(57)【要約】  薄肉チューブが開示され、これは本質的に析出硬化型ステンレス鋼からなり、外側のチューブ外周Ｃを、チューブの肉厚ｗの二乗とΠ（パイ）を掛けたもので割った値が９０〜３５０である。この薄肉チューブは、質量および機械的特性が非常に重要とされる家具またはスポーツ用品において使用するのに非常に好適である。【選択図】図４ａ
2009511846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周、肉厚（ｗ）および外周（Ｃ）を有する薄肉チューブであって、本質的に析出硬化型ステンレス鋼合金からなり且つ外周（Ｃ）をΠ（パイ）と肉厚（ｗ）の二乗とを掛けたもので割った比が９０〜３５０であることを特徴とする、薄肉チューブ。
【請求項２】
合金が以下の組成を質量パーセントで有することを特徴とする、請求項１に記載のチューブ；
Ｃ                        最大０．０７
Ｓｉ                      最大１．５
Ｍｎ                      ０．２〜５
Ｓ                        最大０．４
Ｃｒ                      １０〜１５
Ｎｉ                      ７〜１４
Ｍｏ＋０．５Ｗ            １〜８
Ｃｕ                      １〜３
Ｔｉ                      最大２．５
Ａｌ                      ０．１〜１．５
Ｎ                        最大０．１
残余分                    Ｆｅおよび通常存在する不純物。
【請求項３】
肉厚（ｗ）が３ｍｍ未満、好ましくは０．１〜１．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のチューブ。
【請求項４】
平均外直径が５〜１００ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のチューブ。
【請求項５】
その材料が析出硬化されていることを特徴とする、請求項１に記載のチューブ。
【請求項６】
実質的に円形または八角形の断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の薄肉チューブ。
【請求項７】
実質的に楕円形、正方形、長方形またはピーナツ形の断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の薄肉チューブ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄肉チューブを含むことを特徴とする、スポーツ用品。
【請求項９】
薄肉チューブがシャフト（Ｓ）、ハンドル（Ｈ）、フレーム（Ｆ）、クロスバーまたはそれらに類する形態であることを特徴とする、請求項８に記載のスポーツ用品。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄肉チューブを含むことを特徴とする、椅子、ソファー、またはそれらに類するような家具。
【請求項１１】
薄肉チューブが椅子の背もたれ（Ｂ）、肘掛け（Ａ）または脚（Ｌ）のような支持構造の形態であることを特徴とする、請求項１０に記載の家具。
【請求項１２】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄肉チューブを含むことを特徴とする、ハンドツール。
【請求項１３】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄肉チューブを含むことを特徴とする、輸送手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の前文に記載された薄肉チューブに関する。
【背景技術】
【０００２】
低質量用に設計されたチューブは、今日スポーツ、レスキューおよびセーフティ装置ならびに様々なハンドツールにおける膨大な数の用途で使用されている。これらのチューブは、実用される間の低質量、剛性および堅牢性を求めて設計される。それらはまた疲労、腐食、および圧痕に抵抗しうるものでなければならない。
【０００３】
これらのタイプの用途向けの軽量チューブは主に高い比剛性（Ｅ−係数／密度）および比強度（引張強度／密度）を有する材料で製造される。一般的な材料の例は、チタニウムおよびアルミニウム合金さらにはラミネートファイバー、たとえばガラスおよび／またはカーボンファイバーなどである。薄肉チューブをテニスラケットに使用した例が、例えば米国特許3,975,017号, 米国特許5,220,719号 および米国特許2004/102,262号で開示されており、それらはすべてアルミニウム合金を使用する。
【０００４】
上述した材料の密度が低いので、このチューブは比較的厚肉で作られる必要があり、低質量用途で使用される各材料は個々の特性、例えば密度、機械的強度および延性による制限がある。
【０００５】
しかしながら、伝統的に使用される材料はこれらの用途の全ての要求を満足する解決策を提供できず、一般的に使用される材料への代替的な解決策が必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は十分な機械的特性を有し、同時に低質量であるチューブであり、そして腐食環境で使用可能なチューブを提供することある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここで述べた目的は、請求項１の特徴記載部の特徴を有する、冒頭に定義した薄肉チューブによって達成される。
【０００８】
チューブの寸法は、質量を最小に保ちつつ高い機械的安定性および強度を得るように注意深く選択される。
【０００９】
上述した析出硬化型ステンレス鋼合金を軽量チューブ用途における材料として使用した場合の長所は、アルミニウムおよびチタニウム合金に比べて、とりわけ低質量、高剛性でありそして疲労特性が相当改善されることである。
【００１０】
本発明による薄肉チューブは、任意の慣習的な断面形状、例えば実質的に円形、楕円形、正方形、長方形、八角形またはピーナツ形を有する。
【００１１】
ここでは、薄肉は３ｍｍまでと考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明により、以下の組成（質量パーセント）を有する析出硬化型ステンレス鋼合金から薄肉チューブが構成される；
Ｃ                  最大０．０７
Ｓｉ                最大１．５
Ｍｎ                ０．２〜５
Ｓ                  最大０．４
Ｃｒ                １０〜１５
Ｎｉ                ７〜１４
Ｍｏ＋０．５Ｗ      １〜８
Ｃｕ                １〜３
Ｔｉ                最大２．５
Ａｌ                ０．１〜１．５
Ｎ                  最大０．１
残余分              Ｆｅおよび通常存在する不純物。
【００１３】
析出硬化型ステンレス鋼合金の性質に及ぼす組成の影響を十分に理解するために、個々の成分元素について説明する。成分元素の含有量は全て質量％である。
【００１４】
〔炭素〕
炭素は、鋼に種々の影響を及ぼす強力な元素である。炭素含有量が多いと変形による硬化作用があり、冷間変形時に硬さが高くなって鋼の延性が低下する。しかしながら炭素含有量が多いと腐食の点でも不利なことがあり、炭素含有量の増加に伴ってクロム炭化物の析出が増加する。したがって、炭素含有量は０．０７wt％以下、望ましくは０．０５wt％以下、より望ましくは０．０２５wt％以下とする。
【００１５】
〔シリコン〕
シリコンは、フェライト形成元素であり、含有量が多いと鋼の熱間加工性が低下する。シリコン含有量は１．５wt％以下、より望ましくは１．０wt％以下に制限される。
【００１６】
〔マンガン〕
マンガンは、オーステナイト形成元素であり、ニッケルと同様に、冷間変形によるマルテンサイト変態を抑制する。本発明の鋼のマンガン含有量の下限は０．２wt％である。本発明の鋼は析出硬化のためのマルテンサイト量を確保するために、マンガン含有量は５wt％以下、望ましくは３wt％以下、より望ましくは２．５wt％以下とする。
【００１７】
〔硫黄〕
硫黄は、鋼中に硫化物を形成する元素である。硫化物はチップブレーカとして作用するので被削性の観点から好ましい。したがって、硫黄含有量は望ましくは０．０１wt％以上、望ましくは０．０１５wt％以上、最も望ましくは０．１wt％以上とする。しかし、硫化物は耐食性の点では劣化部として作用する。また、硫黄含有量が多いと、熱間加工性にも悪影響を及ぼす。したがって、硫黄含有量は、０．４wt％以下、望ましくは０．３wt％以下とする。
【００１８】
〔クロム〕
クロムは、耐食性の観点から必須であり、本発明の鋼への添加量は１０wt％以上、望ましくは１１．５wt％以上とする。しかし、クロムは強力なフェライト形成元素でもあり、クロム含有量が多いと、変形時のマルテンサイト変態を抑制する。したがって、クロム含有量は、１５wt％以下、望ましくは１４wt％以下に制限する。
【００１９】
〔ニッケル〕
ニッケルは、焼鈍によりオーステナイト組織を得るために、フェライト形成元素とバランスを取るように添加する。ニッケルは、冷間変形による硬化を緩和するための重要な元素でもある。更に、ニッケルは、チタンやアルミニウムなどの元素と共に析出硬化にも寄与する。したがって、ニッケル含有量は、７wt％以上、より望ましくは８wt％以上とする。ニッケル含有量が多過ぎると、変形によるマルテンサイト生成能が低下する。ニッケルは高価な元素でもある。したがって、ニッケル含有量は、１４wt％以下、望ましくは１３wt％以下とする。
【００２０】
〔モリブデン〕
モリブデンは、本発明の鋼に必須であり、鋼の耐食性に寄与する。モリブデンは、析出硬化に対しても効果的な元素である。したがって、モリブデン含有量の下限値は、１wt％、望ましくは２wt％以上、最も望ましくは３wt％以上である。しかし、モリブデン含有量が多過ぎると、熱間加工性に悪影響を及ぼす量のフェライト生成を促進する。また、モリブデン含有量が多過ぎると、冷間変形によるマルテンサイト生成を抑制する。したがって、モリブデン含有量は６wt％以下、より望ましくは５wt％以下である。更に、所望の鋼性質を達成しつつ、当業者に公知の一般的な方法で、モリブデンの一部または全部をタングステンに置換することができる。
【００２１】
〔銅〕
銅は、オーステナイト形成元素であり、ニッケルと共に所望のオーステナイト組織を安定化する。銅は、少量の添加で延性を高める元素でもある。したがって、銅含有量は、１wt％以上、より望ましくは１．５wt％以上である。一方、銅含有量が多過ぎると、熱間加工性が低下するので、銅含有量は３wt％以下、望ましくは２．５wt％以下である。
【００２２】
〔チタン〕
チタンは強力な析出硬化元素であり、そしてそれゆえに鋼を望ましい最終強度に硬化できるように存在しうるように、チタンを合金に添加しうることが望ましい。しかし、チタン含有量が多過ぎると、鋼中のフェライト生成が促進されて脆化が進行する。したがって、チタン含有量の上限値は２．５wt％、望ましくは２wt％、最も望ましくは１．５wt％以下である。
【００２３】
〔アルミニウム〕
アルミニウムは、熱処理による硬化作用を高めるために鋼に添加する。アルミニウムは、ニッケルとＮｉ３ＡｌおよびＮｉＡｌのような金属間化合物を形成することが知られている。良好な硬化応答性を確保するために、アルミニウム含有量の下限値は０．２wt％、最も望ましくは０．３wt％である。しかし、アルミニウムは強力なフェライト形成元素なので、アルミニウム含有量の上限値は１．５wt％、望ましくは１．０wt％である。
【００２４】
〔窒素〕
窒素は、歪硬化性を高める強力な元素である。また、冷間成形時にオーステナイトのマルテンサイト変態を抑制する作用もある。窒素は、チタン、アルミニウム、クロムなどの窒化物形成元素との親和性も高い。窒素含有量は、０．１wt％以下、望ましくは０．０７wt％、最も望ましくは０．０５wt％以下とする。
【００２５】
本発明にしたがって使用される合金は、超高力と高Ｅ−係数を有する析出硬化型ステンレス鋼である。この合金の高い比強度と剛性のせいで、他の材料の場合よりも薄肉が使用可能である。さらに、低質量および高積載荷重と結びついた高剛性を得ることができ、たとえば３点荷重試験で評価される。
【００２６】
さらに、この合金は安定しており、チューブの最終的な用途および所望の外観状態に応じて、種々の機械的処理、たとえば曲げ、押し、研磨、ショットピーニング、またはそれに類するものを受けることができる。本発明による薄肉チューブはコスト的に有利な方法で製造可能であり、たとえば慣習的な冶金プロセス、次に伝統的に使用される熱間および冷間形成で所望の最終寸法に処理される。さらに、この合金表面は研磨（グラインドおよびポリッシュ）に好適であるので、滑らかな表面が得られる。これは特に有益であり、というのは合金表面に存在するクラッキングの開始地点の危険要因が最小になるからである。局部的な腐食攻撃に対する開始地点に対しても有効である。
【００２７】
本発明により使用される合金の一つの具体例は、以下の組成（質量パーセント）を有する析出硬化型ステンレス鋼合金である；
Ｃ                  最大０．０２
Ｓｉ                最大０．５
Ｍｎ                最大０．５
Ｃｒ                １２
Ｎｉ                ９
Ｍｏ                ４
Ｃｕ                ２
Ｔｉ                ０．９
Ａｌ                ０．４
残余分              Ｆｅおよび通常存在する不純物。
【００２８】
チューブの安定性は、チューブの肉厚および外直径に影響される。結果として、この安定性は比で表すことができ、ここでＲｗｔと命名し、式１で定義される。ここでＣはチューブの外周、ｗはチューブの肉厚である。
【００２９】
【数１】
2009511846.tif 000003
【００３０】
本発明による薄肉チューブは式１で定義されるＲｗｔ比を有し、その値は９０〜３５０、好ましくは９０〜２００である。Ｒｗｔ比は、使用される材料によってきまるところが大きい。これを説明するために、上記の合金の具体例の特性を、アルミニウム合金およびチタニウム合金（いずれもテニスラケットのシャフトまたハンドルのようなスポーツ用品用の薄肉チューブにおいて一般的に使用される）と表１で比較する。これは図１〜３でも示される。
【００３１】
【表１】
2009511846.tif 000004
【００３２】
アルミニウムを用いて設計すると、低めの強度を補填するために、肉厚は厚くしなければならない、このことは結果として、同じ外形寸法を使用する場合と同程度の剛性を得られる、対応するＲｗｔ比を１０〜４０とする。同じ条件下でのチタニウム合金の場合のＲｗｔは２５〜８５の範囲となる。
【００３３】
上述した析出硬化型ステンレス鋼合金を軽量シャフト用途における材料として使用した場合の長所は、アルミニウムおよびチタニウム合金に比べて、とりわけ低質量、高剛性でありそして疲労特性が相当改善されることである。
【００３４】
チューブの特性は、好適な剛性、積載能力（強度）および質量を得るための特定の材料を形状設計と組み合わせることによって、所望の条件にむけた最適化が可能である。掛けられた荷重（例えば３点曲げ試験）に耐えられるように、薄肉の管状部分を設計する際には、楕円化、表面平滑度および座屈も考慮しなければならない。これは厚肉の部分に比べて薄肉部の局部的な強度および安定性が失われるためである。
【００３５】
厚肉で延性の低いチューブに荷重をかけ過ぎると、結果として管状部分が座屈しはじめ、座屈した範囲における局所的な歪みが広い範囲のクラッキングを生じ、それにより鋭角部（sharp edges）が形成され得る。このような鋭角部は例えばテニスラケット等の使用者を傷つけるといったような被害を引き起こすことがある。薄肉のものが使用されれば、歪みの程度は少なくなる。結果として、厚肉の場合よりも薄肉の場合に、積載能力が大幅に下がる危険性は低下する。これは座屈範囲にある大きな歪みの危険性が減るためである。
【００３６】
さらに、低温環境で使用する場合、本発明の薄肉チューブはアルミニウムに比べて低熱膨張および低熱容量を有し、これにより熱による歪みレベルの最小化および周囲温度への早い適用が確実なものになる。
【００３７】
本発明により使用される合金は、任意の慣習的な方法、例えば溶接、接着剤または機械的接合によって他の成分または元素に付着させることが可能である。この合金は耐腐食性を有し、それゆえに例えばアウトドアスポーツのスポーツ用品のような多湿環境での使用に好適である。この合金は、ラッカー塗装または外部環境に対する保護は必要ない。しかしながら、必要に応じて、着色のような特別な外観が要求されれば、合金の表面はラッカー塗装またはペイントされてもよい。ラッカーの優れた付着性は容易に得ることができる。
【００３８】
本発明の実施態様により、チューブの肉厚は、チューブの意図される用途に応じて、０．１〜１．５ｍｍである。好ましくは、厚みは０．３ｍｍ未満である。
【００３９】
本発明の別の実施態様により、チューブは、チューブの意図される使用に応じて、５〜１００ｍｍであり、この場合平均直径は、図４ｅで示されるチューブの断面の最大周辺長１と最小周辺長２の平均値として定義される。好ましくは、外直径は５０ｍｍ以下である。
【００４０】
図４ａ〜ｅで示されるように、本発明による薄肉チューブは任意の慣習的な断面形状、例えば実質的に円形（図４ａ）、楕円形（図４ｂ）、正方形（図４ｃ）、長方形、八角形（図４ｄ）またはピーナツ形（図４ｅ）を有する。肉厚ｗおよび外周Ｃがこれらの図で明らかにされる。
【００４１】
本発明による薄肉チューブは、高機械的強度、低質量、審美的な外観、および耐腐食性を要求する用途における使用に非常に好適である。そのような用途の一例は、ラケット、野球バット、スキーのポール、カーリングのスティックまたは箒、アイスホッケーのスティック、自転車のフレーム等のようなスポーツ用品である。図５はテニスラケットＲを示し、ここで薄肉チューブはラケットのフレームＦ、シャフトＳおよび／またはハンドルＨ部を構成する。
【００４２】
本発明による薄肉チューブ用の用途の他の例は、図６に示された家具Ｆである。この場合、本発明による薄肉チューブは椅子の背もたれＢ、肘掛けＡまたは脚Ｌのような支持構造を構成する。
【００４３】
本発明による薄肉チューブ用の用途のさらなる他の例は、ハンドツールである。ハンドツールの一例は、植木はさみ、くま手または鍬のようなガーデンツールである。ハンドツールの他の例は、斧、ピッケル、ハンマー、大ハンマーまたは鉄の棒のレバーである。
【００４４】
さらに、本発明によるチューブは、車いす、サルキー（二輪馬車）およびカートのような輸送手段における使用にも好適である。これらは全て、とりわけ多湿環境に頻繁にさらされ、したがって高い耐腐食性を有することが必要な用途である。
【実施例】
【００４５】
バドミントンラケットのシャフトとして使用するための薄肉チューブを設計した。このチューブは以下の組成（質量％）を有する析出硬化型ステンレス鋼からなる：
Ｃ                  最大０．０２
Ｓｉ                最大０．５
Ｍｎ                最大０．５
Ｃｒ                １２
Ｎｉ                ９
Ｍｏ                ４
Ｃｕ                ２
Ｔｉ                ０．９
Ａｌ                ０．４
残余分              Ｆｅおよび通常存在する不純物。
【００４６】
肉厚は０．２５ｍｍ、外直径は７ｍｍに設計し、結果として１１２のＲｗｔを得た。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】アルミニウム合金、チタニウム合金（いずれもスポーツ用品で一般的に使用される）および本発明で使用される析出硬化型ステンレス鋼の比剛性、すなわちＥ−係数／密度を示す。
【図２】アルミニウム合金、チタニウム合金（いずれもスポーツ用品で一般的に使用される）および本発明で使用される析出硬化型ステンレス鋼の比強度、すなわち引張強度／密度を示す。
【図３】アルミニウム合金、チタニウム合金（いずれもスポーツ用品で一般的に使用される）および本発明で使用される析出硬化型ステンレス鋼の引張強度／Ｅ−係数を示す。
【図４ａ−ｅ】本発明によるチューブの種々の断面を示す。
【図５】本発明による薄肉チューブをテニスラケットに使用したところを示す。
【図６】本発明による薄肉チューブを家具に使用したところを示す。
【図１】
2009511846.tif 000005
【図２】
2009511846.tif 000006
【図３】
2009511846.tif 000007
【図４ａ】
2009511846.tif 000008
【図４ｂ】
2009511846.tif 000009
【図４ｃ】
2009511846.tif 000010
【図４ｄ】
2009511846.tif 000011
【図４ｅ】
2009511846.tif 000012
【図５】
2009511846.tif 000013
【図６】
2009511846.tif 000014
【国際調査報告】
2009511846.tif 000015
2009511846.tif 000016
2009511846.tif 000017