自転車部品用アルミニウムグレード

サイクリング関連製品の仕様をざっと見て、7075-T6 アルミニウム、304 ステンレス鋼、グレード 5 チタン、T700 カーボンファイバーなどの材料コードに気づいたことはありませんか?

これらのコードは、材料のグレード、仕様、化学組成、および性能特性を示します。すべてのグレードの材料が同じように作られているわけではありません。また、何かがカーボン ファイバーで作られているからといって、期待どおりの性能が得られない可能性があることに注意することが重要です。各グレードの材料には、さまざまな用途に最適な特性がありますが、製造効率とコストのために手抜きが行われることもあります。

私はこの便利なガイドをまとめ、素材の違い、その特性、最適な用途、自転車の新しい部品を購入する際に注意すべき点などについて説明しています。

この記事ではアルミニウム合金について見ていきます。

アルミニウム合金は、周期表のさまざまな元素（主にアルミニウム（元素番号 13））から構成される人工素材です。そのため、アルミニウム合金と呼ばれます。純粋なアルミニウム自体は非常に柔らかくて弱い素材であり、多くの工業用途にはあまり適していません。耐腐食性、特定の用途での強度、重量、可鍛性（変形のしやすさ）などの特定の要件を満たすために、シリコンと鉄が添加され、性能が向上します。この元素の組み合わせが、合金と呼ばれています。

アルミニウム合金には何百もの異なるグレードがあり、それぞれが特定の用途向けに設計された異なる特性を持っています。たとえば、海洋グレードのアルミニウムはマグネシウム含有量が高いため、海塩に対する耐腐食性に優れていますが、マグネシウム含有量の低いグレードを同じ条件にさらした場合、同じ環境でもはるかに早く劣化します。

自転車業界で最も一般的に使用されているアルミニウム合金は、6061 グレードと 7075 グレードの 2 つです。

構成

6061 と 7075 の最初の違いは、番号の指定を見るだけですぐにわかります。6061 はアルミニウム合金グレードの 6XXX シリーズに属し、7075 は 7XXX シリーズに属します。これを知ると、個々の材料データシートを詳しく調べなくても、6061 にはシリコンの量が多く、7075 には亜鉛の量がはるかに多いことが推測できます。

作業性

2種類のアルミニウム合金の製造に関しては、6061が7075よりもほぼ常に優位に立っています。これは主に、6061の硬度と引張強度が低いためです。硬度が低いため、7075よりも簡単に機械加工できます。引張強度が低いため、6061は7075よりも成形が簡単です。両方の材料ははんだ付け、ろう付け、接着剤で接合できますが、6061は溶接可能で、7075は一般的に溶接できないと考えられています。6061は溶接可能と考えられていますが、

アルミニウム合金の熱処理と老化

多くのグレードのアルミニウム合金は、焼き戻しと時効処理と呼ばれる 2 つのプロセスによって硬化できます。これは、制御されたプロセスで材料を加熱および冷却して、分子間の結合を強化することによって行われます。このプロセスにより、材料はより硬く、より堅くなります。二次時効処理により、材料内で微細結晶が成長して、その構造が融合されます。

T6 は、自転車業界のアルミニウム部品によく見られる焼き入れグレードです。

T6 焼戻しは通常、鋳造アルミニウム合金を 450°C で数時間均質化し、急冷し、その後 120°C で 24 時間時効処理することによって達成されます。

アルミニウムの熱処理と老化プロセスについて簡単に紹介している BBC のビデオをご覧ください。

硬度

材料の硬度は、材料が表面に押し付けられたときに変形に対してどの程度耐性があるかを示します。 チェーンリングの文脈では、材料が硬いほど、チェーンが各歯に押し付けられたときに失われるエネルギーが少なくなります。

硬度は、多くの場合、ブリネル硬度計（スウェーデン人のヨハン・オーガスト・ブリネルにちなんで名付けられた）を使用して測定されます。

降伏強度と引張強度

これら 2 つの単位は、高ストレス コンポーネントにとって非常に重要なメトリックです。

材料の降伏強度とは、変形が元の位置に戻れなくなるまでに材料が耐えられる応力の大きさです。降伏強度を超える応力の結果として生じる変形は永久的です。つまり、曲がったクランクやチェーンリングは降伏強度を超えています。

長いステムや大きなチェーンリングなどのコンポーネントに、より大きなトルクが加わるようになり、降伏強度の重要性が高まっています。コンポーネントが力を受ける距離が長いほど、部品に永久変形が生じる可能性が高くなります。

引張強度とは、材料が破損するまでに耐えられる最大の引張荷重のことです。引張荷重を受けたときの材料の破損耐性の尺度です。引張強度が高い材料は、壊滅的な破損をすることなく、より大きな力に耐えることができます。たとえば、2020 年東京オリンピックでオーストラリアのパシュート競技のハンドルバーが激しいスタンディング スタートの直後に折れるという現象が見られます。

機械的性質

6061-T6 と 7075-T6 の特性を分析すると、いくつかの顕著な違いが観察されます。

7075-T6と6061-T6アルミニウムの比較

• 78% 剛性向上（降伏強度）
• 81% 強力 (引張強度)
• 61% 難しくなった

データソース: https://www.makeitfrom.com/

6061-T6

私の経験では、6061 アルミニウムは、汎用用途で最も一般的なアルミニウム合金の 1 つです。金物店に行って、アルミニウムのチューブや押し出し材が売られているのを見たら、それはおそらく 6061 でしょう。このグレードは、多くの用途に適したバランスの取れた素材です。手頃な価格で、機械加工しやすく、溶接に適しており、陽極酸化処理も簡単です。T6 に焼き入れすると、6061 グレードのアルミニウムの引張強度は 130Mpa から 310MPa に 139% 増加します。

6061-T6 は、アルミニウム合金の他の選択肢と比較すると、依然としてかなり柔らかい素材です。大きな力やねじのトルク定格を受けない自転車部品には適していますが、チェーンリングや駆動部品などの高応力部品として使用することはお勧めしません。

推奨アプリケーション:

• ホイールナットの噛み込みのためのドロップアウトなど、高応力を受けないコンポーネントまたは余分な変形を必要とする領域。
• 予算に優しい自転車部品

長所:

• コスト効率が良い
• 世界中で簡単に調達可能
• 簡単に作業できる
• 軽量

短所:

• 柔らかい
• 耐久性が低い
• 自転車の高負荷アプリケーションでは疲労や壊滅的な故障が発生しやすい
• 摩耗部品の効率が低い

7075-T6

7075-T6 アルミニウムは、中高級自転車部品に使用される最も一般的な素材の 1 つです。

T6に焼き入れすると、7075グレードのアルミニウムの引張強度は240MPaから560MPaに133%増加します。

価格は 6061-T6 のほぼ 2 倍ですが、引張強度もほぼ 2 倍です。このため、強度と重量の比率の点では、入手可能な合金の中で最高の性能を持つ合金の 1 つとなっています。

7075-T6 は入手が非常に難しい合金です。希少性と需要の高さから、6061-T6 より約 2 倍高価です。そのため、7075-T6 仕様のコンポーネントが安価で販売されている場合、実際には 7075-T6 グレードではない可能性が非常に高くなります。

7075-T6 の大きな欠点の 1 つは、より柔らかい合金よりも扱いが難しいことです。きれいに機械加工するのが難しく、陽極酸化処理も容易ではありません。この合金で製品を製造するには、より多くの時間と注意が必要です。

弊社のトラック チェーンリング、 エリート トラック チェーンリング、 エリート ロングボイ ステム、または高応力要件やねじ山トルク定格を持つものには、7075-T6 アルミニウムを使用しています。ニュージーランドにはこれらの高品質の材料を地元で生産できる製錬所がないため、米国から調達しています。

推奨アプリケーション:

• チェーンリング、ステム、クランクなどの高応力用途

長所:

• 優れた強度と重量の比率

短所:

• 機械加工が難しい
• 陽極酸化やコーティングが難しい
• 高い
• 入手困難

関連記事：

コンポーネント用カーボンファイバーグレード（近日公開）

自転車部品用チタングレード（近日公開）

自転車部品用ステンレス鋼グレード（近日公開）

自転車部品の効率と耐久性を高めるコーティング（近日公開）