Вторая статья из цикла "К вопросу о холодном железе в рамостроении". Первая статья цикла...

Автор: Максютин Сергей

Все нижеизложенное является результатом моей обработки общедоступных через Internet сведений, отражает мое понимание вопроса и не претендует на абсолютную истину. Дополнения, возражения и поправки приветствуются. Электронный адрес для переписки: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. .

В этом разделе мы приведем некоторый обзор используемых в настоящее время в производстве велосипедных рам стальных сплавов.

1. Углеродистые стали

Самый простой вариант, с которым можно столкнутся при рассмотрении стальных рам - простые углеродистые стали. Это так называемые Hi-Ten стали. Применяемая на западе маркировка стальных сплавов разработана Обществом автомобильных инженеров и Американским институтом железа и стали. Согласно ей, для маркировки используется четыре цифры. Первая определяет тип сплава. Для углеродной стали - 1, с добавлением никеля - 2, никеля и хрома - 3, никеля, хрома и молибдена - 4, и т.д. Вторая цифра имеет различное значение, в зависимости от сплава. Последние две обозначают количество углерода в сплаве в сотых долях процента. Для углеродистых сталей первые две цифры всегда имеют значение "10" . Наиболее популярные сплавы, применяемые при производстве велосипедных рам - 1010, 1020, 1030, 1040. Соответственно, содержание углерода в этих сплавах составляет 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4%. Более редко используются 1018, 1028 и некоторые другие. Чем больше углерода в сплаве, тем тверже и прочнее сталь (больше предел прочности и упругости). Однако увеличение количества углерода делает сталь хрупкой (что особенно критично в случае швов). Поэтому 0,5% содержания углерода в стали, по-видимому, предельное значение для ее применения в качестве материала для изготовления рам. Для примера, в таблице приведены значения пределов прочности и упругости для наиболее распространенных углеродистых сталей.

Также надо отметить, что после закалки предел прочности стальных сплавов повышается. Однако в закаленном виде в производстве дешевых рам такую сталь не используют (это сделало бы процесс более дорогим), поэтому пределы прочности и упругости не достигают максимально возможных значений.

Углеродистая сталь - дешевый материал, поэтому часто именно его используют при производстве дешевых велосипедов нижнего ценового диапазона. Соответственно, когда цель - удешевление продукции, ни о какой усложненной обработке труб и речи не идет. В результате трубы из углеродистой стали получают намоткой стальных листов на болванку с последующей сваркой. Намотка линейная (получится один шов вдоль трубы) или спиральная (шов спиральный). Баттинга (переменной толщины стенок) не бывает. Также довольно редко встречаются трубы с некруглым поперечным сечением. Видимо, для придания более "агрессивного" внешнего вида трубы из углеродистой стали могут быть "oversized" размера. Из качественных характеристик это ни к чему, кроме увеличения веса, не приведет. Жесткости труб обычного диаметра должно быть вполне достаточно (жесткость не зависит от типа сплава), а получить "эффект пивной банки" не дадут малые значения пределов прочности и упругости - у таких труб не удастся сделать тонких стенок. Соответственно, в результате мы получим тяжелую и не слишком прочную раму.

Следует добавить, что поскольку рамы, сделанные из таких труб, предназначены для нижнего сегмента рынка и их основными потребителями становятся начинающие велосипедисты, для которых материал рамы обычно не играет особой роли, мало кто из производителей точно указывает сплав, из которого изготовлена рама, чаще всего ограничиваясь безликой наклейкой "hi-ten steel". Тем большее уважение вызывают производители, которые даже для таких простых и дешевых рам точно указывают сплав, из которого они изготовлены. В качестве примера можно привести компанию Jamis, которая и под своей торговой маркой, и под торговой маркой "Cignal" выпускала рамы из углеродистой стали 1040, и проявляла уважение к своим покупателям, указывая это.

2. "Обычный" хромомолибден

Легированные стали, также известные под жаргонным названием "хромомолибденовые", шагнули на велосипедную арену на границе первой и второй четвертей 20 века и сразу же начали свое победоносное шествие по миру велосипедного спорта. С начала 50-х по середину 80-х годов негласным стандартом в профессиональном велоспорте были рамы из баттированных бесшовных труб из легированных хромомолибденовых сталей, характерным примером которых может служить Reynolds-531. Однако чаще всего, когда не указывается конкретный набор труб (tubeset), это означает, что используется так называемая 4130 сталь.

В соответствии с уже упоминающейся классификацией стальных сплавов Американского института железа и стали, 4130 - стальной сплав, содержащий следующие основные легирующие компоненты: 0,28-0,33% углерода, 0,8-1,1% хрома, 0,4-0,6% марганца, 0,15-0,25% молибдена, 0,15-0,25% кремния и 0,04% фосфора и серы. Остальное - старое доброе железо. Как видно, содержание углерода в стали 4130 - такое же, как и в стали 1030, однако наличие других легирующих примесей обуславливает значимое различие их свойств, главным из которых для нас будет увеличение пределов прочности и упругости. Пределы прочности и упругости составляют соответственно 561 и 361 МН/м2. Как видно, эти значения не намного превышают пределы прочности и упругости стали 1040. Однако сталь 4130 отличается меньшим содержанием углерода, большей коррозийной стойкостью и может применяется при изготовлении достаточно дорогих рам. Соответственно, переменный профиль, баттинг и гидроформинг широко применяются.

Как и у других сталей, свойства 4130 стали сильно зависят от способа последующей термической обработки. Так, предел прочности закаленной стали 4130 может достигать 1200 МН/м2 (но при этом она также становится достаточно хрупкой).

Температурная обработка проводится после сварки рамы. Если после сварки не проводится закалка хромомолибденовых рам, то стыки труб, которые нагревались при сварке, оказываются отожженными ("отпущенными"). Поэтому рамы, изготовленные из закаленных труб и не подвергаемые закалке после сварки, оказываются существенно слабее, чем могли бы быть. Еще один вариант получить качественную раму и избежать отпуска закаленных хромомолибденовых - пайка рам на узлах. Об этом и других методах изготовления рам поговорим далее.

3. "Фирменный" хромомолибден

В мире существует несколько фирм, основное занятие которых - производство труб специально для велосипедных рам. Их названия широко известны, они дорожат своей репутацией и, если вы приобретаете раму, изготовленную из труб такого производителя, качество, как правило, "на высоте". Известны случаи подделки труб известных производителей (в частности, автору встречалось упоминание о поддельных Reynolds-531 трубах).

Среди фирм-производителей качественных труб из стальных сплавов можно назвать Tange (Япония), Columbus и Dedacciai (Италия), True Temper (США), Reynolds (Англия). Следует также отметить, что Tange значительно сдала свои позиции, и - теперь, скорее всего, можно встретить лишь бывшую в употреблении раму из труб ее производства. Остальные фирмы образуют "большую четверку" на рынке специализированных стальных труб для велосипедов. Вопрос выбора конкретной фирмы - скорее религиозный. Каждая из перечисленных в списке фирм выпускает отличные трубы и имеет своих "поклонников".

Перед дальнейшим рассмотрением наборов труб полезны некоторые дополнения. Поскольку здесь мы имеем дело не с бюджетной продукцией - производители применяют весьма широкий спектр решений, обеспечивающих получение требуемых свойств труб. Среди них:

1. Сложные поперечные профили труб. Для примера, ниже на рисунке приведены некоторые профили, используемые фирмой Columbus.

2. Баттинг - переменная толщина стенок труб. На концах, в областях соединения с соседними трубами - стенки толще, посередине - тоньше. Это позволяет сделать трубы легче без потери прочности рамы. Впервые баттинг появился в велосипедных трубах еще в 1903 г. (разработка фирмы Reynolds). Для примера на следующем рисунке приведем продольное сечение трубы с двойным баттингом (фирма Dedacciai):

Справа участок с утолщенными стенками имеет значительно большую длину (100 мм против 35 слева), что дает возможность отрезать трубу справа по требуемому размеру (например для рам малых ростовок). Видно, что трубы рам больших ростовок с одной из сторон имеют избыточную длину небаттированного участка - следовательно, имеется некоторый "нежелательный довесок".

3. Закалка труб. Еще в 70-х годах 20-го века фирма Reynolds разработала улучшенный набор труб Reynolds-753. На 40% прочнее 531, он позволил появится на сцене велосипедного спорта более легким и прочным рамам. Фирмы-конкуренты также включили в свой ассортимент подобные наборы труб. Сложность заключалась лишь в том, что при сварке трубы "отпускались" и теряли свои выдающиеся свойства. Тем не менее при сборке рам на узлах с использованием низкотемпературных припоев на основе серебра все свойства новых труб сохранялись, что позволяло создавать замечательные по своим свойствам рамы.

4. Air-hardening стали. Это название соответствует новому поколению сталей, пригодных для сварки. В этой области выделились два производителя - Reynolds, со своими наборами труб 631, 853 и 953; и True Temper, с наборами OX Gold и OX Platinum. Если температура (например при сварке) превышает порог около 870°С, то в результате air-hardening процесса области, подвергшиеся нагреву, становятся тверже и прочнее, чем не нагревавшиеся. Это позволяет air-hardening сталям быть пригодными для изготовления рам методами сварки и пайки припоями на основе латуни. Как результат, удается достичь уменьшения веса и увеличения прочности относительно ранее использованных сплавов независимо от метода изготовления рам.

Теперь приведем сводную таблицу наиболее распространенных наборов стальных труб четырех ведущих производителей:

Фирма	Набор труб	Описание	Предел прочности, МН/м2	Примечания
Reynolds	953	Новейший набор труб, производимый вместе с Carpenter Specialty Alloys (поставляет собственно стальной сплав), Reynolds выполняет прокат и баттирование труб (до 0,5/0,3/0,5), термообработку. Лучший в мире по отношению прочность/вес, этот набор превзошел Dedacciai EOM 16.5. В отличие от других труб Reynolds, для удешевления процесса эти трубы - со швом (что также оставляет возможность выпустить в дальнейшем еще один улучшенный набор труб).	1750-2050	аir-hardening, закаленные, нержавеющие, полный набор
	853	С середины 90х годов 20 века по 2005 - ведущий набор труб Reynolds. Исторически первый аir-hardening набор.	1200-1450	аir-hardening, закаленные, только основные трубы
	753, 725	Закаленный стальной сплав, обладавший наибольшей прочностью среди Reynolds труб в период с середины 70-х по середину 90-х годов 20 века. Для 753 во избежание отпуска труб и потери прочности допустима только пайка припоями на основе серебра. Наборы 753 и 725 выпускались в разное время и различаются незначительно.	1080-1280	закаленный 25CrMo4 сплав, снят с производства
	631	Как и 853, аir-hardening набор. Незакаленный младший брат 853-го. Меньшая прочность, меньшая цена. Позиционируется как замена 531.	800-900	аir-hardening, только основные трубы
	531	Классика жанра. Появившийся еще в 30-е годы 20 века и на полвека ставший стандартом Нi-end стальных рам.	800-900	снят с производства
	525	Холоднокатаные бесшовные хромомолибденовые трубы. По свойствам сплав близок к стали 4130.	700-900	самый простой набор, выпускаемый непосредственно Reynolds
	520	Аналогичен 525, но выпускается сторонними фирмами по лицензии Reynolds.
Columbus	Spirit	Новейший набор труб Columbus. Уменьшенная до 0,38мм толщина стенок. Специальные оптимизированные поперечные сечения труб.	1050-1250	сплав Niobium, закаленные, только основные трубы.
	Life	Более дешевый вариант - толщина стенок до 0,45мм. Существует "oversized" версия.	1050-1150	сплав Niobium, закаленные, только основные трубы.
	Ultra Foco	До последнего времени - лидер труб Columbus. Использует тот же сплав, что и Foco, но имеет более тонкие стенки, меньший вес. Только для гонок. Второй по весу, после набора Nemo.	1200-1400	сплав Thermacrom, закаленные, снят с производства
	Foco	Более практичная и дешевая версия Ultra Foco.	1200-1400	сплав Thermacrom, закаленные, снят с производства
	Zona	"Наследник" набора El - проверенный временем сплав Nivacrom, толщина стенок до 0,5мм, прочный и легкий набор труб. Предлагает большое разнообразие поперечных сечений.	950-1050	сплав Nivacrom
	El	Уменьшенная относительно Cyber толщина стенок, предназначен для рам для триатлона, гонок с раздельным стартом и горных этапов шоссейных гонок.	950-1050	сплав Nivacrom, снят с производства
	Cyber	Рассчитан на высокие нагрузки (МТВ и туризм), удешевленный за счет заднего треугольника (бесшовный 4130)	950-1050	сплав Nivacrom / 4130, снят с производства
	Genius	Третий по весу после Ultra Foco и Nemo. Отличается "трехмерным" баттингом - то есть в одном поперечном сечении существует переменная толщина стенок.	950-1050	сплав Nivacrom, снят с производства
	Nemo	По дизайну подобен набору Genius, но имеет более тонкие стенки с усилениями в местах крепления флягодержателей и переднего переключателя, облегченные задние перья. Самый легкий набор Columbus. Только для гонок. Для велосипедистов весом не более 65 кг.	950-1050	сплав Nivacrom, снят с производства
	Neuron	Предназначен для высококачественных дорожных рам, отличается "трехмерным баттингом" Для удешевления набора задний треугольник выполнен из сплава Cyclex.	950-1050 / 850	сплав Nivacrom / Cyclex, снят с производства
	Thron	"Oversized" набор. Обычная баттированная хромомолибденовая сталь, толщина труб до 0,5 мм предназначен для рам любительского уровня.	750-800	сплав 25CrMo4
Dedacciai	EOM 16.5	Самый легкий стальной набор труб от Dedacciai. Не для бледных организмов - истинный "Race-Day-Only" набор труб. Сложен в обработке.	1400-1500	сплав Boron, малое относительное удлинение
	SAT 14.5	Сочетание экстремальной легкости и прочности. Отличная усталостная выносливость. Содержит как обычные, так и "overszied" трубы. Для МТВ и шоссе.	1300-1400	сплав 18MCDV6, закаленный
	COM 12.5	Незакаленный вариант SAT 14.5. Меньшая прочность, меньшая цена.	1100-1200	сплав 18MCDV6
	Zero	Предшественник SAT 14.5. Тот же сплав, меньшие градиенты баттинга.	1300-1400	сплав 18MCDV6, закаленный, снят с производства
	Zero Uno	Предшественник COM 12.5. Тот же сплав, меньшие градиенты баттинга.	1100-1200	сплав 18MCDV6, снят с производства
	Zero Tre	Набор начального уровня на основе сплава, подобного 4130. Основные трубы - бесшовные, остальные - со швами.	800-850	сплав 25CrMo4, снят с производства
True Temper	OX Platinum	Ответ фирмы True Temper на появление набора Reynolds 853 и замена для OX Gold. Немного прочнее и с большей усталостной прочностью, чем OX Gold. На 8% легче, за счет больших градиентов баттинга (стенки труб до 0,4мм).	1000-1500	аir-hardening, закаленные, полный набор
	OX Gold	Первый аir-hardening набор фирмы True Temper. Разработан для рам без узлов, изготавливаемых методами сварки и высокотемпературной пайки.	950-1350	аir-hardening, полный набор
	Verus HT	4130 трубы, двойной баттинг и закалка. Высокая прочность и уменьшенный относительно набора Verus вес. Стенки труб до 0,5 мм.	1000-1200	4130, закаленный
	Verus	Незакаленная версия Verus HT. 4130 трубы с уменьшенными по специальной технологии внутренними напряжениями, что не увеличивает предел прочности труб, но позволяет сделать стенки труб тоньше (до 0,6 мм).	700-760	4130

В заключение осталось лишь добавить, что, хотя перечисленные фирмы и являются основными поставщиками стальных труб для нужд велопромышленности, ими дело не ограничивается. Существовал ряд фирм (Tange, Prestige, Vitus), которые выпускали качественные стальные трубы и которые к настоящему моменту прекратили свое существование. Тем не менее их трубы можно встретить если не в новых, так в бывших в употреблении рамах (а стальные рамы при должном уходе могут служить долго). Кроме того, могут появится новые производители стальных труб. Так, встречаются упоминания о так называемом "японском хромомолибдене" (главным образом в ВМХ рамах). Его производит фирма Sanko. Это трубы из обычной 4130 стали, бесшовные и баттированные. Продукция, видимо, качественная, но выдающимися качествами не обладает и с лучшими наборами труб четырех ведущих производителей конкурировать в их области - высокотехнологичных стальных труб для шоссейных и кросс-кантрийных рам - не может.

При написании данного обзора использованы следующие основные источники:

1. Scot Nicol, Metallurgy for Cyclists (www.strongframes.com)

2. Hayduk Douglas, Bicycle Metallurgy for the Cyclist (www.eisentraut.com)

3. Rickey M. Horwitz, Choosing the Materials (www.ihpva.org)

4. Rick Denney, The Truth About Frame Materials, Parts 1-4, Triathlete Magazine 1999-2000.

5. Mario Emiliani, The Metallurgy of Brazing, Parts 1-4, Bicycling Magazine"s Newsletter for the Technical Enthusiast, 1982-1983.

6. Rickey M. Horwitz, Welding (www.ihpva.org)

7. Материалы сайтов фирм Reynolds, Columbus, Dedacciai, True Temper, Desperado Cycles, Anvil Bikeworks, Torelli, Waterford, Henry James Bicycles, Strong Frames, материалы с www.efunda.com.