Technische artikelen over de fiets

 STAAL IN DE FRAMEBOUW

LINKS

Fietsroute

PRAKTISCH   

banden

wieltjes

VINTAGE

uit de oude doos

klassieke racer

frame-delen

lugloos braseren

restauratie Moulton

TECHNISCH

afwerking

solderen

driewielers

warmtebehandeling

het gespaakte wiel

composieten

staal

versnellingen

constructief_denken

vering

THEORETISCH       

vermogen

aerodynamica

sterk & stijf

rolweerstand

besturing 

   De meest bekende metaallegering is staal: een legering van ijzer en koolstof. Naast koolstof zijn vaak nog diverse andere elementen aanwezig; sommige als verontreiniging (zwavel, fosfor), andere als legeringselement b.v. mangaan, chroom, molybdeen, nikkel, en vanadium. De percentages verschillen nogal; sommige elementen in tienden, andere in tientallen procenten. De meeste frames worden gebouwd met laaggelegeerde of ongelegeerde staalsoorten. Dit laatste klopt dus feitelijk niet; men bedoelt dat er meer dan 98 % ijzer in zit. Als er meer dan 10% legeringselementen zijn toegevoegd, praten we over hooggelegeerd staal. Sommige Amerikaanse bouwers gebruiken bij voorbeeld AerMet 100, een staallegering met 13% cobalt, 11% nikkel, 3% chroom, 1,2% molybdeen en 0,23 procent koolstof.

            FIG.1  Trekkromme Fe360    

    We spannen een staaf constructiestaal met een lengte van 100 mm en 10mm² doorsnede in een trekbank. We verhogen de trekkracht steeds met 50 N/mm². Na iedere verhoging meten we hem. De resultaten zetten we uit in een grafiek (zie FIG.3). De eerste drie maal zal de staaf wel rekken in de trekbank, maar als we hem eruit halen, blijkt hij niet langer te zijn. We noemen dit elastische rek. Pas bij 200 kg blijkt de staaf 0,2mm langer te zijn geworden (dit is 0,2%). Dit noemen we permanente rek; we spreken van de rekgrens of R_0,2. Bij 250 kg doet zich een ander verschijnsel voor. De staaf rekt terwijl de kracht erop niet toeneemt; dit noemen we de vloeigrens. Bij 300 kg is de staaf 105mm lang; als we nu verder trekken, zal de staaf bij 370 kg beginnen in te snoeren en breken. Geven we deze staaf aan een collega, als nieuw meetexemplaar, dan zal hij constateren dat de rekgrens van deze staalsoort hoger is dan die van constructiestaal; verder heeft het staal geen vloeigrens, de rek voor breuk is gering, en de treksterkte is hoger. Dit noemt men koudverstevigen; het wordt bereikt door de buis over doorns te trekken en op te rekken. Als we een metalen buis buigen, zal in de “buitenbocht” rek optreden, en in de “binnenbocht” druk. Door de rek zal er koudversteviging plaatsvinden; de kristalstructuur van de buitenbocht wordt daardoor harder en brosser. Dit is de verklaring van het breken van metaaldraad door heen en weer buigen.

    Bij staal is er boven de 723°C een overgang in de kristalstructuur van de α-fase naar de γ-fase. Als we staal snel afkoelen, kan er een brosse structuur ontstaan. De framebouwer wil vooral een taaie buis hebben; het is dus zaak de afkoeling zo langzaam mogelijk te laten verlopen. Naarmate er meer koolstof in staal zit, wordt dit gevoeliger voor (te) snelle afkoeling. Om de kristalstructuur niet te veranderen, kan men een zilver­soldeer kiezen met een laag smeltpunt b.v. 620° C, of een verbindingsmethode zonder warmte-inbreng zoals lijmen.

    Kwaliteitsbuizen voor fietsframes hebben een veel hogere rekgrens en treksterkte dan constructiestaal. In het algemeen hebben ze nauwelijks een vloeigrens en de rekgrens (R_0,2) ligt dichtbij de maximale treksterkte (R_m). Buizen van constructiestaal zijn vervaardigd uit een gelaste strip en hebben dus een lasnaad. Naadloze buizen zijn duurder (3-5X), maar homogener van structuur. Alle topbuizen zijn dus naadloos. Gewoonlijk worden ze “butted” uitgevoerd: de uiteindes worden verdikt en soms brengt men er nog een verstevigingsprofiel in aan. Als beide zijden versterkt worden, noemt men dat “double butted” en als een verdikking extra dik is “triple butted”. De zitbuis is gewoonlijk “single butted”. De voornaamste reden om buizen butted uit te voeren, is de verwachte nadelige invloed van solderen of lassen. De stijfheid van een frame wordt helaas bepaald door het dunne middenstuk! De wanddikte Reynolds 853 is 0,45mm in het midden en 0,65mm butt; de wanddikte Reynolds 725 is gewoonlijk 0,5mm in het midden en 0,7mm butt. Bij de huidige bestellijsten van Reynolds is er meer keuze in wanddiktes bij hetzelfde type buis. Een buis die verlijmd wordt, kan gelijkmatig van dikte zijn (plain). Bij Columbus is de keuze in 2009 voor een klassieke stalen voorvork nagenoeg onmogelijk (alleen oude voorraad).

   Laaggelegeerde staalsoorten bevatten als voornaamste legeringselementen koolstof C, chroom Cr, mangaan Mn, en molybdeen Mo. Een hoog koolstofgehalte (>0,2%) levert een sterkere buis, maar de buis wordt gevoelig voor snelle afkoeling na lassen of solderen: er kunnen brosse plekken ontstaan bij de overgang naast de verhitte plaats! Bij het aanduiden van laaggelegeerde staalsoorten geeft men vaak een formule b.v. 34 Cr Mo 4 (Oria). Het getal 34 geeft het koolstofgehalte in honderdsten procenten, 0,34 (hoog!). Chroom is ‘t volgende legeringselement; daarna molybdeen. De 4 slaat op het Cr-gehalte (4/4=1%). Het molybdeengehalte is niet gespecificeerd. Er is een nieuwe generatie staalsoorten voor TIG-lassen, waaronder Reynolds 853 en Dedaccai 18MCDV6HT. Deze warmtebehandelde buizen harden na het lasproces uit, zodat de verbinding de sterkste plaats wordt in de constructie; dat willen we graag. Er komen nog steeds nieuwe staalsoorten op de markt, er is dus nog steeds ontwikkeling!

   Hooggelegeerde staalsoorten zijn heel gevoelig voor koolstof. Bij verwarming boven 450°C scheiden zich langs de kristalgrenzen chroomcarbides af, die aanleiding kunnen geven tot brosse breuk bij wisselende belastingen. Voor lassen of solderen mag het koolstofgehalte niet hoger zijn dan 0,05%; we kunnen dit wel iets verhogen door sterke carbidevormers als titanium of niobium toe te voegen. In DIN‑ en Euro­normen wordt hooggelegeerd staal aangeduid door de hoofdletter X, gevolgd door het koolstofgehalte in honderdsten van procenten, daarna het hoofdlegeringselement (gewoonlijk Cr) en de andere legeringelementen. Hierna volgen getallen die het percentage van de legeringelementen aangeven. Wij delen RVS in 3 groepen in.

A: Martinsitische stalen, voorbeeld:   X 40 Cr 13                0,40% C    13% Cr       

B: Ferrietische stalen, voorbeeld:      X 8 Cr 13                  0,08% C    13% Cr

C: Austinitische stalen, voorbeeld:    X 5 CrNiMo 18 10     0,05% C    18% Cr  10% Ni

   Het molybdeen gehalte in de laatste legering is niet gespecificeerd (<1%!). De meeste martinsitische stalen zijn hard en bros; ze zijn voor framebouw niet geschikt. Het koolstofgehalte bepaalt grotendeels of een staal martinsitisch of ferrietisch is. Ferrietische en austinitische stalen met een laag koolstofgehalte zijn sterk en taai; de rekgrens is laag (<250 N/mm²). In de tabel I met lasbare RVS staalsoorten staat de Euro/ DIN‑norm naast de overeenkomstige Amerikaanse AISI‑norm. Door koudversteviging (=vervorming) kan men de rekgrens en treksterkte flink verhogen. Dit is noodzakelijk om een bruikbaar framemateriaal te krijgen en qua gewicht met andere stalen te concurreren. Bij legering X 5 CrNi 18.10 stijgt de rekgrens van 220 N/mm² naar 900 en de treksterkte van 550 naar 1000 N/mm². De rek voor breuk daalt van 58 naar 9%!

   Las nooit gewoon staal aan RVS, want het koolstof uit het staal zal brosse chroomcarbides vormen met het chroom uit het RVS; die lasnaad scheurt gegarandeerd. Solderen met zilversoldeer is wel goed mogelijk.

   Het nieuwe Reynolds 953 is een hooggelegeerde staalsoort; het is Reynolds gelukt om een "mar-aging" (martensitisch ouderend) staal te ontwikkelen, dat taai genoeg is om er frames mee te bouwen. Uitharding door warmtebehandeling (precipitatie) na het lassen, zorgt voor de hoge sterkte. Ik heb nog geen specificatie van de buis gezien, maar deze staalsoorten bevatten veel nikkel ( ± 20%). Het is erg sterk materiaal; de wanddikte( -dunte?) in het midden van de buis is  0,3mm........Overigens heeft ook Columbus nu een dergelijke RVS-staalsoort in de aanbieding type XCr. De prijzen van deze frames liggen al gauw boven de 3000 euro.

 TABEL I

 TABEL II

 P.S. De olieproductie gaat rond 2010 haar maximum bereiken (Peak-oil). Er wordt namelijk meer olie verbruikt dan er wordt gevonden. Bij een olieschaarste van enkele procenten, verdubbelen de prijzen; dat proces zal zich nog een aantal maal herhalen. Naast productiekosten in de vorm van arbeid, zal energie-inhoud belangrijk worden. Het transport van mensen en goederen zal afnemen, omdat de kosten te hoog zijn. De fiets zal weer een groot deel van het vervoer voor zijn rekening gaan nemen. De productie van materialen als aluminium en carbon, kost veel meer energie dan de productie van staal. De fiets van de toekomst is gewoon van staal en wordt weer in Nederland gemaakt.

Boeken en informatie via Internet

 Staal is genormeerd in allerlei voorschriften en coderingen; de gids die je wegwijs maakt:  http://steel.keytometals.com/  (helaas niet echt gratis)

 Columbus ook in staal :  http://www.columbustubi.com/    

 Deze Italianen maken ook stalen pijp:  http://www.dedacciai.com/

 De klassieker onder de framebuizen: Reynolds: http://www.reynoldstechnology.biz/

 Op deze Engelse site kun je complete sets buizen, lugs en soldeer kopen: http://www.ceeway.com/index.htm