INFORME: Los materiales de un cuadro

Repasamos los materiales con los que puede ser elaborado un cuadro y la distintas características que aporta cada uno de ellos al comportamiento de la bicicleta:
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INFORME: Los materiales de un cuadro
INFORME: Los materiales de un cuadro

LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

Antes de analizar el estudio individual de cada uno de los materiales vamos a relatar cuál son las “propiedades mecánicas” que poseen para así poder establecer posteriormente comparaciones. Se denomina propiedad mecánica a la forma en que reaccionan los materiales al actuar diversos tipos de fuerzas sobre ellos y son las siguientes:

- Elasticidad

Es la capacidad que tiene un material para recuperar su forma una vez desaparecida la fuerza que lo deformaba.

- Dureza

Con esta propiedad definimos la oposición que ofrece un material a rayarse o dejarse perforar por otro. También lo podríamos denominar resistencia al desgaste.

- Resiliencia

Es la resistencia que opone un cuerpo a choques o esfuerzos bruscos.

- Fragilidad

Es la propiedad opuesta a la resiliencia y determina la facilidad que tiene un material para quebrarse al ejercer una fuerza violenta sobre él.

- Fatiga

Es la capacidad de resistencia a la deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas variables, inferiores a la rotura, cuando actúan sobre él un cierto tiempo o un número de veces determinado.

- Maleabilidad

Es la aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse.

- Maquinabilidad

Es la facilidad que tiene un cuerpo para dejarse mecanizar (cortar, taladrar, limar...).

- Acritud

Con esta propiedad mecánica nos referimos al aumento de la dureza, fragilidad o resistencia que sufren algunos metales cuando se les somete a una deformación en frío (prensado, troquelado...).

- Plasticidad

Con esta propiedad se determina la capacidad que tiene un material para mantener su nueva forma una vez deformado por la acción de una fuerza.

- Ductilidad

Es la capacidad que tiene un material para estirarse en forma de hilos.

- Tenacidad

Con este factor medimos la resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

- Colabilidad

Es la aptitud que tiene un material fundido para rellenar una matriz o molde.

Algunas de estas propiedades son despreciables para el estudio de los materiales de un cuadro, pero es interesante conocerlas para no dejarse deslumbrar con “palabras mágicas”.

Los materiales también poseen otras propiedades que así mismo son importantes: químicas (oxidación, aleación), térmicas (endurecimiento), magnéticas, ópticas o sensoriales, pero, de momento, no las vamos a describir.

UN REPASO POR LOS MATERIALES

Para no extendernos demasiado vamos a analizar, muy por encima, exclusivamente la fibra de carbono, como material hoy en día casi generalista, el acero, el aluminio y el titanio, que son, a fin de cuentas, los materiales más comunes en la construcción de un cuadro de bicicleta, tanto de carretera como de mountain bike u otras disciplinas de ciclismo.

Carbono/composite

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A diferencia de los metales, las fibras sintéticas (carbono, kevlar, aramida...) se pueden fabricar bajo especificaciones muy concretas. Esto es posible gracias a que, durante la conformación del tejido que dará como resultado el tubo o panel final, se van superponiendo fibras artificiales en diferentes direcciones, para conseguir una resistencia multidireccional uniéndose con varias capas de resinas (epoxitas o fenoles). El resultado es un material al que se conoce con el nombre de composite. Recientemente se han empleado termoplásticos (polietileno, policarbonatos, poliamidas...) para unir los tejidos, aunque se eleva bastante el peso y no aporta la rigidez de las resinas.

Módulo de Carbono

Existen 2 tipos de fibra de carbono: las de alto módulo (HM) y las de alta resistencia (HR). Las primeras se caracterizan por su elasticidad y las otras por su gran resistencia a la rotura, pero con menor coeficiente de elasticidad. Partiendo de esta base cada fibra es más o menos densa en cuanto a filamentos: 1.000, 3.000, 6.000 ó 12.000.

En los cuadros se suelen utilizar las fibras de módulo de elasticidad más alto y en fabricación de horquillas se mezclan pequeñas cantidades de 3.000 y 6.000 y más de 12.000. El número de fibras utilizadas se plasma en el etiquetado con los términos 3K (para 3.000 filamentos), 6K, 12K etc.

Básicamente hay tres procesos de fabricación de cuadros con fibras artificiales: la unión de tubos mediante racores metálicos pegados (casi en desuso), el uso de paneles monocasco (el más extendido) y la conformación bajo presión de una vejiga interna que se extrae una vez fraguadas las resinas (la tecnología de mayor nivel).

Ventajas e inconvenientes del carbono/composite

En la báscula el composite es el rey absoluto (60% menos peso que el acero) y, en rigidez (35% más rígido que el cromoly), resistencia a la fatiga, a la rotura (3 veces mayor que el acero) y en vulnerabilidad a los elementos externos, hace sombra al resto de materiales. También posee una fabulosa capacidad de amortiguación (sin verse perjudicada su rigidez).

Como es de imaginar la economía no es la aliada de la fibra de carbono y, en comparación con el acero, llega a ser de cinco a diez veces más caro. Muy pocos tubos de carbono/composite se quiebran bajo fuertes cargas, pero se pueden romper si aplicamos una fuerza excesiva en un punto determinado; hay cuadros de carbono que se han roto al caer al suelo una bicicleta que estaba apoyada en una pared y se han golpeado con la arista de una piedra.

El aluminio

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Es un metal no ferroso (bauxita) descubierto hace poco más de un siglo y empleado masivamente en el mundo de la bicicleta desde hace algo más de dos décadas.

El aluminio, como tal, es un metal muy blando que no se podría emplear en la fabricación de tuberías para cuadros de no ser por las aleaciones con otros elementos. Las mezclas habituales dan origen a unas series estandarizadas que se reconocen por las siguientes siglas:

  • -Serie 5000: es una aleación de aluminio con manganeso, silicio y magnesio.
  • -Serie 6000: al metal extraído de la bauxita se le añade magnesio y silicio.
  • -Serie 7000: con aluminio, magnesio, zinc, manganeso y silicio se consigue esta denominación.

Además de estos elementos se pueden combinar pequeñas cantidades de otros (cobre, escandio, circonio, titanio...) para conseguir elevar su resistencia a la rotura (cercana a los 500 newton por cada milímetro cuadrado) y, sobre todo, a la fatiga. Antes de establecer un veredicto sobre la resistencia del aluminio debemos tener presente la “cantidad” de material que tiene un cuadro ya que, si la resistencia a la rotura se mide en milímetros cuadrados, tendrá gran importancia el área sobre la que ejercemos una fuerza determinada.

<strong>Ventajas e inconvenientes del aluminio</strong>

Aunque la bauxita es el material más abundante sobre la corteza terrestre, para extraer de este mineral el preciado aluminio hay que emplear mucha energía, por lo que su precio es más elevado que el del acero.

Su ligereza es patente (menos del 50% que el acero) pero su resistencia a la deformación, a la fatiga y, especialmente, a la rotura, aconsejan la utilización de tubos de mayores dimensiones, con lo que se eleva su peso de forma notable (sin llegar en ningún caso a los valores del acero).

El aluminio apenas se ve afectado por el fenómeno de la corrosión por lo que la pintura pasa a ser un elemento decorativo. Aun así algunos fabricantes someten a los cuadros, una vez soldados y terminados, a un tratamiento de anodizado extremo para cubrirlos con una fina capa (0,10 mm.) que actúa, a modo de coraza, mejorando la rigidez del conjunto.

El coeficiente de “amortiguación” del aluminio es de hasta 5 veces (dependiendo del tratamiento térmico) superior al del acero, mostrando al usuario una marcha más cómoda y relajada.

El titanio

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Este material exótico tiene su principal aplicación en la construcción de artículos aerospaciales y quirúrgicos. Debido a que posee un peso mínimo (60% inferior al acero) y una resistencia a la rotura por milímetro cuadrado similar a la del cromoly, es una buena opción para construir cuadros resistentes y muy ligeros. Aunque, debido a su gran resiliencia, es preciso utilizar secciones y diámetros mayores para mantener un grado de rigidez mínimo, perjudicando el resultado final en la báscula.

La presencia de la palabra titanio hace estremecer a los más legos y, para hacer justicia a la verdad, debemos informaros que no todo lo que se ha vendido como titanio ha sido siempre lo más aconsejable para montar una bicicleta. Como es un material carísimo de elaborar algunos desalmados próximos de la industria ciclista utilizaron titanio diseñado para tuberías de conducciones hidráulicas de avión en la construcción de cuadros; el resultado era lamentable ya que no tenían ninguna rigidez y, además, se corría el peligro de romperlo, ya que estas tuberías habían sido concebidas para soportar presiones internas y no pares de fuerzas exteriores. Afortunadamente la práctica totalidad de titanios existentes en el mercado actual (3/2.5 Ti) son específicos para su uso ciclista y los cuadros ofrecen plenas garantías de seguridad.

Ventajas e inconvenientes del titanio

El elevado precio que hay que pagar por un cuadro de titanio es su principal enemigo, estando producido este desfase por lo difícil de su mecanización (es más duro que la mayoría de las máquinas-herramienta utilizadas) y por lo complejo del proceso de soldadura (funde por encima de los 1.600 grados centígrados y es necesario soldarlo al vacío). La rigidez necesaria para competir con un cuadro de acero o aluminio sólo se consigue engrosando los tubos de titanio.

Sus ventajas vienen dadas por su gran resistencia a la fatiga, la ligereza y la inmunidad ante la práctica totalidad de elementos corrosivos (sólo le atacan algunos ácidos como el sulfúrico o nítrico). Un cuadro de titanio es caro, pero puede servirte durante toda la vida.

El acero

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Se denomina acero a la aleación obtenida entre hierro y carbono que, además, puede contener otros elementos. El carbono siempre es el elemento principal de la aleación (lógicamente después del hierro) y modifica extraordinariamente las propiedades mecánicas del acero: cuanto más carbono contiene, más duro y resistente se torna, aunque se vuelve más frágil y menos dúctil. Para conseguir un metal más equilibrado se recurre al uso aleado de otros elementos:

  • -Cobalto: aumenta la dureza del acero en caliente, utilizándose principalmente para la confección de herramientas de corte.
  • -Cromo: eleva la dureza, resistencia a la abrasión y corrosión, así como la tenacidad a cualquier temperatura. Le proporciona propiedades inoxidables.
  • -Manganeso: aumenta la colabilidad y la resistencia al desgaste.
  • -Molibdeno: junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero, evitando su fragilidad y aumentando su resistencia al calor y al desgaste.
  • -Níquel: es un elemento que, asociado al acero, le proporciona propiedades anticorrosivas.
  • -Silicio: es un antioxidante y proporciona elasticidad en una aleación.
  • -Tungsteno (Volframio): eleva la dureza.
  • -Vanadio: se emplea como desoxidante en las aleaciones proporcionando, además, muy buena resistencia a la fatiga y a la tracción.
  • -Niobio: eleva la resistencia a la fatiga.

De todos los aceros el más utilizado en la confección de cuadros de bicicleta es el denominado 25-CroMo-4 y el 34-CroMo-4, vulgarmente conocidos como Cromoly (acero al cromo molibdeno). En USA esta aleación recibe el nombre de “acero 4130”. Como particularidad Dedacciai utiliza personalizaciones como es el caso de la 18-MCDV-6 (serie Zero con manganeso, cromo, molibdeno y vanadio).

La abreviatura 25-CroMo-4 significa que el acero tiene un contenido carbónico de 0,25 por ciento; el CroMo-4 es el indicativo de la calidad de los aditivos (cromo y molibdeno) y su cantidad (0,4%).

Como el acero tiene una resistencia nominal a la rotura muy alta (más de 1000 newton por cada milímetro cuadrado) se puede utilizar con espesores de pared mínimos (hasta 0,4 milímetros) pero ello comporta un grave riesgo a la hora de someter una tubería tan delgada a la acción de la soldadura. Por ello se recurre al engrosamiento de los tubos en sus extremos (conificado), de forma que se mantenga un peso reducido a cambio de porciones gruesas de material donde poder aplicar la soldadura sin peligro para el resto de la tubería.

Ventajas e inconvenientes del acero

La fabricación de tubos de acero de gran calidad es relativamente barata, por lo que su precio siempre resulta contenido. Es un material que, nominalmente, posee gran resistencia a la rotura y soporta muchas deformaciones antes de que se produzca su degradación por la fatiga. Sólo tiene dos enemigos claros: el peso y la vulnerabilidad ante la corrosión.

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