CN102203300A - 超高强度不锈合金带、其制备方法和使用其制备高尔夫球棍头的方法 - Google Patents

超高强度不锈合金带、其制备方法和使用其制备高尔夫球棍头的方法 Download PDF

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Abstract

公开了不锈钢带制品。该制品是由以重量百分比计具有以下组成的防腐蚀合金制成的：C 最大0.03，Mn最大1.0，Si最大0.75，P最大0.040，S最大0.020，Cr10.9-11.1，Ni10.9-11.1，Mo0.9-1.1，Ti1.5-1.6，Al最大0.25，Nb0.7-0.8，Cu最大1，B最大0.010，N最大0.030。余量是铁和常见杂质。该伸长的薄带制品在经固溶处理且时效硬化的状态具有至少280ksi（1930.5MPa）的室温抗张强度。还公开了制造该带制品的方法和使用其制造高尔夫球棍的方法。

Description

超高强度不锈合金带、其制备方法和使用其制备高尔夫球棍头的方法
技术领域
本发明涉及不锈钢带材料，特别地涉及具有非常高抗张强度的不锈钢带制品、其制备方法和使用该带材料制备高尔夫球棍头的方法。
背景技术
高尔夫球棍制造商始终在寻找高强度面板（faceplate）材料。非常高的强度可使该面板部分制成更薄，且因此更轻，这在球棍头设计中为设计者提供更多的余地。此外，防腐蚀材料比不锈材料优选，因为不需要表面涂层或镀层（所述涂层或镀层在使用过程中可能脱除）。
对该问题目前的解决方案包括使用标准PH不锈钢合金，例如CUSTOM 455合金，和最近设计的不锈合金，例如CUSTOM 465和CUSTOM 475合金。然而，CUSTOM 455和CUSTOM 465合金不提供在新球棍设计中所需的强度水平。CUSTOM 475合金提供了非常高的强度，但其也是高度合金化的，使其对于球棍制造商而言既成本昂贵又在高尔夫球棍制造工艺中接受性（forgiving）较差。
此外，很多球棍头典型地是使用具有面板的铸件制造的。该铸件材料典型是由可沉淀硬化的不锈钢制成的，所述不锈钢例如17-4 PH或15-5 PH不锈钢。高尔夫球棍典型是通过将该面板焊接到该铸件上然后热处理整个组件以形成最终性质而制造的。典型用于该球棍的铸件的合金具有约1900℉（1038℃）的固溶温度（solution temperature），而已知的面板材料具有1550℉-1800℉（843℃-982℃）的固溶温度。这种热处理温度的不匹配导致该球棍体或该面板材料或可能两者在组装好该球棍头之后在所述热处理后原样状态中并非性质最佳。此外，该CUSTOM 475合金通常总共需要不同的制造工艺，因为在球棍头组装之后该合金不能再次固溶。
发明内容
用依照本发明的不锈钢带制品在很大程度上克服了现有材料的缺点。依照本发明的一个方面，提供了由防腐蚀合金制成的不锈钢带制品，该防腐蚀合金以重量百分比计包含以下：
C           最大约0.03
Mn         最大约1.0
Si            最大约0.75
P            最大约0.040
S            最大约0.020
Cr           约10.9-约11.1
Ni           约10.9-约11.1
Mo         约0.9-约1.1
Ti           约1.5-约1.6
Al           最大约0.25
Nb          约0.7-约0.8
Cu          最大约1
B            最大约0.010
N            最大约0.030，
和作为余量的铁和常见杂质。该伸长的薄带制品在经固溶处理和时效硬化的状态下提供至少约280ksi（1930.5MPa）的室温抗张强度。
依照本发明的另一方面，提供了制造薄带制品的方法。该方法包括以下步骤：铸造具有上述重量百分比组成的防腐蚀合金以形成铸锭。将该铸锭热加工以形成伸长的带材料。然后将该带材料在用于提供至少约280ksi（1930.5MPa）的室温极限抗张强度的时间和温度条件下热处理。
依照本发明的另一方面，提供了制造高尔夫球棍头的方法。该方法包括以下步骤：铸造具有上述重量百分比组成的防腐蚀合金以形成铸锭。将该铸锭热加工以形成伸长的带制品，然后将其在有利于该带材料的可机械加工性和可处理性的时间和温度条件下热处理。然后将该带材料机械加工以形成用于高尔夫球棍头的面板。该方法包括以下另外的步骤：由防腐蚀的可沉淀硬化的钢合金形成高尔夫球棍头体。将该面板结合到高尔夫球棍头体上。然后将该组件在足以在该高尔夫球棍头体中提供所需的硬度和强度水平以及在该面板中提供至少约280ksi（1930.5MPa）的室温极限抗张强度的时间和温度的条件下热处理。
附图说明
该附图是抗张强度作为时效温度的函数的图。
具体实施方式
本发明的优选实施方案包括具有以下重量百分比组成的伸长的带制品：
C           最大0.03
Mn          最大1.0
Si            最大0.75
P            最大0.040
S            最大0.020
Cr           10.9-11.1
Ni           10.9-11.1
Mo         0.9-1.1
Ti           1.5-1.6
Al           最大0.25
Nb          0.7-0.8
Cu          最大1
B            最大0.010
N            最大0.030，
余量是铁和常见杂质。
该合金组成优选使用真空感应熔化法（VIM）熔化。将该钢铸造成一个或多个铸锭模。为另外的清洁，在VIM步骤之后对该合金进行真空电弧再熔（VAR）。在固化之后，通过中间压制该铸锭以形成坯段并然后热轧该坯段以形成伸长带而将该合金制成带。可替代地，能够通过将该铸锭从约1900℉到2250℉（1038℃-1232℃）的起始温度热轧而形成该带材料。能够通过在约1100℉-1350℉（593℃-732℃）加热约2-8小时并然后在空气中冷却而将该带处于过度时效的条件中。可替代地且为了更好的可机械加工性和可处理性，将该带材料在约1900℉-1950℉（1038℃-1065℃）加热约1小时，在空气中冷却，在约-100℉（-73.3℃）冷冻约8小时，然后在空气中加温到室温。优选地，将该带材料在热处理之前冷轧到最终或接近最终的厚度。依照本发明的该带材料能够在连续炉中固溶处理，伴随着相应地调整时间和温度。为了高尔夫球棍应用，将该带材料处理成约0.02-0.16英寸（0.5-4mm），优选约0.10-0.12英寸（2.5-3.0mm）的厚度。
与已知的高强度不锈钢合金（例如CUSTOM 475不锈合金）不同，依照本发明的合金带能够进行二次固溶处理而不会明显损失性质，特别是不损失强度。换言之，本发明的不锈钢带材料能够以经固溶处理且经冷冻处理的状态提供，加工成部件，然后在组装成高尔夫球棍头之后再固溶、再冷冻和时效硬化以提供所需的高强度和硬度。
作为依照本发明的伸长带制品的实例，将小炉钢水（small heat）熔化并处理。通过VIM+VAR将该400 lb（181.4kg）钢水（heat）熔化，并铸造成8英寸（20.3cm）直径的铸锭。VAR铸锭的重量百分比组成提供在下表1中。该合金的余量是铁和常见杂质。
表1
Figure 718716DEST_PATH_IMAGE001
将该铸锭在约2300℉（1260℃）均化16小时，然后从约2000℉（1093℃）的起始温度压制成4英寸×8英寸（10cm×20.3cm）的坯段。将该坯段从约2250℉（1232℃）的起始温度热轧成7.5英寸宽×0.15英寸厚（19cm宽×3.8mm厚）的带。然后将该带磨制成0.135英寸（3.4mm）厚，然后冷轧到0.1103英寸（2.8mm）厚。通过在约1146℉（619℃）加热5.5小时对该带进行过度时效处理。在冷却到室温之后，将该带磨制成0.1083英寸（2.75mm）的最终厚度。
从该过度时效的带在纵向和横向粗切下标准带抗张坯。将多组的该坯分别在1850℉（1010℃）、1900℉（1038℃）、1950℉（1065℃）和2000℉（1093℃）固溶处理1小时并空气冷却。将该经固溶处理的坯在-100℉（-73.3℃）深激冷8小时，然后在空气中加温到室温。然后将该坯粗机械加工以提供约1/2英寸宽×2英寸长（1.27cm宽×5.08cm长）的规格部分（gage section）。将经过每一固溶处理的经粗机械加工的坯的各组在约900℉（482℃）-约975℉（524℃）的温度时效4小时并然后空气冷却。在时效之后将该测试试样精机械加工并在室温测试。
在下表2-4中呈现了室温抗张和硬度测试的结果，包括以℉（℃）计的固溶处理温度（Solution Temp.）和时效温度（Age Temp.）、以ksi（MPa）计的0.2%条件屈服强度（Y.S.）和极限抗张强度（U.T.S.）、和Rockwell C级硬度（Hardness（HRC））。
表2
Figure 635856DEST_PATH_IMAGE002
Figure 482907DEST_PATH_IMAGE004
*这些样品的强度数据缺失。然而，测试操作者回忆H900样品的U.T.S.高于280ksi（1930.5MPa），H950样品的U.T.S.略低于280ksi（1930.5MPa）。
测试样品的金相分析显示在1850℉（1038℃）和1900℉（1038℃）固溶处理的材料具有约ASTM 8的晶粒尺寸。在1950℉（1065℃）固溶处理的材料具有约ASTM 7-8的晶粒尺寸。在2000℉（1093℃）固溶处理的材料具有约ASTM 2-3的晶粒尺寸。此处并在整个本申请中，该ASTM晶粒尺寸表示依照ASTM Standard Test Procedure E-112测定的平均晶粒尺寸。
表2、3和4中呈现的结果显示优选的固溶温度为约1900℉（1038℃）-约1950℉（1065℃）。同样地，优选的时效温度为约900℉-925℉（482℃-496℃），以为该材料提供所需的280ksi（1930.5MPa）的U.T.S.。在附图中显示了U.T.S.与固溶温度和时效温度组合的关系图表。
表中呈现的数据显示本申请中所述的合金组合物制成的带制品能够实现280ksi（1930.5MPa）或更高的U.T.S.。该带材料比能够实现该强度水平的其他不锈组合物的合金化程度低很多，导致较低的合金成本。此外，该带材料能够固溶热处理多于一次而不牺牲强度或韧性性质。本发明的带材料优选在在约1900-1950℉（1038-1065℃）的范围的温度固溶热处理，使该组合物的高尔夫球棍面板与最通常用于该高尔夫球棍头体的可沉淀硬化的不锈铸造合金完全兼容。因此，能够对该面板和该球棍头体以组合构造的形式进行固溶处理和时效硬化，以不仅在该球棍头体中而且在与高尔夫球接触的面板中形成最大的硬度和强度。
本领域技术人员将认识到在不脱离本发明的宽发明概念的情况下可以对上述实施方案进行改变或修改。因此认识到本发明并不限定于所述的特别实施方案，而是意于包括在上面所述且在后附权利要求中提出的本发明的范围和精神内的所有修改和改变。

Claims (20)

1.伸长的薄带制品，由包含以下组分的防腐蚀合金制成，其中所述组分的含量以重量百分比计并用大约修饰：
C   最大0.03
Mn     最大1.0
Si     最大0.75
P      最大0.040
S      最大0.020
Cr     10.9-11.1
Ni     10.9-11.1
Mo     0.9-1.1
Ti     1.5-1.6
Al     最大0.25
Nb     0.7-0.8
Cu  最大1
B      最大0.010
N      最大0.030
余量是铁和常见杂质，所述伸长的薄带制品在经固溶处理且时效硬化的状态具有至少约1930.5MPa的室温抗张强度。
2.权利要求1的伸长的带制品，其中该带具有约0.5-4mm的厚度。
3.权利要求1或2的伸长的带制品，其中该合金具有在主要维度上不大于约ASTM 7-8的平均晶粒尺寸。
4.权利要求1-3中任一项的伸长的带制品，其具有约53-54HRC的硬度。
5.权利要求1的薄带制品的制造方法，包括以下步骤：
铸造该防腐蚀合金以形成铸锭；
机械加工所述铸锭以形成伸长的带材料；和然后
在用于提供至少约1930.5MPa的室温极限抗张强度的时间和温度的条件下热处理所述伸长的带材料。
6.权利要求5的方法，其中该热处理该伸长的带材料的步骤包括以下步骤：
在约1038-1093℃的温度加热该伸长的带材料；和然后
在约482℃-约510℃的温度加热该伸长的带材料。
7.权利要求6的方法，其中该第一加热步骤包括在约1038-1065℃的温度加热该合金，且该方法在所述加热步骤之间包括以下步骤：
快速冷却该合金到约-73.3℃，和然后
将该合金在约-73.3℃保持有效将该合金中的任何奥氏体基本完全转变成马氏体的时间。
8.权利要求5-7中任一项的方法，其中该机械加工该铸锭的步骤包括以下步骤：
压制该铸锭以形成坯段；和然后
热轧该坯段以形成该伸长的带材料。
9.权利要求5-7中任一项的方法，其中该机械加工该铸锭的步骤包括热轧该铸锭以形成该伸长的带材料。
10.权利要求9的方法，其中该热轧步骤包括将该坯段加热到约1038-1232℃。
11.由权利要求1的伸长的带材料制造高尔夫球棍头的方法，包括以下步骤：
铸造该防腐蚀合金以形成铸锭；
机械加工所述铸锭以形成该伸长的带材料；
在用于提高该材料的可机械加工性和可操作性的时间和温度的条件下热处理所述伸长的带材料；
切割所述伸长的带材料以形成用于高尔夫球棍头的面板；
由防腐蚀的可沉淀硬化的钢合金形成高尔夫球棍头体；
将所述面板结合到所述高尔夫球棍头体上以形成高尔夫球棍头组件；和然后
在用于提供该高尔夫球棍头组件中的硬度和强度和在所述面板中至少约1930.5MPa的室温极限抗张强度的时间和温度的条件下热处理所述高尔夫球棍头组件。
12.权利要求11的方法，其中该热处理该高尔夫球棍头组件的步骤包括以下步骤：
在约1038-1093℃的温度加热该伸长的带材料；和然后
在约482℃-约510℃的温度加热该伸长的带材料。
13.权利要求12的方法，其中该第一加热步骤包括在约1038-1065℃的温度加热该高尔夫球棍头组件，且该方法在所述加热步骤之间包括以下步骤：
快速冷却该高尔夫球棍头组件到约-73.3℃；和然后
将该高尔夫球棍头组件在约-73.3℃保持将该合金中的任何奥氏体基本完全转变成马氏体的时间。
14.权利要求11-13中任一项的方法，其中该机械加工该铸锭的步骤包括以下步骤：
压制该铸锭以形成坯段；和然后
热轧该坯段以形成该伸长的带材料。
15.权利要求11-13中任一项的方法，其中该机械加工该铸锭的步骤包括热轧该铸锭以形成该伸长的带材料。
16.权利要求14或15的方法，其中该热轧步骤包括将该铸锭或坯段加热到约1038-1232℃。
17.权利要求11的方法，其中该热处理该伸长的带材料的步骤包括将该带材料在约593-732℃过度时效的步骤。
18.权利要求11-13中任一项的方法，其中该机械加工该铸锭的步骤包括以下步骤：
压制该铸锭以形成坯段；
热轧该坯段以形成该伸长的带材料；和然后
冷轧该伸长的带材料以将其厚度降低到最终或接近最终的尺寸。
19.权利要求11-13中任一项的方法，其中该机械加工该铸锭的步骤包括以下步骤：
热轧该铸锭以形成伸长的带材料；和然后
冷轧该伸长的带材料以将其厚度降低到最终或接近最终的尺寸。
20.权利要求18或19的方法，其中该热轧步骤包括将该铸锭或坯段加热到约1038-1232℃。
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