CN110016587B - 高尔夫球杆头合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高尔夫球杆头合金及其制造方法。所述高尔夫球杆头合金的制造方法包含步骤：提供一合金胚材，所述合金胚材包含0.1至10重量份的锆及77至99.9重量份的钛；以及对所述合金胚材在850至950℃进行一热轧处理，以形成所述高尔夫球杆头合金，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相。本发明高尔夫球杆头合金的制造方法可制得具有低杨氏系数的高尔夫球杆头合金，以增加高尔夫球杆头的打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
Description
技术领域
本发明是有关于一种合金及其制造方法，特别是关于一种高尔夫球杆头合金及其制造方法。
背景技术
高尔夫球杆头发展过程中，从早期实心杆头，重量、强度较低，到现今使用金属材料可使杆头强度越来越高，又可减轻重量与提高击球成功率，故不断开发低密度与高强度的合金。金属材料可透过不同的加工处理方式与合金元素的搭配，研发应用于杆头制造，甚至可结合非金属的复合材料设计等，创造出能够更具有操控、精准、远距及错误容忍值更高的最佳球具。
另一方面，钛合金亦应用于高尔夫球杆头的领域。近年来，钛合金球杆头设计，渐渐强调高特征时间的球杆头开发设计，主要是增加打击面的弹簧效应作为主要的设计理念，以增加击球距离。
然而，就现有的钛合金球杆头的材质方面，尚未找寻到适合材质组成，以增加打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
故，有必要提供一种高尔夫球杆头合金及其制造方法，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高尔夫球杆头合金及其制造方法，以解决现有技术所存在的无法找寻到适合材质组成以增加打击面的弹簧效应，进而增加击球距离的问题。
本发明的一目的在于提供一种高尔夫球杆头合金的制造方法，其是利用特定的材质组成与特定温度的热轧处理，进而形成具有低杨氏系数的高尔夫球杆头合金，以增加高尔夫球杆头的打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
本发明的另一目的在于提供一种高尔夫球杆头合金，其具有等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛，所述等轴晶双相结构可降低高尔夫球杆头合金的杨氏系数，以增加高尔夫球杆头的打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
为达上述的目的，本发明提供一种高尔夫球杆头合金的制造方法，其包含步骤：提供一合金胚材，所述合金胚材包含0.1至10重量份的锆及77至99.9重量份的钛；以及对所述合金胚材在850至950℃进行一热轧处理，以形成所述高尔夫球杆头合金，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相。
在本发明的一实施例中，所述合金胚材更包含一α钛稳定材料。
在本发明的一实施例中，所述α钛稳定材料包含4.5至8.0重量份的铝、大于零且小于或等于0.04重量份的碳、大于零且小于或等于0.04重量份的氮以及大于零且小于或等于0.10重量份的氧。
在本发明的一实施例中，所述合金胚材更包含一β钛稳定材料。
在本发明的一实施例中，所述β钛稳定材料包含钒、钼、铬及铁，以及钒、钼、铬及铁的总重是介于5.0至7.0重量份之间。
在本发明的一实施例中，所述β钛稳定材料包含0.5至3.0重量份的钒、0.5至2.5重量份的钼、1.5至2.5重量份的铬及1.5至2.5重量份的铁。
在本发明的一实施例中，在所述热轧处理的步骤后更包含一冷却步骤，以使所述高尔夫球杆头合金冷却至一室温，其中所述β钛相在冷却时形成一α’相。
为达上述的另一目的，本发明提供一种高尔夫球杆头合金，包含：0.1至10重量份的锆；及77至99.9重量份的钛，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相。
在本发明的一实施例中，更包含：一α钛稳定材料，包含4.5至8.0重量份的铝、大于零且小于或等于0.04重量份的碳、大于零且小于或等于0.04重量份的氮以及大于零且小于或等于0.10重量份的氧；及一β钛稳定材料，包含0.5至3.0重量份的钒、0.5至2.5重量份的钼、1.5至2.5重量份的铬及1.5至2.5重量份的铁。
在本发明的一实施例中，所述高尔夫球杆头合金的一抗拉强度介于1100至1250MPa之间，以及一杨氏系数介于80至100GPa之间。
与现有技术相比较，本发明的高尔夫球杆头合金，利用特定的材质组成与特定温度的热轧处理，以增加打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
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是本发明一实施例的高尔夫球杆头合金的制造方法的流程示意图。
图2是本发明制得的高尔夫球杆头合金的电子显微图。
图3是本发明制得的高尔夫球杆头合金的另一电子显微图。
图4是本发明制得的高尔夫球杆头合金的再一电子显微图。
图5是本发明制得的高尔夫球杆头合金的又一电子显微图。
图6是本发明制得的高尔夫球杆头合金的另一电子显微图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。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，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
请参照图1所示，本发明一实施例的高尔夫球杆头合金的制造方法10主要包含下列步骤11至12：提供一合金胚材，所述合金胚材包含0.1至10重量份的锆及77至99.9重量份的钛；以及对所述合金胚材在850至950℃进行一热轧处理，以形成所述高尔夫球杆头合金，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相。本发明将于下文逐一详细说明一实施例的上述各步骤的实施细节及其原理。
本发明第一实施例的高尔夫球杆头合金的制造方法10首先是步骤11：提供一合金胚材，所述合金胚材包含0.1至10重量份的锆及77至99.9重量份的钛。在本步骤11中，主要是透过添加特定范围组成的锆于钛基质中，进而降低高尔夫球杆头合金的杨氏系数，以增加高尔夫球杆头的打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
本发明第一实施例的高尔夫球杆头合金的制造方法10最后是步骤12：对所述合金胚材在850至950℃进行一热轧处理，以形成所述高尔夫球杆头合金，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相(α钛相为六方最密堆积(HCP)晶体结构)与一β钛相(β钛相为体心立方堆积(BCC)晶体结构)。在本步骤12中，主要是透过特定温度范围的热轧处理，以使钛基质的相形成上述的等轴晶双相结构。相关的实验数据与显微镜图将在后面段落进行详述。
要提到的是，本发明的高尔夫球杆头合金的制造方法10，至少是透过上述特定范围的材质组成(例如钛、锆及/或后述的稳定材料)及/或至少是透过上述特定温度的热轧处理，以使所形成的高尔夫球杆头合金具备低杨氏系数，以增加高尔夫球杆头的打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
另一方面，可透过添加稳定材料于所述合金胚材中以使所述α钛相与所述β钛相稳定。在一实施例中，所述合金胚材可包含有一α钛稳定材料，例如所述α钛稳定材料包含4.5至8.0重量份的铝、大于零且小于或等于0.04重量份的碳、大于零且小于或等于0.04重量份的氮以及大于零且小于或等于0.10重量份的氧。在另一实施例中，所述合金胚材可包含一β钛稳定材料，例如所述β钛稳定材料包含钒、钼、铬及铁，以及钒、钼、铬及铁的总重是介于5.0至7.0重量份之间。在一具体范例中，所述β钛稳定材料包含0.5至3.0重量份的钒、0.5至2.5重量份的钼、1.5至2.5重量份的铬及1.5至2.5重量份的铁。要提到的是，所述α钛稳定材料与所述β钛稳定材料亦可同时添加于所述合金胚材中，以使所述α钛相与所述β钛相较为稳定。
在一实施例中，在所述热轧处理的步骤12后更包含一冷却步骤，以使所述高尔夫球杆头合金冷却至一室温，其中所述β钛相在冷却时形成一α’相。具体而言，所述β钛相是高温相，当其冷却时会因其本身特性而形成α’相(麻田散体)。例如请参照图2，图2是本发明制得的高尔夫球杆头合金的电子显微图。从图2可知，所述高尔夫球杆头合金的晶相组成为α钛相+β钛相的双相等轴晶结构，具有α钛相区域+α’钛相区域。
请继续参照图3，图3是本发明制得的高尔夫球杆头合金的另一电子显微图。本案发明人进一步发现所述高尔夫球杆头合金中的α钛相中具有次晶粒(subgrain；平均粒径约0.8至1.2微米)，此可使高尔夫球杆头合金具有较高的机械强度。
请继续参照图4，图4是本发明制得的高尔夫球杆头合金的再一电子显微图。本案发明人进一步发现所述高尔夫球杆头合金中的α’钛相区域(β钛相冷却形成的麻田散体)中，可观察到反相晶界(例如图中类似回纹针状处)，此反相晶界的形成可降低了杨氏系数。
请继续参照图5，图5是本发明制得的高尔夫球杆头合金的又一电子显微图。本案发明人进一步发现所述高尔夫球杆头合金中的α’钛相区域(β钛相冷却形成的麻田散体)中，可观察到双晶型麻田散体存在，此双晶型麻田散体的形成可使高尔夫球杆头合金具有较高的机械强度。
请继续参照图6，图6是本发明制得的高尔夫球杆头合金的另一电子显微图。本案发明人进一步发现所述高尔夫球杆头合金中的α钛相区域中，可观察到微小颗粒析出形成(参考图6中的圆圈处)。经过仪器的分析后得知，所述微小颗粒为钛-锆(Ti-Zr)的富锆的析出物，可使所述高尔夫球杆头合金具备低杨氏系数。
要提到的是，上述对于高尔夫球杆头合金中所产生的的晶相及/或析出物的原因，至少是基于本发明的特定范围的材质组成(例如钛、锆及/或后述的稳定材料)及/或至少是透过本发明的特定温度的热轧处理所形成。而这些晶相及/或析出可使高尔夫球杆头合金具备低杨氏系数及高机械性质，以增加高尔夫球杆头的打击面的弹簧效应，进而增加击球距离。
另外，要提到的是，本发明中所使用的合金胚材的材质范围是经过严格设计的，具体说明如下：
钛元素：添加量为77至99.9重量份(或wt％)的钛，作为基质；
锆元素：添加量为0.1至10.0重量份(或wt％)，可促使富锆析出相形成以及反相晶界形成，有利于降低合金的杨氏系数；
α钛相稳定材料：
铝元素：添加量设计为4.5至8.0重量份(或wt％)；
碳、氮、氧元素：为避免α2相(Ti3Al)形成，本发明的碳、氮、氧元素需为低含量，其分别低于0.04重量份(或wt％)、0.04重量份(或wt％)、0.10重量份(或wt％)；
β钛相稳定材料：添加特定比例的铁、铬、钼与钒元素，来获得次晶粒的显微结构，进而增加材料强度；
另外，为达特定热轧条件(850至950℃，例如为900℃)后，可获致α钛相+β钛相的等轴晶双相结构，进而达到高尔夫球杆头合金的高强度特征，本发明的铁铬钼钒4种元素总量被严格限定于5.0～7.0wt％之间，包括：0.5至3.0重量份(或wt％)钒、0.5至2.5重量份(或wt％)钼、1.5至2.5重量份(或wt％)铬、及1.5至2.5重量份(或wt％)铁。
在本发明的另一态样中，本发明提出一种高尔夫球杆头合金，其可被加工以形成高尔夫球杆头。所述高尔夫球杆头合金包含0.1至10重量份的锆；及77至99.9重量份的钛，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相。在一实施例中，所述高尔夫球杆头合金，更包含：一α钛稳定材料，包含4.5至8.0重量份的铝、大于零且小于或等于0.04重量份的碳、大于零且小于或等于0.04重量份的氮以及大于零且小于或等于0.10重量份的氧；及一β钛稳定材料，包含0.5至3.0重量份的钒、0.5至2.5重量份的钼、1.5至2.5重量份的铬及1.5至2.5重量份的铁。在另一实施例中，所述高尔夫球杆头合金的一抗拉强度介于1100至1250MPa之间，以及一杨氏系数介于80至100GPa之间。
在一实施例中，所述高尔夫球杆头合金可以是透过前面段落所描述的高尔夫球杆头合金的制造方法所制得。
以下将举出数个实施例与数个比较例，以证明本发明实施例的高尔夫球杆头合金的制作方法所制得的高尔夫球杆头合金具备低杨氏系数及高强度的机械性质(抗拉强度)。
实施例1：
提供一合金胚材，所述合金胚材包含86.78重量份的钛、2.8重量份的锆、5.1重量份的铝、0.03重量份的碳、0.03重量份的氮、0.06重量份的氧、1.5重量份的铬、1.6重量份的铁、1.0重量份的钒及1.1重量份的钼。接着，对所述合金胚材在850至950℃进行一热轧处理，以形成所述高尔夫球杆头合金(例如被轧制成板材)，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相。
实施例2至6及比较例1至3：
实施例2至6及比较例1至3的制作方式大致相同于实施例1，但其所使用的成份比例不同，如下表1所示(各成份的单位为重量份(或wt％))。
表1
接着，将实施例1至6与比较例1至3进行机械性质的分析。分析结果如下表2所示。
表2
从上表2的分析结果可知，实施例1至6确实具备低杨氏系数(介于80至100GPa之间)、高抗拉强度(介于1100至1250MPa之间)、高降伏强度(介于1000至1050MPa之间)、及可接受的延伸率。比较例1至3的机械性质则为高杨氏系数、低抗拉强度及低降伏强度，且比较例2与3的延伸率过高，故比较例1至3不符合商用高尔夫球杆头合金的要求。
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 (2)
1.一种高尔夫球杆头合金的制造方法，其特征在于：所述高尔夫球杆头合金的制造方法包含：
提供一合金胚材，所述合金胚材由5.9至10重量份的锆、77.29至81.35重量份的钛、一α钛稳定材料及一β钛稳定材料所组成，其中所述α钛稳定材料由5.9至7.4重量份的铝、0.02至0.03重量份的碳、0.03至0.04重量份的氮以及0.05至0.10重量份的氧所组成，所述β钛稳定材料由0.7至2.4重量份的钒、1.2至2.0重量份的钼、1.2至1.8重量份的铬及1.5至2.0重量份的铁所组成，以及钒、钼、铬及铁的总重是介于5.2至6.4重量份之间；
对所述合金胚材在850至950℃进行一热轧处理，以形成所述高尔夫球杆头合金，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相，其中所述α钛相具有钛-锆的富锆的析出物，及所述α钛相具有平均粒径0.8至1.2微米的次晶粒；以及
在所述热轧处理的步骤后更包含一冷却步骤，以使所述高尔夫球杆头合金冷却至一室温，其中所述β钛相在冷却时形成一α’相，其中所述α’相中具有反相晶界，
其中所述高尔夫球杆头合金的一抗拉强度介于1168至1239MPa之间，一杨氏系数介于80.6至95GPa之间，以及一延伸率介于10.2至12.1％之间。
2.一种高尔夫球杆头合金，其特征在于：所述高尔夫球杆头合金由以下所组成：
5.9至10重量份的锆；
77.29至81.35重量份的钛，其中所述高尔夫球杆头合金的一晶相组成包含一等轴晶双相结构，其中所述等轴晶双相结构包含一α钛相与一β钛相，其中所述α钛相具有钛-锆的富锆的析出物，及所述α钛相具有平均粒径0.8至1.2微米的次晶粒，其中所述β钛相在冷却至一室温时形成一α’相，其中所述α’相中具有反相晶界；
一α钛稳定材料，包含5.9至7.4重量份的铝、0.02至0.03重量份的碳、0.03至0.04重量份的氮以及0.05至0.10重量份的氧；及
一β钛稳定材料，包含0.7至2.4重量份的钒、1.2至2.0重量份的钼、1.2至1.8重量份的铬及1.5至2.0重量份的铁以及钒、钼、铬及铁的总重是介于5.2至6.4重量份之间，
其中所述高尔夫球杆头合金的一抗拉强度介于1168至1239MPa之间，一杨氏系数介于80.6至95GPa之间，以及一延伸率介于10.2至12.1％之间。
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