CN107641734B - 双相高尔夫杆头的钛合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双相高尔夫杆头的钛合金，其包含6.0至7.5重量％的铝、1.5至2.5重量％的钒、1.5至2.5重量％的铬、0.1至0.5重量％的铁、1.5至2.5重量％的锡、1.5至2.5重量％的锆、0.1至0.5重量％的硅，其余比例以钛为基材，以及其它于合金材料制造过程中不可避免的微量元素。所述双相高尔夫杆头的钛合金经过780至840℃的塑性加工与热处理后，可获致具有α+β双相组织的合金结构。此外，由于多元合金元素组合，使得合金基地内产生次晶粒与高密度差排的结构，以及可形成微量的微细ω相析出物，使所述双相高尔夫杆头的钛合金具备1300至1450MPa的抗拉强度，1250至1400MPa的屈服强度，以及6至12％的延伸率，可提高高尔夫球杆头结构设计空间。
Description
技术领域
本发明是有关于一种双相(duplex phase)高尔夫杆头的钛合金，包含：6.0至7.0重量％的铝、1.5至2.5重量％的锡、1.5至2.5重量％的锆、1.5至2.5重量％的钒、1.5至2.5重量％的铬、0.1至0.5重量％的铁、0.05至0.20重量％的硅。经适当的塑性加工与热处理后，合金基本显微结构为bimodal组织，同时具备次晶粒与高密度差排的特征，以及微量的ω相析出物。
背景技术
在高尔夫球具中，将数种不同用途的球杆依照功能分类成：木杆、铁杆及推杆，不同用途的球杆分别由各种合金材质制成。其中，木杆杆头(wood)3～5支、铁杆杆头(iron)7～8支、劈起杆杆头(PW)1支、砂坑杆杆头(SW)1支、推杆杆头(putter)1支。兹分述如下：
1.木杆头：木杆头主要以开球杆为主，以打得远直为需求，且击球失误率低，因此基本上朝大型化发展，以扩大有效击球区与轻量化。因，钛合金具有高比强度及低比重的特性，可让木杆头的甜密区较大，保持方向的稳定性，故为常用的素材。此外，木杆亦包括：球道木杆，为在球道上长距离为目标，体积较小，一般以不锈钢材质为多。
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掌握其飞行距离，材质主要以不锈钢为主，外观造型也较趋向扩大甜密区发展，新材质、新结构与复合材料及具吸振效果的产品开发为其重要发展方向。此外，目前除了球头结构设计，就目前材料而言，普遍被职业选手认定较优异的材料为锻造软铁(S25C)，主要因其具备20～30％的延伸率与适当的强度，惟其容易生锈，通常以电镀处理克服。此外，铁杆亦包括：砂坑杆或挖起赶，通常具较大的倾斜角，击球曲度较高。
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。在设计时以平衡、重心、瞄准与造型美为主，其意义即是如何维持推杆球头与中管杆配合时，打击面不致旋转，在制造上以精密铸造为主，但是最近有朝直接使用CNC加工球头，以维持设计重心的位置及保持球头的均匀性。
故整体而言，以高尔夫球木杆头来说，在固定大小及重量的限制下，其主要发展为寻求具备良好的机械强度以防止中空的木杆头因打击的因素产生凹陷甚至破裂等现象。依据目前高尔夫木杆头制造的经验，使用最多的木杆头合金材料大多数为为钛合金及不锈钢，其中，钛系常用素材如6-4Ti、20-4-1Ti、15-3-3-3Ti、10-2-3Ti、SP700与Ti735；铁系则以17-4PH、455SS、465SS与AM355为主。
另，其间最常使用材料为6-4钛合金，根据市售Ti-6Al-4V合金而言，其合金成分元素为5.5至6.7重量％的铝、3.5至4.5重量％的钒、铁≦0.3％、OT(其他过渡元素)≦0.4％、碳≦0.1％、氮≦0.1％、氧≦0.2％、硅≦0.2％。如图1中6-4钛合金基本相变化的示意图，6-4钛合金经不同热处理后，会呈现不同组织结构，典型的组织结构有三种：
1.经1040℃热处理后，呈现针状(acicular or plate-like)麻田散铁结构，商用6-4钛合金典型组织图，如图2所示。其主要特征为强度高，典型抗拉强度介于1150至1200MPa，如图5所示，但破坏韧性值(fracture toughness)低。
2.经930℃热处理后，呈现等轴晶双相组织(equiaxedα+acicularβ)，如图3所示。如图5所示，其强度降低，典型抗拉强度介于1100至1150MPa，但破坏韧性值提高。
3.经820℃热处理后，呈现双相组织(bimodal，primaryα+β)，如图4所示。如图5所示，其机械强度最低，典型抗拉强度介于1000至1050MPa，惟破坏韧性值最佳。
因此，不同显微结构，会影响球头特性。如图6所示，6-4钛合金经不同温度持温1小时，制成高尔夫球头后，其炮击次数与CT(特征时间)，皆有特征。在针状组织下，CT值较高，炮击发数较低；在双相(bimodal)组织下，则具较高的炮击耐久次数。另，在球头设计趋向薄化、不均厚等设计下，一般64钛球头加工或热处理温度范围，皆低于950℃，典型的处理后，组织结构如图7所示。
故，有必要提供一种双相高尔夫杆头的钛合金，以解决上述现有技术所存在的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双相高尔夫杆头的钛合金，其特征属于bimodal结构，亦即在球头设计趋向薄化、不均厚等发展下，将可增加高尔夫球头的设计空间，使得合金强度大于商用双相64钛合金至少10至20％，进而提高高尔夫球杆头结构设计空间，增加球头击球的特性。
本发明的在一目的在于利用合金设计概念，调整合金配比倍，设计概念如下：
铝(Al)：在本发明的钛合金中添加铝时，考量α+β双相组织分布，降低合金密度，增加固溶强度，因此，钛合金的铝含量设计为6.0至7.5重量％之间。铝含量偏低时，强度偏低；过高时，则易形成α2脆化相。
钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)：调整α+β双相组织中β相的比例，以及多元合金元素(Highentropy，高熵设计理念)，因此，本发明的钛合金的β相稳定元素总量设计为3.5至4.5重量％之间；钒含量介于1.5至2.5重量％之间，铬含量控制在1.5至2.5重量％之间，铁含量控制在0.1至0.5重量％之间。
锡(Sn)、锆(Zr)、硅(Si)：考量多元合金元素高熵设计理念，以及元素固溶强化理念，本发明的钛合金的固溶强化元素总量设计为3.5至4.5重量％之间；锡含量介于1.5至2.5重量％之间，锆含量控制在1.5至2.5重量％之间，硅含量控制在0.1至0.5重量％之间。
整体而言，本发明的钛合金藉由适当控制合金成分，且藉由780℃至840℃温度下，塑性加工和/或热处理，使得合金可获致α+β双相组织，以及基地内产生次晶粒(subgrain)与高密度差排的结构，同时，存在微量的ω相析出物；使得所述合金，具备1300至1450兆帕(MPa)的抗拉强度，1250至1400MPa的屈服强度，以及6至12％的延伸率
为达成本发明的前述目的，本发明的一实施例提供一种双相高尔夫杆头的钛合金，其包含6.0至7.5重量％的铝、1.5至2.5重量％的钒、1.5至2.5重量％的铬、0.1至0.5重量％的铁、1.5至2.5重量％的锡、1.5至2.5重量％的锆、0.1至0.5重量％的硅，以及其它不可避免的微量元素。
在本发明的一实施例中，所述双相高尔夫杆头的钛合金经过780至840℃塑性加工与热处理后，具有α+β双相组织。
在本发明的一实施例中，所述双相高尔夫杆头的钛合金具有次晶粒与高密度差排的结构，同时具有微量的ω相析出物。
在本发明的一实施例中，所述双相高尔夫杆头的钛合金具有1300至1450兆帕的抗拉强度，1250至1400兆帕的屈服强度，以及6至12％的延伸率。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1是现有6-4钛合金经不同热处理后，呈现三种典型结构。
图2是SEM图，显示现有6-4钛合金经1040℃/1小时，呈现针状组织。
图3是SEM图，显示现有6-4钛合金经930℃/1小时，呈现等轴的α+针状β。
图4是SEM图，显示现有6-4钛合金经820℃/1小时，呈现bimodal组织，初析α相基地+岛状β相。
图5是现有6-4钛合金经不同温度持温1小时，机械性质分布图。
图6是现有6-4钛合金经不同温度持温1小时，制成高尔夫球头的特性。
图7是SEM图，显示现有6-4钛合金经820℃热锻造后，显微组织分布图。
图8是SEM图，本发明实施例C经820℃/1小时，呈现bimodal组织，初析α相基地+岛状β相。
图9a至9f是本发明实施例C的TEM图，本发明实施例C经820℃/1小时，呈现次晶粒与高密度差排特征，以及微量ω相析出物；其中图9a：明视野图；图9b：[11-20]α钛择区绕射图；图9c：[110]β钛绕射图；图9d：g＝0002α钛暗视野图；图9e：g＝002β钛暗视野图；图9f：g＝10-10ω相暗视野图。
具体实施方式
为了让本发明的上述及其他目的、特征、优点能更明显易懂，下文将特举本发明较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。再者，本发明所提到的方向用语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参照附加图式的方向。此外，本发明所提到的单数形式“一”、“一个”和“所述”包括数个引用，除非上下文另有明确规定。数值范围(如10％至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％)。上述用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
如下表1所示，本发明双相高尔夫杆头的钛合金的机械性质分布表，在本发明成分范围：6.33至7.34重量％的铝、1.89至2.18重量％的钒、1.79至2.13重量％的铬、0.15至0.31重量％的铁、1.82至2.45重量％的锡、1.98至2.37重量％的锆、0.07至0.28重量％的硅、0.07至0.19重量％的氧、0.1至0.5重量％的氮，以及0.02至0.05重量％的碳，其余重量为钛。所述双相高尔夫杆头的钛合金经过820℃持温1小时热轧加工，与820℃持温1小时热处理后，合金具α+β双相组织；且，存次晶粒与高密度差排的结构，同时，存在微量的ω相析出物。所述双相高尔夫杆头的钛合金的机械性质，具备1360至1439MPa的抗拉强度(tensilestrength)，1203至1386MPa的屈服强度(yield strength)，以及6.4至11.3％的延伸率。对照例，编号F成分中含有：6.12重量％的铝、4.13重量％的钒、0.20重量％的铁、0.1至0.5重量％的硅，以及0.16重量％的氧、0.1至0.5重量％的氮、0.05重量％的碳。F合金经过820℃持温1小时热轧加工，具备1025MPa抗拉强度，986MPa的屈服强度，以及12％的延伸率。
表1
图8为本发明实施例C的SEM图，呈现bimodal组织，即为初析α相基地+岛状β相；显示：本发明双相钛合金，属于bimodal结构，具有初析α相+岛状β相；以实施例C，抗拉强度可达1386MPa，(远大于1200MPa)，在球头设计趋向薄化、不均厚等发展下，将可增加高尔夫球头设计空间，就高尔夫球杆头合金应用，具备新颖性与创新性。
为了让本发明的创新特征，能更了解，本发明实施例C，电镜分析特征，说明如下。图9a至9f为TEM图，显示本发明实施例C经820℃/1小时，呈现次晶粒与高密度差排特征，以及微量ω相析出物。图9a为明视野图，显示α相与β相区域，如图中所示；图9b为α钛[11-20]轴的择区绕射图型，显示此区域具备HCP结构，晶格常数a＝0.295nm、c＝0.468nm；图9c则为β钛[110]轴的择区绕射图型，显示此区域具备BCC结构，晶格常数a＝0.329nm，图9c中，除了β钛绕射点外，亦可观察到微弱ω相绕射图形，显示此区域存在微量HCP结构ω相，晶格常数a＝0.465nm、c＝0.296nm；图9d、9e及9f，分别为g＝0002α钛暗视野图、g＝002β钛暗视野图、以及g＝10-10ω相暗视野图。
综上所述，整体而言，本发明的钛合金藉由适当控制合金成分，且藉由780℃至840℃温度下，塑性加工和/或热处理，使得合金可获致α+β双相组织，以及基地内产生次晶粒(subgrain)与高密度差排的结构，同时，存在微量的ω相析出物；使得所述合金，具备1360至1439MPa的抗拉强度，1203至1386MPa的屈服强度，以及6.4至11.3％的延伸率。
本发明已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 (3)
1.一种双相高尔夫杆头的钛合金，其特征在于：所述双相高尔夫杆头的钛合金包含6.0至7.5重量％的铝、1.5至2.5重量％的钒、1.5至2.5重量％的铬、0.1至0.5重量％的铁、1.5至2.5重量％的锡、1.5至2.5重量％的锆、0.1至0.5重量％的硅，以及不可避免的微量元素，其余重量为钛，其中所述双相高尔夫杆头的钛合金经过780至840℃塑性加工与热处理后，具有α+β双相组织，且具有1300至1450兆帕的抗拉强度，1250至1400兆帕的屈服强度。
2.根据权利要求1所述的双相高尔夫杆头的钛合金，其特征在于：所述双相高尔夫杆头的钛合金具有次晶粒与高密度差排的结构，同时具有微量的ω相析出物。
3.根据权利要求1所述的双相高尔夫杆头的钛合金，其特征在于：所述双相高尔夫杆头的钛合金具有6至12％的延伸率。
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