CN104511569B - 含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，用以改善以往真空铸造方法的铸材与铸件间转换比例不佳的问题，本发明的制造方法包含：将一个壳模定位放置于一个旋转平台，该壳模包含相连通的一个坩埚部及一个模穴部，且该旋转平台连接于一个可轴向旋转的转轴；将一个含活性金属的钢类金属锭放置于该壳模的坩埚部，并于真空环境下将该钢类金属锭加热熔融成金属液；驱动该转轴以连动该旋转平台转动，使熔融的金属液流入该壳模的模穴部中；缓速停止该转轴，并取下该浇铸完成的壳模；破坏该壳模以取得一个高尔夫球杆头铸件。
Description
技术领域
本发明是关于一种精密铸造高尔夫球杆头的方法，特别是精密铸造一种含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法。
背景技术
一般而言，高尔夫球杆可分为木杆、铁杆及推杆三大类，早期的木杆头与铁杆头多以不锈钢或碳钢材质制成，为提高球杆头的功能性，近年来有各种新的钢类铸造材料被持续开发，并用以制造高尔夫球杆头。另一方面，高尔夫球杆头多以精密铸造方式制成，而目前的精密铸造大多于大气中进行，借助高周波感应熔解炉(High Frequency InductionFurnace)快速地将钢类金属锭熔融，再搭配静态重力浇铸而成。
然而，由于可提高球杆头功能性的钢类合金中，常含有易与大气中的氧反应的活性金属(例如：锰、铝、硅、钴、钛等)，因而易于熔炼钢类金属锭的过程中，与氧产生剧烈的氧化反应，不但造成熔解的困难度提升，更易导致浇铸后在高尔夫球杆头铸件上形成产生大量的渣孔或反应气孔等铸造缺陷；再者，剧烈的氧化反应也会造成金属液在壳模内的流动性下降，易因浇铸不足导致高尔夫球杆头铸件的成型良率降低，或是产生冷隔(Cold Shut)的问题而在高尔夫球杆头铸件中形成缝隙。此外，当欲熔炼的钢类金属锭中含有铬时，虽然铬在熔炼的过程中与大气产生氧化反应的程度不若上述氧化性较高的活性金属，但含铬的金属液进入模穴后，易与壳模的面层产生反应而生成二氧化铬与氧化铁，亦会造成高尔夫球杆头铸件表面的缺陷。
为解决上述问题，当用以制造高尔夫球杆头的钢类铸材中含有活性金属时，熔炼过程通常会选择在真空环境中进行，目前业界较常使用的真空铸造大致上包含真空电弧熔炼(Vacuum Arc Melting)与感应凝壳熔炼(Induction Skull Melting)二种；然而，无论是真空电弧熔炼或感应凝壳熔炼，其熔炼过程中都会使用水冷铜坩埚来作为钢类铸材熔融的载具，但水冷铜坩埚会降低金属的过热度(Degree of Superheat)，使熔融的金属液重新在水冷铜坩埚的内表面凝固，并生成一层具有厚度的壳体(即所谓“凝壳”)，以致钢类铸材转换成高尔夫球杆头铸件的比例降低，形成铸材的浪费而难以降低铸造成本，特别是当钢类铸材含有例如镍或钴等较为昂贵的成分时，如何提高铸材与铸件之间的转换比例，遂成为一项亟需改善的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，可避免金属液产生剧烈的氧化反应，并可提高铸材与铸件之间的转换比例，避免浪费铸材，以有效提升高尔夫球杆头铸件良率及降低铸造成本。
为达到前述目的，本发明所运用的技术内容包含有：
一种含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，包含：将一壳模定位放置于一旋转平台，该壳模包含相连通的一坩埚部及一模穴部，且该旋转平台连接于一可轴向旋转的转轴；将一含活性金属的钢类金属锭放置于该壳模的坩埚部，并于真空环境下将该钢类金属锭加热熔融成金属液；驱动该转轴以连动该旋转平台转动，使熔融的金属液流入该壳模的模穴部中；缓速停止该转轴，并取下该浇铸完成的壳模；破坏该壳模以取得一高尔夫球杆头铸件。
其中，该钢类金属锭可以为包含锰(Mn)、铝(Al)或硅(Si)的铁基材料，该钢类金属锭的铁含量大于50％，该钢类金属锭的密度为6.5～7.5g/cm3；例如，该钢类金属锭可以包含以重量百分比计5.0至35％的锰，或该钢类金属锭可以包含以重量百分比计6.0至12％的铝，或该钢类金属锭可以包含以重量百分比计3.0至5.5％的硅。
其中，该钢类金属锭可以为包含钴(Co)、钼(Mo)或钛(Ti)的铁基材料，该钢类金属锭的铁含量大于50％，该钢类金属锭的抗拉强度大于250ksi；例如，该钢类金属锭可以包含以重量百分比计5.0％至15.0％的钴，或该钢类金属锭可以包含以重量百分比计1.0％至6.0％的钼，或该钢类金属锭可以包含以重量百分比计0.2％至2.0％的钛。
其中，该钢类金属锭可以包含以重量百分比计15～30％的铬(Cr)，该钢类金属锭的密度为7.5～8g/cm3。
其中，该壳模的成型步骤包含：准备一个蜡胚，该蜡胚包含一个坩埚胚及一个铸件胚，该坩埚胚的环周面设有一个第一连接部，该铸件胚设有一个第二连接部，该第一连接部与该第二连接部相对连接成一体；于该蜡胚的表面形成一个包覆层；对该蜡胚及包覆层加热，以将蜡熔出；将该脱蜡完成的包覆层以高温烧结而形成该壳模，并使该壳模具有一体相连的坩埚部与模穴部。
其中，该壳模的面层材料可以为氧化钇、安定氧化锆或氧化铝等耐火材料。
其中，该壳模的背层材料可以为莫来石混合物，其三氧化二铝的含量为45％～60％，二氧化硅的含量为55％～40％。或者，该壳模的背层材料可以为二氧化硅混合物，其二氧化硅的含量达95％以上。
据此，本发明的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，可以在真空环境中熔炼金属液，避免金属液产生剧烈的氧化反应，以提升高尔夫球杆头铸件的良率；同时，还可利用离心力将熔融的金属液确实地浇灌填充入壳模的模穴，以提高铸材与高尔夫球杆头铸件之间的转换比例，避免浪费铸材而降低铸造成本。
附图说明
图1：本发明搭配使用的真空离心铸造装置的结构示意图。
图2：本发明搭配使用的真空离心铸造装置的局部立体分解图。
图3：本发明的实施示意图(一)。
图4：本发明搭配使用的真空离心铸造装置的壳模成型流程示意图。
图5：本发明的实施示意图(二)。
图6：本发明的实施示意图(三)。
图7：本发明搭配使用的另一真空离心铸造装置的结构示意图。
【主要元件符号说明】
1 真空炉
11 容室 12 导气管
13 开口 14 盖体
2 转轴
21 本体 22 止转部
23 抵靠部
3 旋转平台
31 轴接部 311 穿孔
32 定位部 32a 坩埚定位部
32b 模穴定位部 321 穿置孔
322 容槽
4 壳模 41 坩埚部
411 容置空间 412 第一连接管
413 环唇 42 模穴部
421 模穴 422 第二连接管
5 加热器
6 蜡胚
61 坩埚胚 611 第一连接部
62 铸件胚 621 第二连接部
7 包覆层
8 套环
M 马达 B 轴承
L 升降控制器 P 钢类金属锭
N 金属液。
具体实施方式
为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，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：
请参阅图1，其是本发明的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法所搭配使用的一真空离心铸造装置。其中，该真空离心铸造装置包含一真空炉1、一转轴2、一旋转平台3、一壳模4及一加热器5；该转轴2、旋转平台3、壳模4及加热器5均设于该真空炉1中，该旋转平台3连接该转轴2以与该转轴2同步旋转，该壳模4定位放置于该旋转平台3，该加热器5则用以对该壳模4加热。
更详言之，上述真空炉1的内部具有一容室11，该真空炉1可设有一导气管12，该导气管12与该容室11相连通，一真空控制器(图未绘示)可依据设定值，通过该导气管12而对该容室11抽气，以控制该容室11的真空度。另，该真空炉1还可设有一开口13，以供使用者向该容室11置入或取出物品，及设有一盖体14以启闭该开口13。
请参阅图1、图2，上述转轴2可轴向转动地设于该真空炉1的容室11中；在本实施例中，该转轴2可与一马达M的输出端相连，以由该马达M驱动旋转。又，该马达M可以选择设于该真空炉1的外部，该转轴2的一端穿伸出该真空炉1以连接该马达M；该转轴2可穿置于一轴承B中，该轴承B可连接定位于该真空炉1，以辅助提升该转轴2的旋转稳定性，防止该转轴2转动时产生偏摆的情况。
此外，该转轴2位于该容室11中的部分可分为一本体21及一止转部22，该本体21与止转部22的径向截面形状不同，以于二者交界处形成一抵靠部23，以供该旋转平台3结合于该止转部22并抵接于该抵靠部23，使该旋转平台3能随该转轴2产生同步旋转；在本实施例中，该本体21的径向截面可以呈圆形态样，该止转部22可以设于该转轴2的端部，该止转部22的径向截面则呈非圆形态样，以供该旋转平台3套接结合于该止转部22并抵接于该抵靠部23。
请参阅图2、图3，上述旋转平台3是用以供上述壳模4定位放置的载具，该旋转平台3设有相连接的一轴接部31及一定位部32；在本实施例中，该轴接部31可设有一穿孔311，该穿孔311的径向截面形态较佳与该转轴2的止转部22的径向截面形态相匹配，以供该旋转平台3通过该轴接部31的穿孔311套合连接该转轴2的止转部22。该旋转平台3的定位部32可以概分为一坩埚定位部32a及一模穴定位部32b，该坩埚定位部32a位于该轴接部31与该模穴定位部32b之间，且该轴接部31、坩埚定位部32a及模穴定位部32b依该转轴2的径向延伸排列；又，该坩埚定位部32a可设有一穿置孔321，以供该壳模4的一部分穿伸于其中，该模穴定位部32b则可设有一容槽322，以容置该壳模4的另外一部分。
请参阅图2、图3，上述壳模4具有相连通的一坩埚部41及一模穴部42，该壳模4的坩埚部41可定位放置于该旋转平台3的坩埚定位部32a，该壳模4的模穴部42则可定位放置于该旋转平台3的模穴定位部32b，使该壳模4的坩埚部41较模穴部42更邻近于该旋转平台3的轴接部31。
其中，该坩埚部41可概呈杯状而于内部形成一容置空间411，该容置空间411可用以容置欲加热熔融的钢类金属锭P，该坩埚部41的环周面另设有一第一连接管412，该第一连接管412连通该容置空间411。该模穴部42是用以成型高尔夫球杆头的部位，该模穴部42的外型不特别限制，该模穴部42的内部具有至少一模穴421，该模穴421的形态与所欲铸造成型的高尔夫球杆头相匹配；该模穴部42另设有一第二连接管422，该第二连接管422连通该模穴421，且该坩埚部41与模穴部42由该第一连接管412及第二连接管422相对接，使该容置空间411得以与该模穴421相连通。
请参阅图4，在本实施例中，该壳模4的坩埚部41与模穴部42可以呈一体相连的形态，该壳模4的成型步骤为：准备一蜡胚6，该蜡胚6包含一坩埚胚61及一铸件胚62，该坩埚胚61的环周面设有一第一连接部611，该铸件胚62则设有一第二连接部621，该坩埚胚61与铸件胚62由该第一连接部611及第二连接部621相对连接成一体。对该蜡胚6进行沾浆、淋砂或粘砂等流程，于该蜡胚6的表面形成一包覆层7。对该蜡胚6及包覆层7加热，以将蜡熔出；举例而言，可将该蜡胚6与包覆层7一并置入一蒸气釜内加热，使该蜡胚6熔化以便从该包覆层7中排出。将该脱蜡完成的包覆层7以高温烧结而形成所述壳模4，并使该壳模4具有一体相连的坩埚部41与模穴部42。其中，该壳模4的面层材料可选用氧化钇、安定氧化锆或氧化铝等耐火材料，该壳模4的背层材料则可选用莫来石(3Al2O3-2SiO2)或二氧化硅作为耐火材料；又，当背层材料选用莫来石混合物时，其三氧化二铝的含量较佳为45％～60％，二氧化硅的含量较佳为55％～40％；当背层材料选用二氧化硅混合物时，其二氧化硅的含量较佳可达95％以上。
请再参阅图1、图3，上述加热器5设于该真空炉1的容室11中，用以对该壳模4的坩埚部41加热。在本实施例中，该加热器5可选择为一高周波线圈，并由一升降控制器L带动该加热器5在该容室11中移动；需加热该壳模4的坩埚部41时，该加热器5可被带动上升至一预设位置，以环绕于该坩埚部41的外周，并启动该加热器5，使该坩埚部41被加热升温；加热完毕后，该加热器5则可以被该升降控制器L带动下降，使该加热器5不再环绕于该坩埚部41的外周，以免干扰该壳模4随该旋转平台3及该转轴2的旋转动作。
据由前述结构，本发明可实施一种含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，该制造方法大致上包含以下步骤：
请参阅图1至图3，将一壳模4定位放置于一旋转平台3，且该旋转平台3连接于一可轴向旋转的转轴2。更详言之，该旋转平台3可设于一真空炉1中，以便控制该壳模4所处空间的真空度；另，该壳模4包含相连通的一坩埚部41及一模穴部42，该壳模4可由该坩埚部41穿伸于该旋转平台3的穿置孔321中，并由该坩埚部41的第一连接管412抵接于该旋转平台3，该壳模4的模穴部42则可置放于该旋转平台3的容槽322，使该壳模4能稳固定位于该旋转平台3上的预设位置。以及，将一钢类金属锭P放置于该壳模4的坩埚部41中，该钢类金属锭P可以为含有活性金属的钢类材料；举例而言，下表为可实施本发明制造方法的三种钢类材料，但并不以此为限。
表一、各实施例的钢类金属锭的成分表
由上表可知，“实施例一”及“实施例二”为包含铝(Al)或硅(Si)或锰(Mn)的铁基材料，其铁含量大于50％，密度为6.8g/cm3，抗拉强度为145～155ksi，属于具有低比重(密度为6.5～7.8g/cm3)特性的钢类材料；“实施例三”、“实施例四”及“实施例五”为包含钴(Co)或钼(Mo)或钛(Ti)的铁基材料，其铁含量大于50％，密度为7.8g/cm3，抗拉强度为250～275ksi，属于具有高强度(抗拉强度大于250ksi)特性的钢类材料；“实施例六”属于高铬(Cr)含量的铁基材料，其包含以重量百分比计15～30％的铬，密度为7.5～8g/cm3，抗拉强度为90～110ksi。
请参阅图1、图5，于真空环境下将该钢类金属锭P加热熔融成金属液N。更详言之，在该壳模4安置定位后，该加热器5可被带动上升至一预设位置，以环绕于该坩埚部41的外周；同时，该真空炉1的导气管12可对该容室11抽气，以控制该容室11的真空度。待真空度达到预设值(例如真空度小于0.3mbar)后，可启动该加热器5，使该壳模4的坩埚部41被加热升温，令该坩埚部41中的钢类金属锭P能熔融成金属液N；其中，该加热器5运行时，其电源供应器的频率可例如为4kHz～30kHz，功率为5kW～100kW。在钢类金属锭P都熔融成金属液N后，该加热器5则停止运行，并快速地被带动下降，使该加热器5不再环绕于该坩埚部41的外周。
请参阅图1、图6，驱动该转轴2以连动该旋转平台3转动，使熔融的金属液N流入该壳模4的模穴部42中。更详言之，该转轴2可由该马达M驱动以产生轴向旋转，其转速约为200rpm～700rpm，该转速可依据高尔夫球杆头铸件的厚度(即该模穴421的空间大小)进行调整；当该旋转平台3受连动而以该转轴2为轴心转动时，在旋转过程中，金属液N可受离心力作用而沿着该壳模4的坩埚部41的内侧壁面，通过该壳模4的第一连接管412及第二连接管422，流入该模穴部42中以进行浇铸的动作，进而填充该模穴421。浇铸完成后，可缓速停止该转轴2，并将该壳模4从该旋转平台3上取下，续将该壳模4破坏以取得所述高尔夫球杆头铸件。
是以，本发明的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，可在熔融的金属液N再度凝固前，利用离心力将金属液N确实地浇灌填充入壳模4的模穴421，以避免发生部分金属液N在坩埚部41中凝固形成凝壳的状况，故能有效提高铸材(即该钢类金属锭P)与高尔夫球杆头铸件之间的转换比例，避免浪费铸材以降低铸造成本。
另，请参阅图7，在另一实施例中，本发明含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法还可以搭配使用具有数个模穴421的壳模4，一次性地铸造出数个高尔夫球杆头铸件，以提升制造效率。
综上所述，本发明含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法及其装置，可在真空环境中熔炼金属液，避免金属液产生剧烈的氧化反应，以提升高尔夫球杆头铸件的良率；同时，还可利用离心力将熔融的金属液确实地浇灌填充入壳模的模穴，避免发生部分金属液在坩埚部中凝固形成凝壳的状况，故能有效提高铸材与高尔夫球杆头铸件之间的转换比例，避免浪费铸材以降低铸造成本。
Claims (13)
1.一种含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于包含：
将一个壳模定位放置于一个旋转平台，该壳模包含相连通的一个坩埚部及一个模穴部，且该旋转平台连接于一个可轴向旋转的转轴；
将一个含活性金属的钢类金属锭放置于该壳模的坩埚部，并于真空环境下将该钢类金属锭加热熔融成金属液；驱动该转轴以连动该旋转平台转动，使熔融的金属液流入该壳模的模穴部中；
缓速停止该转轴，并取下浇铸完成的该壳模；破坏该壳模以取得一个高尔夫球杆头铸件；
其中，该壳模的成型步骤包含：准备一个蜡胚，该蜡胚包含一个坩埚胚及一个铸件胚，该坩埚胚的环周面设有一个第一连接部，该铸件胚设有一个第二连接部，该第一连接部与该第二连接部相对连接成一体；于该蜡胚的表面形成一个包覆层；对该蜡胚及包覆层加热，以将蜡熔出；将脱蜡完成的包覆层以高温烧结而形成该壳模，并使该壳模具有一体相连的坩埚部与模穴部。
2.如权利要求1所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭为包含锰、铝或硅的铁基材料，该钢类金属锭的铁含量大于50％，该钢类金属锭的密度为6.5～7.5g/cm3。
3.如权利要求2所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭包含以重量百分比计5.0至35％的锰。
4.如权利要求2所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭包含以重量百分比计6.0至12％的铝。
5.如权利要求2所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭包含以重量百分比计3.0至5.5％的硅。
6.如权利要求1所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭为包含钴、钼或钛的铁基材料，该钢类金属锭的铁含量大于50％，该钢类金属锭的抗拉强度大于250ksi。
7.如权利要求6所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭包含以重量百分比计5.0％至15.0％的钴。
8.如权利要求6所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭包含以重量百分比计1.0％至6.0％的钼。
9.如权利要求6所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭包含以重量百分比计0.2％至2.0％的钛。
10.如权利要求1所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该钢类金属锭包含以重量百分比计15～30％的铬，该钢类金属锭的密度为7.5～8g/cm3。
11.如权利要求1至10中任一项所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该壳模的面层材料为耐火材料氧化钇、安定氧化锆或氧化铝。
12.如权利要求1至10中任一项所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该壳模的背层材料为莫来石混合物，其三氧化二铝的含量为45％～60％，二氧化硅的含量为55％～40％。
13.如权利要求1至10中任一项所述的含活性金属的钢类高尔夫球杆头的制造方法，其特征在于：该壳模的背层材料为二氧化硅混合物，其二氧化硅的含量达95％以上。
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