Staal in de framebouw

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. Legeringen worden vaak ingedeeld volgens de Euro/ DIN ‑norm of de Amerikaanse AISI‑norm.

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.1). 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 N/mm² blijkt de staaf 0,2mm langer te zijn geworden (dit is 0,2%). Dit noemen we permanente rek; we spreken van de rekgrens of R0,2. Bij 250 N/mm² doet zich een ander verschijnsel voor. De staaf rekt terwijl de kracht erop niet toeneemt; dit noemen we de vloeigrens. Bij 300 N/mm² is de staaf 105mm lang; als we nu verder trekken, zal de staaf bij 360 N/mm² 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.

Naast koudverstevigen kan men de sterkte van metalen te verbeteren door legeren en warmte-behandelen. Om te begrijpen hoe dit werkt, moeten we verschillende types micro-structuren in vaste stoffen bekijken. Glas is amorf d.w.z. de moleculen bezitten geen regelmatige posities t.o.v. elkaar. De meeste stoffen, ook metalen, zijn kristallijn d.w.z. de atomen zijn volgens vaste patronen gerangschikt.

Dit kan volgens drie structuren: 1. Kvg (kubische vlakken gecentreerd o.a. koper, alfa‑ijzer); 2. Krg (kubisch ruimtelijk gecentreerd o.a. gamma‑ijzer, molybdeen); 3. Hds (hexagonale dichtste stapeling o.a. beryllium, magnesium). De kvg en hds structuur zijn maximaal dichte stapelingen: de vulgraad is 74%; bij de krg structuur is de vulgraad 68%.

Elke moleculenstructuur bevat dus altijd gaten: de zogenaamde intersitiële ruimtes; deze kunnen andere atomen bevatten. In een stapeling van atomen kan een lege plaats voorkomen (een vacature) of een vreemd atoom (een substitutie). Met een algemene term noemen we deze fouten “dislocaties”. Als de temperatuur hoger wordt, nemen door de bewegingen van atomen de vacatures in aantal toe. Substitutionele en intersitiële atomen kunnen zich via vacatures verplaatsen (diffusie).

In metalen ontstaan onder belasting zichzelf verplaatsende dislocaties; deze vervormen het rooster zo sterk, dat ze hun eigen beweging hinderen. Er moet voor verdere vervorming steeds meer energie worden toegevoerd; daarom is de breuk-energie van metalen zo hoog. De vervorming van het rooster verklaart de versteviging die optreedt: hardheid en treksterkte nemen toe, de rek af. Alle vreemde atomen hebben invloed op de dislocatiebewegingen. Op deze manier neemt door legeren (het mixen van metaalmoleculen) de rekgrens en treksterkte toe, zeker als die atomen in groepjes voorkomen. Dit bereikt men o.a. door warmtebehandeling (de diffusie verloopt dan sneller)!

FIG.2 Kristalvorming en grondmassa.

Door legeren, kan men de materiaaleigenschappen van metalen dus verbeteren; andere methodes hiervoor zijn koudverstevigen (mechanische bewerking o.a. het “trekken” van buis), of veredelen (warmtebehandeling). Vaak zal men een combinatie van deze drie methodes kiezen.

De kristalstructuren van legeringen zijn erg belangrijk voor de eigenschappen ervan.

Als we een legering hebben, bestaande uit metalen A en B, zijn er 3 mogelijkheden:

1.Metaal A en B lossen in elkaar op. 2.Metaal A en B lossen niet in elkaar op. 3.Metaal A en B lossen deels in elkaar op.

Kwaliteitsbuizen voor fietsframes hebben een veel hogere rekgrens en treksterkte dan constructiestaal. In het algemeen hebben ze nauwelijks een vloeigrens en de rekgrens (R0,2) ligt dichtbij de maximale treksterkte (Rm). Buizen van constructiestaal zijn vervaardigd uit een gelaste strip en hebben dus een lasnaad. Naadloze buizen zijn duurder, maar homogener van structuur. Vrijwel 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. Een buis die verlijmd wordt, kan gelijkmatig van dikte zijn (plain). De stijfheid van een frame wordt grotendeels 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.

Bij Columbus is de keuze voor een klassieke stalen voorvork nagenoeg onmogelijk: alleen oude voorraad of op bestelling (uiteraard van een flink aantal).

FIG.3 Columbus onderzoeksresultaten.

FIG.4a Reynolds folder uit 2017.

.

Bij staal is er boven de 723°C een overgang in de kristalstructuur van de α-fase "ferriet" naar de γ-fase "martensiet". Als we staal snel afkoelen, kan er een harde brosse martensitische 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, of een verbindingsmethode zonder warmte-inbreng zoals lijmen.

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 molybdeen gehalte is niet gespecificeerd. Een legering die veel gebruikt wordt, is 25CrMo4, (= AISI 4130). Vrijwel alle fabrikanten hebben hier varianten van in hun assortiment; het is geschikt voor lassen en solderen. De Engelse firma Accles & Pollock maakte in de jaren '50 ook zo'n buis, maar zijn door Reynolds verdrongen.

FIG.3 laat een onderzoek zien van de staalfabrikant Columbus. Weergegeven is een gelaste verbinding tussen twee stalen platen. Het stippellijntje "inductor center" is de feitelijke lasnaad. Een verbinding is tussen twee 25 CrMo4 plaatjes en een verbinding is tussen CrMo Cyclex plaatjes, een staalsoort van Columbus zelf. De onderste lijn van de grafiek geeft de afstand tot de lasnaad weer in mm. Rechts zien we de treksterkte in N/mm² en links de hardheidsmeting in HV5 (Vickers). Hoe harder het staal, hoe hoger de treksterkte.

Op 25mm van de las is de staalstructuur niet veranderd. De oorspronkelijke treksterkte (groene lijn) van Cyclex is 1100 N/mm² en de treksterkte van 25CrMo4 is 930 N/mm² (blauwe lijn). De hardheid van Cyclex is 312 HV5 en die van 25CrMo4 is 265 HV5. Door warmte inbreng en het afkoelen, gaan de microstructuren in het staal herkristalliseren. Het effect zijn we op de plaatjes van het geëtste 25CrMo4 staal, links voor het lassen rechts vlakbij de lasnaad na het lassen. Het middelste plaatje is het staal op 16mm van de las; de hardheid is gezakt naar 200HV5 en de treksterkte naar 700 N/mm². Het effect van de koudversteviging is verloren gegaan, chemisch is er niets veranderd. Tussen 16 en 10mm van de las , is er een dramatische overgang naar zeer fijne (snel afgekoelde) kristallen die veel harde martensiet bevatten. De hardheid schiet omhoog naar 350 HV5 en de treksterkte naar 1290 N/mm². Deze grote sprong in eigenschappen leidt vaak tot een breuk naast de las, zeker bij wisselende belasting! Het Cyclex staal geeft een veel kleinere verstoring van de hardheid en treksterkte.

Er is een nieuwe generatie staalsoorten voor TIG-lassen, waaronder Reynolds 853 en Dedaccai 18MCDV6HT. Deze warmtebehandelde buizen harden na het lasproces verder uit, zodat de verbinding de sterkste plaats wordt in de constructie. Er komen dus nog steeds nieuwe staalsoorten op de markt.

FIG.4b Reynolds staal vergeleken met hun aluminium 6061 en titanium 3Al-2.5V

Hooggelegeerde staalsoorten (TABEL I) 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 legeringselementen. Hierna volgen getallen die het percentage van de legeringselementen aangeven. Wij delen RVS in 3 groepen in:

A: Martensitische stalen, voorbeeld: X 40 Cr13 0,40% C 13% Cr

B: Ferritische stalen, voorbeeld: X 8 Cr13, 0,08%C, 13% Cr (Columbus Metax)

C: Austenitische stalen, voorbeeld: X 5 CrNiMo 18 10 0,05% C 18% Cr 10% Ni ( Poppe&Pothoff)

Het molybdeen gehalte in de laatste legering is niet gespecificeerd (<1%!).

De meeste martensitische stalen zijn hard en bros. Het koolstofgehalte bepaalt grotendeels of een staal martensitisch of ferritisch is. Ferritische en austenitische stalen met een laag koolstofgehalte zijn sterk en taai; de rekgrens is te laag (<250 N/mm²). We zien in Tabel I lasbare RVS staalsoorten met de Euro/ DIN ‑norm naast de overeenkomstige Amerikaanse AISI‑norm. Las nooit gewoon staal aan RVS, want het koolstof uit het staal zal brosse chroom-carbides vormen met het chroom uit het RVS; die lasnaad scheurt gegarandeerd. Solderen met zilversoldeer is wel mogelijk.

Door koudversteviging (=vervorming) kan men de rekgrens en treksterkte flink verhogen. Dit is noodzakelijk om een 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%!

Zo deed men dat bij Poppe&Pothoff; alleen de hoofdbuizen werden maximaal opgefokt. De vorkdelen waren iets minder sterk, maar wel taaier en nog buigbaar.

Reynolds 953 wordt momenteel (2023) niet meer aangeboden, het is "mar-aging" (martensitisch ouderend) staal, dat taai genoeg is om er frames mee te bouwen. Uitharding door warmtebehandeling (precipitatie) zorgt voor de hoge sterkte: tot 1750 N/mm². De wanddikte( -dunte?) in het midden van de buis is 0,3mm.

De Amerikaanse fabrikant KVA is ook "mar-aging"-buis gaan aanbieden. Een bijzonderheid is, dat deze buizen niet altijd naadloos zijn.

De chemische samenstelling van dit AISI 630 (17-4 Precipitation Hardning) is: C 0,07% Cr 17% Ni 4% Cu 4% Nb 0,4%. Er zijn wat varianten per fabrikant; dit staal is door het lagere nikkelgehalte nog magnetisch.

Alle Reynolds buizen worden door koudversteviging sterker gemaakt (draw-pass methode). Wil men een nog sterkere buis, dan kan er een warmtebehandeling volgen: Reynolds 725 is "heat-treated" Reynolds 525 ;.Reynolds 853 is "heat-treated" Reynolds 631. De chemische samenstellingen blijven hetzelfde, zie FIG.4 . De warmte behandelde buis is zo'n 50% sterker.

Columbus heeft een RVS-staalsoort in de aanbieding, type XCr. Reynolds 931 is qua staal vergelijkbaar met XCr (sterkte 1200 N/mm²); beide zijn daarom uitgevoerd met een iets grotere wanddikte dan Reynolds 953, dus met extra stijfheid. De prijzen van deze frames liggen al gauw boven de 3000 euro.

FIG.5 Reynolds butted tubing

Eind 19de eeuw ging men in de rijwielindustrie de buisvormen al aanpassen en optimaliseren. Een van de eerste fabrikanten die hun buizen aanpasten was Reynolds. Door de uiteinden van de buis dikker uit te voeren (butted) kon een eventuele verslechtering van sterkte bij de soldeerplaats opgevangen worden (zie FIG.5).

De voorvorkdelen werden aan de uiteinden dunner gemaakt (verjongen heet dat bij staalbewerking). Er ontstaat bij een standaard buis het probleem dat de wanddikte dan toeneemt (zie doorsnede rechts in FIG.6). Door een buis van Reynolds 531 te vervormen die van binnen licht conisch is, kan het eindresultaat van het verjongen toch een nagenoeg gelijkmatige wanddikte over de totale lengte krijgen (zie FIG.6 links). De vering van deze vorken is veel beter. Reynolds achtervorkdelen waren er met verschillende vormen, om ruimte te maken voor banden en het voorste tandwiel ; de liggende achtervorken naar wens afgeplat, en / of voorzien van een of twee deuken (zie FIG.7).

FIG.6 Reynolds verjongde vorkbuizen.

FIG.8 De uiteinden van de vorkdelen werden naar wens uitgevoerd.

De vorkdelen konden op de fabriek aan het eind op verschillende manieren afgewerkt worden (zie FIG.8) .

De framebuizen konden ook in gebogen vormen geleverd worden, zie FIG.9. Bij racefietsen moest het buigen voor de warmtebehandeling plaats vinden. De "butt", het versterkte uiteinde van de buis, werd bij Columbus vanaf eind jaren zeventig voorzien van extra gebogen ribbels (zie FIG.10). Volgens mij meer marketing dan extra stijfheid, maar andere fabrikanten gingen dit ook doen. De binnenbalhoofdbuis van Tange wordt ook in 2023 met ribbels uitgevoerd (zie FIG.11).

FIG.10 Butts versterkt met ribben in spiraalvorm.

FIG. 7 Reynolds achtervorkdelen met verschillende vormen.

FIG.9 Midden jaren tachtig maakte men bij Columbus gebogen buizen voor tijdritfietsen.

FIG. 11 Eindversterking door ribbels , hier bij Tange.

FIG. 12 Doorsnedes van verschillende buisvormen die de fabrikant Columbus kan leveren.

FIG. 13 Columbus balhoofdbuis met conisch uiteinde voor extra groot balhoofdlager.

De Multi Shape buizen (FIG. 12) zijn bij de balhoofdbuis (H.T.) aero en en bij het bracket (B.B.) zijdelings stijf (verbeterd t.o.v. de oude aero-vormen). De balhoofdbuis is tegenwoordig vaak conisch om moderne balhoofdlagers voor carbon voorvorken monteren (zie FIG. 13).

FIG. 14 Columbus buizen in allerlei vormen en maten.

Ishiwata 70 S

PDF – 230,3 KB 488 downloads

Download

De Japanse firma Ishiwata maakte CroMo buis voor fietsen van begin jaren 70 tot 1993, en is daarna door het personeel voortgezet als Kaisei buis ; verkrijgbaar via Herse:

Framebuilding – Rene Herse Cycles

Tange 2023

PDF – 2,5 MB 384 downloads

Download

Tange 1988 V CC Library PDF

PDF – 14,1 MB 279 downloads

Download

Reynolds Patent 5355 1901

PDF – 521,8 KB 313 downloads

Download

REYNOLDS Patent 24931 1897

PDF – 604,6 KB 295 downloads