專利名稱：：管的制作方法
技術領域：
：本發明涉及根據權利要求l的前序部分的薄壁管。技術背景現今，為低重量而設計的管應用被大量應用在體育、援救和安全設備以及各種手工工具的領域內。在實際使用中，這些管被設計出來為了低重量、堅硬和牢固。它們也應當能夠抗疲勞、抗腐蝕和抗凹陷。用于這些類型應用的輕重量的管主要以具有高比的剛性(彈性模量/密度)和高比的強度(抗拉強度/密度)比率的材料制造。常見的材料的例子是鈦和鋁合金以及疊層纖維，例如，玻璃和/或碳纖維。薄壁管在網球球拍中應用的例子公開在例如US3,975,017、US5,220，719和US2004/102，262中；它們全部都使用了鋁合金。因為上述材料的密度相對較低，所以需要將管制成具有相對較厚的管壁，從而用在輕重量應用中的每一種材料都受其個體性能(如密度、機械強度和韌性)的限制。然而，傳統上使用的材料并不能對這些應用的所有需求提供令人滿意的解決方案，而且對于通常應用的材料來說，需要有可替代的解決方案。因此，本發明的目的是提供一種具有足夠的機械性能同時具有低重量的管，且所述管可用在腐蝕環境中。
發明內容既定目的通過最初所限定的并具有權利要求l特征部分的特征的薄壁管來實現。管的尺寸被仔細地選擇，使得提供高機械穩定性和強度，同時使重量保持在最小。與鋁和鈦合金相比，使用上述的可析出硬化的不銹鋼合金作為輕重量管應用中的材料的益處特別還有較低的重量、較高的剛性和相當大改善的疲勞性能。根據本發明的薄壁管可具有任何常規橫截面幾何形狀，例如大致的圓形、橢圓形、正方形、矩形、八邊形和花生形。在本文中，薄壁被認為達到3mm。圖l展示了通常用于體育用品中的鋁合金、鈦合金以及用在本發明中的可析出硬化的不銹鋼的比剛性，即彈性模量/密度。圖2展示了通常用于體育用品中的鋁合金、鈦合金以及用在本發明中的可析出硬化的不銹鋼的比強度，即抗拉強度/密度。圖3展示了通常用于體育用品中的鋁合金、鈦合金以及用在本發明中的可析出硬化的不銹鋼的抗拉強度/彈性模量。圖4a-e展示了根據本發明的管的若干不同橫截面。圖5展示了根據本發明的薄壁管在網球球拍中的應用。圖6展示了根據本發明的薄壁管在家具中的應用。具體實施方式根據本發明，薄壁管包括具有以重量-%計的以下成分的可析出硬化的不銹鋼合金C最多0.07Si最多1.5Mn0.2-5S最多0.4Cr10-15Ni7-14Mo+0.5W1-8Cu1-3Ti最多2.5Al0.1-1.5N最多0.1余量的Fe和通常出現的雜質。為了充分理解成分對可析出硬化的不銹鋼合金性能的影響，有必要分別地論述所有元素。所有元素含量都按重量百分比計。遮是在許多方面影響鋼的影響力強的元素。高碳含量將影響變形硬化，使得冷變形時強度將是較高的，并因此減少了鋼的韌性。然而，從腐蝕觀點來看，高碳含量可能是不利的，這是因為隨著碳含量的增加，碳化鉻析出的風險也增加了。因此，應保持較低的碳含量，最多0.07%，優選最多為0.05%，以及更優選最多為0.025%。逢是鐵素體形成元素且在更高含量時還會減少鋼的熱加工性能。Si的含量應限制到最大1.5%，更優選最多為1.0%。i是奧氏體形成元素，其以與鎳相類似的方式使鋼不易在冷變形中向馬氏體轉變。根據本發明，鋼中錳的最小含量按重量是0.2%。因為鋼必須具有相當大的馬氏體含量以便析出硬化，所以錳含量必須為最多5%，優選最多為3%，且更優選為2.5°/。。硫是會在鋼中形成硫化物的元素。硫化物在加工過程中是有益的，這是因為它們將起到斷屑器的作用。因而，硫的含量優選最少為0.01%,且更優選最少為0.015%，以及最優選最少為0.1%。然而，從抗腐蝕性的觀點來看，硫化物可能會在鋼中充當起較薄弱區域。此外，高的硫含量對熱加工性能可能也是有害的。因此，這個含量應是最高為0.4%，且優選最高為0.3%。魚對于抗腐蝕性來說是必不可少的，且根據本發明必須在鋼中添加至少10%或者更優選至少11.5%的量。然而，鉻也是較強的鐵素體形成元素，較高含量的鉻將會抑制在變形時馬氏體的形成。因此，鉻的含量必須限制在最多15%，優選最多為14%。逢添加到根據本發明的鋼中，以平衡鐵素體形成元素，以便在退火時獲得奧氏體結構。鎳還是緩和冷變形硬化的重要元素。鎳和諸如鈦和鋁的元素一起還有助于析出硬化。因此，鎳的最少含量是7%,或者更優選至少為8%。太高的鎳含量將會限制變形時形成馬氏體的可能性。鎳還是一種昂貴的合金元素。因此，鎳的含量最大為14%,或優選為13%。鉭對根據本發明的鋼是必不可少的，因為其有助于鋼的抗腐蝕性。在析出硬化過程中，鉬也是起作用元素。因此，最少含量是1%，或者優選最少為2%，且最優選最少為3%。然而，太高的鉬含量將促使鐵素體形成的含量達到可能在熱加工過程中引起問題的程度。此外，高的鉬含量還將抑制冷變形過程中馬氏體的形成。因此，鉬的含量最大至6%，且更優選最大為5%。而且，根據本領域的技術人員通常實踐的，希望Mo可部分地或完全地由鎢取代，同時仍可獲得期望性能的合金。週是奧氏體形成元素，其和鎳一起穩定了期望的奧氏體結構。適中含量時，銅還是增加韌性的元素。因此，最小含量是1%，且更優選至少為1.5%。另一方面，高含量的銅降低熱加工性能，由此銅含量最高至3%，優選最高為2.5%。鼓可優選地添加到合金中，這是因為其是用于析出硬化的有力元素，并可因此存在，以便能夠使鋼硬化至期望的最終強度。然而，太高的鈦含量促進鋼中鐵素體的形成，而且也增加脆性。因此，鈦的最高含量應限制在2.5%，優選為2%，且最優選不多于1.5%。追添加到鋼中，以便改善熱處理時的硬化效果。已知鋁和鎳一起能形成金屬間化合物，例如Ni3Al和NiAl。為了獲得良好的硬化效應，最小含量應為0.2%且優選最小為0.3%。然而，鋁是有力的鐵素體形成元素，由此最高含量應為1.5%,或者更優選最高為1.0%。氮是影響大的元素，這是因為它將增加應變硬化，以及它在冷成型時將使奧氏體朝馬氏體轉變穩定。氮還對氮化物形成元素(如鈦、鋁和鉻)具有較高的親合性。氮含量應限制在最高為0.1%,優選為0.07%,且最優選最高為0.05%。根據本發明所用的合金是具有超高強度和高彈性模量的可析出硬化的不銹鋼。由于這種合金的高比強度和高比剛性，可使用比其他合金壁厚更薄的壁厚。而且，可獲得結合了低重量和高荷載能力的較高的剛性，例如，如在3點荷載試驗中所評定的。此外，這種合金適合于受到各種機械處理，例如彎曲、沖壓、拋光、噴丸硬化等，這些處理取決于管的最終應用和期望的外觀條件。根據本發明的薄壁管可以成本有效方式來生產，例如通過常規冶金工藝接著是傳統上使用的熱成型工藝和冷成型工藝來達到期望的最終尺寸。此外，由于合金表面適合于研磨和拋光，因此可得到光滑表面。這特別有益，因為斷裂起始點存在于合金表面上的危險被減至最小。對于局部侵蝕攻擊的起始點而言，這同樣是有效的。根據本發明所使用的合金的一個具體實施例是具有以重量-%計的以下成分的可析出硬化的不銹鋼合金c最多0.02Si最多0.5Mn最多0.5Cr12Ni9Mo4Cu2Ti0.9Al0.4余量:Fe和通常出現的雜質管的穩定性受管的壁厚和外側尺寸的影響。因此，可以借助于一個比率來表達，該比率在下文中被命名為Rwt，并用公式l定義，其中C是周長，而w是管的壁厚。細=~^公式1."w根據本發明的薄壁管具有90-350的如公式1所定義的比率Rwt;且優選為90-200。比率Rwt高度地依賴于所用的材料。為了展示這點，將上述合金具體實施例的性能與鋁合金和鈦合金進行對比，鋁合金和鈦合金兩者都是在用于體育用品(例如網球球拍的桿或手柄)的薄壁管中通常使用的，見表l。這也顯示在圖l-3中。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>如果用鋁設計，那么壁厚需要更大，以補償較低的強度，這又導致相應的Rwt比率從10到40，以便在使用相同外側尺寸時實現可比得上的剛性。相同條件下，鈦合金的Rwt比率范圍為從25到85。與鋁合金和鈦合金相比，使用上述的可析出硬化的不銹鋼合金作為輕重量桿應用中的材料的益處特別是較低的重量、較高的剛性和重大改善的疲勞性能。對于期望的條件，通過將幾何形狀設計與具體材料相結合，以獲得合適的剛性、荷載能力(強度)和重量，可使管的性能最優化。當將管截面設計成薄的壁厚來支持所施加的載荷時，例如在3點彎曲試驗中，還必須考慮到成橢圓形、表面光滑度和皺折。這是由于與較厚壁部分相比，薄壁的局部強度和穩定性損失了。當使具有厚壁厚和低韌性的管過載，從而導致管截面開始皺折時，皺折區域中的局部應變很可能會引起大面積斷裂，由此引起尖銳邊緣的形成。例如，這樣的尖銳邊緣可能引起損害，例如傷害網球球拍等的使用者。如果采用了較薄的壁厚的話，那么可能發生較低程度的應變。因此，荷載能力大幅下降的危險對于薄壁管比對于較厚壁管來說大大減少，這是因為降低了皺折區域內的大應變的危險。此外，當在低溫環境中使用時，與鋁相比，根據本發明的薄壁管有較低的熱膨脹和較低的熱容，由此確保了最小程度的熱引起的應變和對環境溫度的快速適應。根據本發明所使用的合金可通過任何常規方法(如焊接、使用粘結劑或機械接合)來連接到其他部件或元件。這種合金具有高的抗腐蝕性，因此適合用于例如潮濕環境應用中，例如戶外運動的體育用品。這種合金不需要被涂漆或以其他方式保護以免遭受外部周圍事物/環境的影響。然而，如果需要的話，合金表面也可在希望有特定外觀(如顏色)時被涂漆或噴涂。漆的極佳粘著性可易于實現。根據本發明的實施方案，管的壁厚是0.1-1.5mm，這取決于管的指定應用。優選地，厚度小于0.3mm。根據本發明的另一實施方案，管具有5-100mm的平均外徑，這取決于管的意圖應用，在這種情況下的平均直徑被定義為管橫截面的最大外圍距離1和最小外圍距離2的平均值，如圖4e所表示的那樣。優選地，外徑等于或小于50mm。如圖4a-e所展示的，根據本發明的薄壁管可具有任意常規橫截面幾何形狀，例如大致的圓形(圖4a)、橢圓形(圖4b)、正方形(圖4c)、矩形、八邊形(圖4d)或者花生形(圖4e)。壁厚w和周長C被標記在圖形中。根據本發明的薄壁管非常適合用于要求高機械強度、低重量、美觀外形和抗腐蝕的應用中。這種應用中的一個實施例是體育用品，例如球拍、棒球球棒、滑雪杖、擲石游戲桿或掃帚、冰球桿、自行車框架等。圖5顯示了網球球拍R，其中薄壁管可構成球拍的框架F、桿S和/或手柄H部分。根據本發明的薄壁管的應用的另一實施例是家具F，如圖6所展示的。在這種情況下，根據本發明的薄壁管可構成支撐結構，例如椅子的椅腿L、扶手A或椅背B。根據本發明的薄壁管的應用的又一實施例是手工工具。手工工具的一個實施例是園藝工具，例如整枝剪、靶子或鏟子。手工工具的其他實施例是斧、冰斧、錘子、大錘或鐵條桿。此外，根據本發明的管還適合用于運送工具，例如輪椅、雙輪車和手推車。這些是特別可能經常遭受潮濕環境并因此需要具有高抗腐蝕性的全部應用。實施例設計了一種薄壁管用作羽毛球球拍的桿，這種管由具有以重量百分比計的以下成分的可析出硬化的不銹鋼構成C最多0.02Si最多0.5Mn最多0.5Cr12Ni9Mo4Cu2Ti0.9Al0.4余量Fe和通常出現的雜質。壁厚設計成0.25mm且外徑設計成7mm，從而使得Rwt為112。權利要求1.薄壁管，其具有內周長、壁厚(w)和外周長(C)，其特征在于其基本上由可析出硬化的不銹鋼合金構成并具有90-350的比率，所述比率被定義為外周長(C)除以π倍壁厚(w)的平方。2.根據權利要求l所述的薄壁管，其特征在于所述合金具有以重量百分比計的以下成分c最多0.07Si最多1.5Mn0.2-5S最多0.4Cr10-15Ni7-14Mo+0.5W1-8Cu1-3Ti最多2.5Al0.1-1.5N最多0.1余量的Fe和通常存在的雜質。3.根據權利要求1所述的薄壁管，其特征在于所述壁厚(w)小于3mm，優選為0.1至1.5mm。4.根據權利要求1所述的薄壁管，其特征在于其具有5至10mm的平均外徑。5.根據權利要求l所述的薄壁管，其特征在于材料經過析出硬化。6.根據權利要求l所述的薄壁管，其特征在于其具有大致的圓形或八邊形橫截面。7.根據權利要求l所述的薄壁管，其特征在于其具有大致的橢圓形、正方形、矩形或花生形橫截面。8.體育用品，其特征在于其包括根據前述權利要求中任一項的薄壁管。9.根據權利要求8所述的體育用品，其特征在于所述薄壁管呈桿(S)、手柄(H)、框架(F)、橫桿件等的形式。10.家具，例如椅子、沙發等，其特征在于其包括根據權利要求l-7中的任一項的薄壁管。11.根據權利要求IO所述的家具，其特征在于所述薄壁管呈支撐結構的形式，例如椅子的椅腿(L)、扶手(A)或椅背(B)。12.手工工具，其特征在于其包括根據權利要求l-7中的任一項的薄壁管。13.運送裝置，其特征在于其包括根據權利要求l-7中的任一項的薄壁管。全文摘要公開了一種薄壁管，其基本上由可析出硬化的不銹鋼構成，并且具有為90-350的比率，該比率被定義為外管周長C除以π倍管壁厚w的平方。所述薄壁管非常適合用于重量和機械性能非常重要的體育用品或家具。文檔編號C22C38/44GK101291754SQ200680038719公開日2008年10月22日申請日期2006年10月13日優先權日2005年10月17日發明者卡爾-約翰·伊朗德,戈蘭·貝里隆德申請人:山特維克知識產權股份有限公司