CN104436578A - 高尔夫球杆头及其低密度合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高尔夫球杆头及其低密度合金，其以重量百分比计包含：重量百分比平衡的钛、铝10%至11%；及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%。铝10%～11%用于降低密度，使所述合金具有90～110千磅/平方英寸的抗拉强度，及4.18～4.30克/立方厘米的密度，用以提高所述高尔夫球杆头的设计空间。且通过高温925±25℃热处理，可避免介面析出相或α2相产生，而改善脆裂现象，可提升合金延伸率至6～15%，符合所述高尔夫球杆头的设计需求，因而形成低密度铸造型高尔夫球杆头的钛铝合金。

Description

高尔夫球杆头及其低密度合金
技术领域
本发明是有关于一种高尔夫球杆头及其低密度合金，其通过控制钛、铝混合比例，平衡的钛、铝10%～11%，及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%；且通过适当的高温热处理，可避免所述合金介面(interfacial interphase)析出相或α2相产生，以提升所述合金延伸率至6～15%。同时，使所述合金具有90～110千磅/平方英寸的抗拉强度及4.18～4.30克/立方厘米的密度，以供调整重心位置及提升设计空间的高尔夫球杆头的低密度合金。
背景技术
近二十年来，由于钛合金具有优异的抗蚀性与高比强度(强度与密度比值)，因此被广泛应用于高尔夫球杆头产业，目前约占整体市场30～40%左右。
早期，在钛合金的材料选用，主要以纯钛(G4)和钛-6铝-4钒为主，其特征为使高尔夫球杆头(发球杆)体积由原来使用铁系合金的250～270cc，提升到320～350cc。而随着球杆头设计的需求，约十年前开始运用高强度β-型钛合金，如：15-3-3-3、10-2-3、2041钛合金等，主要特征为使高尔夫球杆头体积提升到400～450cc。
随着制程技术的提升与稳定，目前钛合金高尔夫球杆头(发球杆)体积已达到450～470cc，根据高尔夫球杆头体积国际规范为460cc。此外，亦考量原料成本，高尔夫球杆头产业亦使用含钼和/或铬钛合金，如：4.5-3-1-1、SP700、BT14、5-1-1-1、Ti735等。另外，考量低的杨氏系数与吸震性，亦开发高钼钛合金，如：15-3、15-5-3等。
高尔夫球杆头大致可分为三大类：木杆、铁头及推杆，简述如下：
1.木杆头：用于开球，主要以打得远与直为需求，因钛合金具有高比强度及低比重的特性，让木杆头的甜密区较大，保持方向的稳定性。而球道木杆，一般以不锈钢材质为多，异素材结合的复合材质木杆头因具创新性、可创造配重以达最佳效果。
2.铁杆头：用于击球到果岭或预定地点，主要以打得准与稳定飞行距离，材质主要以不锈钢为主，就铁杆头材料而言，主要的发展有二，其一：为20～30%的延伸率与高强度(超过150千磅/平方英寸以上)的组合，其二：为100～120千磅/平方英寸的强度与高延伸率(超过30%以上)的组合。
3.推杆：推杆则使用在果岭上推球入洞，主要以控制球的方向为主，注重平衡。其意义即是如何维持推杆球杆头与中管杆配合时，打击面不致旋转，最近有朝直接使用计算机数字控制机床(Computer numerical control,CNC)加工球杆头，以维持设计重心的位置及保持球杆头的均匀性。
近几年来，由于球杆头体积的限制，为增加球杆头重量分布的设计空间；因此，发展低于钛-6铝-4钒的密度(US2006/0045789案，4.42～4.48克/立方厘米)的钛合金，为高尔夫球杆头产业界重要发展之一，如2009年开始被量产的钛-8铝-1钒-1钼合金(铸件密度4.30～4.36克/立方厘米)。
钛合金为相当优异的高尔夫球杆头素材，惟近年来不论厚度或外型结构，高尔夫球杆头都已走向了极限的设计，如:打击面厚度由2.5mm～3.6mm下降至2.1mm～2.5mm，顶盖厚度由1.0mm～1.2mm下降至0.6mm～0.8mm；使其高尔夫球杆头在设计条件下，其高尔夫球炮击测试介于200-4000发间，相较过去的经验值5000-14000发低很多。而若考量一般高尔夫球炮击测试，合格标准为在一定球速下承受3000次以上的炮击，其性质介于合格标准边缘。此外，根据过去分析显示:8-1-1钛合金或6-4钛合金高尔夫球杆头，若制程曾经存在于800-950℃之间，其显微结构于α相/β相界面易产生界面相，而诱发微裂纹的形成，此为高尔夫球杆头炮击测试介于200-4000发间变异的主要因素。
然而，至目前为止，在高尔夫球杆头体积大型化及多样化的客制需求下，便有需要开发低密度、高延展性，但仍保持原有机械强度，以提高设计裕度。
故，有必要提供一种改良的高尔夫球杆头及其低密度合金，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的为提供一种高尔夫球杆头的低密度钛合金，其调整钛合金的铝含量的比例，开发钛89%至90%、铝10%至11%合金(以重量百分比计)。就室温结构用钛合金而言，降低钛合金密度，主要利用添加铝元素达到；其中当铝当量达到9.5以上，Aleq=Al%+10(O+2N+C)%+0.333Sn%+0.166Zr%，合金于热处理过程中易形成DO19的α2规则相，而发生延伸率降低或脆化现象，此乃商用钛合金主要以钛-6铝-4钒为主的原因之一。目前，最新以量产的钛合金，以钛-8铝-1钒-1钼合金密度最低(4.32～4.36克/立方厘米)。因此，提高铝元素含量，尤其是铸造状态下降低钛合金密度，将可进一步提升高尔夫球杆头设计空间的功效。
钛合金基本相变化：非合金化的钛于882℃时会发生同素异构变态，温度882℃以下为六方最密堆积结构的α相，在882℃以上为体心立方结构的β相。根据钛合金添加的合金元素对β/α+β转换温度的影响，α稳定元素主要是提高β/α+β转换温度，如：铝、氧、碳和氮，α稳定元素中以铝最为重要，主要铝的密度低（铝的密度为2.7克/立方厘米、钛的密度为4.5克/立方厘米），价钱较为低廉，同时可以增加钛合金的抗拉强度、潜变强度。而β稳定元素主要是降低β/α+β转换温度，如：钒、钼、铬和铁等元素，随着合金中β稳定元素添加的含量越多，室温下的β相也越多。中性元素的添加并不会对β/α+β转换温度有所影响，如锡、锆，其添加的主要作用为增加α相的强度界面相：钛合金于α相和β相之间会有一不同结构的区域出现，所述区域为一具高密度差排的层状区域(Striated Layer，SL)和一无内部结构的块状区域(Monolithic Layer，ML)的复合界面相，所述界面相的存在，提供了疲劳和裂纹成长路径。
为解决上述问题，本发明所提出的技术手段为提供一种铸造钛铝合金，其以重量百分比计包含：钛89～90%，铝10～11%，铸造状态下(精密铸造)，密度范围为4.18至4.30克/立方厘米。同时，透过其他不可避免微量元素的控制，如：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%，以及适当的高温925±25℃热处理，调整铸件结构，以避免介面(interfacial interphase)析出相或α2相产生，以改善合金脆性与提升合金延伸率，又或者，于925℃±25℃进行热均压处理或锻造或挤锻，来完成材质均质化。
上述的铸造钛铝合金系以延伸率在6～15%、抗拉强度在90～110千磅/平方英寸的钛合金。本发明的钛铝合金中的钛及铝的含量，较现有技术6Al-4V-Ti、Ti-8-1-1高，铝含量的提高降低比重、增加弹性模量有明显效果，与6Al-4V-Ti、Ti-8-1-1相比，钒或钼的添加量大为减少，从而降低了钛铝合金的制造成本，且其密度也低于同类合金，有利于高尔夫球杆头的大型化，并而提高其设计裕度、空间。
另外，为达成本发明的前述目的，本发明一实施例提供一种高尔夫球杆头，该杆头包含有一打击面板、一顶部、一底部、一趾部、一跟部及一管柄，其特征在于：所述高尔夫球杆头至少一部分是由本发明钛铝合金制造而成，所述钛铝合金包含重量百分比平衡的钛、铝10%～11%，及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%，所述钛铝合金经925±25℃高温热处理1至4小时，其具有90～110千磅/平方英寸的抗拉强度，及4.18～4.30克/立方厘米的密度。例如，该顶部、底部、趾部及跟部系由本发明钛铝合金所制成，该打击面板选择由6-4钛合金、SP700或其它习知之钛合金所制成。然而，本发明钛铝合金亦可使用于打击面板。
在本发明的一实施例中，所述热处理时间为1小时。
在本发明的一实施例中，所述钛铝合金的延伸率为6～15%。
在本发明的一实施例中，所述高尔夫球杆头的体积介于410至470立方厘米，在适当配重后，其整体重量介于180至210公克。
再者，本发明另一实施例提供另一种高尔夫球杆头的低密度合金，其特征在于：所述低密度合金包含：重量百分比平衡的钛、重量百分比10%～11%的铝，及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%所组成，其具有90～110千磅/平方英寸的抗拉强度、4.18～4.30克/立方厘米的密度及6～15%延伸率。
附图说明
图1是本发明实施例2经不同温度处理1小时的硬度分布图。
图2是本发明实施例2经800℃温度处理，通过扫描式电子显微镜(SEM)观察的视图，显示针状组织。
图3是本发明实施例2经900℃温度处理，通过SEM观察的视图，显示针状组织，且晶粒尺寸约30～80μm。
图4是本发明实施例2，经1000℃温度处理，通过SEM观察的视图，显示针状组织且晶粒尺寸大于200μm。
图5是本发明实施例2，经不同1000℃温度，通过穿透式电子显微镜(TEM)观察的视图，显示针状组织基地，其中5(a)为明视野图、5(b)为暗视野图、5(c)为轴SADP图、5(d)为轴SADP图。
图6本发明实施例2，经不同1000℃温度，TEM观察的视图。显示在基地相界面，存在有FCO结构相形成，6(a)为明视野图、6(b)为暗视野图、6(c)为轴SADP图、6(d)为轴SADP图。
图7本发明实施例2，经不同950℃温度，TEM观察的视图。显示在基地针状组织高密差排消失，7(a)为明视野图、7(b)为暗视野图、7(c)为轴SADP图。
图8本发明实施例2，经不同900℃温度，TEM观察的视图。显示在基地针状组织高密差排消失，8(a)为明视野图、8(b)为暗视野图、8(c)为轴SADP图。
图9本发明实施例2，经不同800℃温度，TEM观察的视图。显示在基地相，存在有α2相形成，9(a)为明视野图、9(b)为基地暗视野图、9(c)为α2暗视野图、9(d)为轴SADP图。
图10本发明实施例2，经不同700℃温度，TEM观察的视图。显示在基地相，存在有α2相形成，10(a)为明视野图、10(b)为基地暗视野图、10(c)为α2暗视野图、10(d)为轴SADP图。
具体实施方式
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
请参照表1所示，实施例的钛铝合金，其合金元素的重量百分比包含：平衡的钛(Ti)，铝(Al)10～11%，密度范围为4.18至4.30克/立方厘米。以下分别针对各种添加合金元素的设计比例、限制范围说明如下：
铝(Al)：铝添加于钛合金中，主要可降低合金密度，提高合金强度；铝的添加亦可能形成Ti3Al(α2相)与TiAl(γ相)金属中间化合物，所述金属中间化合物将使合金室温的韧性(延伸率)急遽下降。整体而言，当铝含量低于10.0%时，合金密度高于4.30克/立方厘米(预期目标)；若铝含量大于11.0%时，则合金延伸率低于6%(预期目标)。因此，本发明的合金材料其铝含量应严格限制在10.0～11.0%之间。
碳(C)、氮(N)、氧(O)：系合金制程中不可避免的格隙原子，考量铝当量Aleq=Al%+10(O+2N+C)%+0.333Sn%+0.166Zr%，且为避免Ti3Al(α2相)的形成，本发明的合金材料其(碳+氮+氧)含量应严格限制在0.2%以下。
硅(Si)：硅添加于合金中，将可提高强度，惟会增加合金脆性。案，硅元素系制程中不可避免元素。依据本发明实施例，本发明的合金材料其硅含量限制在0.2%以下。
铬(Cr)、铁(Fe)、钒(V)、钼(Mo)：系合金制程中不可避免的过渡元素，以64钛合金规范而言，其不可避免的过渡元素总量<0.4%。而且，在本发明实施例中，(铬+铁+钒+钼)总量<0.37%。因此，本发明的合金材料其(铬+铁+钒+钼)总含量限制在0.4%以下。
表1实施例与商用钛铝合金铸造性质表
注:本发明专利实施例与对照例合金，铸造后经925℃/1小时热处理。
上述实施例的合金材料系以钛-铝二元合金为主，平衡的钛，铝10～11%，同时，其他不可避免微量元素控制在，(碳+氮+氧)<0.14%、硅<0.14%、(铬+铁+钒+钼)<0.37%。经精密铸造制程，可获得延伸率在6.9～12.5%之间，抗拉强度在96.0～105.1千磅/平方英寸之间，密度范围为4.20～4.27克/立方厘米之间。
依据本发明实施例1～4制成高尔夫球杆头，该球杆头体积较佳为410至470立方公分，更佳为450至460立方公分，重量约为180至210公克，经炮击专用高尔夫球(球规格为90)55.8米/秒炮击速度，通过3000发炮击测试，打击面板与球杆头本体经目视与探伤测试均无破裂及裂痕。此外，对照例1与2，虽强度符合产业需求，惟密度不在预期的范围内；对照例3，虽强度密度在预期的范围内，惟其延伸率偏低，不符产业应用的需求性，有待更进一步开发突破。相对于Ti-8-1-1及6-4Ti，对照例的密度均低于4.35～4.43克/立方厘米。
依据本发明实施例2为例，其于精密铸造下(As-cast)毛胚，未经任何热处理，其机械性质：抗拉强度98.6千磅/平方英寸、降伏强度97.3千磅/平方英寸、延伸率1.4%，硬度HRc25.4；经925℃/1小时处理后，其机械性质提升为：抗拉强度102.2千磅/平方英寸、降伏强度95.3千磅/平方英寸、延伸率8.9%，硬度HRc25.5，密度4.22克/立方厘米，适合作为高尔夫球杆头的本体。前述热处理时间亦可适度增加为2小时、3小时或4小时，以使材料组织更为均匀致密。
另外，依据本发明实施例2为例，合金经700～1000℃/1小时，每隔25℃量测合金硬度分布，如下图1所示；显示实施例2，于900～950℃之间，热处理1小时后，其硬度可达较低值，就合金设计与机械性质观点，显示其可获致最佳的延伸率。在本发明实施例2中，合金铸件经800℃、900℃与1000℃处理，经扫描式电子显微镜(SEM)观察，如图2～4所示，显示不同热处理将获致不同的显微结构。由于，不同的组织结构，故呈现不同的延伸率；故本发明专利实施例经900～950℃之间，热处理1小时后，可获致适当的组织结构，以得到最佳的延伸率。
再者，图5～10为穿透式电子显微镜(TEM)观察结果，图5与图6显示合金于1000℃热处理后，基地呈现高密度差排的麻田散体积地，同时亦可观察到基地间界面存在有界面相析出物，所述界面相的形成，将导致合金的脆性提高与延伸率降低；图7与图8显示合金于900～950℃之间，热处理1小时后，基地差排密度降低，同时亦无观察到基地间界面相存在，显示所述温度范围内热处理，合金可拥有较高的韧性或延伸率；图9与图10显示合金于700～800℃之间，热处理1小时后，基地内可观察到规则的DO19α2相产生。整体而言，本发明设计的高尔夫球铸造钛铝合金杆头，透过高温925±25℃热处理，可避免介面析出相或α2相产生，而改善脆裂现象，可提升合金延伸率至6～15%。同时，所述合金具有4.18～4.30克/立方厘米的密度，可提高尔夫球杆头的设计空间。
值得注意的是，本发明上文提及的「%」若无特定说明皆指「重量百分比(wt%)」；数值范围(如10%～11%的A)若无特定说明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；数值范围若未界定下限值(如低于0.2%的B，或0.2%以下的B)，则皆指其下限值可能为0(即0%≦B≦0.2%)；元素组合(C+D+E)指的是括号内的这些n种元素之总含量，但可能其中部份元素的含量为0(若其下限值包含0，亦可能为全部元素的含量皆为0)；用语「平衡(balance)的F」指的是「其余重量比例以F补足至100wt%」。
本发明由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种高尔夫球杆头，其特征在于：所述高尔夫球杆头之至少一部分是由钛铝合金制造而成，所述钛铝合金以重量百分比计包含：
重量百分比平衡的钛、铝10%～11%，及微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%，所述钛铝合金经925±25℃高温热处理1至4小时，其具有90～110千磅/平方英寸的抗拉强度，及4.18～4.30克/立方厘米的密度。
2.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述热处理为进行热均压处理或锻造或挤锻。
3.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述热处理时间为1小时。
4.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述钛铝合金的延伸率为6～15%。
5.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述高尔夫球杆头的体积介于410至470立方厘米，及其重量介于180至210公克。
6.一种高尔夫球杆头的低密度合金，其特征在于：所述低密度合金以重量百分比计包含：
重量百分比平衡的钛、重量百分比10%～11%的铝，及微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%所组成，其具有90～110千磅/平方英寸的抗拉强度、4.18～4.30克/立方厘米的密度及6～15%延伸率。
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