Aluminium.

Aluminium.

Aluminiumlegeringen zijn vooral met de komst van mountainbikes uit Amerika sterk in opkomst geraakt. De verklaring hiervoor ligt niet direct in het lichte gewicht. Hoewel de soortelijke massa van aluminium 3 keer zo laag is als dat van staal, is de stijfheid ook drie keer zo laag. Ook de sterkte van de diverse aluminiumlegeringen is ongeveer drie keer zo laag als staallegeringen. Een buis van een aluminiumlegering moet bij dezelfde buitendiameter drie keer zo dik zijn als dezelfde stalen buis om dezelfde sterkte en stijfheid te bereiken. Gelijkvormige frames van ruwweg dezelfde eigenschappen hebben wat sterkte en stijfheid betreft.

Het voordeel van aluminiumlegeringen ligt vooral in de mogelijkheid om oversized fietsbuizen te gebruiken. Een aluminium buis met een diameter van 50 mm en een wanddikte van 1.2 mm is even zwaar, sterk en stijf als een stalen buis met een diameter van 50 mm en een wanddikte van 0.4 mm. De stalen buis is echter veel kwetsbaarder door de zeer geringe wanddikte. Juist de mountainbikeframes zijn vaak met oversized buis van een aluminiumlegering gebouwd. Dit is een mogelijkheid die traditionele bouwers van aluminium frames zoals ALAN en Vitus niet onderkend hebben. Doordat zij (of de traditionele klanten uit de racewereld) vast bleven houden aan de standard buisdiameters van raceframes, werden de voordelen van aluminiumlegeringen niet benut.

Net als bij staal kan sterkte van aluminium verhoogd worden door toevoeging van allerlei legeringselementen. De belangrijkste toevoegingen zijn koper, magnesium en zink. Aluminiumlegeringen worden onderscheiden door een amerikaanse aanduiding in duizendtallen. Dit cijfer wordt gebruikt om de samenstelling van de legering aan te geven. De aluminiumlegeringen met een grootste sterkte hebben een serienummer in de AA7000-serie of AA2000-serie. De sterkte van veel aluminiumlegeringen wordt verhoogd door ze een specifieke warmtebehandeling te geven. Door de aluminiumlegering bij een bepaalde temperatuur te verwarmen lossen de legeringselementen op in de aluminium, vervolgens wordt het aluminium met een bepaalde snelheid afgekoeld waarbij de legeringselementen zich tijdens het afkoelen op een specifieke manier verbinden met de aluminiumatomen. Dit versterkingsproces van aluminium wordt precipitatieharden genoemd. De temperatuur waarbij de legeringselementen moeten worden opgelost en de afkoelsnelheid verschilt sterk per aluminiumlegering.

De lasbaarheid van aluminiumlegeringen is sterk verschillend. Binnen de AA7000-serie zijn goed lasbare legeringen te vinden die in sterkte maar 20% achteruit gaan. De precipitatie geharde legeringen gaan veel meer in sterkte achteruit. Deze worden dan ook bij voorkeur gelijmd. Het is lastig op basis van de aanduiding een inschatting te geven van de sterkte van de aluminiumlegering. Gelaste frames van aluminiumlegeringen zijn bijna allemaal van AA 7020 of AA 7005. De rekgrens van de gebruikte aluminiumlegeringen ligt na het lassen op 250 N/mm². Dit is vergelijkbaar met de specifieke sterkte van cromobyleen staal. Voor gelijmde aluminium frames worden aluminiumlegeringen uit de 5000 en 6000 -serie gebruikt. Deze aluminiumlegering heeft een rekgrens van ongeveer 290 N/mm². AA 7075 heeft van de aluminiumlegeringen met 5010 N/mm² de hoogste rekgrens. Deze legering is slecht lasbaar en wordt alleen in gelijmde frames toegepast.

Hoewel aluminium sneller oxideert dan staal hoeven de meeste aluminiumlegeringen niet beschermd te worden tegen oxidatie. De aluminiumoxide laag die gevormd wordt op het aluminium is namelijk luchtdicht zodat het ondergelegen aluminium niet verder kan worden aangetast. De beschermende aluminiumoxidelaag is uiterst dun, maar kan aanzienlijk verdikt en versterkt worden door het aluminium te anodiseren. Door elektrolyse wordt de aluminiumlaag bij het anodiseren op een kunstmatige wijze dikker gemaakt. Ook kan de oxidelaag gekleurd worden. Aluminium dat gelast is kan niet geanodiseerd worden. Bij de las ontstaan kleurverschillen. Een fraai uiterlijk wordt verkregen door het aluminium hoog te polijsten. Door toevoeging van koper en zink verslechtert de corrosiebestendigheid. Aluminiumlegeringen uit de AA 2000 en AA 7000 -serie zijn echter dan ook matig corrosiebestendig. Frames van de aluminiumlegering worden dan ook gelakt.

Een belangrijk voordeel van aluminium is de gemakkelijke produceerbaarheid van allerlei onderdelen. Aluminium kan eenvoudig in allerlei complexe en eenvoudige profielen geextrudeerd worden (bijvoorbeeld fietsvelgen, naafhulsen, zadelpennen, enz) Het kan onder hoge druk spuitgegoten worden en het kan eenvoudig gesmeed worden. Hierdoor wordt het vooral veel toegepast in allerlei fietsonderdelen zoals velgen, naven, deraulleurs, remmen en cranks. Als materiaal worden vrijwel alle aluminiumlegeringen toegepast. De belangrijkste toegepaste legering is echter AA 6061 omdat deze legering zeer goed vervormbaar is en hoge corrosieweerstand heeft.

Een nadeel van aluminium is dat het bros kan breken. Deze brosse breuk wordt veroorzaakt door een combinatie van twee oorzaken:

  • Aluminium heeft geen vermoeiingsgrens. Dit betekent dat een aluminium constructie na een zeker aantal belastingen altijd zal breken. Onder normale omstandigheden is dit geen probleem. Aluminium onderdelen zijn zo geconstrueerd dat ze pas bezwijken na een aantal belastingswisselingen dat ver boven dat van de levensduur van de fiets ligt.
  • Aluminium is niet hard waardoor er gemakkelijk krassen in het materiaal ontstaan.Bij de krassen kunnen door corrosie grote spanningsconcentraties optreden waardoor het onderdeel daar kan breken bij veel minder belastingswisselingen. Menige aluminium stuurbuis is bij de inklemming hierdoor al gebroken. Aluminium onderdelen moeten daarom kritischer gecontroleerd worden op krassen. Ook mag een aluminium frame nooit bijgebogen worden. Door het buigen kan het aluminium daar verzwakken of zwaarder belast worden waardoor op die plek vermoeiingsbreuk optreedt. Bij de bevestiging van aluminiumonderdelen moet ook voorzichtiger te werk gegaan worden. Als een aluminiumonderdeel te strak wordt bevestigd, staat dat onderdeel constant onder grote voorspanning. Als gevolg van de wisselende belasting kan daar dan vermoeiingsbreuk ontstaan. Aluminium cranks mogen dan ook niet te strak bevestigd worden op de trapas omdat anders de spanning in de crank te hoog wordt.

 

Geef een reactie

%d bloggers liken dit: