(fiets)
Materiaalkunde voor Dummy's
M.S.Gerritsen (c) 2023
Hoe zie je het verschil tussen een loden pijp en een koperen
buis? Is mijn frame van staal? Kun je zien waar een velg van
gemaakt is? Waarom is er voor een bepaald materiaal gekozen?
Allemaal hele basale vragen waar je hier discreet hopelijk het
antwoord op vindt.
Er worden heel veel verschillende materialen in een fiets
gebruikt, want de ontwerper zoekt altijd bij ieder onderdeeltje
naar de juiste combinatie van maakbaarheid, sterkte, levensduur,
uiterlijk en kostprijs. Ruwweg kun je de materialen
onderverdelen in natuurlijke materialen, metalen en
kunststoffen. Hier een overzicht vanuit fietsperspectief
Natuurlijke materialen.
Leer
Leer is een prettig materiaal voor de contactpunten met de mens.
Het ademt, is vocht doorlaatbaar en flexibel en sterk. Nadeel is
dat het kan schimmelen en uitdrogen, en als het erg nat wordt
rekt. Leer wordt gebruikt voor het zadeldek (als bekleding of als
vormvaste bespanning over een metalen frame), als handvat of in de
vorm van toeclipriemen. Ook kom je het wel als decadente decoratie
tegen, bijvoorbeeld toegepast als spatlap of jasbeschermer. Omdat
leer flexibel blijft kom je het ook wel tegen als elastische en
dempende ringen om spatborden rammelvast te zetten of als
scharnier. In productie zijn natuurlijke materialen lastig
omdat de eigenschappen niet heel constant zijn, dus krijgen
kunststoffen meer en meer de voorkeur.
Kleuren: naturel (bruin) of geverfd
Oppervlak: vaak een kant glad, een kant generfd
Textiel
In een moderne fiets zit nauwelijks meer textiel verwerkt. Sommige
zadels hebben een textiel dek, met als nadeel dat ze direkt regen
opnemen. Tenzij de textiel als wapening is gebruikt zoals in
lakdoek (kettingkast, jasbeschermers) of kunstleer. In olie
gedrenkte vilten ringetjes kom je in oude apparaten wel als
afdichting op een draaiende as tegen. Bij oudere fietsen had je
velglinten uit gevlochten katoen, of banden met een wapening uit
katoen of zijde etc. Stuurlint en sommige andere plak (velg)
linten kunnen nog textiel zijn.
Vezels
Vlas en hennepvezels worden wel gebruikt als 'milieuvriendelijk'
alternatief voor glas en koolstofvezel. Of het veel vriendelijker
is zal ook afhangen van waarmee de vezels verlijmd worden.
Hout
Hout wordt een enkele keer nog gebruikt voor het decoratieve
effect en is dan dus blank gelakt en goed herkenbaar. Mits
intelligent toegepast is hout voor het gewicht behoorlijk stijf,
en behalve zeilboten of vliegtuigen kun je er dus ook best (dure)
fietsframes of velgen van maken. Houten onderdelen moet wel wat
volume hebben, dus voor kleine asjes is het niet geschikt. Goed
hout (langzaam gegroeid, fijn en rechte vezel) is tegenwoordig
moeilijk te vinden, meestal zijn de onderdelen dan ook meer
decoratief bedoeld zoals in spatborden of handvatten.
Bamboe
Bamboe is hout, maar dan al af fabriek in een stijve buisvorm
gegroeid. Het wordt (en werd al rond 1900) wel gebruikt in
fietsframes, de buiseinden worden dan in lugs gestoken of met
vezels (bv carbon of hennep vezels) en lijm aan elkaar verbonden.
Heel erg eco en groen natuurlijk, totdat je de epoxylijm
meerekent. In laagjes verlijmd werden er ook wel velgen van
gemaakt (cane)
Metalen
Metalen is de benaming voor een bepaalde groep elementen uit het
perodiek systeem met gemeenschappelijke eigenschappen. Zo geleiden
ze bv stroom en hebben ze glans. Metalen glanzen doorgaans
zilver/grijs, uitzondering zijn roodkoper en goudgeel.
Metalen worden meestal niet zuiver toegepast omdat met
bijmengingen de eigenschappen worden verbeterd. Men spreekt dan
van een legering. Zo is 18 karaats goud een legering van zuiver
goud en zilver en ev koper. Veel legeringen hebben een eigen naam
zoals brons (koper en tin), staal (ijzer en koolstof) of amalgaan
(kwik, tin en zilver) . Legeringen zijn vaak genormeerd, en de
namen daarvan kom je dus vaak tegen AA7575, 25cromo4, AlMgSi5 etc
Staal
Staal is een legering op basis van ijzer. Er is bijna geen enkel
fietsonderdeel wat je niet uit staal zou kunnen maken. Staal gaat
wel roesten, dus je moet het wel invetten, verven of bedekken met
een niet roestende deklaag. Staal is in heel veel verschillende
samenstellingen te verkrijgen, varierend van heel hard (voor
kogellagers of hamerkoppen), heel sterk (voor veren), heel sterk
en taai (voor framebuizen, assen of andere hoogbelaste
onderdelen), goed lasbaar, goed bewerkbaar etc. Staal is
magnetisch. Normale kleur is grijs, maar je kunt het oppervlak
spiegelend polijsten. De roestkleur is bruin. Als je blank staal
verhit in lucht oxideert de buitenste laag en verkleurt deze. De
kleur is afhankelijk van de temperatuur, maar staalblauw is een
bekende vorm
Roestvast staal
Staallegering met veel chroom, nikkel etc. Het chroom moet het
ijzer afdekken en verhindert zo corrosie. Wordt dus veel gebruikt
voor onderdelen die niet moeten gaan roesten en waar een zilveren
glans op prijs wordt gesteld zoals boutjes, tafelmessen,
spatborden, maar ook remkabels, spaken, framebuizen of
bagagedragers. RVS valt in twee groepen uiteen: magnetisch
(spatborden, wasmachines en tafelmessen) en nauwelijks
magnetisch. Het kan wel roesten, maar meestal gebeurt dat langs
kristalgrenzen en valt dat niet op, tot dat het plafond van het
zwembad naar beneden valt of de melkkoeltank gaat lekken: de
juiste soort roestvast staal kiezen afhankelijk van de
gebruiksomstandigheden is niet triviaal! Bruin roesten kan ook,
vooral als het oppervlak met gewoon staal vervuild is.
Gietijzer
Ijzer met veel koolstof, waardoor het dunvloeibaar wordt bij een
aanvaardbare temperatuur. Gestold is het zwaar, niet al te
treksterk, maar het roest ook niet hard. Dat maakt het dus heel
geschikt voor handwijzers, putdeksels, voeten voor machines en
standaards, handwielen en grafmonumenten. Niet magnetisch. Ben het
nog nooit in een fiets tegengekomen maar wel in klassieke
wielenrichters, presentatiestandaards en dat soort werk. Het is
niet taai, dus je kunt er niet aan buigen. Als het breekt is het
breukvlak bros.
Nikkel
Nikkel glimt en roest nauwelijks. Voor chroom ontdekt werd werden
onderdelen wel vernikkeld, te herkennen aan de ei-gele glans
( of de doffe ellende, want de laag blijft poreus) Je komt het
verder tegen in muntgeld, en als toevoegmateriaal in
soldeerverbindingen en rvs. Niet aan te bevelen voor zaken die in
voortdurend contact met de huid blijven (bv een polshorloge) ivm
nikkelallergie.
Chroom
Wordt gebruikt als legeringselement (chroom molybdeenstaal, RVS)
of als oppervlaktelaag. Kan dan prachtig glimmen, maar satijnmat
of zwart kan ook. Er is ook een extra harde variant voor bv
zuigerstangen.
Aluminium
Aluminium is vrij laat beschikbaar gekomen, voor 1920 was het
vooral duur en werd het nauwelijks toegepast. Het soortelijk
gewicht is ca een derde van staal, maar het is ook minder sterk,
zodat je wel meer volume nodig hebt. Aluminium legeringen zijn er
in vele variaties, om te beginnnen zijn er giet- en
kneedlegeringen. Het gegoten aluminium is minder sterk dan gesmeed
of ge-extrudeerde versies, maar je kunt het wel een ingewikkelde
vorm geven. De gietvariant komt je tegen in kleine onderdeeltjes
zoals remcylinders (Magura), derailleurs, zadelpennen en
crankstellen. Aluminium leent zicht ook voor extruderen, een
proces waarbij met een oversize slagroomspuit een lang en al dan
niet hol profiel gemaakt wordt. Dat kun je dan bv rondbuigen om
een velg uit te maken. Of in plakjes zagen als je leuk gevormde
ringetjes oid wil hebben.
Gesmeed aluminium kom je tegen als cranks, naafhuizen ed. Na het
smeden worden dergelijke onderdelen vaak nog flink nabewerkt. Je
zou die onderdelen ook uit een blok massief kunnen frezen, maar
dan heb je veel afval en is volgt de materiaalstructuur niet meer
de vorm van het onderdeel. Dat is dan minder sterk.
Aluminium in de juiste samenstelling laat zich ook redelijk
makkelijk lassen, zodat het veel in de framebouw wordt toegepast.
Omdat de wanddikte groter is dan bij een stalen frame, en omdat
het in gesmolten toestand nogal klodderig is, zijn de lasrupsen
(dakpansgewijs gedeponeerde druppels) nogal groot. Het soortelijk
gewicht van 'superlicht' aluminium is trouwens gelijk aan
dat van beton ;)
Titanium
Titanium oxideert niet bij normaal gebruik en houdt qua sterkte en
stijfheid het midden tussen staal en aluminium. Titanium maken en
verwerken is wel duur, dus is het voorbehouden aan de bovenkant
van de markt. Maar je hoeft het niet te lakken en zo houden de
onderdelen een prachtige technische uitstraling. Als je het tegen
een slijpsteen houdt krijg je prachtige witte vonken (staal is
rood/oranje). Er zijn ook prachtige aanloopkleuren, maar na het
lassen wil je die niet zien, omdat dan het lasbad vermoedelijk ook
geoxideerd is. Daar kan het absoluut niet tegen.
Magnesium
Magnesium legeringen zijn weer lichter dan aluminium, maar het
materiaal is moeilijker bewerkbaar. Om te beginnen zijn de spanen
erg brandbaar, denk aan een oude flitslamp. Als je het
tegenkomt is het meestal als gietstuk, bv in frames of verende
vork onderdelen. Het is wel erg gevoelig voor corrosie, dus de
onderdelen moeten wel goed in de lak blijven staan. Kleur is
meestal donkergrijs
Tin
Heeft een laag smeltpunt, dus je komt het tegen in zachtsoldeer
voor electrische verbindingen. Of als dunne glanslaag op vertint
blik voor doosjes, kapjes en ander dun spul
Zink
Zink kom je tegen als toevoegmateriaal in soldeer en als anti
corrosie bedekking. Als in verzinkte boutjes, verzinkte spaken (op
de doos staat dan 'rustless' zodat je aan roestvrij staal denkt)
en straatmeubilair om je fiets aan vast te maken. De zinklaag is
minder edel dan het te bedekken materiaal en zal dus eerder
roesten. Op een gegeven moment is de zinklaag echter op en roest
het onderdeel zelf.
Lood
Lood is zwaar en niet sterk. Je komt het dus alleen tegen als
gewicht of als legeringselement. Uit milieuoogpunt gebruiken we
het tegenwoordig liever niet als er alternatieven zijn. Lood wordt
onder de invloed van de atmosfeer snel donkergrijs
Koper
Afhankelijk van de legering en de omstandigheden is koper goudgeel
tot roodgeel van kleur. Tenzij het niet gepoetst wordt, dan wordt
het donkerbruin tot groen.. Koper is makkelijk bewerkbaar, kan
vrij zacht tot tamelijk hard zijn en is goed te buigen. Je komt
het dus tegen als afdichtingsringetjes (zacht), koplamphuizen
(goed vervormbaar) als veertjes (in schakelaars) als galvanische
(tussen) laag, en in klein draaiwerk zoals spaaknippels,
pompnippels etc.
Brons
Brons is een legering van koper en tin. Er zijn poreuze
kwaliteiten om lagerbusjes uit te maken, en harde kwaliteiten voor
hoog belaste onderdelen. Het kan goed gegoten worden en is
corrosievast Voor aluminium gemeengoed werd zag je het wel
in naven en derailleurs, maar na 1965 houdt dat wel op want
aluminium is lichter. Het laat zich goed vernikkelen of
verchromen, het standbeelden groene patina is in fietsen minder
gewenst.
Goud
Een enkele keer worden onderdelen verguld als er weer iets heel
moois gemaakt moet worden voor jubileum, sjeik of beurs, maar dat
blijft klein bier. Bladgoud kan je ook tegenkomen, dat is een
flinterdune folie die je verlijmt, bv om letters uit te maken.
Goud oxideert niet, maar het is zacht dus je hebt toch gauw een
beschadiging. Je komt het ook tegen in electrische contacten. Je
moet het trouwens niet verwarren met de goudkleurige TiN (titanium
nitride)coating, die kom je tegen op kettingen, boren, en
orthodoxe kerkdaken.
Zilver
Kom je tegen in hardsoldeer (laag smeltpunt) of in contacten. Of
als bedekking op bv een balhoofdplaatje.
Zamak
Zink, Aluminium, Magnesium, Koper, laag smeltende dus makkelijke
legering, vooral bekend van Dinky toys. Kom je wel tegen in
derailleurs (Campagnolo Rallye is berucht) , maar het is
kwetsbaar, zwaar en niet te repareren. Oud zamak (historisch
speelgoed) kan last hebben van verontreinigingen, en dan spontaan
uit elkaar vallen
Kunststoffen
Kunststoffen zijn die materialen die je niet in de natuur
tegenkomt, of juist wel omdat ze niet vergaan en achteloos gedumt
zijn. We hebben het dus over plastics en composiet materialen. Dit
zijn er teveel om op te noemen, dus hier volgt alleen een kleine
bloemlezing
ABS slagvaste thermoplastische kunststof
Aramide. Heet Kevlar als het van Dupont komt, is een vezel met
hoge treksterkte. Wordt gebruikt in hieldraden voor banden,
wapening al dan niet samen met carbonvezel, speciaal touw etc
Bakeliet De klassieke thermoharder, ie een kunststof die na
uitharden niet meer wil smelten. Lampfittingen, knoppen, en veel
jaren 30 huishoudelijke artikelen. Wordt ook wel met weefsel
toegepast als de bruine isolatieringetjes
Polycarbonaat (Lexan) doorzichtig en slagvast, dus voor
ruiten ed
Polyetheen Voelt vettig aan en is taai en slijtvast. Bv geschikt
voor kettinggeleiders
Polyester, meestal glasvezelweefsel verlijmd met polyester hars
Koolstof composiet lichtere en sterkere variatie van polyester,
sterkere vezels verlijmd met een sterkere epoxy hars.
Rubber kan natuurrubber zijn op basis van latex, of synthetisch
rubber uit aardolie
PTFE (Teflon) voelt vettig aan en glad. Bekend als loodgieters
tape of in lagerbusjes
Nylon (polyamide, PA) Voor taaie onderdelen, ev kan het nog
sterker worden door het meegieten van kleine glas of
koolstofvezels
Dus wat is het?
Frame
Frames zijn historisch eigenlijk altijd van staal, sinds de 80-er
jaren wordt aluminium populair, en nu zie je als het duur en licht
moet frames uit koolstof vezel. Sinds '75 oid loop je ook
sporadisch kans op titanium.
Een stalen frame heeft doorgaans de slankste buizenset, is
magnetisch, en vaak gebouwd met lugs.
typisch staal: slanke buizen, gelugde constructie,
ingestoken achterpadden, bruin roest
Gelast kan ook, de lasrupsen zijn dan klein.
detail van stalen voorvork
Als 3e optie lugloos gesoldeerd, de buisovergangen zijn dan
meestal glad gevijld.. Roest is bruin van kleur
Aluminium frames waren in den beginne verlijmd met dikke, recht
afgesneden lugs en (ronde) buisdiameters gelijk aan stalen
frames, tegenwoordig zijn de frames veelal gelast met dikke
lasrupsen uit dikke buizen die ook wulpse vormen kunnen hebben.
Frames kunnen gepolijst zijn of geanodiseerd, maar verf is
uiteraard een polulaire optie. Oxidatie is meestal wit
Titanium is meestal ongeverfd, heeft subtiele en regelmatige
lasrupsen, en de buisdiameters zitten tussen staal en aluminium.
Carbon frames zijn tegenwoordig meer organisch gevormde dozen ipv
buisvorm, en als je er tegen aan tikt klinken ze dof.
carbonframe op de operatietafel, de aluminium insert moet getransplanteert
Crankstel
Ook hier weer staal, aluminium of carbon. Iets met chroon (of
nikkelfinish) en crankspieen is altijd staal. Ook zit het staal
soms achter een dikke laag plastic, dat is het geval bij hele
goedkope fietsen. Aluminium kom je het meeste tegen, meestal in
aluminium kleur, maar zwart kan ook. Aan de zilveren
slijtagesporen zie je dan wel dat het geen roestend staal is. En
bij staal kun je er hoogstens wat letters inslaan, bij aluminium
is het meegieten van logo's etc simpel. Cranks uit carbon zijn iha
2 x zo breed als standaard, en zwart of met een -zie mij eens-
vezelstructuur
Derailleurs
Als ze heel oud zijn helemaal van staal of met gegoten onderdelen
uit brons, als de onderdelen meer volume hebben en zilver kleurig
zijn is het aluminium en kunststof kan ook nog. 70-er jaren
Simplex derailleurs waren van een special buigzaam plastic, nu zie
je veel glas of carbonvezel versterkte behuizingen en armpjes.
Kunststof spuitgietwerk, het breukvlak is dus niet metaalkleurig
Velgen
Ook hier weer staal, hout, aluminium of carbon. Een stalen velg
wordt uit dunne plaat gerold, en is vaak geverfd. Als er
velgremmen gebruikt worden kan het ook verchroomd zijn of rvs.
Een aluminiumvelg wordt uit een extrusieprofiel vervaardigd, dus
dan is er veel vormvrijheid en kunnen er holle profielen gemaakt
worden. Als er velgremmen gebruikt worden krijg je met regen de
bekende zwarte-grijze prut op velg en band.
Typisch hol alumnium extrusieprofiel
Carbonvelgen kan ook, die zijn nooit metaalkleur maar doorgaans
zwart, en met een hoog profiel. Meestal niet met een remvlak, en
als je er tegen tikt klinken ze dof
Sturen en zadelpennen
Ook hier weer staal, aluminium en carbon. Staal is doorgaans
verchroomd, aluminium meestal mat zilver of zwart, en carbon
uiteraard met zwarte vezels of geverfd.
Boven: typisch gelaste aluminium pen met dikke lasrupsen, onder
een typisch verchroomde stalen pen
Ook hier speelt weer de chronologie, bij oud spul is carbon
uitgesloten en staal heel waarschijnlijk, bij nieuw spul is staal
alleen nog gangbaar in de onderste prijsklassen of als vallen de
norm is (baan/bmx/kunstfietsen en zo)