CN106032561A - 高尔夫球铁杆头的组成合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高尔夫球铁杆头的组成合金，包含：16.5-17.5wt%的铬、8.4-9.8wt%的锰、3.0-4.5wt%的镍、2.8-3.7wt%的硅、0.1-0.5wt%的铌、0.05-0.12wt%的碳，及其余比例为铁。本发明所提供的高尔夫球铁杆头的组成合金，其使得高尔夫球头密度ρ=7.45~7.55g/cm³，并具有设计空间，且拥有不生锈与高延伸率等性质需求，而将上述组成合金经过1040℃/1小时的固溶处理后，和/或进行450~550℃/1~4小时时效热处理，可得知合金结构为α+γ双相结构组织+碳化物析出，其中γ比例为55~65%，并具备115-130 ksi的抗拉强度、68-85 ksi的降伏强度，及37.5-58.7%的延伸率的机械性质，同时亦具有抗盐雾试验的耐蚀性。

Description

高尔夫球铁杆头的组成合金

技术领域

本发明有关于一种高尔夫球铁杆头的组成合金，特别是指一种合金密度为7.50±0.05g/cm³的高尔夫球铁杆头的组成合金。

背景技术

高尔夫球运动依照打击目的不同，一般其整套球杆共14支，大致可分为木杆、铁杆与推杆三大类；

1.木杆选择时机为需要长远距离击球时，其可容许较大的失击率；木杆又分为开球木杆与球道木杆二种。

2.铁杆选用时机则为进攻果岭或障碍排除时选用，如球落入沙坑时使用，其重点在于精准击球，获得有效与准确的击球距离；铁杆又分为长铁杆、中铁杆、短铁杆、挖起杆与劈起杆，甚至混合杆(空心铁头)等几种。

3.推杆选用时机则为果岭上击球用，其重点在于击球时的稳定与平衡性。推杆则可分为D、L、Pin、T四种形式。

为能适应不同球道的变化，精准的击球距离(控制在10码的变异量)；因此，虽然同为木杆或铁杆，其亦存在不同角度与尺寸的规范，如次页木杆头、铁杆头与推杆名称与规格表1所示。至于，推杆部无特定的规范，为其一外型尺寸，则分为D、L、Pin、T四种形式，其特征为：D型重心低、击球稳定、L型偏心击球，手感佳、Pin型偏心击球，球路佳、T型中心击球，球路直。

表1 木杆、铁杆、推杆名称与规格表

依据United States Golf Associatuon(USGA，美国高尔夫协会)订定球场击球规范与球具规范，其高尔夫球具主要限定球头：(1)球具的尺寸，(2)球头惯性力矩(Moment of Inertia, MOI)，以及(3)特征时间(Characteristic Time, CT)，主要限定开球木杆高尔夫球与高尔夫球头接触的时间，不能超过239μs，(最大容许误差257μs)；另外。对于球头材质仅限定击球面为单一材质。因此，高尔夫球具为达到挥杆的平衡性，基本上球头重量皆在一定范围内，亦即球头重量存在固定值的限制。此外，高尔夫球头的设计，主要分为造性功能设计(外型设计或采用多元材料复合而成)，以及发展不同机械特性的材料设计。

近年来，就球头的外型发展趋势，主要有：

1.轻量化与配重性：通过不同的材料选用，改变杆头质量分布，如：a.以密度较高的钨镍铁合金(常用密度约10、14、17g/cm³)作为配重块，以降低杆头整体重心位置，提高球飞行角度；或，b.顶盖以碳纤维或薄化蜂窝式，降低重量顶盖重量，部分质量可调整至底部；或，c.使用高强度或低密度金属，增大球头体积，以减少失击率。

2.杆面不均厚设计：由于球头打击面的特征时间与击球位置、击球面曲率、球面厚度与硬度相关。因此，近年来，击球面尺寸开始设计不均厚打击面，可分为：可变杆面厚度(Variable Face Thickness )与减少厚度(Graduation Reduced Thickness)两种，其目的可增加甜蜜区面积，降低失击率。

3.可调整性设计：依据USGA规范，高尔夫球具于球场上使用时，必须为单一刚体(不可脱落)，因此，球具出厂后，其尺寸需不可变化。近年来，在量身订做的概念下，球杆开始设计使用者可自行变化球头重心、惯性矩、左右旋转角等。球员可依天气状况于上场前，适时的改变球杆的配重、杆面角度等功能与特性。

而就材料设计而言，主要追求：(1)高抗拉强度和/或高延伸率组合，(2)不同密度的合金，或不同密度的差异组合，(3)低杨氏系数，以达到变化不同球头造型与产生不同的打击效果，以满足打击者的需求。此外，近年来亦发展不同的制程，如：表面氮化制程、高精度激光焊接、真空上吸引铸造，以提高球头制造性与稳定性。以下，就球头的材料发展趋势，陈述如后：

开球木杆：考虑增大击球区域，主要采用高比强度材料(强度与密度的比值)，主要为钛合金或析出硬化型不锈钢，其中钛合金更占有80%以上的运用。钛合金自1990年代起，被广泛应用在高尔夫球杆头材料上。最早期选用最易获得的CP-Ti与64Ti。之后，为增加设计空间，则采用高强度β型钛合金，如：10-2-5，15-3-3-3、20-4-1等，其间，亦有采用强度较高的双相钛合金较高，如：SP700，Ti-9等，同时期，亦开发价格较低的3Al-2.5V钛合金，或无钒的Ti735。2000年以后，则有陆续发展，a.低密度钛，包括：Ti-8-1-1、Ti-10Al；b.不同弹性模数，包括：Ti-Al-Cu、Ti-Mo、Ti-Al-Zr等合金系列。目前，钛合金应用于高和夫球头，将近20种合金，如：Ti-3Al-2.5V、Ti9、Ti6242、Ti64、Ti811、Ti1023、Ti153、Ti15333、Ti-22V-4Al、2041、SP700、VL、TVC、KS ELF、KS ELF Ⅱ、DAT55G、DAT55G+、Super-TIX® 51AF等。

球道木杆：球道木杆尺寸较开球木杆小，着重低密度或高CT设计，因此材料选用主要以高强度为主，其间析出硬化型不锈钢又占有80%以上的运用。1990年后，不锈钢主要发展为：a.高强度的材料，包括：15-5SS、N60SS、450SS、455SS、465SS、475SS、AM355等；b.新合金设计，以寻求不同密度或高延伸率为特征，包括：铁铝锰系列、双相不锈钢系列(X25、X30、X17)等。目前，主要使用麻田散铁型或析出硬化型材料，包括：431SS、450SS、455SS、465SS、475SS、AM350、AM355、AerMet310、15-5PH、15-7PH、17-4PH、Maraging200、T275、ASTM771、HT1770等。

铁杆：主要考虑加工性与铸造性，主要以铁系碳钢或低单价不锈钢为主，S25C为最早期使用金属，可追溯至17世纪。S25C其缺点为易生锈，需处理表面电镀处理，如：镀镍或镀铬。2000年，为考虑铸造特性，8620低碳合金钢被广泛应。然而，2010年起，为能增加不同铁杆头，具有不同硬度与杆部可调杆特征，较高硬化能S45C与4140则陆续被应用在高尔夫球头材料上。为克服铁系碳钢或低合金钢易生锈问题，不锈钢被广泛采用，其间又以 17-4PH析出硬化型不锈钢为主要材质，为了成本考虑，亦采用431SS。目前，常用铁杆头铁系材料，主要有：S20C、S25C、S30C、8620、11L17、12L14、SUP10等。

推杆：主要考虑击球感觉，发展主要为外型设计，材料则主要选用软金属为主，除了低碳钢外，包括：铜合金，如纯铜、黄铜、青铜、铍铜，或者铝合金，如6061、7075、A380等。

综上所述，一套完整高尔夫球具，依使用目的主要分为：开球木杆、球道木杆、球道铁杆(含空心铁杆)、挖起铁杆以及推杆等几类。为考虑高尔夫球竞赛，运动者击球技术的公平性与合理性，依据USGA规范，高尔夫球具主要限定为球具的尺寸、惯性力矩、特征时间。因此，高尔夫球头的设计，分为外型功能设计与材料设计与选用；而就材料设计而言，包括：不同抗拉强度与延伸率组合、不同密度材质，与不同杨氏系数。就高尔夫球铁杆头而言，早期以柿木制成或者镶制软铁(S25C)于球头表面。1930年后，开始大量发展金属球头，例如不锈钢、锻造软铁(S25C)，其密度约在7.80~7.90 g/cm³；其间，亦有铝合金、镁合金被采用，惟制程上与击球效益上，皆有不利因素，因此渐渐无人使用。自1990年代以后，钛合金因为具有优异的比强度(密度4.50~4.80 g/cm³) 与抗蚀性，以及优越的击球声音，广泛的被应用在高尔夫球头上。整体而言，锻造软铁、不锈钢与钛合金约各占三分之一的市场。如上述所示，在球头材质开发过程中，不同密度是一大重点，如：2000年，推动的铁铝锰合金系统，具密度6.80 g/cm³；N60不锈钢，即具密度7.60 g/cm³；球墨铸铸铁，具密度7.30 g/cm³。相关铁系合金密度，如图1所示。

由于球头重量限制，对于女性、青少年或者老年人球员，常常会因球头重量偏重，而造成打击效果不佳及不便；因此，其球具设计通常采用缩小尺寸，以改善其击球失击率。因此，近年来球头材质发展需求之一，即希望能降低球头材质密度5%，使得女性、青少年或者老年人球员打者而言，可在与一般男性球员相同尺寸球具下，减轻约5%重量，而减少击球失击率。综合上述，若能发展铁系素材密度7.45~7.55 g/cm³的高尔夫球头材料，与锻造软铁(S25C)比较，可约减轻5%重量。

然而，高尔夫球领域，过去并无研究者，针对密度为ρ=7.45~7.55g/cm³，进行开发。而针对铁铬锰合金范畴，部分研究者，如：中国专利公告号1226442，其申请权利要求：一种低镍含量的沃斯田铁系不锈钢，其特征在于： 该低镍含量的沃斯田铁系不锈钢包含一重量百分比介于0.03与0.12之间的碳元素、一重量百分比介于0.2与1.0之间的硅元素、一重量百分比介于7.5与10.5之间的锰元素、一重量百分比介于14.0与16.0之间的铬元素、一重量百分比介于1.0与5.0之间的镍元素、一重量百分比介于0.04与0.25之间的氮元素、一重量百分比介于1.0与3.5之间的铜元素，多种微量元素，及平衡的铁元素，且该微量元素中至少包含钼元素，同时，该沃斯田铁系不锈钢的一高温肥粒铁相值不大于8.5，该高温肥粒铁相值＝6.77x(铬％t+钼％t+1.5x 硅％t)-4.85x(镍％t+30x碳％t+30x氮％t+0.5x锰％t+0.3x铜％t)-52.75， 其中％t表示重量百分比。虽有部分成分相关，但其合金设计并未针对密度为ρ=7.45~7.55g/cm³，进行开发。另外，中国专利公告号100345994，其申请权利要求：一种奥氏体无磁钢，其特征在于该无磁钢按重量百分比含有锰20％～26％，铬2％～10％，铝1％～4％，碳0.18％～0.24％，稀土元素0.1％～0.2％，硫≤0.04％，磷≤0.04％，其余量为铁。其合金设计并未针对密度ρ=7.45~7.55g/cm³，进行开发。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在提供一种具低密度、不生锈以及高延伸率的铁基不锈钢高尔夫球铁杆头合金。

为了达成上述的目的，本发明提供一种高尔夫球铁杆头的组成合金，包含：16.5-17.5wt%的铬、8.4-9.8wt%的锰、3.0-4.5wt%的镍、2.8-3.7wt%的硅、0.1-0.5wt%的铌、0.05-0.12wt%的碳，及其余比例为铁；该组成合金具有沃斯田铁与肥粒铁双相组织，其中沃斯田铁比例为55~65 wt %，使得高尔夫球铁杆头的组成合金密度为ρ=7.45~7.55g/cm³，增加球具设计空间，且拥有抗盐雾试验的耐蚀性与高延伸率的性质需求。

为了达成上述的目的，本发明还提供一种高尔夫球铁杆头的组成合金的制造方法，包含下列步骤：

提供一组成合金，其包含：16.5-17.5wt%的铬、8.4-9.8wt%的锰、3.0-4.5wt%的镍、2.8-3.7wt%的硅、0.1-0.5wt%的铌、0.05-0.12wt%的碳，及其余比例为铁；该组成合金具有沃斯田铁与肥粒铁双相组织，其中沃斯田铁比例为55~65wt %，使得高尔夫球铁杆头的组成合金密度为ρ=7.45~7.55g/cm³；以及

将该组成合金经过950~1100℃固溶处理后，和/或进行450~550℃/1~4小时时效热处理，如此以完成一高尔夫球铁杆头的组成合金，使该组成合金具备115-130 ksi的抗拉强度、68-85 ksi的降伏强度，及37.5-58.7%的延伸率的机械性质，同时亦具有抗盐雾试验的耐蚀性。

本发明所提供的高尔夫球铁杆头的组成合金，其使得高尔夫球头密度ρ=7.45~7.55g/cm³，并具有设计空间，且拥有不生锈与高延伸率等性质需求，而将上述组成合金经过1040℃/1小时的固溶处理后，和/或进行450~550℃/1~4小时时效热处理，可得知合金结构为α+γ双相结构组织+碳化物析出，其中γ比例为55~65%，并具备115-130 ksi的抗拉强度、68-85 ksi的降伏强度，及37.5-58.7%的延伸率的机械性质，同时亦具有抗盐雾试验的耐蚀性。

附图说明

图1为目前铁杆材质不同密度的分布图；

图2为本发明的铁基高尔夫球铁杆头的实施例4组成合金的SEM(扫描式电子显微镜)图，其显示合金具有沃斯田铁与肥粒铁双相组织；

图3(a)为本发明的铁基高尔夫球铁杆头的实施例4组成合金的TEM(穿透式电子显微镜)图，其显示沃斯田铁相区域存在叠差结构(stacking fault)；

图3(b)为本发明的铁基高尔夫球铁杆头的实施例4组成合金的TEM(穿透式电子显微镜)图，其显示肥粒铁相区域存在微细析出物。

具体实施方式

为了对本发明的目的、特征及功效能够有更进一步的了解与认识，以下请配合附图详述如后。

参阅图2，本发明的实施例4的铁基高尔夫球铁杆头的组成合金的典型显微结构，SEM(扫描式电子显微镜)图中可观察到，该组成合金具有肥粒铁与沃斯田铁双相结构，其中沃斯田铁所占比例为62%。图3(a)与图3(b)则为本发明的实施例4的组成合金的TEM(穿透式电子显微镜)图，分析显示：本发明设计的合金，经1040℃/1小时 + 480/4小时热处理后，于沃斯田铁基地可观察到(stacking fault)叠差组织，以及于肥粒铁基地可观察到微细的析出物，显示合金具有机械强化效果。

表2显示：本发明合金实施例与现有技术的对照例的成分范围与机械性质特征。本发明主要发展铁系高尔夫球头素材密度7.45~7.55 g/cm³的高尔夫球头材料，与锻造软铁(S25C)比较，可约减轻5%的重量。表2中显示：本发明(本发明的实施例1~8)的密度，介于7.48~7.55 g/cm³之间，符合本发明的目的。比对现有技术的对照例9，可知当锰元素或硅元素较低时，其密度达到7.65 g/cm³；对照例10，可知当锰元素虽高，但镍元素偏低，则密度亦超过预期范畴，达到7.58 g/cm³。此外，当锰与硅元素偏高时，则密度将低于预期，达到7.41 g/cm³。因此，若要达到设计的密度，则其锰、镍与硅合金成分的组成，必须达到一定组成比例，亦即8.4-9.8wt%的锰、3.0-4.5wt%的镍、2.8-3.7wt%的硅。进一步说明，16.5-17.5wt%的铬与0.05-0.12wt%的碳，则为典型的肥粒铁与沃斯田铁不锈钢合金成分的范围，其主要合金设计，为使高尔夫球头拥有不生锈特征，亦具有抗盐雾试验的耐蚀性。添加微量0.1-0.5wt%的铌，则主要设计为其可形成碳化铌(NbC)高温稳定碳化物，而达到机械强化(增加降伏强度)的效果，避免球头于使用过程产生变形，改变球头外型。表2中，比对实施例1~4与实施例5~8，即可显示：添加铌元素的合金，降伏强度皆高于80ksi。另外，表2中亦显示：本发明合金实施例1~8，其沃斯田铁比例介于56~64%；而对照例9~12，因成分组合，其沃斯田铁比例落于55~65%之外。

表2 本发明的合金成分与机械性质表

注1：编号1~8为本发明的实施例1~8，编号9~12为现有技术的对照例9~12。

注1：编号1~8为本发明的实施例1~8，编号9~12为现有技术的对照例9~12。

注2：机械性质系6组数据平均值。

本发明的高尔夫球铁杆头的组成合金的制造方法包含：将该组成合金经过1040℃固溶处理后，和/或进行480、510、540℃/1~4小时时效热处理，合金具备115.0~129.5 ksi的抗拉强度、68.2-84.25 ksi的降伏强度，及39.1-58.7%的延伸率。本发明另外发现，热处理温度过高，如现有技术的对照例11与12，合金将因粗大M₂₃C₆碳化物于晶粒边界形成，而导致延伸率急遽下降至13.8%与16.2%。另外，本发明的实施例的组成合金，所成型的铁杆头，经5%NaCl的抗盐雾试验48小时及高尔夫球炮击3000发试验亦均合格。

以下将分别针对各种添加合金元素的比例范围及其对于本发明的组成合金性质的影响逐一说明：

铬(Cr)：本发明的合金添加铬，有助于组成合金对于腐蚀的抵抗性，且为控制使合金结构为：肥粒铁与55~65%沃斯田铁的双相显微结构，以及严格控制密度介于7.45~7.55 g/cm³，以展现优化高尔夫球铁杆头的性能，本发明的组成合金的铬含量应控制在16.5%-17.5%wt之间。

锰(Mn)：锰容易与铁共存，且易与硫结合，故可消除硫，改善合金热脆性，再者锰亦能去除组成合金中的氧化物；此外，锰亦可稳定组成合金中的沃斯田铁相，因此，本发明的组成合金若能添加8.4-9.8wt%的锰，将有助于提升合金铸件的铸造性与脆性的改善，同时控制沃斯田铁的比例，以及降低碳钢(S25C)的密度且调整密度至7.45~7.55 g/cm³。

镍(Ni)：本发明的合金添加镍，主要为控制镍元素使其结构为肥粒铁与沃斯田铁双相显微结构，当镍含量低于3.0wt%，将使该组成合金的沃斯田铁相较少，而使其延伸率低于本发明的最低预定延伸率；当镍含量大于4.5wt%时，将使该组成合金的沃斯田铁相稳定，但相对会使其机械强度低于本发明的预定机械强度；因此，为使组成合金于生产过程中容易控制麻田散铁基地与55%-65%沃斯田铁的双相基地(matrix)显微结构，以展现优化高尔夫球铁杆头的性能，本发明的组成合金的镍含量，搭配锰元素的添加，应控制在3.0%-4.5wt%之间。

硅(Si)：在本发明的组成合金内添加硅时，有利于防止气孔形成、增进收缩作用，及增加钢液流动性，而能增加合金铸件的铸造性，因此，本发明的组成合金若能添加2.8-3.7wt%的硅，将有助于提升合金铸件的铸造性，同时可降低碳钢(S25C)的密度且调整密度至7.45~7.55 g/cm³。

铌(Nb)：在本发明的组成合金内添加铌时，可使合金晶粒细化与析出强化，因此，本发明的组成合金若能添加0.10-0.5wt%的铌元素，将有助于提升合金铸件的机械性质。

碳(C)：碳元素基本上为一般钢铁材料不可或缺的元素，除了形成碳化物外，其亦是沃斯田铁相的稳定元素，在本发明的组成合金中，当碳含量过高时，将形成过多与粗大的碳化物，不利于组成合金的耐蚀性。因此，本发明的组成合金限定碳元素在0.05-0.12wt%之间。

综上所述，本发明高尔夫球铁杆头的组成合金，是通过16.5-17.5wt%的铬、8.4-9.8wt%的锰、3.0-4.5wt%的镍、2.8-3.7wt%的硅、0.1-0.5wt%的铌、0.05-0.12wt%的碳，及其余比例为铁。而能在上述组成合金形成高尔夫球铁杆头时，其特征为合金具有沃斯田铁与肥粒铁双相组织，其间沃斯田铁比例为55~65%，使得高尔夫球头合金密度为ρ=7.45~7.55g/cm³，且合金具备115-130 ksi的抗拉强度、68-85 ksi的降伏强度，及37.5-58.7%的延伸率的机械性质，增加球具设计空间，且拥有抗盐雾试验的耐蚀性与高延伸率等性质需求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的专利保护范围，即大凡依本发明专利精神所作的等效变化与修饰等，皆仍属于本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种高尔夫球铁杆头的组成合金，其特征在于，包含：16.5-17.5wt%的铬、8.4-9.8wt%的锰、3.0-4.5wt%的镍、2.8-3.7wt%的硅、0.1-0.5wt%的铌、0.05-0.12wt%的碳，及其余比例为铁；该组成合金具有沃斯田铁与肥粒铁双相组织，其中沃斯田铁比例为55~65 wt %，使得高尔夫球铁杆头的组成合金密度为ρ=7.45~7.55g/cm³，增加球具设计空间，且拥有抗盐雾试验的耐蚀性与高延伸率的性质需求。

2.一种高尔夫球铁杆头的组成合金的制造方法，其特征在于，包含下列步骤：

提供一组成合金，其包含：16.5-17.5wt%的铬、8.4-9.8wt%的锰、3.0-4.5wt%的镍、2.8-3.7wt%的硅、0.1-0.5wt%的铌、0.05-0.12wt%的碳，及其余比例为铁；该组成合金具有沃斯田铁与肥粒铁双相组织，其中沃斯田铁比例为55~65wt %，使得高尔夫球铁杆头的组成合金密度为ρ=7.45~7.55g/cm³；以及

将该组成合金经过950~1100℃固溶处理后，和/或进行450~550℃/1~4小时时效热处理，如此以完成一高尔夫球铁杆头的组成合金，使该组成合金具备115-130 ksi的抗拉强度、68-85 ksi的降伏强度，及37.5-58.7%的延伸率的机械性质，同时亦具有抗盐雾试验的耐蚀性。