JP7384553B2 - 車椅子フレーム用二相ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、車椅子フレーム用二相ステンレス鋼に関する。
車椅子は、手動車椅子および電動車椅子に大別されるが、いずれの車椅子においても、少なくともアームパイプ、フロントパイプ、レッグパイプ、シートパイプ、バックパイプおよびベースパイプを備える主フレームを有する。特に折りたたみ可能な車椅子においては、折りたたみ式のＸフレーム（折りたたみフレームともいう）が用いられる。
従来、主フレームの材料としては、例えば、アルミニウム合金、普通鋼、ステンレス、チタン合金、カーボンファイバなど様々な材料が用いられてきた。中でも、アルミニウム合金は、軽量であり、ある程度の強度を有していることから、主フレームの材料として多用されている。また、病院内での一次利用に限定される車椅子の場合には、使用頻度が少ないため、軽量であることよりも安価であることが求められることが多く、そのような車椅子の主フレームの材料には、アルミニウム合金よりも安価な普通鋼をめっきした材料が用いられることがある。また、入浴用の車椅子などにおいては、ＳＵＳ３０４などのステンレスが主フレームの材料として用いられる。さらに、競技用の車椅子などにおいては、チタン合金、カーボンファイバなど軽量で、高強度の材料が主フレームの材料として用いられることがある。
例えば、特許文献１には、主フレームの材質として、「鉄、アルミニウム、ステンレス、カーボンの何れか」を用いることが開示されている。また、主フレームの材料として、特許文献２には、マルテンサイトを主相とする複相組織またはマルテンサイト単相組織のステンレス鋼を用いることが開示され、特許文献３には、フェライト－マルテンサイト複合組織のステンレス鋼を用いることが開示され、特許文献４～７には、ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが開示されている。
ここで、車椅子の主フレームには、軽量であることと、耐久性および安全性に優れていることが求められる。主フレームにアルミニウム合金を用いた車椅子は、軽量であり、ある程度の強度を有しているものの、主フレームにステンレス鋼を用いた車椅子に比べて故障しやすいという問題がある。一方、ステンレス鋼は、アルミニウム合金に比べて強度が高いというメリットがあるが、アルミニウム合金よりも重いため、主フレームの材料にこれらの材料を用いると、車椅子の総重量が重たくなり、操作性が悪くなるという問題がある。
特に、特許文献２で開示されたマルテンサイトを主相とする複相組織またはマルテンサイト単相組織のステンレス鋼は、ステンレス鋼の中で強度が高いという点で優れているが、錆が発生しやすいという問題があり、このステンレス鋼を主フレームに用いる場合には、表面にめっき処理を施す必要があり、製造コストを上昇させる。
特許文献３に開示されたフェライト－マルテンサイト複合組織のステンレス鋼は、高硬度という特徴と有しているが、焼入れ－焼戻し工程の追加及びサビが発生しやすいため、このステンレス鋼を主フレームに用いると、表面にめっき処理を施す必要があり、製造コストを上昇させる。
特許文献４～７に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼は、ステンレス鋼の中で強度が低いため、このステンレス鋼を主フレームに用いると、耐久性を高めるためには質量が増加するという問題がある。
特許文献３に開示されたフェライト－マルテンサイト複合組織のステンレス鋼は、高硬度という特徴と有しているが、焼入れ－焼戻し工程の追加及びサビが発生しやすいため、このステンレス鋼を主フレームに用いると、表面にめっき処理を施す必要があり、製造コストを上昇させる。
特許文献４～７に開示されたオーステナイト系ステンレス鋼は、ステンレス鋼の中で強度が低いため、このステンレス鋼を主フレームに用いると、耐久性を高めるためには質量が増加するという問題がある。
本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、耐久性、安全性および軽量性に優れる車椅子を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の目的を達成するために、鋭意研究を重ねた結果、フェライト－オーステナイトの二相ステンレス鋼（以下、単に「二相ステンレス鋼」と呼ぶ。）に着目した。二相ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼と比較して優れた防錆性を有しているため、めっき処理を要しない上、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して格段に強度が高いため、薄肉化が容易であり、車椅子の軽量化にも寄与する。
そして、二相ステンレス鋼であれば、薄肉化による軽量化が可能であるので、これを車椅子の主フレーム全体に用いてもその他のステンレス鋼に用いる場合に比べて、優れた耐久性および安全性を備え、かつ十分に軽量な車椅子を製造することが可能であることを見出し、本発明を完成させた。
ただし、二相ステンレス鋼といえども、アルミニウム合金に比べると比重が大きいため、主フレーム全体にアルミニウム合金を用いた車椅子に比べると質量の増加を避けるのは困難である。ここで、アルミニウム合金製の車椅子の故障の原因について調査したところ、故障が発生したアルミニウム合金製の車椅子の殆どが、Ｘフレームにて故障し、特に、交差パイプ同士を接続するボルト近傍において破損し、その結果、耐久性および安全性を劣化させていることが判明した。よって、主フレームのうち、故障が発生しやすいＸフレームのみを耐久性に優れる二相ステンレス鋼に置き換え、その他の構成部材にはアルミニウム合金を用いることが好ましい。
本発明は、下記の発明を要旨とする。
（１）車椅子の主フレームに用いる二相ステンレス鋼であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０６％以下、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：０．５～５．０％、
Ｃｒ：１９．０～２４．０％、
Ｎｉ：０．５０～４．０％、
Ｃｕ：０．１～３．０％、
Ｎ：０．０６～０．２５％、
Ｍｏ：０～１．０％、
Ｖ：０～０．５％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ａｌ：０～０．１０％、
Ｃｏ：０～０．５％、
Ｎｂ：０～０．２％、
Ｔｉ：０～０．２％、
Ｗ：０～０．２％、
Ｂ：０～０．００５０％、
Ｓｎ：０～０．２％、
Ｓｂ：０～０．２％、
Ｚｒ：０～０．５％、
Ｔａ：０～０．１％、
ＲＥＭ：０～０．１０％、
残部Ｆｅおよび不純物である化学組成を有する、
車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。
（１）車椅子の主フレームに用いる二相ステンレス鋼であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０６％以下、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：０．５～５．０％、
Ｃｒ：１９．０～２４．０％、
Ｎｉ：０．５０～４．０％、
Ｃｕ：０．１～３．０％、
Ｎ：０．０６～０．２５％、
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Ｗ：０～０．２％、
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Ｓｎ：０～０．２％、
Ｓｂ：０～０．２％、
Ｚｒ：０～０．５％、
Ｔａ：０～０．１％、
ＲＥＭ：０～０．１０％、
残部Ｆｅおよび不純物である化学組成を有する、
車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。
（２）質量％で、
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｃｒ：１９．０～２３．０％、
Ｎｉ：１．０～２．５％である
上記（１）の車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｃｒ：１９．０～２３．０％、
Ｎｉ：１．０～２．５％である
上記（１）の車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。
（３）前記主フレームが、少なくともアームパイプ、フロントパイプ、レッグパイプ、シートパイプ、バックパイプ、ベースパイプおよびＸフレームを備え、
少なくとも前記Ｘフレームに用いられるステンレス鋼である、
上記（１）または（２）の車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。
少なくとも前記Ｘフレームに用いられるステンレス鋼である、
上記（１）または（２）の車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。
本発明の二相ステンレス鋼によれば、薄肉化による軽量化が可能であるので、車椅子の主フレームに用いると、優れた耐久性および安全性を備え、かつ十分に軽量な車椅子を提供することが可能となる。
１．車椅子フレーム用二相ステンレス鋼の化学組成について
車椅子フレーム用二相ステンレス鋼としては、下記の化学組成を有するステンレス鋼を用いる。なお、以下の説明において、各元素の含有量についての「％」は「質量％」を意味する。
車椅子フレーム用二相ステンレス鋼としては、下記の化学組成を有するステンレス鋼を用いる。なお、以下の説明において、各元素の含有量についての「％」は「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０６％以下
Ｃは、フェライト相に固溶あるいはＣｒ炭化物を形成して耐酸化性を阻害する。一方、Ｃは、炭化物を形成し、鋼の強化及びフェライト粒の微細化に有効な元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めるために有効である。しかし、Ｃは、多量に添加されると加工性の劣化を招く。このような観点から、Ｃは、０．０６％とするのがよい。ただし、Ｃを過度に低減することは製鋼段階でのコスト増加を招くため、その下限値は０．０００５％とするのがよい。なお、安定的な製造性の観点からは０．００１５％以上とすることが好ましい。
Ｃは、フェライト相に固溶あるいはＣｒ炭化物を形成して耐酸化性を阻害する。一方、Ｃは、炭化物を形成し、鋼の強化及びフェライト粒の微細化に有効な元素であり、オーステナイト組織の安定性を高めるために有効である。しかし、Ｃは、多量に添加されると加工性の劣化を招く。このような観点から、Ｃは、０．０６％とするのがよい。ただし、Ｃを過度に低減することは製鋼段階でのコスト増加を招くため、その下限値は０．０００５％とするのがよい。なお、安定的な製造性の観点からは０．００１５％以上とすることが好ましい。
Ｓｉ：１．５％以下
Ｓｉは、溶製時の脱酸元素として活用する場合や、耐酸化性の向上のために積極的に添加する場合がある。また、フェライト安定化元素でもある。ただし、多量の添加は材質硬質化による加工性の低下を招くことがあるため、上限は１．５％とするのがよい。加工性、安定製造性の観点からは０．３０％以下とすることが好ましく、さらに０．２０％以下とすることが好ましい。さらに加工性、安定製造性を確実にするために０．１５％以下にすることが望ましい。ただし、脱酸の観点から、０．０３％以上とすることが好ましい。極低Ｓｉ化はコスト増加を招くためその下限を０．０１％とすることが好ましい。
Ｓｉは、溶製時の脱酸元素として活用する場合や、耐酸化性の向上のために積極的に添加する場合がある。また、フェライト安定化元素でもある。ただし、多量の添加は材質硬質化による加工性の低下を招くことがあるため、上限は１．５％とするのがよい。加工性、安定製造性の観点からは０．３０％以下とすることが好ましく、さらに０．２０％以下とすることが好ましい。さらに加工性、安定製造性を確実にするために０．１５％以下にすることが望ましい。ただし、脱酸の観点から、０．０３％以上とすることが好ましい。極低Ｓｉ化はコスト増加を招くためその下限を０．０１％とすることが好ましい。
Ｍｎ：０．５～５．０％
Ｍｎは、溶製時の脱酸剤として添加される元素であり、また、オーステナイト単相域を拡大し組織の安定化に寄与する。過度に添加すると、粗大介在物が生成して、加工性が劣化するので、上限を５．０％とするのがよい。下限は特に定めないが、オーステナイト相の確実な安定化と加工性の観点から、０．５％以上が好ましい。特に、オーステナイト相安定化と製造コスト抑制の観点からは、下限を２．０％とするのが好ましく、上限を４．０％とするのが好ましい。
Ｍｎは、溶製時の脱酸剤として添加される元素であり、また、オーステナイト単相域を拡大し組織の安定化に寄与する。過度に添加すると、粗大介在物が生成して、加工性が劣化するので、上限を５．０％とするのがよい。下限は特に定めないが、オーステナイト相の確実な安定化と加工性の観点から、０．５％以上が好ましい。特に、オーステナイト相安定化と製造コスト抑制の観点からは、下限を２．０％とするのが好ましく、上限を４．０％とするのが好ましい。
Ｃｒ：１９．０～２４．０％
Ｃｒは、ステンレス鋼の基本元素であり、耐酸化性や耐食性確保のために必須な元素である。１９．０％未満では、これらの効果は発現しないので、下限を１９．０％以上とするのがよい。耐酸化性の観点からは２０．５％以上にすることが望ましい。一方で、２４．０％超ではオーステナイト単相域が縮小し、Ｃ、Ｎと化合物を形成して製造時の熱間加工性を損ねるため、上限を２４．０％とするのがよい。好ましくは、２３．０％以下である。
Ｃｒは、ステンレス鋼の基本元素であり、耐酸化性や耐食性確保のために必須な元素である。１９．０％未満では、これらの効果は発現しないので、下限を１９．０％以上とするのがよい。耐酸化性の観点からは２０．５％以上にすることが望ましい。一方で、２４．０％超ではオーステナイト単相域が縮小し、Ｃ、Ｎと化合物を形成して製造時の熱間加工性を損ねるため、上限を２４．０％とするのがよい。好ましくは、２３．０％以下である。
Ｎｉ：０．５０～４．０％
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト相を安定化させる元素であって、耐酸化性の面では、Ｍｎよりも優れた効力を有する。よって、Ｎｉ含有量は０．５０％以上とするのがよい。Ｎｉの含有量は、好ましくは、１．０％以上である。一方、過度なＮｉの添加は熱間加工性を低下させるために、４．０％以下とする。加工性を高める観点から、Ｎｉは３．０％以下とすることが好ましく、２．５％以下とすることがより好ましい。
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト相を安定化させる元素であって、耐酸化性の面では、Ｍｎよりも優れた効力を有する。よって、Ｎｉ含有量は０．５０％以上とするのがよい。Ｎｉの含有量は、好ましくは、１．０％以上である。一方、過度なＮｉの添加は熱間加工性を低下させるために、４．０％以下とする。加工性を高める観点から、Ｎｉは３．０％以下とすることが好ましく、２．５％以下とすることがより好ましい。
Ｃｕ：０．１～３．０％
Ｃｕは、オーステナイト安定化元素である。更に隙間腐食や孔食の進展抑制に効果があり、そのためには０．１％以上含有させるのがよい。ただし、過剰な添加は、熱間加工性を低下させるため、３．０％以下とするのがよい。好ましくは、２．０％以下である。
Ｃｕは、オーステナイト安定化元素である。更に隙間腐食や孔食の進展抑制に効果があり、そのためには０．１％以上含有させるのがよい。ただし、過剰な添加は、熱間加工性を低下させるため、３．０％以下とするのがよい。好ましくは、２．０％以下である。
Ｎ：０．０６～０．２５％
Ｎは、オーステナイト相安定化元素であり、かつ、侵入型の有効な固溶強化元素である。添加効果を得るため、０．０６％以上とするのがよい。ただし、過剰な添加は、窒化物の析出を招き、必要な強度、オーステナイト相の安定性がともに得られない。また、加工性の観点から、上限を０．２５％とするのがよい。好ましくは、０．２０％以下である。
Ｎは、オーステナイト相安定化元素であり、かつ、侵入型の有効な固溶強化元素である。添加効果を得るため、０．０６％以上とするのがよい。ただし、過剰な添加は、窒化物の析出を招き、必要な強度、オーステナイト相の安定性がともに得られない。また、加工性の観点から、上限を０．２５％とするのがよい。好ましくは、０．２０％以下である。
Ｍｏ：０～１．０％
Ｍｏは耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて添加してもよい。Ｍｏは原子半径が大きいために固溶強化能が強く、結果として鋼を硬くして加工性を悪くするので、過度な添加は好ましくない。そのため、Ｍｏの添加量の上限は、１．０％とするのがよい。Ｍｏの添加量の上限は、０．５％以下とすることが好ましい。Ｍｏの上記の効果は、０．０１％以上で顕著となる。
Ｍｏは耐食性を向上させる元素であり、必要に応じて添加してもよい。Ｍｏは原子半径が大きいために固溶強化能が強く、結果として鋼を硬くして加工性を悪くするので、過度な添加は好ましくない。そのため、Ｍｏの添加量の上限は、１．０％とするのがよい。Ｍｏの添加量の上限は、０．５％以下とすることが好ましい。Ｍｏの上記の効果は、０．０１％以上で顕著となる。
Ｖは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、硬質化を招くので、その含有量は、０．５％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０８％であり、好ましい上限は、０．１２％である。
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ｃａは、脱酸元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、耐食性低下に繋がるので、その含有量は、０．０１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０００３％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０００５％であり、好ましい上限は、０．００５０％である。
Ｃａは、脱酸元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、耐食性低下に繋がるので、その含有量は、０．０１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０００３％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０００５％であり、好ましい上限は、０．００５０％である。
Ａｌ：０～０．１００％、
Ａｌは、脱酸元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、表面疵や割れの問題に繋がるので、その含有量は、０．１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０１５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０２０％であり、好ましい上限は、０．０５０％である。
Ａｌは、脱酸元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、表面疵や割れの問題に繋がるので、その含有量は、０．１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０１５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０２０％であり、好ましい上限は、０．０５０％である。
Ｃｏ：０～０．５０％、
Ｃｏは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、熱間加工性の低下を招くので、その含有量は、０．５０％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０８％であり、好ましい上限は、０．２０％である。
Ｃｏは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、熱間加工性の低下を招くので、その含有量は、０．５０％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０８％であり、好ましい上限は、０．２０％である。
Ｎｂ：０～０．２０％、
Ｎｂは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、硬質化を招くので、その含有量は、０．２０％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０５％であり、好ましい上限は、０．１０％である。
Ｎｂは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、硬質化を招くので、その含有量は、０．２０％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０５％であり、好ましい上限は、０．１０％である。
Ｔｉ：０～０．２００％、
Ｔｉは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、硬質化を招くので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｔｉは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、硬質化を招くので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｗ：０～０．２００％、
Ｗは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、硬質化を招くので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｗは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、硬質化を招くので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｂ：０～０．００５０％、
Ｂは、熱間加工性を向上させる効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、かえって熱間加工性が劣化するので、その含有量は、０．００５０％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０００２％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０００５％であり、好ましい上限は、０．００２０％である。
Ｂは、熱間加工性を向上させる効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、かえって熱間加工性が劣化するので、その含有量は、０．００５０％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．０００２％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０００５％であり、好ましい上限は、０．００２０％である。
Ｓｎ：０～０．２００％、
Ｓｎは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、熱間加工性低下に繋がるので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００３％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．００５％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｓｎは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、熱間加工性低下に繋がるので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００３％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．００５％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｓｂ：０～０．２００％、
Ｓｂは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、熱間加工性低下に繋がるので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００３％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．００５％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｓｂは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、熱間加工性低下に繋がるので、その含有量は、０．２００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００３％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．００５％であり、好ましい上限は、０．１５０％である。
Ｚｒ：０～０．５００％、
Ｚｒは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。０．５％程度の添加で効果は飽和し、それ以上の添加はコスト増加に繋がるので、その含有量は、０．５００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．２００％である。
Ｚｒは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。０．５％程度の添加で効果は飽和し、それ以上の添加はコスト増加に繋がるので、その含有量は、０．５００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．２００％である。
Ｔａ：０～０．１００％、
Ｔａは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、常温での延性や靭性の低下を招くので、その含有量は、０．１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．０５０％である。
Ｔａは、耐食性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、常温での延性や靭性の低下を招くので、その含有量は、０．１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．０５０％である。
ＲＥＭ：０～０．１００％
ＲＥＭは、耐酸化性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、耐食性や穴拡げ性が劣化するので、その含有量は、０．１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００２％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．０５０％である。なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。
ＲＥＭは、耐酸化性向上効果を有する元素であり、必要に応じて添加してもよい。過度な添加は、耐食性や穴拡げ性が劣化するので、その含有量は、０．１００％以下とするのがよい。上記の効果を発揮させるには、その含有量を０．００２％以上とするのが好ましい。好ましい下限は、０．０１０％であり、好ましい上限は、０．０５０％である。なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。
車椅子フレーム用二相ステンレス鋼の化学組成は、上記の元素を含み、残部はＦｅおよび不純物である。なお、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。不純物元素としては、例えば、下記のＰ、Ｓなどが挙げられる。それぞれ下記の範囲まで許容できる。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは、原料である溶銑やフェロクロム等の主原料中に不純物として含まれる元素である。熱間加工性に対しては有害な元素であるため、０．０４０％以下とするのがよい。なお、好ましくは０．０３０％以下である。過度な低減は高純度原料の使用を必須にするなど、コストの増加に繋がるため０．０１０％以上とするのがよい。経済的に好ましくは、０．０２０％以上にすることが望ましい。
Ｐは、原料である溶銑やフェロクロム等の主原料中に不純物として含まれる元素である。熱間加工性に対しては有害な元素であるため、０．０４０％以下とするのがよい。なお、好ましくは０．０３０％以下である。過度な低減は高純度原料の使用を必須にするなど、コストの増加に繋がるため０．０１０％以上とするのがよい。経済的に好ましくは、０．０２０％以上にすることが望ましい。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、硫化物系介在物を形成し、鋼材の一般的な耐食性（全面腐食や孔食）を劣化させるため、その含有量の上限は少ないほうが好ましく、０．０３０％とするのがよい。また、Ｓの含有量は少ないほど耐食性は良好となるが、低Ｓ化には脱硫負荷が増大し、製造コストが増大するので、その下限を０．０００１％とするのが好ましい。なお、好ましい上限は０．００１０％である。
Ｓは、硫化物系介在物を形成し、鋼材の一般的な耐食性（全面腐食や孔食）を劣化させるため、その含有量の上限は少ないほうが好ましく、０．０３０％とするのがよい。また、Ｓの含有量は少ないほど耐食性は良好となるが、低Ｓ化には脱硫負荷が増大し、製造コストが増大するので、その下限を０．０００１％とするのが好ましい。なお、好ましい上限は０．００１０％である。
２．車椅子の構成について
以下、本発明に係る車椅子フレーム用二相ステンレス鋼を用いることができる、車椅子の構成について説明する。
以下、本発明に係る車椅子フレーム用二相ステンレス鋼を用いることができる、車椅子の構成について説明する。
図１および図２に示すように、車椅子１は、主フレーム１０として、少なくともアームパイプ１１、フロントパイプ１２、レッグパイプ１３、シートパイプ１４、バックパイプ１５、ベースパイプ１７およびＸフレーム１８を備える。主フレーム１０には、バックレストパイプ１６、主輪（後輪）２１、駆動輪（前輪）２２、シート２３、バックレスト２４、フットレスト２５、アームレスト２６、グリップ２７などの各種の部品が取り付けられることがあり、例えばバックレストパイプ１６、バックレスト２４、グリップ２７は介助者が車椅子を移動させるときに取り付けられることがある。また、ベースパイプ１７の後端には、ティッイングレバー１９を備え付けられる場合があり、これは、介助者が車椅子１の前輪２２を上げるときに踏むためのレバーである。
上述したように、車椅子の故障の多くがＸフレーム１８に起因するものであるが、本発明者らが更に検討した結果、Ｘフレーム１８が破損するのは、主に以下の原因によるものと考えられた。即ち、Ｘフレーム１８は車椅子使用時に撓みが発生するが、アルミニウム合金は、ヤング率が低いため、撓み量が大きく、Ｘフレームのボルト部、溶接部などに大きな伸縮が発生する。また、アルミニウム合金は、硬度が低いため、磨耗しやすく乗り降り時や走行時の揺れにより、ボルト穴が伸縮する。その結果、ボルト穴は、ボルトと擦れることにより磨耗（穴が変形）する。これにより負荷バランスが崩れボルト近傍または溶接部などから破損する。また、アルミニウム合金は、耐磨耗性低いため、繰返し荷重（乗り降り）によってボルト近傍から破損するか、ボルト穴変形することにより負荷バランスが崩れ他の部位に応力集中して破損しやすい。
一方、本発明の車椅子は、アームパイプ１１、フロントパイプ１２、レッグパイプ１３、シートパイプ１４、バックパイプ１５、およびベースパイプ１７が、アルミニウム合金で構成され、Ｘフレーム１８がステンレス鋼で構成される。ステンレス鋼はヤング率がアルミニウム合金の約３倍であり撓み量が少なく、表面硬度も高いため耐磨耗性にも優れており、上記の破損原因についてアルミニウム合金よりも高い耐久性を備えることができる。また、耐力以上の荷重が掛かった場合、耐力と引張強さの差が小さいアルミニウム合金は僅かな変形ですぐ破損に至ることが多いが、ステンレス鋼は耐力と引張強さの差が大きいため変形のみで破損に至ることが少ない。したがって、耐久性および安全性に優れた車椅子が得られる。また、主フレームを構成する多くの部材にアルミニウム合金を用いるため、軽量性にも優れる。
また、本発明の車椅子の付随的な効果として、乗り心地の改善が挙げられる。つまり、Ｘフレームは、車椅子の乗り心地に影響する重要箇所である。前述のように、アルミニウム合金は、ヤング率が低いため、撓み量が多く走行時の上下の揺れが大きくなりやすく、揺れが収まるまでの時間がかかる。その結果、乗り心地を悪化させる要因となっている。
これに対して、車椅子１のＸフレーム１８のみを本発明に係る車椅子フレーム用二相ステンレス鋼で構成することとすれば、アルミニウム合金を用いる場合に比べて、撓みが発生しにくく、走行時の上下の揺れが小さいため揺れもすぐに収まる。その結果、本発明の車椅子１の乗り心地は、主フレームの全てをアルミニウム合金で構成した車椅子に比べて、格段に優れたものとなる。
図３に示すように、Ｘフレーム１８は、一組の下パイプ３１、一組の上パイプ３２、二組のクロスパイプ３３を備え、クロスパイプ３３は、ボルトなどの係止具３４で回転可能な状態で接続されている。Ｘフレーム１８において、一組の下パイプ３１を省略し、クロスパイプ３３が、ベースパイプ１７に直接取り付けられることがある。この場合、本発明に係る車椅子フレーム用二相ステンレス鋼で構成される二組のクロスパイプ３３が、アルミニウム合金で構成されるベースパイプ１７に接触することになるため、異種金属接触腐食の問題が発生するおそれがある。このため、少なくともベースパイプ１７としては、表面にアルマイト皮膜もしくは絶縁体を備えるものを用いるのがよい。
Ｘフレーム１８は、例えば、板幅１０～１００ｍｍ、板厚０．５～５．０ｍｍ二相ステンレス鋼のフラットバー、もしくは、外径１０～３０ｍｍ、肉厚０．５～３．０ｍｍの二相ステンレス鋼のパイプ、で構成されていることが好ましい。パイプで構成される場合、外径または肉厚が小さすぎる場合には、十分な強度が得られない。また、外径が大きすぎると、車椅子１内の限られたスペースでＸフレーム１８を組み込むのが困難となり、また、車椅子１の重量を過剰に増加させる。
なお、図３はＸフレームの基本的な仕様を示すものであり、様々な形態があり得る。例えば、下パイプや上パイプを省略する場合や、パイプではなくフラットバーを用いることもあり得る。また、下パイプの一方をパイプ、もう一方をフラットバーにするなど、使用条件に応じて、適宜設計変更することができる。
なお、Ｘフレーム１８は、断面形状が円形または楕円形の円筒状のパイプのほか、断面形状が四角形のような多角形の角筒状のパイプを用いることもできる。
（製造方法）
本発明におけるステンレス鋼の製造方法は特に限定されない。公知の手段（例えば電気炉）により溶製された鋼を連続鋳造機で１５０～２５０ｍｍ厚のスラブに鋳造し、必要に応じて表面を研削した後、熱間圧延機で熱間圧延を行って熱延鋼帯とする。熱延鋼帯を焼鈍・酸洗した後、引き続き冷間圧延と焼鈍を繰り返して所望厚みの鋼板とする。仕上げ焼鈍は焼鈍酸洗仕上げ（２Ｂ仕上げ）でも、無酸化雰囲気で焼鈍するＢＡ仕上げでも構わない。また、熱間圧延や冷間圧延の温度や時間は、鋼種に応じて適宜設定すればよい。
本発明におけるステンレス鋼の製造方法は特に限定されない。公知の手段（例えば電気炉）により溶製された鋼を連続鋳造機で１５０～２５０ｍｍ厚のスラブに鋳造し、必要に応じて表面を研削した後、熱間圧延機で熱間圧延を行って熱延鋼帯とする。熱延鋼帯を焼鈍・酸洗した後、引き続き冷間圧延と焼鈍を繰り返して所望厚みの鋼板とする。仕上げ焼鈍は焼鈍酸洗仕上げ（２Ｂ仕上げ）でも、無酸化雰囲気で焼鈍するＢＡ仕上げでも構わない。また、熱間圧延や冷間圧延の温度や時間は、鋼種に応じて適宜設定すればよい。
得られた熱延鋼板または冷延鋼板から、所定の断面形状を有するパイプその他の部材を製造する。パイプの製造方法も特に限定されるものではなく、例えば、製造した鋼板をパイプ形状に成形し、継目を溶接などで接合してパイプを製造する。溶接条件は、鋼種や溶接設備仕様に応じて溶加材の有無や溶接方法の種類（例えば、ＴＩＧ溶接など）、電流値や溶接速度などを適宜決めればよい。また、フラットバーは、例えば、冷延鋼板の広幅を使用幅とし、スリット加工を実施し、その断面を手入れすることによって製造することができる。
本発明の効果を確認するために、各種試験を行った。試験対象として、表１に示すパイプを用いて、Ｘフレームを作製した。Ｘフレームの質量を表１に併記した。
なお、アルミニウム合金としては、Ａ７００３－Ｔ５（質量％で、Ｚｎ：５．５％、Ｍｇ：０．７５％、Ｓｉ：０．１％、残部Ａｌおよび不可避不純物）を用いた。二相ステンレス鋼としては、質量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：３．０％、Ｎｉ：２．０％、Ｃｒ：２０．７％、Ｃｕ：１．１％、Ｍｏ：０．３％、Ｎ：０．１８％、残部Ｆｅおよび不可避不純物の化学組成を持つ２Ｂ仕上げの冷延鋼板を用いた。表１に示すように、アルミニウム合金とステンレス鋼の質量差は数百グラムに抑えることができた。この程度の質量差であれば、車椅子の取扱いに支障が生じない。また、アルミニウム合金製車椅子の場合、設計上、補強材を要するが、Ｘフレームにステンレス鋼を用いることにより、そのような補強材を小型化または省略することが可能となるため、車椅子全体の質量はアルミニウム合金製車椅子と同等となる。
［繰返し耐荷重試験］
比較例１および本発明例１のＸフレーム１８について、図４に示すように、上パイプ３２は、拘束ガイド４１を被せて拘束し、下パイプ３１は、拘束しない条件で、拘束ガイド４１の上面にパット４２を介して４３０ｋｇｆの荷重を繰返し負荷し、Ｘフレーム１８の変形状況（高さ、破損までの繰返し数）を目視で観察した。その結果を表２に示す。
比較例１および本発明例１のＸフレーム１８について、図４に示すように、上パイプ３２は、拘束ガイド４１を被せて拘束し、下パイプ３１は、拘束しない条件で、拘束ガイド４１の上面にパット４２を介して４３０ｋｇｆの荷重を繰返し負荷し、Ｘフレーム１８の変形状況（高さ、破損までの繰返し数）を目視で観察した。その結果を表２に示す。
表２に示すように、アルミニウム合金を用いた比較例１では、１００回荷重を負荷したときに高さが４．５ｍｍ減少しており、３３０回荷重を負荷したときに、クロスパイプの接続部近傍が破損し、車椅子のフレーム機能を有さない状態にまで破損した。一方、二相ステンレス鋼を用いた本発明例１では、３３０回の繰返し荷重では破損せず、３０００回の繰返し荷重にて若干変形は発生したが車椅子のフレーム機能（車椅子として走行可能であり、折りたたみ式の場合は折りたたみ可能な状態）を維持した状態であった。すなわち、本発明例１は、比較例１と同程度の質量でありながら、機械的特性において比較例１と比較して格段に優れた性能を有していた。
本発明の二相ステンレス鋼によれば、薄肉化による軽量化が可能であるので、車椅子の主フレームに用いると、優れた耐久性および安全性を備え、かつ十分に軽量な車椅子を提供することが可能となる。
１ 椅子
１０ 主フレーム
１１ アームパイプ
１２ フロントパイプ
１３ レッグパイプ
１４ シートパイプ
１５ バックパイプ
１６ バックレストパイプ
１７ ベースパイプ
１８ Ｘフレーム
１９ ティッイングレバー
２１ 主輪（後輪）
２２ 駆動輪（前輪）
２３ シート
２４ バックレスト
２５ フットレスト
２６ アームレスト
２７ グリップ
３１ 下パイプ
３２ 上パイプ
３３ クロスパイプ
３４ 係止具
４１ 拘束ガイド
４２ パット
１０ 主フレーム
１１ アームパイプ
１２ フロントパイプ
１３ レッグパイプ
１４ シートパイプ
１５ バックパイプ
１６ バックレストパイプ
１７ ベースパイプ
１８ Ｘフレーム
１９ ティッイングレバー
２１ 主輪（後輪）
２２ 駆動輪（前輪）
２３ シート
２４ バックレスト
２５ フットレスト
２６ アームレスト
２７ グリップ
３１ 下パイプ
３２ 上パイプ
３３ クロスパイプ
３４ 係止具
４１ 拘束ガイド
４２ パット
Claims (3)
- 車椅子の主フレームに用いる二相ステンレス鋼であって、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０６％以下、
Ｓｉ：１．５％以下、
Ｍｎ：０．５～５．０％、
Ｃｒ：１９．０～２４．０％、
Ｎｉ：０．５０～４．０％、
Ｃｕ：０．１～３．０％、
Ｎ：０．０６～０．２５％、
Ｍｏ：０～１．０％、
Ｖ：０～０．５％、
Ｃａ：０～０．０１００％、
Ａｌ：０～０．１０％、
Ｃｏ：０～０．５％、
Ｎｂ：０～０．２％、
Ｔｉ：０～０．２％、
Ｗ：０～０．２％、
Ｂ：０～０．００５０％、
Ｓｎ：０～０．２％、
Ｓｂ：０～０．２％、
Ｚｒ：０～０．５％、
Ｔａ：０～０．１％、
ＲＥＭ：０～０．１０％、
残部Ｆｅおよび不純物である化学組成を有する、
車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。 - 質量％で、
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｃｒ：１９．０～２３．０％、
Ｎｉ：１．０～２．５％である
請求項１に記載の車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。 - 前記主フレームが、少なくともアームパイプ、フロントパイプ、レッグパイプ、シートパイプ、バックパイプ、ベースパイプおよびＸフレームを備え、
少なくとも前記Ｘフレームに用いられるステンレス鋼である、
請求項１または２に記載の車椅子フレーム用二相ステンレス鋼。
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