Что лучше алюминий или магниевый сплав
Из каких материалов будут создавать новые ноутбуки
В настоящее время мы испытываем ренессанс ноутбуков с невероятными спецификациями и некоторыми действительно потрясающими дизайнерскими изысками, украшающими последние модели.
В рамках этих проектов мы также видим много новых материалов, которые используются для создания ноутбуков. Алюминий, магний, углеродное волокно, даже сверхтвердое закаленное стекло Gorilla Glass – похоже, что если вы хотите сделать новый ноутбук или планшет высокого класса, старомодный пластик – больше не вариант.
Алюминиевый сплав в ноутбуках
Если в новом поколении ноутбуков и есть «более старый» вариант материала, то это алюминий. Прославленный компанией Apple в своих high-end PowerBook ещё в 2003 году, алюминиевый сплав заменил титановый сплав старых поколений.
Объяснение было двояким: использование процесса анодирования для завершения и окраски металла позволило решить проблему отслоения краски, как у предыдущих поколений, к тому же алюминий дешевле и работать с ним проще, чем с титаном. Вместе с тем, низкая плотность означает, что алюминиевые оболочки должны быть толще, а эта дополнительная жесткость обычно приводит к тому, что конструкция менее подвержена изгибам, деформации и вмятинам.
Только после появления Macbook Air Apple представила корпусом (а затем и сборочный узел), образованный из одного куска измельченного алюминиевого сплава. Сейчас это стало более или менее стандартом для ноутбуков высокого класса. Хотя изготовление таких деталей дорого, это позволяет создавать ноутбуки с меньшим количеством частей, упрощая производство в целом и делая его менее склонным к деформации. Анодирование повысило способность к рассеиванию тепла и коррозионную стойкость, также его можно использовать для «окрашивания» алюминия в разные цвета.
Алюминиевые сплавы обычно сильнее, чем пластмасса, особенно при использовании в цельных конструкциях. Но у них есть довольно очевидные недостатки: даже на относительно толстых корпусах премиальных алюминиевых ноутбуков появляются вмятины.
Алюминий также проводит тепло намного лучше, чем пластик, что делает некоторые ноутбуки склонными к неприятному перегреву. Конечно, это задача инженеров: разместить горячие зоны, такие как процессор и радиаторы, вдали от областей, где пользователь, вероятно, будет касаться ноутбука.
Магниевый сплав в ноутбуках
Магний прямая альтернатива алюминию, используется в качестве первичного сплава для все большего числа конструкций ноутбуков. Он легче, чем алюминий, примерно на 30% (это самый легкий в мире металлоорганический металл), при этом он имеет высокое соотношение прочности и веса. Это позволяет корпусам электроники из магниевого сплава быть тоньше, чем аналогичные алюминиевые конструкции с одинаковой общей долговечностью.
Магний также менее термически проводящий, то есть у дизайнеров больше свободы в размещении внутренних компонентов, которые не будут перегревать корпус.
Магний, как правило, проще использовать, чем алюминий, с точки зрения производства, что открывает новые возможности для дизайна ноутбуков и планшетов. К сожалению, он также значительно дороже, чем алюминий. Чтобы компенсировать это, производители иногда комбинируют магниевый корпус с более дешевыми пластмассовыми частями, такими как подставка для рук.
Конструкции из полностью магниевого сплава, такие как Surface Pro и некоторые премиальные ноутбуки в линиях HP ENVY и Lenovo ThinkPad, заметно дороже, чем сопоставимые модели.
Между алюминиевым и магниевым сплавом, на самом деле, не так много разницы, чтобы повлиять на покупку нового ноутбука. Магниевые корпуса менее склонны к изгибам или вмятинам, чем алюминиевые, но более подвержены трещинам при повышенных нагрузках. Тепловые свойства в большинстве случаев останутся не замеченными (так как все производители достаточно хорошо справляются с управлением внутренним нагревом). Если вы не планируете постоянно использовать ноутбук в высокотемпературных средах, внутренние спецификации должны быть приоритетом при выборе ноутбука.
Углеродное волокно в ноутбуках
Углеродное волокно – это немного неправильное название: материал, который так широко используется в самолетах и спортивных автомобилях, на самом деле, является составным из тканых углеродных нитей и более примитивных полимерных оснований. В принципе, это высокотехнологичный пластик, усиленный синтетическим углеродом. В результате получается материал с чрезвычайно высоким соотношением массы к прочности, обеспечивающий защиту, подобную металлу или сплаву.
Кроме того, это выглядит действительно круто. Большинство производителей любят демонстрировать материал из углеродного волокна в своих конструкциях, который даёт уникальное серо-черное переплетение.
Углеродное волокно, в некотором смысле, легче формовать, чем металл, для чего требуется только простая литейная форма для больших деталей, а не механический процесс фрезерования. Углеродное волокно проводит очень слабо проводит тепло, что делает его идеальным выбором для областей корпуса ноутбука, к которым прикасаются пользователи.
Тем не менее, углеродное волокно имеет некоторые отличительные недостатки перед «обычными» материалами для ноутбуков. Поскольку он представляет собой композит из углеродного плетения и более хрупкого полимера, его внешняя отделка не столь долговечна, как тканая внутренняя отделка – она намного более восприимчива к царапинам и вмятинам.
Компоненты внутри также защищены, как и под металлом, но угловое падение или пробивное воздействие по-прежнему будет выглядеть довольно некрасиво. Углеродное волокно также намного дороже, чем даже магниевый сплав.
Из-за этого оно используется, в основном, в комбинации с другими материалами. Насколько мне известно, ещё не выпускали ноутбука, корпус которого был бы полностью изготовлен из углеродного волокна (хотя было несколько смартфонов, выполненных из структурно похожих кевларов).
Закаленное стекло в ноутбуках
Рост популярности смартфонов в конце 2000-х годов усилил интерес к закаленному стеклу – в частности, запатентованному фирмой Corning Gorilla Glass – новый материал для всех видов электроники.
Современное закаленное стекло – это нечто удивительное, включая устойчивость к царапинам, почти такое же хорошее, как у синтетического сапфира. Оно также относительно недорого интегрируется в дизайн ноутбука.
Но имейте в виду, закаленное стекло всё ещё. стекло. Он может быть устойчивым к царапинам и с меньшей вероятностью сломается, чем обычное оконное стекло, но падение на любую достаточно твердую поверхность по-прежнему способно разрушать экран, крышку и сенсорные панели. В качестве материала для ноутбуков и планшетов, закаленное стекло является косметическим дополнением, а не главным элементом.
Магний: конструкционный металл легче алюминия
Свойства магния и его применение
Подавляющая часть производимого в мире магния идет на легирование алюминиевых сплавов и только около 15 % – на конструкционные изделия, в основном в виде отливок. Магний и его сплавы применяются в виде деталей автомобилей, в том числе, колесных дисков, элементов промышленного оборудования, кухонного оборудования, деталей компьютеров и мобильных телефонов и, даже, лестниц [1].
Магний легко поддается литью, механической обработке и сварке. Он обладает относительно высокой электрической и тепловой проводимостью. Магниевые сплавы имеют очень хорошую способность к поглощению механической энергии: магниевые отливки находят применение в качестве изделий для работы в условиях высоких вибраций.
Коррозия магния
Многие годы одним из главных недостатков магниевых сплавов являлась коррозия. Магний занимает самую высокую анодную позицию в гальванической серии. Поэтому, как показано, на рисунке 1, может подвергаться сильной коррозии.
Рисунок 1 – Сильно корродированная магниевая деталь [1]
Проблемы магния с коррозией происходят из-за сильного влияния примесных элементов, таких как, железо, никель и медь. Рисунок 2 показывает, как сильно влияет содержание железа в магнии на его подверженность коррозии. Однако применение высокочистых магниевых сплавов приводит к достижению уровня коррозионной стойкости, близкой к тому, который имеют конкурирующие алюминиевые литейные сплавы (рисунок 3).
Рисунок 2 – Влияние содержания железа в магнии
на его коррозионную стойкость [1]
Рисунок 3 – Сравнение коррозионной стойкости
литейных алюминиевых и магниевых сплавов [1]
Металлургия магния
Кристаллическая структура и свойства
Чистый магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру, которая ограничивает скольжение при комнатной температуре по основным плоскостям. При комнатной температуре магниевые сплавы легко поддаются нагартовке со значительным снижением пластических свойств. При повышенных температурах становятся рабочими дополнительные плоскости скольжения и поэтому деформируемые магниевые сплавы обрабатывают формовкой при температурах выше 200 ºС, обычно в интервале от 345 до 510 ºС в зависимости от сплава.
В ходе механической деформации в деформируемых сплавах образуется кристаллографическая текстура, что приводит к анизотропии механических свойств. Например, катаный лист с пределом прочности при растяжении 220 МПа и 2 % относительного удлинения, которые замерены параллельно направлению прокатки, могут показывать более высокие механические свойства (например, соответственно, 260 МПа и 8 %) при измерении их перпендикулярно направлению прокатки.
Кроме того, предел текучести при сжатии для изделий, полученных методами обработки металлов давлением, составляет только около 40-70 % от предела текучести при растяжении. В ходе горячей обработки отдельные кристаллы деформируются непосредственно по основным плоскостям скольжения и эти основные плоскости скольжения разворачиваются так, что они становятся ориентированными параллельно направлению деформационной обработки. Такое расположение зерен приводит к снижению прочности при сжатии. Поскольку в отливках такая текстура не образуется, то предел текучести при сжатии отливок примерно равен пределу текучести при растяжении. По этой причине, а также из-за того, что изделия из деформируемых сплавов имеют более высокую стоимость, чем аналогичные алюминиевые изделия, отливки из магниевых сплавов применяются намного шире, чем другие виды магниевых изделий.
Добавки алюминия, цинка и циркония
Магний имеет весьма низкую температуру плавления (650 ºC), что повышает его подверженность к ползучести при повышенных температурах. Однако, путем усовершенствованных методов легирования стойкость магниевых сплавов к ползучести может быть значительно повышена. Самыми важными легирующими добавками для магния являются алюминий, цинк и цирконий. Алюминий обеспечивает упрочнение за счет создания в магнии твердого раствора и расширения интервала затвердевания, что делает сплав более удобным для литья. При добавлении алюминия в магний его прочность постоянно возрастает до достижения содержания алюминия 10 %, но пик относительного удлинения возникает примерно при 3 % алюминия:
Цинк ведет себя аналогично алюминию:
Однако цинк является причиной горячего растрескивания, если его содержание превышает 1 % в сплавах с содержанием алюминия от 7 до 10 %. Цинк, кроме этого, повышает коррозионную стойкость при комбинировании с вредными примесями железом и никелем. Цинк также применяют совместно с цирконием, редкоземельным элементом, или торием для получения термически упрочняемых магниевых сплавов.
Марганец и кремний
Для повышения коррозионной стойкости магниевых сплавов Mg-Al и Mg-Al-Zn применяют добавки марганца для удаления железа за счет образования безвредных интерметаллических соединений. Количество марганца, которое может быть добавлено, ограничено 1,5 % из-за его низкой растворимости в магнии.
Кремний значительно повышает текучесть расплавленного магния, увеличивая, тем самым, его способность к литью. Однако в присутствии железа кремний снижает коррозионную стойкость магния. Кремний также обеспечивает повышение стойкости к ползучести.
Цирконий – измельчитель зерна
Цирконий является мощным измельчителем зерна, как это показано на рисунке 4. Однако цирконий нельзя применять в комбинации с алюминием или марганцем, так как он образует хрупкие интерметаллические соединения, которые «уничтожают» пластичность. Выдающаяся эффективность циркония в измельчении зерна литого магния может быть объяснена сильной схожестью кристаллической структуры и параметров атомной решетки этих двух элементов.
Рисунок 4 – Измельчение зерен магния цирконием [1]
Цирконий является такой важной легирующей добавкой, что была разработана целая серия магниево-циркониевых сплавов без присутствия в них алюминия. Циркониевые добавки обычно держат ниже 0,8 %, так как при более высоких концентрациях он легко образует соединения с железом, алюминием, кремнием, углеродом, кислородом и азотом, а также реагирует с водородом в виде гидрида, который является не растворимым в магнии.
Железо и никель
Элементы железо и никель являются вредными примесями, которые значительно снижают коррозионную стойкость. Медь также часто рассматривается, вместе с железом и никелем, как загрязнение, но в некоторых магниевых сплавах она применяется как легирующий элемент. Железо является самым проблемным из этих трех, так как никель и медь более легко контролировать путем выбора степени чистоты исходных материалов. Железо контролируют путем добавок MnCl2 в расплав в ходе литья.
Деформируемые и литейные сплавы
Хотя магниевые сплавы производят как в виде деформируемых, так и литейных сплавов, но литейные сплавы применяют намного более широко. Некоторые из деформируемых сплавов упрочняются путем холодной деформации, тогда как другие – путем термической обработки c упрочнением по механизму старения.
Литейные сплавы применяются в различных состояниях: литейном, отожженном или состаренном. Эти сплавы сами по себе обычно подразделяются на два класса: сплавы с алюминием и сплавы с цирконием. Пределы текучести при растяжении магниевых сплавов обычно находятся в интервале от 70 до 345 МПа, пределы прочности – от 140 до 380 МПа, а относительное удлинение от 1 до 15 %.
Мы недавно изучили технологии производства рам, а теперь пора понять из каких же материалов производятся современные рамы велосипедов.
Зачем это может быть полезно?
В зависимости от материала из которого изготовлена рама, кроме цены, они могут иметь и разные свойства. По разному рулится, амортизировать неровности, катится и выглядеть в конце концов.
Абсолютное большинство велосипедов это конечно сталь и алюминий, более редкими являются карбон и титан. Мы рассмотрим каждый материал подробнее, а затем пройдемся по нескольким нестандартным и редким.
 |  |
Какие требования к рамам предъявляются?
Какие материалы используются дли производства велосипедных рам?
У каждого есть свои плюсы и минусы. Давайте с ними разберемся.
Сталь
Различные марки стали используются уже более 100 лет. В какой-то момент было ощущение, что сталь потеснится своими позициями в пользу алюминия или карбона, но сегодня понятно, что сталь только завоевывает свои позиции.
В велостроении используется три типа стали:
Самый доступный, дешевый и простой материал. Используется для создания дешевых велосипедов (все что мы видим на рынках, крупных продовольственных магазинах и дешевые сегменты в веломагазинах). Рамы имеют свойства ржаветь, не самые прочные и весьма тяжелые. Кстати термин «велосипед из водопроводных труб» как раз про этот материал.
Углеродистая (высокотянутая) сталь (High Ten)
Данная сталь уже более продвинутая с хорошими характеристиками и стойкостью к ржавчине. Она достаточно гибка, чтобы гасить вибрации при катании, при этом цена на нее очень доступна.
Отлично подходят для тяжелых людей, вплоть до 150 кг.
Хромомолибденовая сталь (Cro-Mo)
Данный материал получается при добавлении молибдена во время её варки. Молибден придает стали мелкозернистую структуру, улучшая ее прочность. Чаще всего для велосипедов используется легированная конструкционная хромомолибденовая сталь 30ХМА по ГОСТ 4543 или по американской классификации сталь 4130.
Cr-Mo прочнее, легче и надежнее чем другие виды стали, но также она и дороже. Он также меньше подвержен коррозии.
Подытог :
Плюсы стальных сплавов:
Минусы стальных сплавов:
Сталь и вес.
Часто именно из-за веса, отказываются от покупки таких рам. Кажется разумным, доплатить и выбрать алюминиевый аналог который будет на 1-2 кг легче. Однако вес, характеристика важная, но не первостепенная для обычного велосипеда.
Здесь также сделаем оговорку, что велосипед состоит не только из рамы, но и из комплектующих на ней. Чаще всего можно увидеть, что на стальных рамах установлено самое простое оборудование для прогулок.
Алюминий
Алюминий в чистом виде не применяется, он слишком мягкий. Поэтому используются сплавы с цинком, медью, магнием, марганцем и другими.
Из-за этих особенностей, алюминиевые рамы производят из труб бОльшего диаметра с толстыми стенками. От этого сильно увеличивается жесткость и минимизируется вес.
Плюсы алюминиевых сплавов:
Минусы алюминиевых сплавов:
Виды алюминиевых сплавов, на которых мы ездим
Существует большое количество алюминиевых сплавов (2014, 7000, 7005T6, 7009T6, 7010T6, 6061T6, 6065 и т.д.), но наиболее часто в велосипедостроении используются марки 7005T6 и 6061T6 (аналог отечественного сплава АД33 по ГОСТ 4784-97). Их еще называют сплавы шести- или семитысячной серии.
Знак «Т6» в названии говорит о том, что материал прошел термическую обработку.
Например, при термической обработке сплава 6061 изделие из него нагревают до 530 °С, затем интенсивно охлаждают водой. Затем его в течении 8 часов при температуре около 180 °С искусственно старят. После такой обработки сплав 6061 уже обозначается 6061-Т6.
Сплав 7005 при термической обработке охлаждают не водой, а воздухом.
Сплавы 7005 и 7075 более прочные, чем 6061 и рама из них прослужит дольше, чем точно такая же из сплава 6061. При этом 6061 более технологичен, чем сплавы серии 7xxx. А это позволяет проще изготавливать из него трубы со сложным сечением и баттировать их, что также увеличивает прочность таких рам. Алюминий марки 6061 легче сварить, чем 7005.
Получается, что оба материала хороши и сравнивать их можно, только зная технологию их производства, а этого нам никто не расскажет)
Сварка рамы из труб, изготовленных из алюминия марки 2014, 7075 вообще очень сложный и дорогой технологический процесс. Обычной аргонно-дуговой сваркой их нельзя сварить. При производстве их можно только лить целиком. Именно поэтому эти марки практически не применяют при производстве велосипедных рам.
Рама из алюминиевого сплава 6061 лучше подойдет для фрирайд (freeride, FR) и даунхилл (downhill) рам. Для крос-кантрийных байков хардтейлов оптимальным будет сплав 7005. Он более прочный, жесткий и долговечный.
Велотуристы не очень любят алюминиевые рамы из-за их«жесткости» и невозможности сварки в «любой деревне» в отличии от обычной сварки стали.
Подытог:
Выбор рамы зависит от целей катания, желания владельца и бюджета. Получать же удовольствия можно как на стальной, так и на алюминиевой.
Титан
Если оценивать физические характеристики титановых рам, то этот материал можно назвать одним из лучших. Сочетает все лучшее от стальных и алюминиевых рам при этом почти лишен недостатков.
Конечно титан редок и дорог. В чистом виде не используется для производства. Сплавы используются с ванадием, молибденом, кремнием и другими материалами.
Особенность этих сплавов в том, что они тяжело обрабатываются и требуют сложных технологий при сварке, что увеличивает цену.
Данный класс рам отлично справляется с бездорожьем и гасит вибрации от дороги. Меньше теряет скорость, более плавен в движении и лучше ложится в повороты, чем алюминиевые аналоги. Он чуть хуже разгоняется, но после разгона отлично держит скорости, причем как на ровных, так и на плохих дорогах.
Если вы сразу не прочувствуете удовольствие от титана, то можно довериться мнению опытных туристов, которые отмечают бОльшую легкость в теле именно после титана на дистанциях в 100 км +.
Титан также не подвержен коррозии, можно кататься в любую погоду и время года, раме безразличны любые реагенты.
Рамы можно даже не окрашивать, что дополнительно привлечет внимания гораздо меньше со стороны воров.
Крайне стойкие к тому, чтобы быть погнутыми или поцарапанными в отличии опять таки от алюминия/карбона.
Вес может начинаться от 900 грам!
Конечно есть и недостатоки в виде цены, что обуславливается редкостью металла и сложностью обработки. Даже с карбоновыми моделями титан пока не может конкурировать, поэтому в массовый сегмент он пока не пошел и остается уделом велофанатов.
 |  |
Плюсы титановой рамы
Минусы титановой рамы
Итог: Самый лучший и оптимальный вариант велосипедной рамы – это титановая рама. Если вас не пугает ее цена.
Карбон
Это полимерный композиционный материал из переплетенных нитей углерода, расположенных в матрице из различных полимерных смол.
Смолы могут застывать либо в обычных условиях, либо «запекаться» в специальных печах, что резко повышает качество готовой продукции. К ним часто относят эпоксидные смолы. Бывает что используют каучук для дополнительного армирования.
Сегодня карбон в велостроении используется при изготовлении рам, колес, подседельных штырей, руля, выносов и вилок.
Карбоновая рама – это сплетенная из стекло- и углеродных волокон конструкция, пропитанная синтетическими смолами и «спеченная» при высокой температуре. За счет направленного плетения конструкция рамы получает нужные прочностные характеристики. Сегодня даже экстремальные велосипеды для даунхилла изготавливаются из карбона.
Качественные карбоновые рамы отлично смягчают вибрации при поездках именно за счет тканевой структуры. Правильное же местоположение слоев ткани из карбоновых нитей дают хорошее виброгашение и упругость, которые сложно получить от алюминия. Поэтому производство карбоновых рам требует высокого уровня специалистов.
Что влияет на жесткость и прочность карбоновой рамы?
Металлические вставки в карбоновые рамы
Из-за того, что нарезать резьбу в карбоне нельзя на сегодня, поэтому в них вклеиваются стальные, алюминиевые или титановые бочонки с готовой резьбой. Это используется например в каретках.
Однако! Из-за разного коэффициента расширения при изменении температур, данные вклееные части могут отклеиться и выпасть.
Плюсы карбона:
Минусы карбона:
Также карбон нужно все таки «знать». Если на алюминиевом или стальном велосипеде перетянуть зажим подседельного штыря, то вы максимум сломаете болт или его резьбу. На карбоновом же подседельном штыре вы можете получить трещину.
Производство карбона в Giant
И производство в Scott
Оригинальные и экспериментальные материалы для велосипедных рам
Магниевые велосипедные рамы
Магний – редкий металл. Поэтому он конечно дорогой и реально катающихся люей на нем мало. Однако кое-что известно.
К сегодняшнему момент это самые легкие рамы. У них хорошие способности по снижению вибраций, близко к титановым аналогам. На сегодняшний день это самые легкие рамы. У них также хорошая способность снижать вибрации, практически, как у титановых.
Плюса магния:
Минусы магния:
Этот материал сегодня чаще можно увидеть в амортизационных вилках.
Скандиевые велосипедные рамы
Бериллиевые сплавы
Был тест для массовой аудитории из рам с бериллиевыми сплавами, как обычно цены на них были весьма высоки, но конкуренции с карбоном они не выдержали.
Конечно большинство таких уникальных сплавов созданы либо для профессиональных гонщиков, либо для выставки. Массовому потребителю все это ни к чему.
Деревянные рамы
Сложно анализировать их преимущества и недостатки. Вы точно станете занименитым на всю округу)
Бамбуковые рамы
Материал имеет приличный потенциал, особенно в Юго-Восточной Азии, в последнее же время мода начала приходить в Европу и Америку. Рамы получаются легкие, жесткие и устойчивые к ударам. Вибрации данный материал также способен хорошо гасить.
Первый такой велосипед появился еще 1894 г., а сегодня их выпущено более миллиона! Производства есть в США, Германии, Китае, Индии и других странах. Есть широкий модельный ряд по достаточно доступным ценам.
Сами трубки скрепляются при помощи переходников или углеродного шнура, а также конопляного волокна (пенька), залитого эпоксидкой. Из металла делают дропауты и трубку для вставки каретки. Вес обычно от 1,5 до 2,7 кг.
Но вообще это все экспериментальные и нераспространенные варианты. Они упоминаются исключительно для общего понимания, что все не стоит на месте и постоянно ищутся новые решения.
Видео общего процесса производства велосипедов.