, что даже незначительные нагрузки, приложенные достаточное количество раз, приведут к усталостному разрушению. Страшно, не так ли? Сталь и титан хороши в этом плане, а вот алюминий – нет. Но ведь очевидно, что вокруг огромное количество алюминиевых байков, неужели они все сломаются? Нет. Как решается эта проблема? Я задал этот вопрос «сэру» Чарльзу Тейксейре – инженеру из Easton, отвечающему за трубы Varilite (я добавил «сэр», но мы все зовём его Чак). Чак Тейксейра – умный парень и что-то да понимает в материалах. При проектировании он руководствуется несколькими простыми правилами. Одно из них – материал должен быть там, где он нужен. Люди об этом часто забывают. Однако «стальные» парни уже придумали всё ещё 100 лет назад — баттинг (утолщение). Грамотный баттинг может сделать раму прочнее и легче. В действительности, представить себе размеры труб из стали, которые могут быть применены в конкретной ситуации, это хороший способ определить свойства, которыми должны обладать другие материалы в этой же ситуации. Это как раз то, что сделал Тейксейра, когда проектировал отличные трубы Varilite, которые появились в 1990 г. и впервые были применены Дугом Брэдбери на его байках Manitou. Они стали первыми на рынке серийными рамами с баттингом. Trek производил алюминиевый байк с клееными баттированными трубами в течение нескольких лет, но широкого распространения эта технология не получала до недавнего времени. Klein и Cannondale уже в струе, на Specialized M2 баттинг появился в этом году. Трубы Varilite имеют очень толстые стенки в зонах высоких нагрузок, и более тонкие в зонах, воспринимающих меньшие нагрузки. Это позволят распределять нагрузки по всей трубе, и её долговечность увеличивается. Это далеко не ракетостроение, просто грамотное проектирование.
 
РЕАЛИЗУЯ ПРЕИМУЩЕСТВА АЛЮМИНИЯ
Чтобы реализовать преимущества алюминия, нужно разобраться с присущими ему недостатками. Один из способов сделать это – заложить большой резерв для ошибок. Хотя возможно большое количество разных ситуаций, Тейксейра сказал, что золотое правило, которое он использует, — увеличить статическую прочность трубы в три раза по сравнению с таковой у стального байка. Множество факторов играют роль здесь, поэтому никакого железного (или алюминиевого) правила не существует. Общий смысл такой, что чем меньше изгибание, тем меньше нагрузка, что ведёт к меньшей вероятности усталости металла. Также неплохо распределять нагрузку в зоны, в которых она обычно меньше. В этом состоит идея баттинга, наварок и приливов. Распределение нагрузки по всей трубе также позволяет байку более упругим с «живым» ощущением от езды, а не ригидной конструкцией.
 
А ещё есть коррозия из-за перенапряжения – другая штука, которая также заставит ваши брови поползти вверх. Если «запороть» искусственное состаривание, то эта штука придёт за тобой. Как видите, перед нами сложная головоломка. Что будущее нам готовит? Я спросил Тейксейру об этом, и его перспектива не была полна чудесных материалов, ранее применявшихся в подшипниках глушителей Space Shuttle’ов или зондах на F-16. Нас ждут некоторые улучшения, но заявления большинства хитрых маркетологов особо не впечатляют. Если посмотреть на всё вместе, то окажется, что победить старый добрый 6061 по-прежнему сложно. Это наиболее универсальный из всех сплавов, у него отличная для алюминия вязкость и хорошее относительное удлинение. Как я уже говорил, и из высокотехнологичной стали, и из обычной CrMoможно построить хороший байк. Это всего лишь вопрос правильного проектирования труб.
 
Мы узнаем кое-что ещё о новых высокопрочных алюминиевых сплавах и других материалах в экзотической части нашей серии, которая будут в конце, после титана и углеволокна. И как вы уже догадались в следующей части нашего heavy metalречь пойдёт о титане.
 
МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 4
 
ТИТАНОВЫЙ АРГУМЕНТ
 
Ассоциация по разработке титана называет титан «материалом выбора», и в велоиндустрии есть много людей, согласных с ними. Четвёртая часть серии посвящена этому загадочному и дорогому металлу. У него отличная репутация: малый вес, суперпрочность, в том числе усталостная, волшебные ощущения от езды… и нехилый ценник. Так давайте разберёмся, что за физические характеристики обеспечивают титану такую завидную репутацию.
 
Титан – не такой редкий металл, как вам может показаться. На самом деле, он один из наиболее распространённых металлов в земной коре после алюминия, магния и железа. В действительности, титана в коре содержится больше, чем хрома или молибдена – двух необходимых ингредиентов, сопутствующих железу и используемых для производства байков из стали.
 
ПЛОТНОСТЬ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА
Как мы выяснили в прошлый раз, плотность – огромное преимущество алюминия. Титан также неплох в этом отношении. И хотя его плотность почти в два раза больше, чем у алюминия, она составляет всего лишь 56% от таковой у стали.
 
Второе свойство – жёсткость, или модуль Юнга. Титан, используемый в большинстве рам, имеет модуль упругости в районе 15 млн фунтов/дюйм² – примерно половина от стали. Это значит, что титан и сталь примерно сравнимы, когда речь идёт об отношении жёсткости к весу. Раньше мы уже выяснили, что жёсткость зависит от конструкции и свойств используемого материала. Всё это относится и к титану: можно построить и жёсткую, и «играющую» раму — зависит от исполнения. Из-за зависимости между высокой прочностью, низкой плотностью и умеренным модулем упругости большинство производителей выбирают диаметр труб, который позволяет сделать езду мягкой и амортизирующей. Но при попытке сделать титановую раму сверхлёгкой модуль упругости становится проблемой, т.к. рама становится слишком гибкой. Речь идёт о рамах с весом в районе двух фунтов. Построить сверхлёгкую раму сложная задача для любого материала, включая титан.
 
БОЛЬШИЕ ПЛЮСЫ ТИТАНА: ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ И ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ
По первым свойствам у титана пока два вторых места при сравнении со сталью и алюминием. Но если мы посмотрим на третье свойство – относительное удлинение – то здесь титан далеко впереди любого из материалов. Это свойство показывает, насколько деталь изогнётся, прежде чем сломаться – защитный фактор для конструкторов рам. Относительное удлинение титана составляет 20-30%. Для сравнения, стандартная сталь – 10-15%, а высокопрочная сталь – 6%. Алюминий, как правило, — 6-12%, высокопрочный алюминий – там всё описывается числом с одним знаком (сигнал тревоги звонит очень громко). Всё, что имеет низкое относительное удлинение, называется хрупким. Хрупкая рама – плохая вещь.
 
Прочность титана на растяжение также великолепна. Предел текучести для сплава 3/2,5 (чаще всего встречающегося в велосипедных рамах) с низкотемпературным отпуском (cold-worked-stress-relievedyield strength) обычно составляет 100-130 ksi или больше. Это больше, чем у многих типов стали. Помните, что это при потрясающих значениях относительного удлинения и почти в два раза меньшем весе. И мы ещё не сказали ничего про вязкость и предел выносливости.
 
УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ
Усталостная прочность – ещё одно свойство, где титан хорош (вы можете спросить: «Он вообще скажет что-нибудь плохое про титан?»). Как уже говорилось в предыдущих частях, нет чёткого способа измерения усталостной прочности, который скажет, сколько проживёт рама. Велосипедные рамы подвержены воздействию различных сил в случайной и повторяющейся манере. Титан и сталь имеют определённый порог, при нагрузках ниже которого они никогда не разрушатся. Почти ни один сплав алюминия (включая с композиты с металлической матрицей), магния и бериллия, используемых в велопромышленности, не имеют предела выносливости, так что при проектировании нужно учитывать эту проблему, что объяснялось в предыдущих частях.
 
А ТЕПЕРЬ ПЛОХИЕ НОВОСТИ…
Плохих сторон у титана несколько, и они мешают ему стать вездесущим. Первая – он дорогой. Не только в плане энергии, которая необходима для экстракции этого металла, но и в плане его обработки. Вторая проблема – производство. Вы конечно слышали, что титан сложно варить и осуществлять его машинную обработку. Говоря более точно, титан варится и обрабатывается совсем по-другому. Он не прощает халтуры. Требуется особая чистота и педантичность. Без этого есть риск контаминировать сварные швы, что приведёт к их катастрофическому разрушению. На недавней гонке Cactus Cup я встретил парня на титановом байке, у которого оторвалась рулевая труба. Беглый осмотр подтвердил мои подозрения — контаминированная сварка. Машинная обработка титана может быть мечтой или кошмаром, в зависимости от используемого подхода. При использовании правильных скоростей, механизмов подачи и режущих головок, с ним проблем не будет.


Если у стали проблемы с плотностью, у алюминия проблемы с прочностью, то какие проблемы у титана? Основная – модуль упругости. Даже если построить байк из высокопрочного титана 6/4, модуль останется тем же. По мере увеличения диаметра труб и уменьшения толщины их стенок, жёсткость увеличивается, а вес уменьшается. Но если мы захотим сделать рамы сверхлёгкой с использованием стандартных методов, стенки будут настолько тонкими, что снова появится эффект «пивной банки». Однако есть несколько способов решения этой проблемы. Несколько производителей уже выпускают титановые байки с внешним баттингом, внутренним баттингом, гидроформированными трубами, штампованными трубами или комбинацией этих вариантов. Следите за инновациями в этой области, которые будут внедряться в погоне за сверхлёгкими рамами с необходимой жёсткостью.
 
Будет ли титан материалом выбора в будущем? Его репутация «волшебного» металла вряд ли будет поставлена под сомнение ещё некоторое время. Но даже при этом вы увидите большую активность от производителей алюминиевых байков, которые совершенствуют своё мастерство, и чьи рамы будут становиться прочнее, легче и дешевле, представляя отличную ценность для покупателей. Титановые ребята, однако, тоже не будут сидеть сложа руки и молча наблюдать за происходящим. Litespeed уже выпускают горные и шоссейные рамы с ценником в районе 1000 долл. И хотя мы вряд ли увидим экстремально низкий ценник, постоянные улучшения в технологии производства труб и обработке сохранят интерес к титану и его репутацию на высоком уровне.
 
В следующем выпуске «башковитых металлов» мы рассмотрим углеволокно.