Stalen fietsen voor mannen van staal

STALEN FIETSEN voor mannen van staal 
Met dank aan: Wiel Van Den Broek 
Velofilie.nl

Vele metalen en kunststoffen zijn sterk en stijf genoeg om er frames mee te bouwen. Een deel valt af door slechte weerstand tegen wisselende belasting; sommige zijn te zwaar, en/ of te duur. Heeft de constructeur een materiaal keuze gemaakt, dan zijn er twee methodes om de stijfheid te vergroten: een grotere wanddikte of een grotere diameter. Dit resulteert in een hoger gewicht, maar omdat de stijfheid toeneemt met de derde macht van de diameter, kiest de constructeur voor een kleinere wanddikte en een grotere diameter. Zo wordt een frame lichter en stijver. Na 1980 zien we veel “oversize” buizen.

Staal was lang het beste compromis in prijs en materiaaleigenschappen. Het fietsframe moet zo sterk zijn, dat het onder maximale belasting niet permanent vervormt. Dit wordt bepaald door de rekgrens. In veel advertenties schermen de fabrikanten met de maximale treksterkte van hun metalen buizen. Gewoonlijk een onbelangrijke waarde: zodra we over de rekgrens gaan, is het frame al krom en onbruikbaar! Ideaal is een hoge rekgrens en een hoge rek voor breuk. Helaas is dit een combinatie van tegenstrijdige eigenschappen. Constructie staal heeft een rekgrens van circa 200 N/mm² ; Reynolds 531 en Columbus Cyclex boven de 600 N/mm² . Staallegeringen als Reynolds 753, en sommige kunststoffen (o.a. carbonfiber) hebben geen rekgrens. Zodra we de maximale belasting overschrijden, breekt het frame. In FIG.15 zien we een tabel met de huidige topstalen; ze hebben een rekgrens (YS= yield strength,) boven de 1000 N/mm² en een zeer hoge breukgrens (UTS= ultimate tensile strength). 

Tot 1990 werd het merendeel van de fietsframes van staal gemaakt. Staal is een legering van ijzer en koolstof. Naast koolstof zijn vaak nog diverse andere elementen aanwezig; sommige als verontreiniging (zwavel, fosfor), andere als legeringselement om de kwaliteit te verbeteren, b.v. mangaan, chroom, molybdeen, nikkel, en vanadium. De percentages verschillen nogal; sommige elementen in tienden, andere in tientallen procenten. Alleen roestvaststalen frames zijn van hoog gelegeerd staal. De meeste frames worden dus gebouwd met laag gelegeerde of ongelegeerde staalsoorten. Dit laatste klopt feitelijk niet; men bedoelt dat er meer dan 98 % ijzer in zit.

De ijzerhandel op de hoek heeft gewoonlijk alleen staal in de kwaliteit PBY (=pisbakkenijzer). Dit wordt vaak aangeduid met St37 of Fe360. Het is goedkoop en in veel maten leverbaar, als koker (vierkant) en als gelaste buis (met naad dus). Door het lage koolstofgehalte is het goed te bewerken, maar de rekgrens is laag. Gelegeerde superstalen zijn even stijf als pisbakkenijzer. De dunne buis gaat dus ten koste van de stijfheid.

Bij staal is er boven de 723°C een overgang in de kristalstructuur van de alpha fase naar de gamma 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 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 constructie-staal zijn vervaardigd uit een gelaste strip en hebben dus een lasnaad. Naadloze buizen zijn veel duurder (3-5X), maar homogener van structuur. De meeste topbuizen zijn daarom naadloos. Gewoonlijk worden ze "butted" uitgevoerd, d.w.z. de uiteindes worden verdikt, en soms brengt men er nog een verstevigingprofiel 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".

FIG.1 Een double butted buis links en een single butted (zitbuis) rechts. De wanddikte REYNOLDS 531 is 0.6mm in het midden en 0,9mm bij de butt.

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 ! Een buis die verlijmd wordt, kan gelijkmatig van dikte zijn (“plain”).

FIG.2 Een klassiek frame is een verzameling onderdelen: elf stalen buizen, die verbonden worden met soldeerstukken, die men lugs noemt .

Rond 1900 is de vorm van het fietsframe uitgekristalliseerd tot het diamant frame met hoeken van ongeveer 70 graden; in die tijd was het gebruikelijke proces om de lugs te maken smeedwerk. Een wit-heet stuk staal werd door zware hamers (vaak met stoom aangedreven) in een mal tot de ruwe vorm bewerkt. Dit ruwe onderdeel werd door machinale bewerking (draaien en frezen) tot gewenste afmetingen teruggebracht (FIG.3). Dit was een zeer dure en arbeidsintensieve manier van werken. Na 1920 worden eigenlijk alleen nog patten en sommige vorkkronen zo gemaakt. Inwendig solderen (lug in de buis), en uitwendig solderen (buis in de lug) werden beide toegepast.

De firma Cresent gaat rond 1897 soldeerdelen maken door staalplaat te persen en lassen. Door verbetering in de giettechnieken aan het begin van de twintigste eeuw, komt ook het zandvormgieten als productie-proces voor lugs op gang. Het solderen gebeurde vaak in een vuurhaard (zoals in een smidse). Beide productiemethoden blijven tientallen jaren naast elkaar bestaan. 

 FIG.5/ 6 Geperst/gelaste lugs van Bozzi, links onbewerkt, rechts uitgesneden voor een racefiets.

FIG.7/8 Lugs van Emile Kaufman Liège Acier (EKLA), links geperst, rechts gegoten. 

Geperst/ gelaste lugs van EKLA FIG.7 en zandgegoten in FIG.8; die laatste hebben een veel betere aansluiting op de buizen (een scherpe rand), zoals we in FIG.9 zien. Bij vooroorlogse fietsen gebruikte men vaak zware zandgegoten soldeerdelen om de buizen met elkaar te verbinden; de buis kan dan recht afgezaagd worden. Zowel de lugs als de buis moeten dan dikwandig zijn om de kerfwerking van de naden op te vangen. De bouw van het frame wordt makkelijker, maar het frame is erg zwaar. De uitgesneden lugs geven nauwelijks kerfwerking, zijn lichter en mooier, en kunnen met dunnere buizen gesoldeerd worden.
In FIG.10 zien we links een recht afgezaagde dikkere buis in een zandgegoten lug; de butted buis en gesneden lug in het midden, vereist dat de horizontale buis passend gefreesd en gevijld wordt. Dit geldt ook voor gebraseerde en gelaste verbindingen.

Het verhaal van framebouw, gaat naast de afmetingen van buizen en ook over schroefdraden. In de jaren vijftig, zestig en zeventig bepaalden Reynolds en Columbus  de maten van de buizen; de andere fabrikanten pasten zich aan. De Fransen hebben tot begin jaren 80 aan hun eigen maatsysteem vastgehouden.

FIG.11 Het persen en trekken van een naadloos bracket bij Raleigh; 79mm breed, 38mm inperscups.

Hoe sterker de buis, hoe dunner de wanddikte, hoe lichter het frame; de buitenmaten blijven hetzelfde, wat makkelijk is voor de lugsfabrikant. Na 1973 gaat men in Italië soldeerdelen maken volgens het verloren was proces. Dit scheelt de framebouwer tijd door een goede afwerking en passing. 
De ene stalen buis is niet echt van de andere stalen buis te onderscheiden. In nieuwstaat zijn er wel kleine graveringen met Reynolds of het duifje van Columbus te vinden; als het frame gespoten is, moeten we een sticker geloven; daar is ongetwijfeld wel eens (?) mee gefraudeerd. In FIG.10 zien we de gravering van een Reynolds 753 buis uit April 1976. Tot 1980 hadden vrijwel alle buizen standaard afmetingen, zie de Tabel 1  “Frame tubes”.

FIG.12 Gietwerk volgens de “verloren was-methode” geeft scherpe details en nauwkeurige passingen.

TABEL 1 De maatvoering van klassieke Italiaanse en Engelse framebuizen

EEN DIEPERE DUIK IN DE METAALTECHNIEK  (theorie voor doorzetters, u fietst er niet harder door).
Koolstof C, chroom Cr, mangaan Mn, en molybdeen Mo, zijn de voornaamste legering elementen voor laag gelegeerde staalsoorten. Een hoog koolstofgehalte (>0,2%) levert een sterkere buis, maar de buis wordt gevoelig voor snelle afkoeling na het lassen of solderen: er kunnen brosse plekken ontstaan bij de overgang naast de verhitte plaats! Bij het aanduiden van laag gelegeerde staalsoorten geeft men vaak een formule, b.v. 34 Cr Mo 4 (ORIA). Het getal 34 geeft het koolstofgehalte in honderdsten procenten, 0,34 dus (hoog!). Chroom Cr is het volgende legeringselement en Molybdeen Mo het daaropvolgende. De 4 heeft betrekking op het Cr-gehalte 4/4=1%. Het molybdeengehalte is niet gespecificeerd. 
De legering Reynolds 531, die bijna een eeuw lang de top van de markt was, is door het hoge mangaangehalte nauwelijks te lassen. Als het solderen met lugs verdwijnt, gebeurt dit ook met 531. Er is een nieuwe generatie laag gelegeerde staalsoorten geïntroduceerd voor TIG lassen. Deze warmte behandelde buizen harden na het lasproces verder uit, zodat de verbinding de sterkste plaats wordt in de constructie; dat willen we graag hebben. Legeringen uit deze generatie zijn bij voorbeeld Reynolds 853 en Dedaccai 18MCDV6HT. 

FIG. 13 Treksterkte grafiek 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.13). 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)! 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.
 Laag gelegeerde 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 laag gelegeerde 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 maken hier varianten van; het is geschikt voor lassen en solderen. De Engelse firma Accles & Pollock maakte in de jaren '50 ook zo’n buis.
 

FIG.14 laat een onderzoek zien van de staalfabrikant Columbus. In deze grafiek wordt weergegeven wat de invloed van een lasnaad op de staalstructuur  is, bij een gelaste verbinding tussen twee stalen platen. Het stippellijntje "inductor center" is de feitelijke lasnaad. De verbindingen zijn tussen twee 25 CrMo4 plaatjes en een tussen twee 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 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. 

FIG.14 Veranderingen in de metaalstructuur op mm’s van de las.
  In FIG.14 zien we tussen 16 en 10mm van de las  (inductor center),  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.
Hoog gelegeerde staalsoorten zijn veel gevoeliger 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. Ruwweg delen wij corrosie -vaste stalen in drie groepen in.

A: Martinsitische stalen (13-18% Chroom) 

B: Ferrietische stalen (14-30% Chroom)

C: Austinitische stalen (13-30% Chroom, 6-36% Nikkel)

Martensitische stalen zijn hard en bros (v.b. schuifmaat). Deze zijn voor framebouw minder geschikt. Het koolstofgehalte bepaalt grotendeels of een staal martensitisch of ferrietisch is. In DIN - en Euronormen wordt hooggelegeerd staal aangeduid door de hoofdletter X, gevolgd door het koolstofgehalte in honderdsten van procenten, daarna het hoofdlegeringselement (gewoonlijk chroom Cr) en de andere legeringselementen. Deze worden weer gevolgd door getallen die het percentage van de legeringselementen in volgorde aangeven.

Bij voorbeeld: X8 Cr13 is ferrietisch met 0,08% C, 13% Cr ; X40 Cr 13 is martensitisch met 0,40% C, 13% Cr ; het staal X 5 CrNiMo 18 10 is austenitisch met 0,05% C, 18% Cr, 10% Ni . Het molybdeengehalte is niet gespecificeerd.

 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). 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 zilver 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. 

 

FIG.15 Samenstelling en eigenschappen van Reynolds stalen.

 Reynolds 953 wordt momenteel (2024) 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.15 . 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.