フレームマテリアルの復習（アルミ編）
自分自身、表題のフレームマテリアルが何であるか？というのは基本的には気にしない。単車でも自転車でも、アルミフレームの車種から選ぶなんて考えは全く無く、気に入ったモデルがアルミフレームなら、それはそれでＯＫだし、鉄系フレームでも同じくＯＫとなる。まぁ、どちらが好みか？というと、繰り返し負荷を受ける事によって間違いなく疲労が進行するアルミよりも鉄系の方が良いかなぁ？というところ。また、必然的にパイプの溶接構造となるという観点からも加工技術が枯れている鉄系の方が安心できるかなぁ？という程度である。好みの観点といえば性能的優劣、重量的優劣よりも、長く使う上での頑丈さの観点からの嗜好の違い程度である。
というのも、自転車にしろ単車にしろ、フレームマテリアルの違いによる感じ方の違いを自覚したことが無いのが大きな理由だからだ。乗る前の予備知識としてアルミフレーム、鉄フレームという意識が強い場合ならば、その先入観による違いを錯覚的に感じる事が無いとは言わないが、少なくとも、そのような意識を消し去って、モノを見ずにフレームマテリアルを言い当てる事が出来るか？というと、恐らく出来ないような気がする。話が脱線するが、パーツグレードの差、自転車ならば数百グラムの重量差なんかも、きっと体感し自覚することは出来ないように思う。自分のレベルで感じれる違いといえば、単車ならばシリンダー数、サスペンションの堅さ、ダンパーオイル粘度の違い、ギア比というところ、自転車ならばタイヤの空気圧差、絶対的なギア比とギアのクロウス度合いというところ。
実のところを明かせば、ホイールサイズの違いも先入観や予備知識が無ければズバリと言い当てる事は出来ないような気がする。
そんな訳で、材質的な差異に大きな拘りが在る訳では無い。昔の自転車趣味時代を思い起こせば、確かにフレームマテリアル、ブランドに拘りを持っていたのは確かだが、そんな拘りというのは先輩の話、雑紙の受け売りによる気持ちの持ち方、ブランド意識による拘りの方が大きかったと思う。当時でいえば、レイノルズ531のマンガンモリブデン鋼が絶対であり、丹下、石渡、或いはコロンバス管なら良いか？なんて言っていた記憶があるが、その優劣や違いが判っていたか？というと実に怪しい。まぁ、当時はクロモリ＞ハイテンという図式であり、クロモリ管でもメーカー、ブランドの違い程度であり、その機械物性にどれほどの違いが合ったか？というとよく判らない。但し、当時出始めたアルミフレーム、カーボンフレームというのは所有したり試乗したりした記憶があるが、出始めの新材料故に、マテリアルの違い以上に工作物全体としての熟成度の違いのためだろうが、微妙にクロモリフレームとは違う印象を受けたように思うが、最新のアルミフレーム、カーボンフレームはどうなのか？というと正直判らないし、その違いを感じるだけのセンサーが自分に備わっているか？というと実に怪しいのである。
しかし、自転車好きの人達の話、ネット上の話を見ていると、結構マテリアルに拘る人ってのは多いように思う。書かれている感想、言われる話が本当に乗り手の錯覚無しで感じた意見ならば、そういう人達ってのは尊敬に価するなぁと思うところだ。そして、そのような状況に接する程に、好奇心を明らかにしたいという欲求が出てくるのも確かであり、アルミ、カーボン、チタンという先端材料が何を与えてくれているのだろうか？という興味もある。
現代の自転車フレーム材の主流はスポーツサイクルの場合はアルミ系合金である。アルミといっても様々であり、大雑把に分けると次のような分類となる。
・1000系
非熱処理合金で工業用純アルミニウムで純度99％以上のアルミ材。加工性、耐食性、溶接性に優れるが、強度は低い。
・2000系
Al-Cu系合金。熱処理合金でジュラルミン、超ジュラルミンと言われ強度は高い。しかし多く銅を含むために耐食性に劣る。防食処理が必要だが、高強度鍛造部品として使われる。溶接性は悪い。
・3000系
Al-Mn系合金。非熱処理合金でMnの添加により耐食性、加工性を保ちながら強度を増加させたもの。但し、高強度部材には不適
・4000系
Al-Si系合金。Siの添加により耐摩耗性と低膨張特性を確保、Cu、Ni、Mgの微量添加により耐熱性も確保して鍛造ピストンにも使われる。
・5000系
Al-Mg系の非熱処理合金でMgを添加して強度を改善し構造部材に適応したもの。Mg添加量により用途毎の適性を確保
・6000系
Al-Mg-Si系の熱処理合金で強度、耐食性に優れ構造用材料として使われる。但し溶接性は良くないために、リベット等で組み上げる事が多い。TIG溶接の際は、溶接後に人工時効硬化処置が必要でコストが高い。T5、T6といった析出硬化機構を働かせる事でアルミの硬化率を上げれる。なお、A6061-T6の機械的性質は，引っ張り強さが310MPa，0.2％耐力が280MPa，伸びが12％〜17％，疲労強さが100MPaである。A6063-T6は，引っ張り強さが240MPa，0.2％耐力が220MPa，伸びが12％，疲労強さが70MPaである。
・7000系
Al-Zn-Mg系の熱処理合金で6000系に比較すると溶接性に優れ人工時効硬化は不要（自然時効する）である。Cuを含まないモノは強度自体は6000系の半分程度だがコスト的に優れるために用いられる場合が多い。7000系の中でもCuを含有している7075-T6は引っ張り強さが580MPa，0.2％耐力が510MPa，伸びが11％，疲労強さが130MPaとなり最高強度のアルミ合金でもある。但し、7075系にはCuが多く含まれるために耐食性に劣るし、陽極酸化性にも若干劣る。フレーム材に用いる際の欠点である伸びに関しても6061より劣る模様。
以上のような感じであり、自転車の場合、6000系、7000系のアルミ合金が用いられる事が多いそうだ。今回、このようなマテリアルに関心を持ったのは、今度納車する予定のラングスターがアルミフレームである事であり、自転車をパッケージとして考えた場合に、複雑なパーツが付いてない分、材質による感覚の違いが感じれるかも？という期待からである。
但し、ラングスターのアルミフレームといえばスペシャライズド独自？のA1アルミという材質らしく、上記のどれに属するか？というと詳しく判らないのが現状だ。このスペシャライズド独自のアルミフレームを調べてみると、A1の他にM2という材質もあるようだ。因みに判る範囲で説明？すると、
・M2系
アルミとセラミックスのコンポジット材料のようで、アルミ合金中にアルミナ粒子を分散させた構造のようである。材料の強化機構でいえば、分散強化型の材料みたいだ。材料の比較対象が6061系合金のようであり、母材自体は6061系の合金だろう。スペシャライズドのカタログから拾うとM4、M5と進化している様子。進化は分散強化の度合いによるものだろう。粒子径、粒子率、均質性による違いか？因みに、スペースシャトルに使われているらしい。
・A1系
M2系材料の廉価版らしいが、M2系材料の特色であるアルミナ粒子の分散強化機構は無い様子であり、詳細は不明。但し、セールストークには純度を上げて云々ということで、6061系アルミ合金の一種だと思われる。ジュラルミンの強度向上機構は添加物による金属間化合物の析出によって固溶体中の原子配列が変化して強度を得る筈だが、その強度向上に無縁な物質が少ないのであろうか？多くの説明はA1アルミだから・・・と書かれているが詳細は不明。A1プレミアムアルミと言われても、ピンと来ないのが正直なところ。単純に言えば、6061系ジュラルミンで特に強度を向上させるように組成精度や組織均質化を保ったものか？
アルミ系材料というと上記のような分類になるが、他の材料と比較して長所や短所が存在する。アルミフレームが自転車や単車のフレームに用いられる大きな理由（メリット）は、その密度の小ささである。具体的には鉄の１／３、チタンの１／２ということだ。一方で、その短所は伸びである。伸びはチタンは勿論、鉄にも及ばない。伸びの低さは材料のひび割れ易さに直結する。更にはアルミ合金には疲労強度の限界点が存在しないので、小さな負荷でも繰り返し受けることによって最終的には破断してしまう。材料単体の物性をもってフレーム自体を評価する事はナンセンスであり、このような材料特性をフレームに適応する際のデザインの良否で良くも悪くも感じるものだろう。疲労による破壊を抑制するためには、フレーム全体で応力を受ける事が重要であり、このようなコンセプトであればアルミフレーム＝ガチガチという感覚は受けないと言える。逆に、アルミフレーム＝ガチガチという印象を受けるのであれば、それはフレームの設計コンセプトが応力分散型のデザインではなく強度志向の力ずくのコンセプトによるものでは無いだろうか？フレームという構造材料にアルミというマテリアルを適用する場合は、内包するリスクが少ないモノほど、設計の自由度が高く、そういう意味では、アルミの欠点である伸びの低さの程度がマシな材料である6061系の合金というのが良いのかもしれない。単純に強度を追求すれば7075系も有りかもしれないが、伸びを比較すると6061系も捨てがたいか？
ということらしい。組成的、強化機構的には理解できるが、このような違いが自転車フレームに使われた時にどのような感じを受けるのだろうか？よく判らないが非常に楽しみではある。どんなフレーム材質であっても、そのメリットを生かしフレームとして適性を確保したモノであれば、マテリアルの差を感じる事は案外無いのかもしれない。予想としては、名の通ったメーカーの完成車ならば、その違いを感じる事は出来ないような気がするのが本音ではある。
究極的に言えば、材質が乗り味を作るのではなく、最終的にはフレームが乗り味を作るものである。同じ材質であってもコンセプト、思想が異なれば全く乗り味は変わるだろう。そして、自転車用フレームに求めるモノというのは、材質によるものでは無い。その求める性質を具現化する際に、アルミを使うなら等身大のアルミ物性を理解して理想のフレームを得るべくデザインする訳だし、この考え方はクロモリでもチタンでもカーボンでも同じである。つまりは、どのようなフレームを作り出すか？というコンセプトの違いによる乗り味の違いは判るかもしれないが、コンセプトが同じであれば材質の違いは判らないかもしれないということ。
但し、一言でアルミ、クロモリ、カーボンといっても製法、グレードによって材料物性は異なっており、同じアルミであっても伸びの面で余裕がある6000系ならばコンセプト的にはクロモリ系鋼材と同じ様なコンセプトになるかもしれないし、逆に伸びの少なさに目を瞑り強度志向のコンセプトなら7000系のアルミ材を用いているかもしれない。そのように考えれば、乗り手（今の場合なら自分）がフレームの違いに気付くセンサーが無くても、用いられている材料特性からフレームはどんなコンセプトを目指しているのか？という設計思想は類推できる。
納車予定のラングスターを乗る前の段階で想像すると、A1アルミ＝6000系アルミのフレームにカーボンフォークを併せた車体ということで、フレームに作用する力を全体で受けるようなアルミフレーム＝硬いというモノとは異なる柔らかい乗り心地を提供してくれるのかもしれない。前年モデルに比較してギア比がロー側となっており車体に掛かる駆動力自体は増えているだろうが、そのためにフォークをカーボン化することによって車体に掛かる力をフォークのしなりによって逃がす、つまりフレーム側で受ける応力配分を落とすというコンセプトなのだろうか？全くの素人考えの乗る前の感想だが、そのイメージが実際に乗った後に覆るか否か？が興味深いところだ。