Скандий, скандиевая рама — что это вообще такое?

В начале 2000-х годов Scandium (скандий) был широко известен в узких кругах. Речь идет о велогонщиках, которым скандий был по карману. В настоящее время о нем мало кто знает, у всех на слуху алюминий, титан, карбон и хромолевая сталь. Скандий — материал редкий, найти трудно, стоит дорого. Но зачем он вообще нужен?

Давайте вместе разбираться с этой темной лошадкой. 

Пойдём издалека.

Области применения Скандия

Скандий был предсказан Менделеевым в 1870 году и назван Экабор, а уже в 1879 году шведский химик Ларс Нильсон его открыл и назвал в честь Скандинавии.

Металл обладает серебристым цветом с желтоватым отливом, хорошо поддается механической обработке (ковка), он легкий, температура плавления составляет 1541 градус Цельсия. По своим химическим свойствам наиболее близок он к алюминию. Однако в группу близких по свойствам металлов включают также уран, цирконий, марганец, магний, железо, кальций, гафний и торий.

Оксид скандия применяется при производстве высокотемпературных керамик, наибольшую прочность он набирает при 1030 градусах и обладает высочайшей стойкостью к термоударам. То есть, резкий нагрев и охлаждение практически не оказывают влияния на его свойства. Температура плавления оксида скандия составляет 2450 градусов Цельсия, что позволяет применять его в жаростойких деталях.
Предел прочности скандия составляет 400 МПа, у титана этот показатель находится в пределах 250-300 МПа. Добавление скандия в некоторые сплавы стали повышает их прочность до 700 МПа, то есть почти в два раза. Легирование карбида титана карбидом скандия повышает твердость первого в два раза и выносит такое соединение на четвертое место после алмаза.

Применяется скандий в производстве источников света, которые способны выдавать свет близкий по своим характеристикам к солнечному. В микроэлектронике скандий находит применение при производстве суперкомпьютеров, так как ферриты с малой индукцией позволяют существенно увеличить скорость передачи данных. Да, жесткие диски с магнитным способом записи информации уже попираются flash-носителями, но всё же. В ядерной промышленности скандий используется как замедлитель нейтронов и входит в состав сплавов для электроники на ядерных объектах. Некоторые соединения скандия применяются в атомных бомбах.

Применяется этот металл в лазерных установках. Правда, не в чистом виде, а в составе соединений. Он позволяет получить рекордные характеристики для сверхмощных лазеров, которые, в свою очередь, создаются для имитации термоядерных реакций. То есть, он приближает век термоядерной электроэнергии. Высокопроизводительные лазерные установки, где используется скандий, находят свое применение в разработке защитного оружия для самолетов и вертолетов в развитых странах.

Важная роль скандию отводится при производстве высоколегированных сталей, он входит в состав сталеразливочных стаканов. Наиболее популярным материалом для таких стаканов является итрий, однако скандий превосходит его по характеристикам в 8,5 раз, превосходит он итрий и по стоимости.

Добыча скандия производится во многих странах, но признанными лидерами считаются Китай, Украина, Россия и Казахстан. Многие источники утверждают, что США, Япония и Франция тоже неплохо справляются с добычей, но там имеет место быть не сама добыча, а покупка руды или готового метала на мировом рынке.
В 1980-годы Украина находилась на третьем месте в мире по добыче скандия после Казахстана и России. США шли на четвертом месте. 

Да, конечно, я помню, что вы не энциклопедию читаете. Просто хотелось до вас донести информацию и представление о том, что это за металл вообще. 

История скандия в контексте велосипедной индустрии

Разумеется, в спорт скандий пришел не сразу, сначала его обкатали военные на ракетах, бомбах и технике. Так всегда бывает, увы.

История применения скандия в велоспорте начинается в Украине в 1990-е годы, когда с молотка уходили многие предприятия в руки зарубежных инвесторов. В то время в Днепропетровской области, в городе Желтые воды, ВостГОК (Восточный горно-обогатительный комбинат) эксперементировал с добавлением скандия в алюминиевые сплавы. Канадская компания Ashurst Technology (ныне не существует) приобрела техническую и научную документацию, а также инфраструктуру у своих украинских партнеров, а затем продала лицензию компании Easton Sports.
Easton, как многим известно, занималась производством алюминиевых труб для велосипедных рам.

Получение в свои руки технологий по внедрению скандия позволило снизить вес труб, увеличить их прочностные характеристики и утереть нос многочисленным конкурентам. Добавление скандия в алюминий в количестве 0,5% по объему, среди прочего, позволяет уменьшить размер зерна метала, увеличивая, тем самым, прочность сплава. Новый сплав получил название Easton Ultralite. Также скандий позволяет осуществлять сваривание алюминиевых труб. Дело в том, что сплав алюминия 7005 (и многие другие) теряют свои прочностные характеристики на этапе сварки готовых изделий между собой. То есть, каким бы толстым сварной шов ни был, прочности в нем не будет, он растрескается при остывании заготовки. Что бы этого не произошло, используют специальные присадки.

Долгое время производством скандиевых труб для велосипедов занималась только компания Easton, что по мнению некоторых экспертов породило огромное количество подделок. Таким образом скандий приобрел плохую репутацию, так как подделки легко трескались и не выдерживали никакой критики в эксплуатации, а стоили очень дорого.

Примерно такая же ситуация случилась и с карбоном на заре его выхода в широкие массы. Многие экономные покупатели предпочитали приобретать рамы и готовые велосипеды не у авторизованных продавцов, а в Китае. Такие покупки быстро выходили из строя и распространили миф о низких прочностных характеристиках карбона.

Кроме труб для рам, из скандия производились подседельные штыри, рули и, надо полагать, выносы. В действительности скандиевые палки или рамы в продаже на вторичном рынке находятся и по сей день. Разумеется, стоимость таких деталей значительно выше стоимости деталей, выполненных из привычных сплавов алюминия.

И, да, в состав сплава скандия и алюминия входит много других легирующих элементов. Однако именно скандий обеспечивает непревзойденные характеристики прочности, оттого и рамы называют “скандиевыми”.

Куда пропал скандий?

Скандий никуда не пропал. Дело в том, что его применение в велосипедной промышленности со временем становилось всё более массовым и удешевленным, после чего он просто получил свою марку сплава. Некоторые маркетологи упускают этот факт из виду. С другой стороны нишу велосипедов высокого уровня занял карбон, и от дорогих сплавов алюминия стали отказываться в пользу более доступных 6061 и 7005.

Впрочем, в дайджесте от 26 июля 2020 года мы рассказывали о велосипеде Standert Kreissäge RS, который выполнен из скандиевого сплава. Вес шоссейного фреймсета составляет всего 1360 граммов, что очень близко к лучшим образцам карбонового зодчества.

К брендам, которые работали со скандием с начала 2000-х годов относится также KONA, они построили почти 15 моделей велосипедов на скандиевых трубах.

В общем, никуда он не пропал, он всё время с нами, просто поменял имя.