CN104136638B

CN104136638B - 高尔夫球杆面用钛合金

Info

Publication number: CN104136638B
Application number: CN201280070555.2A
Authority: CN
Inventors: 川上哲; 藤井秀树
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: CN104136638A; US20150024871A1; WO2013125038A1; US9884229B2

Abstract

本发明提供一种满足反弹系数规制、具有高的杨氏模量、抗拉强度，具有优异的热冷加工性的钛合金来作为1号木杆、铁头球杆等的高尔夫球杆杆面用坯料。本发明的高尔夫球杆面用钛合金，以质量％计，含有1.0～3.5％的Al、0.5～1.4％的Fe、0.2～0.5％的O、0.002～0.030％的N，余量包含Ti以及杂质，通过O和Al的复合添加来强化α相，并且，作为β相稳定化元素选择廉价的Fe，兼备高的强度和杨氏模量。将使热加工性降低的Al的含量限制为较低，热轧时的轧制负荷低，热轧时难以产生伤痕和裂边。

Description

高尔夫球杆面用钛合金

技术领域

本发明涉及以1号木杆(driver)为主的高尔夫球杆的杆面用坯料所使用的钛合金制品。

背景技术

近年来，伴随着高尔夫球杆不能具有弹簧效应(Spring Like Effect＝SLE)这一反弹系数规制(SLE规则)被导入，用于高尔夫球杆面用途的钛合金坯料的种类大大变化。在实行反弹系数(恢复系数)规制之前，杨氏模量(Young’s modulus)低、能容易地得到高的反弹性能、而且高强度且耐久性优异的β型钛合金是主流。在这些β型钛合金中，主要被称为Ti-15-3合金的Ti-15％V-3％Cr-3％Sn-3％Al合金、与其类似的合金，由于加工成形性也优异，因此被主要地利用。但是，伴随着反弹系数规制的导入，为了使用起因于低杨氏模量、反弹系数容易变高的β型钛合金，并降低反弹系数来满足规制，只有增厚杆面板厚来提高杆面的刚性。该情况下，想要将大量含有V、Mo等的高价格的合金元素的β型钛合金应用于杆面坯料的话，成本提高不能避免。而且，与使用具有比β型钛合金高的杨氏模量、具有同等以上的比强度的材料的情况相比，使用β型钛合金的情况下，需要增厚板厚，后者的杆面变重。这样一来，难以增大杆面使用β型钛合金的高尔夫球杆头的容积，击打球时的甜蜜点(sweet-spot)相对地变小，因此也存在对于使用者来说难以使用的问题。由于这样的理由，β型钛合金开始变得不是高尔夫球杆面用坯料的主流。

对此，与β型钛合金相比，杨氏模量高的α+β型钛合金，作为1号木杆杆面用坯料现在正成为主流。通过使用杨氏模量高的α+β型钛合金，即使减薄杆面，反弹系数也难以变高，与使用β型钛合金相比，通过(符合)反弹系数规制的板厚自由度提高。另外，α+β型钛合金，与β型钛合金相比，比重小，因此即使是与β型钛合金相同的质量，也能够更加增大球杆头的容量。而且，α+β型钛合金，与β型合金相比，高价格的合金元素的含量低，因此坯料成本也低，有上述等等的很多的优点。作为该α+β型钛合金，Ti-6％Al-4％V为代表性的合金，但除此之外，还可使用例如Ti-5％Al-1％Fe、Ti-4.5％Al-3％V-2％Fe-2％Mo、Ti-4.5％Al-2％Mo-1.6％V-0.5％Fe-0.3％Si-0.03％C、Ti-6％Al-6％V-2％Sn、Ti-6％Al-2％Sn-4％Zr-6％Mo、Ti-8％Al-1％Mo-1％V、Ti-6％Al-1％Fe等。

如果使用这些合金，则即使使杆面厚度比β型钛合金制杆面薄，也满足反弹系数规制，并且通过控制为适当的强度-延展性范围，也能够对高尔夫球杆面赋予所需要的耐久性。该情况下，改变杆面形状和/或结构，能够控制反弹性能的圆棒制品等，优选杨氏模量为120GPa以上、抗拉强度为800MPa以上、断裂伸长率为15％以上。在杆面成形加工时加工度少的薄板制品等，优先在板面内的一个方向上杨氏模量为135GPa以上、抗拉强度为1000MPa以上、断裂伸长率为10％以上。关于杨氏模量，为了通过反弹系数规制，关于抗拉强度和延展性，为了得到良好的耐久性，优先分别满足上述的值。但是，这些合金不能说加工性充分良好，因此，难以以高合格率且低成本稳定地供给满足反弹系数规制，耐久性优异，并且，能够减薄板厚来大大地增加杆面容量的坯料。

例如，作为最通用的α+β型合金的Ti-6％Al-4％V合金，作为杆面坯料具有充分的强度、杨氏模量，作为高尔夫球杆面用合金已经被大量使用。但是，该合金含有6％的在高温下具有固溶强化能力、使热轧时的变形阻力增大的Al，存在热加工性不好的问题；含有4％的高价格的β相稳定化元素V，存在坯料成本比较高的问题。

专利文献1提出了一种与Ti-6％Al-4％V合金同样地具有高的比强度、且低成本的合金。该合金是通过作为β稳定化元素将V和Mo等的高价格、比重大的元素置换为廉价、β稳定化能力高的Fe，以及大量地添加比重小的α相稳定化元素Al，来谋取高比强度且低成本的α+β型合金。但是，该合金也含有5.5～7％的Al，具有难以热加工的难点。特别是要降低朝向杆面坯料的加工成本的话，希望以只通过轻的压制成形和研磨工序就能够加工成杆面形状的板制品来供给，但该合金由于高的热变形阻力，难以造形成为板制品。特别是在热轧时，该合金的合适的热轧温度范围狭窄，若温度比其稍微降低，就容易发生大的裂边，存在成品合格率低的问题。

另一方面，作为加工性比较好的α+β型合金的例子，有专利文献2中提出的合金，卷形状下的单向冷轧也能够没有问题地进行是该合金的特点。但是，该合金也含有4.5％的使热加工性降低的Al，因此，存在热加工温度被限定的问题，并且，含有分别为2.0％、1.6％的高价格的β相稳定化元素Mo、V，存在坯料成本高的问题。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:特开2004-10963号公报

专利文献2:特开平11-335758号公报

发明内容

本发明是以上述的情况为背景而完成的，其目的是提供一种α+β型钛合金，该钛合金的特点是具有高的杨氏模量、抗拉强度，具有优异的热冷加工性。

发明人发现，当通过O和Al的复合添加来强化α相，并且，作为β相稳定化元素选择廉价的Fe，并将这些元素的添加量适当化，使在室温下的β相分数降低时，能够实现强度和杨氏模量都高的钛合金。该合金，比重也小，是最适合作为高尔夫球杆面用坯料的坯料。而且，该合金，与以Ti-6％Al-4％V合金为主的其他的α+β型合金相比，将使热加工性降低的Al的含量限制为较低，因此热轧时的轧制负荷低，热轧时难以产生伤痕和裂边。因此，具有面向包括板在内的所有形状的制品的制造性良好的优点。

即，为了解决上述课题，本发明以下述的内容为要点。

一种热加工性和冷加工性优异的高尔夫球杆面用钛合金，以质量％计，含有1.0～3.5％的Al、0.5～1.4％的Fe、0.20～0.50％的O、0.002～0.030％的N，余量包含Ti以及不可避免的杂质。

根据本发明，能够提供一种高尔夫球杆面用α+β型钛合金，该钛合金的特点是具有高的强度-延展性平衡以及杨氏模量，具有优异的热冷加工性。

具体实施方式

在高尔夫球杆面中，并不是在所有的方向上要求高的杨氏模量和强度，特别地对于高尔夫球杆面的纵向(打高尔夫球的人击打球时，高尔夫球杆面即将碰撞到球之前的天地方向)要求高的杨氏模量和强度。

本发明人为了解决上述课题而详细调查成分元素以及制造方法对钛合金的材质特性造成的影响的结果，发现：通过控制Fe、Al、O、N添加量，能够制造作为高尔夫球杆面用坯料具有优异的强度-延展性、杨氏模量，并且热冷加工性优异的α+β型钛合金制品。在制造板制品的情况下，通过单向热轧或冷轧，造成材质各向异性的织构显著发达，产生作为与轧制方向垂直的方向的板宽度方向的杨氏模量以及强度比轧制方向增大的各向异性。可知，利用O和Al进行了复合强化的本发明合金，其各向异性更强烈地体现。因此发现，如果将高尔夫球杆面的纵向取为上述板宽度方向，则能够得到作为高尔夫球杆面所需要的在一个方向(高尔夫球杆面的纵向)上的高的杨氏模量和抗拉强度。

本发明是基于以上的见解完成的。以下示出选择本发明中的各种添加元素的理由、和限定其含量范围的理由。

Fe是β相稳定化元素之中廉价的添加元素，具有强化钛合金的β相的作用。并且，由于β稳定化能力高，因此具有即使是比较低的添加量也能够将β相稳定化的特性。为了得到作为高尔夫球杆面所需要的强度，需要添加0.5％以上的Fe。另一方面，Fe在Ti中容易凝固偏析，另外，若大量地添加，则β相的体积分数增加，杨氏模量降低，因此，钛合金，圆棒制品的杨氏模量变得低于120GPa，薄板制品的在板面内的一个方向上杨氏模量变得低于135GPa，作为高尔夫球杆面难以通过反弹系数规制。考虑到这些影响，将Fe的添加量的上限设为1.4％。

再者，在更重视强度的情况下，Fe的下限优选为0.7％。另外，要是重视更切实地通过反弹系数规制、切实地抑制杨氏模量降低的话，Fe的上限优选为1.2％。

Al是钛α相的稳定化元素，是具有高的固溶强化能力且廉价的添加元素。为了通过与后述的O、N的复合添加，得到作为高尔夫球杆面在耐久性上所必需的强度水平、即圆棒制品抗拉强度为800MPa以上、薄板制品在板面内的一个方向上抗拉强度为1000MPa以上，将添加量的下限设为1.0％。另一方面，若超过3.5％地添加Al，则与O的复合强化过于变高，延展性降低，作为高尔夫球杆面在耐久性上不能达成必需的10％以上的断裂伸长率，并且，造成冷加工性的降低。因此，Al的添加量需要设为3.5％以下。

再者，在更重视强度的情况下，Al的下限优选为1.3％。另外，在重视耐久性的情况下，为了稳定地得到充分的延展性，Al的上限优选为3.2％。

O在α相中间隙固溶，具有固溶强化的作用。另外，通过与Al的复合添加，使α相强化，具有使杨氏模量与强度一同增高的效果。当添加小于0.20％的O时，不能得到：作为高尔夫球杆面显示充分的耐久性的、圆棒制品抗拉强度为800MPa以上、薄板制品在板面内的一个方向上抗拉强度为1000MPa以上的强度，另外，当超过0.50％地添加时，强度过于变高，延展性降低，变得不能达成10％以上的断裂伸长率，损害耐久性。因此，将0.20％作为下限、将0.50％作为上限。

N与O同样地，在钛α相中间隙固溶，具有固溶强化的作用。为了发挥其效果，需要添加0.002％以上。另一方面，当采用使用含有高浓度的N的海绵钛的通常的方法来添加超过0.030％的N时，容易生成被称为LDI(低密度夹杂物：Low density Inclusion)的未熔夹杂物，制品的合格率变低，因此将0.002％作为下限、将0.030％作为上限。

在本发明中，在圆棒和厚板等的、向杆面形状的成形加工时进行比较大的加工，通过控制杆面形状能够将反弹系数抑制为较低的钛制品的情况下，通过具有上述成分范围，能够得到具有良好的特性的高尔夫球杆面。特别是采用热锻造等向杆面形状的成形加工时，本发明合金显示出良好的可加工性，因此适合作为杆面坯料。

另一方面，本发明的钛合金，在制造在向杆面形状的成形加工中只进行轻度的加工，通过杆面形状将反弹系数抑制为较低的余地少的薄板制品的情况下，若使被称为Transverse-texture(横向织构)的织构发达，则板宽度方向的抗拉强度以及杨氏模量变高，作为高尔夫球杆面用坯料是优选的。该情况下，钛合金若将Al、Fe、O限制在上述的成分范围，并加热至β单相区、或β相变点稍下方的α+β双相区温度进行单向热轧、或者进而在与热轧方向相同的方向进行单向冷轧后在合适的条件下退火，则Transverse-texture容易发达，板宽度方向的强度和杨氏模量变高，因此能够制造最适合作为杆面用坯料的薄板制品。

制造该薄板坯料时，从热轧或者冷轧开始到结束，一贯地只在一个方向上进行轧制的理由是为了高效率地获得能得到本发明作为目标的、与材质各向异性相伴的板宽度方向的高的杨氏模量的Transverse-texture。这样一来，通过将具有高的杨氏模量和强度-延展性平衡的本发明的钛合金薄板的板宽度方向配置为高尔夫球杆面的纵向或与之接近的方向，能够制造与反弹系数规制对应、并且耐久性优异的杆面。

实施例

＜实施例1＞

采用真空电弧熔炼法熔炼具有表1所示的组成、以及β相变点的钛材，对其进行热锻造，制成为直径100mm的坯。将该坯加热至950℃后，通过热轧制造出直径18mm的圆棒。利用深度计测定热轧出的圆棒的表面伤痕深度，用三级评价了热加工性(○：最大伤痕深度≤0.3mm、△：最大伤痕深度大于0.3mm且小于0.5mm、×：最大伤痕深度≥0.5mm)。在伤痕深度为0.3mm以下的情况下，其后的剥皮(peeling)工序中的切削量较少即成，因此加工成本便宜，热加工性能够判定为良好。对该圆棒进行700℃、2小时的退火后，制取平均直径6mm的JIS14号拉伸试件，调查了拉伸特性。为了作为高尔夫球杆面用而得到良好的耐久性，需要抗拉强度(TS)为800MPa左右以上、并且断裂伸长率(EL)为15％以上。这些测定的结果也一并示于表1中。

表1

○：最大伤痕深度≤0.3mm

△：最大伤痕深度大于0.3mm且小于0.5mm

×：最大伤痕深度≥0.5mm

在表1中，试验编号1、2分别为Ti-6％Al-4％V合金、Ti-7％Al-1％Fe的结果。试验编号1、2，都是抗拉强度超过了800MPa这一目标值，但产生了0.5mm以上的深度的热轧伤痕，热加工性差。

与此相对，作为本发明例的试验编号4、5、6、9、10、13、14、17、19、20，显示出800MPa以上的高的抗拉强度和超过15％的高的断裂伸长率，并且，没有产生超过0.3mm的热轧伤痕，具有良好的热加工性。另外，本发明例全部确保了120GPa以上的杨氏模量。

另一方面，试验编号3、8、12、16，抗拉强度低于800MPa，作为杆面用坯料不具有充分的强度。原因是：按试验编号3、8、12、16的次序，分别地Al、Fe、O、N的添加量低于本发明的下限值，因此固溶强化不充分，抗拉强度变低。

试验编号7、11、15、18，断裂伸长率低于15％，不具有充分的延展性，不能赋予高的耐久性。其中，试验编号7、11、15，分别地Al、Fe、O的添加量超过本发明的上限值而添加了，因此强度过于提高，延展性降低。另外，试验编号18，超过本发明的上限地添加了N，因此产生了LDI，由此，延展性降低。

上述之中，试验编号7、18，分别在热轧后较多地产生了超过0.3mm以及超过0.5mm的深度的表面缺陷。试验编号7，超过本发明的上限地添加了使热加工性降低的Al，发生了热轧伤痕。另外，试验编号18，因含有过量的N，从而产生了LDI，表面附近的LDI作为缺陷被识认出，因此热轧伤痕评分低。

从以上的结果来看，具有本发明中规定的元素含量的钛合金，抗拉强度、杨氏模量和断裂伸长率高，作为高尔夫球杆面用坯料具有优异的材质特性，并且具有良好的热加工性。另一方面，当偏离本发明中规定的合金元素量时，热加工性降低，并且不能满足抗拉强度和延展性这些所需的材质特性。

＜实施例2＞

采用真空电弧熔炼法熔炼具有表1的试验编号5、10、14所示的组成、和β相变点的钛材，对其进行热锻造，制成为厚度180mm的板坯。将该板坯采用表2～4所示的条件进行单向热轧，制造了厚度4mm的热轧板。在对该热轧板进行了喷丸处理后进行酸洗除去了氧化鳞皮时，用深度计测定表面伤痕深度，用三级评价了热加工性(○：最大伤痕深度≤0.2mm、△：最大伤痕深度大于0.2mm且小于0.5mm、×：最大伤痕深度≥0.5mm)。此时的结果和调查拉伸特性的结果也一并示于表2～4中。

表2

表1的试验编号5

热轧伤痕评分

○：最大伤痕深度≤0.2mm

△：最大伤痕深度大于0.2mm且小于0.5mm

×：最大伤痕深度≥0.5mm

表3

表1的试验编号10

热轧伤痕评分

○：最大伤痕深度≤0.2mm

△：最大伤痕深度大于0.2mm且小于0.5mm

×：最大伤痕深度≥0.5mm

表4

表1的试验编号14

热轧伤痕评分

○：最大伤痕深度≤0.2mm

△：最大伤痕深度大于0.2mm且小于0.5mm

×：最大伤痕深度≥0.5mm

表2～4分别为试验编号5、10、14所示的组成的板制品的结果。采用表2～4的条件制造出的板都充分地满足高尔夫球杆面所必需的板宽度方向的抗拉强度1000MPa以上、以及杨氏模量135GPa以上，并且断裂伸长率也确保了10％以上。因此，使用这些板材制造的高尔夫球杆面，兼备适合于反弹系数规制的特性和良好的耐久性。另外，这些热轧酸洗板没有产生超过0.2mm的深度的表面缺陷，显示出良好的热延展性。因此这些薄板材适合作为高尔夫球杆面用坯料。

特别是试验编号21、23、24、26、28、29、31、33、34，在板宽度方向上具有145GPa以上的高的杨氏模量，并且，在以相同的化学组成的合金进行比较的情况下，与试验编号22、25、27、30、32、35相比，抗拉强度变高，针对反弹系数规制具有优异的性能，并且具有良好的耐久性。这是因为：试验编号22、25、27、30、32、35，热轧前的加热温度为α+β双相区的比较低的温度，因此与加热到β单相区、或β相变点稍下方的α+β双相温度的情况相比，Transverse-texture的发达较少，材质各向异性没有变大，而试验编号21、23、24、26、28、29、31、33、34，通过加热至β单相区进行热轧，Transverse-texture发达，板面内的材质各向异性变大，在板宽度方向上得到了高的杨氏模量和抗拉强度。

从以上的结果来看，具有本发明中规定的元素含量的钛合金，作为高尔夫球杆面用板坯料具备优异的特性，因此通过单向轧制具有本发明所示的成分范围的添加元素的钛合金，能够制造在板宽度方向上具有高的杨氏模量、抗拉强度以及延展性的高尔夫球杆面用板坯料。

产业上的利用可能性

本发明的钛合金，当为圆棒制品时能够得到120GPa以上的杨氏模量、800MPa以上的抗拉强度、15％以上的断裂伸长率，当为薄板制品时，在板面内的一个方向上能够得到135GPa以上的杨氏模量、1000MPa以上的抗拉强度、10％以上的断裂伸长率，其结果，能够提供在加工成高尔夫球杆面的情况下满足反弹系数规制、并且具有优异的耐久性，适合于高级的高尔夫球杆面用途的材料。

Claims

1.一种高尔夫球杆面用钛合金，以质量％计，含有1.0～3.5％的Al、0.5～1.4％的Fe、0.20～0.50％的O、0.002～0.030％的N，余量为Ti以及不可避免的杂质。