C. Материалы для изготовления велосипедных рам
Трубы для изготовления рам могут быть как круглого, так и иного сечения. Наиболее дорогие рамы изготавливают из труб с переменной толщиной стенок (такая технология имеет название «баттинг»)
Материалом для изготовления велосипедных рам служат легированные стали, различные алюминиевые, титановые сплавы, а также углепластик («карбон») и др. материалов.
· Сталь
Хромомолибденовая сталь(30ХМА) — сталь, которая кроме обычных примесей содержит легирующие элементы хром и молибден, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств.
Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. Наиболее распространенная хромомолибденовая сталь 4130 имеет прочность на разрыв 590—760 МПа, что сравнимо с титановыми сплавами, однако менее склонна к усталости. Отечественный аналог данной стали - 30ХМА.
· Титан
Серии сплавов
В велосипедной промышленности используются следующие сплавы:
Grade 5 (6 % Al, 4 % V) — считается самым прочным и жестким титановым сплавом, отличается особо высокой сложностью обработки. Имеет плотность 4500 кг/м³ и прочность на разрыв более 900 МПа.Обычно используется для высоконагруженных деталей (дропауты и т. п.). Стоимость целой рамы из такого сплава - не менее нескольких тысяч долларов. Говорят, что малая распространенность этого сплава связана с тем, что жесткость рамы оказывается чрезмерной, да и технология получается заметно сложнее.
Grade 9 (3 % Al, 2,5 % V) — компромисс между легкостью обработки, ценой и прочностью сплава Grade 5. Имеет прочность на разрыв от 600 МПа. Широко используется для изготовления импортных рам.
ОТ-4 (3,5…5 % Al, 0,8…2 % Mn) — применяется для производства рам Рапид. Прочность на разрыв до 900 МПа.
ПТ-7М (1.8…2.5 % Al, 2…3 % Zr) — относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам. Легко поддается обработке, используется для малонагруженных деталей. Прочность на разрыв около 600 МПа.
К достоинствам титановых рам можно отнести:
· титан имеет высокую удельную прочность (в 3 раза выше чем у стали и в 2 раза выше чем у алюминия), позволяя конструировать очень лёгкие рамы (менее 1,4 кг для шоссейных велосипедов);
· стоек к коррозии;
· очень высокая упругость (титановые рамы очень комфортны)
· Высокие диапазоны эксплуатационных температур;
· Хорошие усталостные характеристики
Недостатки:
· высокая цена;
· низкая технологичность и высокие требования к технологии производства.
Сварка титана
Основные трудности при сварке титана обусловлены его высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, азоту, водороду) при нагреве и расплавлении.
При комнатной температуре титан взаимодействует с кислородом с образованием поверхностного слоя с большой твердостью – альфинированного слоя, – который предохраняет титан от дальнейшего окисления. При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты металла при сварке.
При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана, насыщенный повышенным количеством кислорода (альфинированный слой) и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины.
Водород даже в небольшом количестве значительно ухудшает свойства титана. Он активно поглощается титаном при температуре 200–400°С. С повышением температуры водород начинает выделяться из титана и сгорает. При более низких температурах содержание водорода также снижается, однако гидриды титана способствуют образованию пор и замедленному разрушению титана – возникновению холодных трещин спустя длительное время после сварки.
Тщательная защита от насыщения металла газами требуется не только для расплавленного металла, но также для участков твердого металла с температурой 400°С и выше. Как правило, это обеспечивается за счет использования флюсов, металлических и флюсовых подкладок, специальных защитных газовых подушек. О надежной защите свидетельствует блестящая поверхность металла после сварки, о плохой защите – желто-голубая окраска, серые налеты.
Сварка титана и его сплавов выполняется присадочным металлом, близким по составу к основному металлу, например, проволокой ВТ1-00. Обычно перед сваркой проволока подвергается вакуумному (диффузионному) отжигу для удаления водорода. Кромки подготавливают механическим путем, плазменной или газокислородной резкой с последующим удалением насыщенного газами металла кромок механической обработкой. Поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также сварочной проволоки тщательно очищают травлением или механическим путем.
· Алюминий
Алюминиевые сплавы обозначаются 4-значными номерами. Первая цифра означает вид легирующих присадок, последующие - точный состав:
1000 — практически чистый алюминий;
2000 — сплав алюминия с медью;
3000 — сплав алюминия с марганцем;
4000 — сплав алюминия с кремнием (силумин);
5000 — сплав алюминия с магнием;
6000 — сплав алюминия с магнием и кремнием;
7000 — сплав алюминия с цинком;
8000 — литиевые сплавы.
Окончание «-Тх» означает, что материал был подвергнут термической обработке для увеличения прочности.
В велостроении используются сплавы 2024, 6061, 7075, 7001 и другие. Для потребителя конкретный номер сплава не имеет принципиального значения, поскольку свойства итоговой детали зависят от целого ряда факторов (термообработка, технология, особенности конструкции детали), из которых состав сплава — не самый важный.
Иногда алюминиевые рамы легируют небольшими добавками скандия, который значительно повышает прочность
При сварке отечественных алюминиевых сплавов применяют следующие присадочные материалы: