Разрушение стереотипов. Сравнение рам из алюминия 6061 и 7005
Модели велосипедов с алюминиевыми рамами являются одними из самых продаваемых, и по статистике именно на них приходится наибольшая доля продаж на рынке.
Это объяснимо, ведь рамы из стали низкого качества уходят в прошлое (хотя с высококачественной сталью дело обстоит совершенно иначе), карбон зачастую достаточно дорог, а раму из титана не так уж просто найти. Ниже подробно описаны различия между двумя самыми распространенными сплавами алюминия, которые используются в велопромышленности: 6061 и 7005, а также различные технологии повышения их рабочих характеристик.
Есть две основные причины популярности сплавов алюминия 6061 и 7005 в велопромышленности: доступность и физические свойства. Еще два сплава, которые также могут использоваться, 6066 и 6069, распространены намного меньше, по крайней мере, сейчас. Даже скандиевые рамы по существу делались из алюминия, сплавленного с небольшим количеством скандия, но, несмотря на это, стоили слишком дорого. Существуют и другие сплавы алюминия, такие как 7075 и 2014, которые отличаются высокой прочностью, но практически не поддаются сварке.
Сплав 6061 включает в себя алюминий, магний и кремний, и считается предпочтительнее, чем 7005, состоящий из алюминия и цинка, хотя последний более стоек к сжатию и ударам, и способен выдерживать нагрузку в 51.000 psi. Для сравнения, сплав 6061 выдерживает давление до 45.000 psi. Но эти данные получены в лабораторных условиях на примере труб из разных сплавов алюминия. В готовых рамах на устойчивость к нагрузкам влияют такие дополнительные факторы как качество сварки, форма трубы и толщина стенок.
Практика показывает, что разница между сплавами 6061 и 7005 действительно существует, но ее можно не принимать во внимание. Маловероятно, что обычный пользователь подвергнет свой велосипед таким нагрузкам, при которых предел прочности сплава будет играть важную роль.
Но тогда почему предпочтение отдается сплаву 6061, а не 7005? Потому что 6061 проще в обработке, а, следовательно, изготовление рам из него дешевле. По сути, сплав 6061 позволяет производить рамы меньшего веса и более сложной конструкции. Кроме того, немаловажным фактором является произошедшее в последние годы удешевление технологий и оборудования для работы со сплавом 6061.
Кроме того, необходимо объяснить еще два термина, которые часто встречаются в описании рам из алюминия: баттинг и коническая форма трубы.
Что значит одинарный, двойной и тройной баттинг?
Коническая форма трубы используется в рулевом стакане (часть рамы, куда устанавливается рулевая колонка). В двух словах, диаметр верхней части трубы меньше, чем диаметр нижней части. Таким образом производители добиваются большей прочности этой части рамы, высокой жесткости и лучшей устойчивости велосипеда.
Авиаль — состав и особенности деформируемого сплава алюминия 6061 (аналоги АВ, АД)
Химический состав
Номинальный химический состав
Al-1,0Mg-0,6Si-0,30Cu-0,20Сr
Химический состав по EN 573-2
Обозначения
ГОСТ 4784-97: АД33
EN 573-3: EN AW-6061 и EN AW-Al Mg0,7Si
Международная регистрация (Teal Sheats) — Aluminum Association: 6061
Unified Numbering System (UNS): А96061
ISO 209: 2007:6061
DIN 1725-1 (отменен): отсутствует
Металлургические характеристики
Деформируемый
Термически упрочняемый
Относится к сплавам с уровнем прочности от среднего до высокого.
Повышение прочности достигает за счет термического упрочнения.
Достигает прочности выше, чем у сплава 6005А.
Хорошая коррозионная стойкость.
Хорошо сваривается, но имеет пониженную прочность в зоне сварного шва.
Имеет среднюю усталостную прочность.
Хорошо поддается холодной формовке в состоянии Т4, но имеет ограниченную формуемость в состоянии Т6.
Не подходит для прессованных профилей со сложным поперечным сечением.
Полный аналог сплава АД33 по ГОСТ 4784-97
Место сплава 6061 среди других сплавов серии 6ххх — см. графическую диаграмму ниже.
Типичное применение:
кованные колеса спортивных автомобилей, мотоциклов, авиашасси
рамы велосипедов
грузовые автомобили
пассажирские вагоны
спортивные снаряды
конструкционные трубы
конструкционные детали, которые требуют повышенную прочность, хорошую свариваемость и высокую коррозионная стойкость
детали рамы, направляющих сидений, бамперы пассажирских автомобилей.
Механические свойства
Нормированные механические свойства (EN 755-2)
Прочность при растяжении
Предел текучести 0,2 %
См. таблицу 3.
Относительное удлинение
Удлинение А (δ5) — 5-кратный образец) – см. таблицу 3.
Твердость (500 кгс – 10 мм – 30 с)
Состояние О: 30 НВ;
Состояния Т4, Т451: 65 НВ;
Состояния Т6, Т651: 95 НВ.
Физические свойства
Модуль упругости (модуль Юнга)
при растяжении – 68900 МПа
при сжатии – 69700 МПа.
Плотность
2,70 г/см3 при 20 °С
Термические свойства
Интервал температуры плавления
575 — 650 °С
Коэффициент термического расширения
Линейный: 23,6 мкм/(м·°С) в интервале от 20 до 100 °С.
Технологические свойства
Свариваемость
Хорошо сваривается дуговой сваркой в среде инертного газа, в частности, аргонно-дуговой сваркой, как неплавящимся электродом (GTAW-TIG), так и плавящимся электродом (GMWA-MIG). Обычный сварочный сплав – 4043.
Температура закалки
530 °С [1].
Искусственное старение
Катаные и тянутые изделия: 160 °С в течение 18 часов [1]
Прессованные или кованные изделия: 175 °С в течение 8 часов [1]
Модификации сплава 6061
Сплав 6261
0,2-0,35 % Mg
Прочнее сплава 6061 в состоянии Т6 на 15-20 МПа.
Закалка сплава 6061
Сравнение сплавов 6061 и 6060
Для понимания особенностей закалки сплава 6061 полезно сравнить ее условия с закалкой сплава 6060. Алюминиевый сплав 6060 – это аналог сплава АД31 при минимальном содержании в нем магния и кремния. На рисунке схематически показаны различия необходимых скоростей охлаждения этих сплавов для обеспечения закалки, то есть создания твердого раствора магния и кремния за счет предотвращения выпадения частиц Mg2Si.
Скорость охлаждения
Рекомендуемые методы охлаждения и минимальные скорости охлаждения для сплава 6061, а также для сплава 6060, указаны в таблице 4.
Как видно, для профилей сплава 6061:
толщиной до 10 мм необходимо и достаточно охлаждения водовоздушной смесью
толщиной более 10 мм необходимо уже водяное спрейерное охлаждение.
Алюминиевые сплавы: 7005 и 6061 – какой лучше?
Алюминий – очень распространённый материал для производства велосипедных рам. Главные его преимущества – это лёгкость, прочность и невысокая цена. Но в чистом виде алюминий весьма непрочен (вспомните, как легко гнулись ложки и вилки в школьных столовых), поэтому для изготовления велосипедных рам и прочих деталей применяются различные алюминиевые сплавы.
В таблице представлены физические свойства обоих сплавов:
Предел текучести 240. 276 Мпа
Предел прочности 260. 325 Мпа
Модуль упругости 69 гПа
Плотность 2,72 г/см3
Предел текучести 290 Мпа
Предел прочности 345-400 Мпа
Модуль упругости 72 гПа
Плотность 2,75 г/см3
Предел прочности на разрыв – величина нагрузки, при превышении которой происходит разрушение. Предел текучести – величина нагрузки, при превышении которой наступает не восстанавливаемая деформация (попробуйте попрыгать на старой раме, пока она не погнётся, и это будет означать, что вы превысили предел текучести её материала). Модуль упругости – способность материала сопротивляться деформации.
Казалось бы, сплав 7005 прочнее, чем 6061. Но не всё так просто.
Формально 7005 сплав прочнее, но он заметно хуже, чем 6061, поддаётся обработке. Все современные рамы имеют сложную конструкцию: трубы могут иметь баттинг, коническую или овальную форму сечения или даже весьма сложный произвольный профиль, выполненный с помощью гидроформинга. Все эти ухищрения способствует упрочнению рамы в наиболее нагруженных зонах и уменьшению ее веса в целом. С этой точки зрения 6061 сплав дает производителям гораздо больше свободы. К тому же 6061 легче сваривается, чем 7005. Кроме того, итоговая прочность достигается за счет термообработки уже готовой рамы: сплав 6061 при закалке и искусственном старении добирает по характеристикам существенно больше, чем 7005.
Однозначно выделить лидера из этих двух алюминиевых сплавов не представляется возможным. Вдобавок многие производители велосипедов не уточняют, из какого именно алюминиевого сплава сделана их рама, акцентируя внимание лишь на применяемых технологиях. Так что мы советуем обращать больше внимания на качество сварки и применяемые технологии, чем на сам сплав. Более того, к 2019 году Al 7005 почти полностью вышел из употребления, так как практически весь верхний сегмент теперь занят карбоновыми рамами.
Велосипедные алюминиевые сплавы 6061 и 7005
Материалы для велосипедных рам
4 материала
Большинство велосипедных рам делают из
Бывают еще рамы из
Углепластик часто называют «карбоном», не утруждая себя переводом с английского: «carbon fiber». Два последних варианта – намного дороже двух первых.
Сталь
Стальные рамы – это в основном рамы из хромомолибденовой стали 4130 (по-американски, ближайший отечественный аналог – легированная конструкционная сталь 30ХМА по ГОСТ 4543). Хорошо сделанная рама из хромоникелевой стали обладает необходимой прочностью, долговечностью и относительно мало весит.
Некоторые стальные рамы, в основном детских велосипедов, изготавливают из более дешевой углеродистой стали – они такие же прочные и долговечные, но потяжелее хромомолибденовых, потому что толще.
Алюминий
Большинство велорам из алюминиевых сплавов имеют примерно такую же прочность и массу, как и близкие им по цене рамы из хромомолибденовой стали. Их повышенная жесткость хороша для езды по горам или в спринте, но не для преодоления ям и кочек. В отличие от стальных алюминиевые рамы не ржавеют. С другой стороны, рамы из алюминиевых сплавов более подвержены усталостным разрушениям и менее ремонтопригодны, чем стальные. Однако хорошо сделанная алюминиевая рама прослужит верой и правдой много лет.
Рама – главная часть велосипеда и база для крепления всех остальных его частей. Рамы современных велосипедов делают обычно из труб, которые соединяют в виде так называемого «двойного треугольника». Эту форму называют также «diamond» – кому-то она напоминает ромб и даже, может быть, алмаз. Форма рамы за более чем сто лет почти не изменилась, хотя с развитием современных технологий и материалов и появилось много новшеств. В последние пару десятилетий особенно активно искали новые материалы для рам, в том числе среди алюминиевых сплавов.
Факторы качества
Качество велосипедной рамы как конструкции определяют четыре основных фактора:
Жесткость велосипедной рамы
Жесткость определяет способность конструкции упруго деформироваться: чем больше жесткость, тем меньше упругие перемещения элементов конструкции относительно друг друга. Упругие рамы смягчают удары об ямы и кочки, тогда как более жесткая рама будет передавать ездоку удары от каждой ямы и кочки. С другой стороны, более гибкая рама больше прогибается под нагрузкой, поглощая часть энергии, которая предназначена для движения вперед. Поэтому велосипедисты, которые хотят побеждать в спринте и гонках на время предпочитают жесткие рамы.
Прочность материала велосипедной рамы
Усталостная прочность велосипедной рамы
При нормальной езде каждый поворот педали, яма или кочка вызывают в раме небольшие циклические напряжения. Хотя эти напряжения и намного ниже предела текучести материала, за несколько сотен тысяч циклов нагружения они могут вызывать так называемые усталостные трещины и, в конечном счете, усталостное разрушение. Сопротивление материала этому типу разрушения называют усталостной прочностью. Если вы рассчитываете ездить на своем велосипеде несколько десятилетий, ваш вес выше среднего и вы редко слезаете с седла, то для вас усталостная прочность – важный фактор.
Вес велосипедной рамы
Вес, а точнее масса рамы, зависит от плотности материала и, конечно, конструкции рамы, в частности, толщины ее труб. Типичная рама весит от 1,5 до 3,0 кг, что составляет около четверти всего веса велосипеда. Впрочем, полный вес велосипеда часто в десять раз меньше, чем сам велосипедист в полном «боевом» облачении. Так что большинство велосипедистов и не заметят небольшой разницы в весе рам, если, конечно, им не придется долго карабкаться по горам на велосипеде или под ним.
Алюминиевые сплавы для велосипедных рам
6061 или 7005?
Алюминиевые велосипедные рамы изготавливают главным образом из алюминиевых сплавов:
Некоторые другие алюминиевые сплавы, например, 7075 и 2014, более прочные, чем оба сплава 6061 и 7005, но они не мало подходят для изготовления велосипедных рам, так как их почти невозможно сваривать, по крайней мере, обычной аргонно-дуговой сваркой.
Часто считают, что алюминиевый сплав 6061 больше подходит для велосипедных рам, чем сплав 7005, хотя сплав 7005 и несколько более прочный. Прочность при растяжении сплава 7005-Т6 составляет 350 МП, а сплава 6061 – 310 МПа, предел текучести 290 и 275 МПа, соответственно.
Когда речь идет о прочности рамы в целом, то большие различия в прочности возникают из-за качества сварных швов, выбора формы труб и их толщины, а также общей конструкции рамы. На самом деле, при тех нагрузках, которым обычно подвергается велосипедная рама, различий между алюминиевыми сплавами 6061 и 7005 практически нет, поскольку напряжения, которые возникают в раме, достаточно далеки от этих предельных величин.
Алюминиевый сплав 6061
Алюминиевый сплав 6061 – полный аналог отечественного сплава АД33 по ГОСТ 4784-97 – принадлежит к серии алюминиевых сплавов 6ххх (Al-Mg-Si). Основными легирующими элементами являются:
Сплав 6061 обладает довольно высокой прочностью, легко сваривается и широко применяется не только для изготовления велосипедных рам, но и в строительстве, самолетостроении, судостроении.
Как и все сплавы серии 6ххх сплав 6061 является термически упрочняемым сплавом. Термическая обработка, которая применяется для уже сваренных рам, заключается в нагреве до 530 °С, интенсивном охлаждении водой и искусственном старении при температуре около 180 °С в течение 8 часов. Алюминиевый сплав 6061 после такой обработки обозначают 6061-Т6.
Алюминиевый сплав 7005
Алюминиевый сплав 7005 принадлежит к серии алюминиевых сплавов 7ххх без легирования медью (Al-Zn-Mg). Основные легирующие элементы:
Алюминиевый Сплав 7005, также как сплав 6061, является термически упрочняемым. Однако, в отличие от сплава 6061, который требует довольно быстрой и интенсивной закалки водой при его термической обработке, для сплава 7005 в этом случае достаточно охлаждения воздухом.
Некоторые главные производители велосипедов с алюминиевыми рамами декларируют применение специальных алюминиевых сплавов или специальной обработки алюминиевых сплавов для улучшения свойств рам. Похоже, часто это скорее маркетинговые ходы, чем «прорывы» в металловедении алюминия.
Брендовые алюминиевые сплавы
AluxX and AluxXSL
Например, известная фирма Giant применяют свой, брендовый алюминиевый сплав «AluxX». При этом обычный «AluxX» – это просто алюминиевый сплав 6061, но с особой конструкций «баттинга», технологии гидроформинга и термической обработки.
Баттинг (от английского – butting) – утолщение труб критических сечениях, чаще на концах труб.Гидроформинг – формовка труб путем помещения их в специальные матрицы и закачки им внутрь воды или специального масла под высоким давлением.
Более продвинутый сплав «AluxXSL» отличается от сплава 6061 чуть большим содержанием меди.
Alpha White, Black and Red
Фирма Trek применяет бренды:
Алюминиевый сплав 6061 что это
Алюминий 7005 и алюминий 6061 – эти два типа алюминиевых сплавов наиболее часто встречаются у современных байков с алюминиевыми рамами.
Какой же из них лучше?
Более высокая прочность, чем у 6061. Рама из 7005 гораздо дольше проживет при одинаковых условиях эксплуатации и одинаковой геометрии, чем рама из 6061. Технологичность хуже, чем у 6061 за счет более высокого содержания примесей. Обладает высокой коррозионной стойкостью и высокими усталостными свойствами.
Сочетает достаточную прочность, высокую коррозионную стойкость. Более технологичен, чем 7005. Это означает, что трубам из сплава 6061 проще добавить прочности за счёт их свойств, такими технологиями как тройной баттинг, овальное сечение и стенки переменной толщины, что уменьшит вес и увеличит прочность труб.
Какой сплав подойдет моему байку?
Сплав 6061 вполне подойдет для FR, dirt и downhill рам — сплав более технологичный (проще сваривается и обрабатывается), чем 7005, меньшую его статическую и усталостную прочность при менее жестких требованиях к весу легко компенсируют большей толщиной стенок трубы и разнообразными косынками и прочими технологическими ухищрениями. Кроме того, наличие в конструкции двухподвесов амортизатора между частями рамы понижает напряжения в самой раме за счет поглощения амортизатором части энергии нагрузки.
Для КК хардтейлов же оптимальным будет сплав 7005 — как более прочный, жесткий и долговечный.
Однозначного ответа, какой сплав лучше – нет. Главное, какие технологии используются при разработке рамы, и как хорошо она была сварена.
Для справки приведем две таблицы с содержанием в процентном соотношении добавок в алюминиевые сплавы.
Алюминий 7005
Основная добавка в сплавы алюминия серий 7ххх – цинк
Al 91 — 94.7
Cr 0.06 — 0.2
Cu Max 0.1
Fe Max 0.4
Si Max 0.35
Ti 0.01 — 0.06
Zn 4 — 5
Zr 0.08 — 0.2
Mg 1 — 1.8
Mn 0.2 — 0.7
Прочие, каждый Max 0.05
Прочие, всего Max 0.15
Алюминий 6061
основная добавка в сплавы алюминия серий 6xxx – магний
Al 95.8 — 98.6
Cr 0.04 — 0.35
Cu 0.15 — 0.4
Fe Max 0.7
Si 0.4 — 0.8
Ti Max 0.15
Zn Max 0.25
Mg 0.8 — 1.2
Mn Max 0.15
Прочие, каждый Max 0.05
Прочие, всего Max 0.15
Алюминиевый сплав 6061
Формула легирования: 1,0Mg-0,6Si-0,30Cu-0,20Сr
Деформируемый
Термически упрочняемый
Отечественный аналог: полный аналог АД33 по ГОСТ 4784-97
Различные обозначения:
ГОСТ 4784-97: АД33
EN 573-1: EN AW-6061
Стандарт США ANSI H35.1: 6061
Американская Алюминиевая Ассоциация: АА 6061
Unified Numbering System (UNS): А96061
ISO 209-1: AlMg1SiCu
Типичное применение. Грузовые автомобили, пассажирские вагоны, спортивные снаряды, трубы и другие конструкционные применения, когда требуется прочность, свариваемость и коррозионная стойкость.
Прочность при растяжении (предел прочности при растяжении, временное сопротивление разрыву при растяжении):
Относительное удлинение (А (δ5) — 5-кратный образец) – см. таблицу 3.
Твердость (500 кгс – 10 мм – 30 с). Состояние О: 30 НВ; состояния Т4, Т451: 65 НВ; состояния Т6, Т651: 95 НВ.
Модуль упругости (модуль Юнга): при растяжении – 68900 МПа, при сжатии – 69700 МПа.
Плотность: 2,70 г/см3 при 20 °С
Термические свойства:
Температура ликвидус: 652 °С
Температура солидус: 582 °С
Коэффициент термического расширения
Линейный: 23,6 мкм/(м·°С) в интервале от 20 до 100 °С.
Технологические характеристики:
Свариваемость. Хорошо сваривается дуговой сваркой в среде инертного газа, в частности, аргонно-дуговой сваркой, как неплавящимся электродом (GTAW-TIG), так и плавящимся электродом (GMWA-MIG). Обычный сварочный сплав – 4043.
Температура закалки: 530 °С.
Искусственное старение.
Катаные и тянутые изделия: 160 °С в течение 18 часов.
Прессованные или кованные изделия: 175 °С в течение 8 часов.
Модификации:
Сплав 6261: 0,2-0,35 % Mg. Прочнее сплава 6061 в состоянии Т6 на 15-20 МПа.
Источники:
1) Aluminum and Aluminum Alloys, ed. J. R. Devis
2) EN 573-3
3) EN 755-2
Итак, у нас есть достаточно прочный сплав с хорошей пластичностью, возможностью термоуплотнения, высокой коррозионной стойкостью и вполне нормальной свариваемостью. Эти характеристики позволяют использовать алюминий 6061 в самом широком и разнообразном спектре.