CN101291754A - 管 - Google Patents

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CN101291754A CNA2006800387198A CN200680038719A CN101291754A CN 101291754 A CN101291754 A CN 101291754A CN A2006800387198 A CNA2006800387198 A CN A2006800387198A CN 200680038719 A CN200680038719 A CN 200680038719A CN 101291754 A CN101291754 A CN 101291754A
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Abstract

公开了一种薄壁管，其基本上由可析出硬化的不锈钢构成，并且具有为90－350的比率，该比率被定义为外管周长C除以π倍管壁厚w的平方。所述薄壁管非常适合用于重量和机械性能非常重要的体育用品或家具。

Description

管
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的薄壁管。
背景技术
现今，为低重量而设计的管应用被大量应用在体育、援救和安全设备以及各种手工工具的领域内。在实际使用中，这些管被设计出来为了低重量、坚硬和牢固。它们也应当能够抗疲劳、抗腐蚀和抗凹陷。
用于这些类型应用的轻重量的管主要以具有高比的刚性(弹性模量/密度)和高比的强度(抗拉强度/密度)比率的材料制造。常见的材料的例子是钛和铝合金以及叠层纤维，例如，玻璃和/或碳纤维。薄壁管在网球球拍中应用的例子公开在例如US 3,975,017、US 5,220,719和US 2004/102,262中；它们全部都使用了铝合金。
因为上述材料的密度相对较低，所以需要将管制成具有相对较厚的管壁，从而用在轻重量应用中的每一种材料都受其个体性能(如密度、机械强度和韧性)的限制。
然而，传统上使用的材料并不能对这些应用的所有需求提供令人满意的解决方案，而且对于通常应用的材料来说，需要有可替代的解决方案。
因此，本发明的目的是提供一种具有足够的机械性能同时具有低重量的管，且所述管可用在腐蚀环境中。
发明内容
既定目的通过最初所限定的并具有权利要求1特征部分的特征的薄壁管来实现。
管的尺寸被仔细地选择，使得提供高机械稳定性和强度，同时使重量保持在最小。
与铝和钛合金相比，使用上述的可析出硬化的不锈钢合金作为轻重量管应用中的材料的益处特别还有较低的重量、较高的刚性和相当大改善的疲劳性能。
根据本发明的薄壁管可具有任何常规横截面几何形状，例如大致的圆形、椭圆形、正方形、矩形、八边形和花生形。
在本文中，薄壁被认为达到3mm。
附图说明
图1展示了通常用于体育用品中的铝合金、钛合金以及用在本发明中的可析出硬化的不锈钢的比刚性，即弹性模量/密度。
图2展示了通常用于体育用品中的铝合金、钛合金以及用在本发明中的可析出硬化的不锈钢的比强度，即抗拉强度/密度。
图3展示了通常用于体育用品中的铝合金、钛合金以及用在本发明中的可析出硬化的不锈钢的抗拉强度/弹性模量。
图4a-e展示了根据本发明的管的若干不同横截面。
图5展示了根据本发明的薄壁管在网球球拍中的应用。
图6展示了根据本发明的薄壁管在家具中的应用。
具体实施方式
根据本发明，薄壁管包括具有以重量-％计的以下成分的可析出硬化的不锈钢合金：
C        最多0.07
Si            最多1.5
Mn            0.2-5
S             最多0.4
Cr            10-15
Ni            7-14
Mo+0.5W       1-8
Cu            1-3
Ti            最多2.5
Al            0.1-1.5
N             最多0.1
余量的Fe和通常出现的杂质。
为了充分理解成分对可析出硬化的不锈钢合金性能的影响，有必要分别地论述所有元素。所有元素含量都按重量百分比计。
碳是在许多方面影响钢的影响力强的元素。高碳含量将影响变形硬化，使得冷变形时强度将是较高的，并因此减少了钢的韧性。然而，从腐蚀观点来看，高碳含量可能是不利的，这是因为随着碳含量的增加，碳化铬析出的风险也增加了。因此，应保持较低的碳含量，最多0.07％，优选最多为0.05％，以及更优选最多为0.025％。
硅是铁素体形成元素且在更高含量时还会减少钢的热加工性能。Si的含量应限制到最大1.5％，更优选最多为1.0％。
锰是奥氏体形成元素，其以与镍相类似的方式使钢不易在冷变形中向马氏体转变。根据本发明，钢中锰的最小含量按重量是0.2％。因为钢必须具有相当大的马氏体含量以便析出硬化，所以锰含量必须为最多5％，优选最多为3％，且更优选为2.5％。
硫是会在钢中形成硫化物的元素。硫化物在加工过程中是有益的，这是因为它们将起到断屑器的作用。因而，硫的含量优选最少为0.01％，且更优选最少为0.015％，以及最优选最少为0.1％。然而，从抗腐蚀性的观点来看，硫化物可能会在钢中充当起较薄弱区域。此外，高的硫含量对热加工性能可能也是有害的。因此，这个含量应是最高为0.4％，且优选最高为0.3％。
铬对于抗腐蚀性来说是必不可少的，且根据本发明必须在钢中添加至少10％或者更优选至少11.5％的量。然而，铬也是较强的铁素体形成元素，较高含量的铬将会抑制在变形时马氏体的形成。因此，铬的含量必须限制在最多15％，优选最多为14％。
镍添加到根据本发明的钢中，以平衡铁素体形成元素，以便在退火时获得奥氏体结构。镍还是缓和冷变形硬化的重要元素。镍和诸如钛和铝的元素一起还有助于析出硬化。因此，镍的最少含量是7％，或者更优选至少为8％。太高的镍含量将会限制变形时形成马氏体的可能性。镍还是一种昂贵的合金元素。因此，镍的含量最大为14％，或优选为13％。
钼对根据本发明的钢是必不可少的，因为其有助于钢的抗腐蚀性。在析出硬化过程中，钼也是起作用元素。因此，最少含量是1％，或者优选最少为2％，且最优选最少为3％。然而，太高的钼含量将促使铁素体形成的含量达到可能在热加工过程中引起问题的程度。此外，高的钼含量还将抑制冷变形过程中马氏体的形成。因此，钼的含量最大至6％，且更优选最大为5％。而且，根据本领域的技术人员通常实践的，希望Mo可部分地或完全地由钨取代，同时仍可获得期望性能的合金。
铜是奥氏体形成元素，其和镍一起稳定了期望的奥氏体结构。适中含量时，铜还是增加韧性的元素。因此，最小含量是1％，且更优选至少为1.5％。另一方面，高含量的铜降低热加工性能，由此铜含量最高至3％，优选最高为2.5％。
钛可优选地添加到合金中，这是因为其是用于析出硬化的有力元素，并可因此存在，以便能够使钢硬化至期望的最终强度。然而，太高的钛含量促进钢中铁素体的形成，而且也增加脆性。因此，钛的最高含量应限制在2.5％，优选为2％，且最优选不多于1.5％。
铝添加到钢中，以便改善热处理时的硬化效果。已知铝和镍一起能形成金属间化合物，例如Ni3Al和NiAl。为了获得良好的硬化效应，最小含量应为0.2％且优选最小为0.3％。然而，铝是有力的铁素体形成元素，由此最高含量应为1.5％，或者更优选最高为1.0％。
氮是影响大的元素，这是因为它将增加应变硬化，以及它在冷成型时将使奥氏体朝马氏体转变稳定。氮还对氮化物形成元素(如钛、铝和铬)具有较高的亲合性。氮含量应限制在最高为0.1％，优选为0.07％，且最优选最高为0.05％。
根据本发明所用的合金是具有超高强度和高弹性模量的可析出硬化的不锈钢。由于这种合金的高比强度和高比刚性，可使用比其他合金壁厚更薄的壁厚。而且，可获得结合了低重量和高荷载能力的较高的刚性，例如，如在3点荷载试验中所评定的。
此外，这种合金适合于受到各种机械处理，例如弯曲、冲压、抛光、喷丸硬化等，这些处理取决于管的最终应用和期望的外观条件。根据本发明的薄壁管可以成本有效方式来生产，例如通过常规冶金工艺接着是传统上使用的热成型工艺和冷成型工艺来达到期望的最终尺寸。此外，由于合金表面适合于研磨和抛光，因此可得到光滑表面。这特别有益，因为断裂起始点存在于合金表面上的危险被减至最小。对于局部侵蚀攻击的起始点而言，这同样是有效的。
根据本发明所使用的合金的一个具体实施例是具有以重量-％计的以下成分的可析出硬化的不锈钢合金：
C             最多0.02
Si            最多0.5
Mn            最多0.5
Cr            12
Ni            9
Mo            4
Cu            2
Ti            0.9
Al            0.4
余量Fe和通常出现的杂质。
管的稳定性受管的壁厚和外侧尺寸的影响。因此，可以借助于一个比率来表达，该比率在下文中被命名为Rwt，并用公式1定义，其中C是周长，而w是管的壁厚。
公式1. Rwt = C πw 2
根据本发明的薄壁管具有90-350的如公式1所定义的比率Rwt；且优选为90-200。比率Rwt高度地依赖于所用的材料。为了展示这点，将上述合金具体实施例的性能与铝合金和钛合金进行对比，铝合金和钛合金两者都是在用于体育用品(例如网球球拍的杆或手柄)的薄壁管中通常使用的，见表1。这也显示在图1-3中。
表1
  性能   铝7075 T6   钛Gr9   根据本发明所用合金的实施例
  弹性模量[GPa]   70   108   205
  密度[kg/m3]   2700   4540   7800
  泊松比   0.3   0.3   0.3
  屈服强度[MPa]   528   850   1800
  抗拉强度[MPa]   581   950   2000
  弹性模量/密度   0.026   0.024   0.026
  屈服强度/密度   0.196   0.187   0.231
  抗拉强度/密度   0.215   0.209   0.256
  屈服强度/弹性模量   7.54   7.87   8.78
  抗拉强度/弹性模量   8.30   8.80   9.76
如果用铝设计，那么壁厚需要更大，以补偿较低的强度，这又导致相应的Rwt比率从10到40，以便在使用相同外侧尺寸时实现可比得上的刚性。相同条件下，钛合金的Rwt比率范围为从25到85。
与铝合金和钛合金相比，使用上述的可析出硬化的不锈钢合金作为轻重量杆应用中的材料的益处特别是较低的重量、较高的刚性和重大改善的疲劳性能。
对于期望的条件，通过将几何形状设计与具体材料相结合，以获得合适的刚性、荷载能力(强度)和重量，可使管的性能最优化。当将管截面设计成薄的壁厚来支持所施加的载荷时，例如在3点弯曲试验中，还必须考虑到成椭圆形、表面光滑度和皱折。这是由于与较厚壁部分相比，薄壁的局部强度和稳定性损失了。
当使具有厚壁厚和低韧性的管过载，从而导致管截面开始皱折时，皱折区域中的局部应变很可能会引起大面积断裂，由此引起尖锐边缘的形成。例如，这样的尖锐边缘可能引起损害，例如伤害网球球拍等的使用者。如果采用了较薄的壁厚的话，那么可能发生较低程度的应变。因此，荷载能力大幅下降的危险对于薄壁管比对于较厚壁管来说大大减少，这是因为降低了皱折区域内的大应变的危险。
此外，当在低温环境中使用时，与铝相比，根据本发明的薄壁管有较低的热膨胀和较低的热容，由此确保了最小程度的热引起的应变和对环境温度的快速适应。
根据本发明所使用的合金可通过任何常规方法(如焊接、使用粘结剂或机械接合)来连接到其他部件或元件。这种合金具有高的抗腐蚀性，因此适合用于例如潮湿环境应用中，例如户外运动的体育用品。这种合金不需要被涂漆或以其他方式保护以免遭受外部周围事物/环境的影响。然而，如果需要的话，合金表面也可在希望有特定外观(如颜色)时被涂漆或喷涂。漆的极佳粘着性可易于实现。
根据本发明的实施方案，管的壁厚是0.1-1.5mm，这取决于管的指定应用。优选地，厚度小于0.3mm。
根据本发明的另一实施方案，管具有5-100mm的平均外径，这取决于管的意图应用，在这种情况下的平均直径被定义为管横截面的最大外围距离1和最小外围距离2的平均值，如图4e所表示的那样。优选地，外径等于或小于50mm。
如图4a-e所展示的，根据本发明的薄壁管可具有任意常规横截面几何形状，例如大致的圆形(图4a)、椭圆形(图4b)、正方形(图4c)、矩形、八边形(图4d)或者花生形(图4e)。壁厚w和周长C被标记在图形中。
根据本发明的薄壁管非常适合用于要求高机械强度、低重量、美观外形和抗腐蚀的应用中。这种应用中的一个实施例是体育用品，例如球拍、棒球球棒、滑雪杖、掷石游戏杆或扫帚、冰球杆、自行车框架等。图5显示了网球球拍R，其中薄壁管可构成球拍的框架F、杆S和/或手柄H部分。
根据本发明的薄壁管的应用的另一实施例是家具F，如图6所展示的。在这种情况下，根据本发明的薄壁管可构成支撑结构，例如椅子的椅腿L、扶手A或椅背B。
根据本发明的薄壁管的应用的又一实施例是手工工具。手工工具的一个实施例是园艺工具，例如整枝剪、靶子或铲子。手工工具的其他实施例是斧、冰斧、锤子、大锤或铁条杆。
此外，根据本发明的管还适合用于运送工具，例如轮椅、双轮车和手推车。这些是特别可能经常遭受潮湿环境并因此需要具有高抗腐蚀性的全部应用。
实施例
设计了一种薄壁管用作羽毛球球拍的杆，这种管由具有以重量百分比计的以下成分的可析出硬化的不锈钢构成：
C             最多0.02
Si            最多0.5
Mn            最多0.5
Cr            12
Ni            9
Mo            4
Cu            2
Ti            0.9
Al            0.4
余量Fe和通常出现的杂质。
壁厚设计成0.25mm且外径设计成7mm，从而使得Rwt为112。

Claims (13)

1.薄壁管，其具有内周长、壁厚(w)和外周长(C)，其特征在于：其基本上由可析出硬化的不锈钢合金构成并具有90-350的比率，所述比率被定义为外周长(C)除以π倍壁厚(w)的平方。
2.根据权利要求1所述的薄壁管，其特征在于：所述合金具有以重量百分比计的以下成分：
C          最多0.07
Si         最多1.5
Mn         0.2-5
S          最多0.4
Cr         10-15
Ni         7-14
Mo+0.5W    1-8
Cu         1-3
Ti         最多2.5
Al         0.1-1.5
N          最多0.1
余量的Fe和通常存在的杂质。
3.根据权利要求1所述的薄壁管，其特征在于：所述壁厚(w)小于3mm，优选为0.1至1.5mm。
4.根据权利要求1所述的薄壁管，其特征在于：其具有5至10mm的平均外径。
5.根据权利要求1所述的薄壁管，其特征在于：材料经过析出硬化。
6.根据权利要求1所述的薄壁管，其特征在于：其具有大致的圆形或八边形横截面。
7.根据权利要求1所述的薄壁管，其特征在于：其具有大致的椭圆形、正方形、矩形或花生形横截面。
8.体育用品，其特征在于：其包括根据前述权利要求中任一项的薄壁管。
9.根据权利要求8所述的体育用品，其特征在于：所述薄壁管呈杆(S)、手柄(H)、框架(F)、横杆件等的形式。
10.家具，例如椅子、沙发等，其特征在于：其包括根据权利要求1-7中的任一项的薄壁管。
11.根据权利要求10所述的家具，其特征在于：所述薄壁管呈支撑结构的形式，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：其包括根据权利要求1-7中的任一项的薄壁管。
13.运送装置，其特征在于：其包括根据权利要求1-7中的任一项的薄壁管。
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