專利名稱：：管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求l的前序部分的薄壁管。技術(shù)背景現(xiàn)今，為低重量而設(shè)計(jì)的管應(yīng)用被大量應(yīng)用在體育、援救和安全設(shè)備以及各種手工工具的領(lǐng)域內(nèi)。在實(shí)際使用中，這些管被設(shè)計(jì)出來為了低重量、堅(jiān)硬和牢固。它們也應(yīng)當(dāng)能夠抗疲勞、抗腐蝕和抗凹陷。用于這些類型應(yīng)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(qiáng)度(抗拉強(qiáng)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(wǎng)球球拍中應(yīng)用的例子公開在例如US3,975,017、US5,220，719和US2004/102，262中；它們?nèi)慷际褂昧虽X合金。因?yàn)樯鲜霾牧系拿芏认鄬^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(yīng)用中的每一種材料都受其個(gè)體性能(如密度、機(jī)械強(qiáng)度和韌性)的限制。然而，傳統(tǒng)上使用的材料并不能對這些應(yīng)用的所有需求提供令人滿意的解決方案，而且對于通常應(yīng)用的材料來說，需要有可替代的解決方案。因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有足夠的機(jī)械性能同時(shí)具有低重量的管，且所述管可用在腐蝕環(huán)境中。
發(fā)明內(nèi)容既定目的通過最初所限定的并具有權(quán)利要求l特征部分的特征的薄壁管來實(shí)現(xiàn)。管的尺寸被仔細(xì)地選擇，使得提供高機(jī)械穩(wěn)定性和強(qiáng)度，同時(shí)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(yīng)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(dāng)大改善的疲勞性能。根據(jù)本發(fā)明的薄壁管可具有任何常規(guī)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(rèn)為達(dá)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(fā)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(fā)明中的可析出硬化的不銹鋼的比強(qiáng)度，即抗拉強(qiáng)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(fā)明中的可析出硬化的不銹鋼的抗拉強(qiáng)度/彈性模量。圖4a-e展示了根據(jù)本發(fā)明的管的若干不同橫截面。圖5展示了根據(jù)本發(fā)明的薄壁管在網(wǎng)球球拍中的應(yīng)用。圖6展示了根據(jù)本發(fā)明的薄壁管在家具中的應(yīng)用。具體實(shí)施方式根據(jù)本發(fā)明，薄壁管包括具有以重量-%計(jì)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(xiàn)的雜質(zhì)。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(jì)。遮是在許多方面影響鋼的影響力強(qiáng)的元素。高碳含量將影響變形硬化，使得冷變形時(shí)強(qiáng)度將是較高的，并因此減少了鋼的韌性。然而，從腐蝕觀點(diǎn)來看，高碳含量可能是不利的，這是因?yàn)殡S著碳含量的增加，碳化鉻析出的風(fēng)險(xiǎn)也增加了。因此，應(yīng)保持較低的碳含量，最多0.07%，優(yōu)選最多為0.05%，以及更優(yōu)選最多為0.025%。逢是鐵素體形成元素且在更高含量時(shí)還會(huì)減少鋼的熱加工性能。Si的含量應(yīng)限制到最大1.5%，更優(yōu)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(zhuǎn)變。根據(jù)本發(fā)明，鋼中錳的最小含量按重量是0.2%。因?yàn)殇摫仨毦哂邢喈?dāng)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(yōu)選最多為3%，且更優(yōu)選為2.5°/。。硫是會(huì)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?yàn)樗鼈儗⑵鸬綌嘈计鞯淖饔谩Ｒ蚨?，硫的含量?yōu)選最少為0.01%,且更優(yōu)選最少為0.015%，以及最優(yōu)選最少為0.1%。然而，從抗腐蝕性的觀點(diǎn)來看，硫化物可能會(huì)在鋼中充當(dāng)起較薄弱區(qū)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(gè)含量應(yīng)是最高為0.4%，且優(yōu)選最高為0.3%。魚對于抗腐蝕性來說是必不可少的，且根據(jù)本發(fā)明必須在鋼中添加至少10%或者更優(yōu)選至少11.5%的量。然而，鉻也是較強(qiáng)的鐵素體形成元素，較高含量的鉻將會(huì)抑制在變形時(shí)馬氏體的形成。因此，鉻的含量必須限制在最多15%，優(yōu)選最多為14%。逢添加到根據(jù)本發(fā)明的鋼中，以平衡鐵素體形成元素，以便在退火時(shí)獲得奧氏體結(jié)構(gòu)。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(yōu)選至少為8%。太高的鎳含量將會(huì)限制變形時(shí)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(yōu)選為13%。鉭對根據(jù)本發(fā)明的鋼是必不可少的，因?yàn)槠溆兄阡摰目垢g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(yōu)選最少為2%，且最優(yōu)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(dá)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(yōu)選最大為5%。而且，根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員通常實(shí)踐的，希望Mo可部分地或完全地由鎢取代，同時(shí)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(wěn)定了期望的奧氏體結(jié)構(gòu)。適中含量時(shí)，銅還是增加韌性的元素。因此，最小含量是1%，且更優(yōu)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(yōu)選最高為2.5%。鼓可優(yōu)選地添加到合金中，這是因?yàn)槠涫怯糜谖龀鲇不挠辛υ?，并可因此存在，以便能夠使鋼硬化至期望的最終強(qiáng)度。然而，太高的鈦含量促進(jìn)鋼中鐵素體的形成，而且也增加脆性。因此，鈦的最高含量應(yīng)限制在2.5%，優(yōu)選為2%，且最優(yōu)選不多于1.5%。追添加到鋼中，以便改善熱處理時(shí)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(yīng)，最小含量應(yīng)為0.2%且優(yōu)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(yīng)為1.5%,或者更優(yōu)選最高為1.0%。氮是影響大的元素，這是因?yàn)樗鼘⒃黾討?yīng)變硬化，以及它在冷成型時(shí)將使奧氏體朝馬氏體轉(zhuǎn)變穩(wěn)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(yīng)限制在最高為0.1%,優(yōu)選為0.07%,且最優(yōu)選最高為0.05%。根據(jù)本發(fā)明所用的合金是具有超高強(qiáng)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(qiáng)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(jié)合了低重量和高荷載能力的較高的剛性，例如，如在3點(diǎn)荷載試驗(yàn)中所評定的。此外，這種合金適合于受到各種機(jī)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(yīng)用和期望的外觀條件。根據(jù)本發(fā)明的薄壁管可以成本有效方式來生產(chǎn)，例如通過常規(guī)冶金工藝接著是傳統(tǒng)上使用的熱成型工藝和冷成型工藝來達(dá)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?yàn)閿嗔哑鹗键c(diǎn)存在于合金表面上的危險(xiǎn)被減至最小。對于局部侵蝕攻擊的起始點(diǎn)而言，這同樣是有效的。根據(jù)本發(fā)明所使用的合金的一個(gè)具體實(shí)施例是具有以重量-%計(jì)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(xiàn)的雜質(zhì)管的穩(wěn)定性受管的壁厚和外側(cè)尺寸的影響。因此，可以借助于一個(gè)比率來表達(dá)，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(xì)=~^公式1."w根據(jù)本發(fā)明的薄壁管具有90-350的如公式1所定義的比率Rwt;且優(yōu)選為90-200。比率Rwt高度地依賴于所用的材料。為了展示這點(diǎn)，將上述合金具體實(shí)施例的性能與鋁合金和鈦合金進(jìn)行對比，鋁合金和鈦合金兩者都是在用于體育用品(例如網(wǎng)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(shè)計(jì)，那么壁厚需要更大，以補(bǔ)償較低的強(qiáng)度，這又導(dǎo)致相應(yīng)的Rwt比率從10到40，以便在使用相同外側(cè)尺寸時(shí)實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(shè)計(jì)與具體材料相結(jié)合，以獲得合適的剛性、荷載能力(強(qiáng)度)和重量，可使管的性能最優(yōu)化。當(dāng)將管截面設(shè)計(jì)成薄的壁厚來支持所施加的載荷時(shí)，例如在3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(qiáng)度和穩(wěn)定性損失了。當(dāng)使具有厚壁厚和低韌性的管過載，從而導(dǎo)致管截面開始皺折時(shí)，皺折區(qū)域中的局部應(yīng)變很可能會(huì)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(wǎng)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(fā)生較低程度的應(yīng)變。因此，荷載能力大幅下降的危險(xiǎn)對于薄壁管比對于較厚壁管來說大大減少，這是因?yàn)榻档土税櫿蹍^(qū)域內(nèi)的大應(yīng)變的危險(xiǎn)。此外，當(dāng)在低溫環(huán)境中使用時(shí)，與鋁相比，根據(jù)本發(fā)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(yīng)變和對環(huán)境溫度的快速適應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明所使用的合金可通過任何常規(guī)方法(如焊接、使用粘結(jié)劑或機(jī)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(huán)境應(yīng)用中，例如戶外運(yùn)動(dòng)的體育用品。這種合金不需要被涂漆或以其他方式保護(hù)以免遭受外部周圍事物/環(huán)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(shí)被涂漆或噴涂。漆的極佳粘著性可易于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，管的壁厚是0.1-1.5mm，這取決于管的指定應(yīng)用。優(yōu)選地，厚度小于0.3mm。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，管具有5-100mm的平均外徑，這取決于管的意圖應(yīng)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(yōu)選地，外徑等于或小于50mm。如圖4a-e所展示的，根據(jù)本發(fā)明的薄壁管可具有任意常規(guī)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(biāo)記在圖形中。根據(jù)本發(fā)明的薄壁管非常適合用于要求高機(jī)械強(qiáng)度、低重量、美觀外形和抗腐蝕的應(yīng)用中。這種應(yīng)用中的一個(gè)實(shí)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(wǎng)球球拍R，其中薄壁管可構(gòu)成球拍的框架F、桿S和/或手柄H部分。根據(jù)本發(fā)明的薄壁管的應(yīng)用的另一實(shí)施例是家具F，如圖6所展示的。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的薄壁管可構(gòu)成支撐結(jié)構(gòu)，例如椅子的椅腿L、扶手A或椅背B。根據(jù)本發(fā)明的薄壁管的應(yīng)用的又一實(shí)施例是手工工具。手工工具的一個(gè)實(shí)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(shí)施例是斧、冰斧、錘子、大錘或鐵條桿。此外，根據(jù)本發(fā)明的管還適合用于運(yùn)送工具，例如輪椅、雙輪車和手推車。這些是特別可能經(jīng)常遭受潮濕環(huán)境并因此需要具有高抗腐蝕性的全部應(yīng)用。實(shí)施例設(shè)計(jì)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(jì)的以下成分的可析出硬化的不銹鋼構(gòu)成C最多0.02Si最多0.5Mn最多0.5Cr12Ni9Mo4Cu2Ti0.9Al0.4余量Fe和通常出現(xiàn)的雜質(zhì)。壁厚設(shè)計(jì)成0.25mm且外徑設(shè)計(jì)成7mm，從而使得Rwt為112。權(quán)利要求1.薄壁管，其具有內(nèi)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(gòu)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(jù)權(quán)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(jì)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(zhì)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄壁管，其特征在于所述壁厚(w)小于3mm，優(yōu)選為0.1至1.5mm。4.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁管，其特征在于材料經(jīng)過析出硬化。6.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的薄壁管。9.根據(jù)權(quán)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(fā)等，其特征在于其包括根據(jù)權(quán)利要求l-7中的任一項(xiàng)的薄壁管。11.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的家具，其特征在于所述薄壁管呈支撐結(jié)構(gòu)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(jù)權(quán)利要求l-7中的任一項(xiàng)的薄壁管。13.運(yùn)送裝置，其特征在于其包括根據(jù)權(quán)利要求l-7中的任一項(xiàng)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(gòu)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(jī)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(yōu)先權(quán)日2005年10月17日發(fā)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(chǎn)權(quán)股份有限公司