CN112342491B

CN112342491B - 高尔夫球头表面复合结构及其生产方法

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Publication number: CN112342491B
Application number: CN202010872914.2A
Authority: CN
Inventors: 侯永松; 沈云书
Original assignee: Chengdu Shengxiang Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Shengxiang Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2040-08-26
Also published as: CN112342491A

Abstract

本发明涉及一种高尔夫球杆头表面SQPQ处理方法及经由该方法获得的高尔夫球头结构，其主要是将深层QPQ工艺、高频淬火和扩散热处理工艺结合在一起的的复合处理工艺，先对球头整体进行深层QPQ工艺处理，之后再在球颈部位进行局部高频扩散处理。其中搭喷砂|等表面加工与清洗等步骤，然后经过抛光以及浸油等步骤，该球杆头在球颈部位采用局部高频扩散热处理，其制备的球头化合物层残留厚度不超过10μm，使球头充分发挥QPQ工艺的高耐磨性，又有低脆性、高调角能力的特点，又解决了QPQ工艺带来的调角脆性问题。随着人们生活水平的提高和对健身的重视程度提高，本发明的技术方案具有可观的市场前景和商业空间。

Description

高尔夫球头表面复合结构及其生产方法

技术领域

本发明主要涉及高尔夫球杆头部表面复合结构极其生产工艺，属于体育用品领域。

背景技术

发表于2018年的《高尔夫运动与健康国际共识声明》指出，全球约600万人每年打两次高尔夫。公共卫生专家表示打高尔夫球可以增强力量和平衡感、使头脑更敏锐、降低患心脏病的风险，还能延长寿命。“高尔夫可以为各年龄段的人提供有氧运动，有益于提高老年人的力量和平衡感。这项运动在中老年人中尤其受欢迎，是可以终身参与的运动。有规律的体育运动是你能为自己健康做的不二之举，可以降低心脏病、中风、2型糖尿病以及痴呆、抑郁和焦虑的风险。此外，高尔夫是绿色运动，给人时间放松，在一个老年人通常比年轻人更少运动的世界里，可以从3岁打到103岁，老少咸宜。专家们认为，与其他运动相比，高尔夫运动中受伤风险较低。高尔夫的成本和上手难度可能会使一些人放弃。因此专家们建议，高尔夫界的引领者们应该努力使这项运动更具包容性，以适应来自各种行业和种族背景的人。

高尔夫运动装备对于高尔夫球运动的体验至关重要。随着高尔夫球运动的普及，对高尔夫球运动器具要求越来越高。球杆由杆头、杆身与握把三部分组成，其中最重要的首推球杆。球头是决定高尔夫球极大距离的关键，对球头设计及工艺成为各供应商研究和竞争的焦点。其中，抗腐蚀性、耐磨性，光泽度、调角能力和生产工艺的环保影响成为用户选购和供应商的重要考虑指标。

高尔夫球头必须进行表面处理，其对表面的要求除外观美观之外，在功能性方面还要求表面需要有优良的耐磨性，同时还要有优良的调角性能。制作高尔夫球头的材料和表面处理加工工艺对这些性能起着决定作用，同时也对产品的价格档次起到决定作用，表面处理相关工艺是实现这些性能的关键。

目前高尔夫行业内的表处理工艺主要有：电镀工艺、PVD离子镀膜工艺、QPQ工艺等。其中，电镀工艺污染环境，是一种逐步淘汰的技术；PVD离子镀膜工艺的膜层浅，抗撞能力差，易起皮脱落；QPQ工艺正处于发展中。传统QPQ工艺如图6所示，处理高尔夫球头，由于需要优先保障球头的调角能力，其表面的氮化层都处理的比较浅，白亮层一般小于12μm，产品耐磨能力有限；而采用深层QPQ氮化工艺，增加氮化层深度(>20μm)，则造成球头表面脆性增加，调角能力迅速下降，导致产品报废。传统QPQ工艺条件下，高尔夫球头的氮化层只能采用浅层氮化，不能充分发挥出QPQ工艺的耐磨性优势。如图1所示传统QPQ高尔夫球头的金相照片。高尔夫球具生产领域仍需要开发改进的球头生产工艺，以获得具备高耐磨性，低脆性和高调角能力的高尔夫球头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：改善电镀与PVD等离子镀等现有技术手段无法使高尔夫球杆头兼具外观佳、抗蚀性与耐磨性佳的情况，同时改善传统QPQ工艺处理中耐磨性能和球头表面脆性调角能力的不能兼得的问题。

本发明的目的是提供一种能充分发挥QPQ工艺的高防腐和高耐磨性、高抗撞击能力高尔夫球头表面复合产品极其制备工艺，使球头的耐磨耗性能比传统QPQ工艺提升，同时又解决传统QPQ工艺带来的调角脆性问题而使球头具有低脆性和高调角能力的用于高尔夫球头表面处理Super QPQ工艺，简称SQPQ工艺。

本发明实现发明目的的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种高尔夫球头表面处理方法，其包括步骤先对球头整体进行QPQ工艺处理，再对球头局部进行高频淬火处理。

QPQ工艺是Quench－Polish－Quench的缩写形式，这种技术实际上是低温盐浴渗氮加盐浴氧化或低温盐浴氮碳共渗加盐浴氧化，在国内把QPQ技术称作QPQ盐浴复合处理技术，俗称盐浴软氮化技术。该工艺是近年来新兴的一种表面热处理技术，是指将黑色金属零件先后放入两种性质不同的熔融盐浴中，此时会有多种元素（主要为氮碳氧）从盐浴中渗入零件表面形成复合渗层，从而达到使零件表面改性的目的。氮碳共渗分多阶段进行：第一阶段在350~400℃下预热；第二阶段在580℃左右进行氮碳共渗；第三阶段进入400℃左右氧化10~60min，之后直接水冷淬火；第四阶段是对工件进行轻度机械抛光以获得要求的表面粗糙度；第五阶段再次在氧化性盐浴中浸渍30min左右，再用水冷却。两次水冷相当于淬火。所以英文用QPQ表示，参见图5图. QPQ处理工艺过程曲线

QPQ氮化盐浴的主要成分由碳酸盐和尿素组成，它们在高温下相互反应生成氰酸根（CNO^-）。CNO-再分解出C、N活性原子，它们渗入工件表面，形成10~20μm的ε相化合物。ε相化合物在随后的氧化盐浴（强碱和硝酸盐）中形成Fe₃O₄氧化膜，同时零件从氮化盐浴中黏附的含有CN^-氰化物离子的有毒物质被氧化成无毒的碳酸盐CO₃ ^2-和氰酸盐CNO^-。轻微机械抛光的目的是降低零件表面在氮化和氧化盐浴中处理而变高了的表面粗糙度值。由于抛光会破坏零件表面氧化膜，从而使耐腐蚀性下降，故再进行一次氧化处理，以重新在零件表面形成一层均匀、致密的Fe₃O₄薄膜。

QPQ工艺没有经过淬火，但达到了表面淬火的效果，因此在国内外称之为QPQ。在工艺上它是热处理技术与防腐蚀技术的结合，在性能上它是高耐磨性和高抗蚀性的结合，在渗层上是由多种化合物组成的复合渗层。该技术将热处理与防腐蚀处理一次完成，处理温度低，时间短，能同时提高零件表面硬度、耐磨性和抗蚀性，减少摩擦系数。工件经QPQ处理处理之后几乎没有变形产生，可以有效的解决常规热处理方法难以解决的硬化变形难题。同时，本工艺对所有黑色金属材料均适用，从纯铁、低碳钢、结构钢、工具钢到各种高合金钢、不锈钢、铸铁以及铁基粉末冶金件。目前，QPQ表面改性技术在国内已经得到大量推广应用，尤其在汽车、摩托车、纺机、机床、电器开关、工模具上使用效果非常突出。

表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。

高频淬火多数用于工业金属零件表面淬火，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。感应加热的原理：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电 (1K-300KHz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个趋肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000℃，而心部温度升高很小。

感应加热频率的选择是根据热处理技术要求及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。高频(10KHZ以上)加热的深度为0.5-2.5mm，一般用于中小型零件的加热，如小模数齿轮及中小轴类零件等。高频热处理，与渗碳淬火、氮化处理一样是常用的钢铁材料表面硬化方法。高频热处理的特点是利用清洁电能加热，所以比使用燃烧式加热炉的普通热处理和渗碳淬火的CO₂排放量小，并且热能效率高。因此，高频热处理作为环保型-经济型热处理。

感应加热淬火表层淬硬层的深度，取决于交流电的频率，一般是频率高加热深度浅，淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系，有如下经验公式：δ=20/√f(20°C)；δ=500/√f(800°C)。

式中：f为频率，单位为Hz；δ为加热深度，单位为毫米（mm）。

快速加热与立即淬火冷却相结合。通过快速加热使待加工钢件表面达到淬火温度，不等热量传到中心即迅速冷却，仅使表层淬硬为马氏体，中心仍为未淬火的原来塑性、韧性较好的退火（或正火及调质）组织。感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点，所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。

与普通加热淬火比较，感应加热淬火具有如下优势：

1、加热速度极快，可扩大A体转变温度范围，缩短转变时间。

2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（2～3HRC）。脆性较低及较高疲劳强度。

3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至有些工件处理后可直接装配使用。

4、淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化。

本发明所述的高尔夫球头表面处理方法，其中，所述QPQ工艺处理包括预热、氮化、氧化和清洗，所述高频淬火扩散热处理是对球颈调角部位进行高频淬火和扩散热处理后分别依次进行喷砂、二次氧化和清洗。

其中，QPQ工艺过程为：装卡——清洗去油——预热—— 渗氮——氧化——喷砂——氧化——清洗——干燥 — — 浸油。其中，

清洗是指 QPQ的前处理，非常重要。这是 QPQ的前处理工序，对工件的外观和渗层质量至关重要。工件上的油和锈会影响氮原子的渗入，也污染盐浴。对外观要求高的，要吹净工件上的水迹。

预热：温度260～390℃；时间30～90min。预热的主要作用是烘干工件表面的水分，使冷工件升温后再人渗氮炉，以防工件带水入炉引起盐浴溅射，同时防止冷工件入炉后盐浴温度下降太多。预热对减少工件变形和获得色泽均匀的外观也有一定作用。预热工序通常在空气炉中进行，工件表面的预氧化有利于氮原子的吸附，但要防止过氧化。

渗氮： 550～700℃，30～150 min ；氧化： 350～400℃， 1 0～20 min ；喷砂：常用喷砂机喷砂

第一方面所述的高尔夫球头表面处理方法，其中，所述预热温度为260-390℃，所述预热时间为0.5-1.5小时，所述氮化温度为550-700℃，所述氮化时间为0.5-2.5小时，所述氧化温度为350-450℃，所述氧化时间为0.5-1.5小时，所述二次氧化温度为350-450℃，所述二次氧化温度时间为0.5-1.5小时。

渗氮：渗氮是 QP Q盐浴复合处理技术的核心工序。渗氮盐中氰酸根分解而产生的活性氮原子渗入工件，在工件表面形成耐磨性和抗蚀性很高的化合物层和耐疲劳的扩散层。

氧化：氧化工序的作用一是彻底分解工件从渗氮炉带出来的氰根离子 (CN^—)，消除公害。二是在工件表面形成黑色氧化膜，增加防腐能力。

喷砂：喷砂表面上后，可以清除氧化皮。喷砂除锈石英砂可以清除机械加工的微毛刺，还可以清除污物和锈。

石英砂喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。。

QPQ盐浴复合处理的主要原料为三种生产用盐。

基盐：基盐在炉中熔化后形成高氰酸根 (CNO^一) 的渗氮盐浴。基盐除了第一次熔化时装满渗氮炉之外，在正常生产中浴面下降时，也应加入基盐以保持浴面高度。

再生盐：在生产过程中当渗氮盐浴的CNO^一浓度下降时，应向炉中添加再生盐，以使CNO^一含量维持在规定的范围之内。

氧化盐：氧化盐用于氧化盐浴，浴面下降时直接补加氧化盐。

QPQ处理后的工件渗层组织 QPQ处理在渗氮工序形成较深的复杂渗层，在氧化工序中形成致密的Fe₃O₄氧化膜。

工件浸入渗氮盐浴后，氰酸根分解产生的 N、 C 原子可在工件表面形成高的N势和 C势。由于 N原子半径仅为 F e原子半径的一半，而C原子的半径更小，所以N、 C原子可以在 F e原子的点阵间隙中进行扩散。

在QPQ处理的渗氮温度 ( 500 一580℃)下，工件表面的高浓度 N、 C原子向内部扩散，先形成在 a— Fe中的固溶体，随着表面原子浓度的提高，逐渐形成￡(F一 N) 化合物。最终由工件表面向中心形成 N、 C 的浓度梯度。渗层组织为化合物层 E相，化合物层以下是 N在 a—Fe中的固溶体，形成扩散层。

因此，QPQ处理后工件的渗层组织构成为：外表为氧化膜和化合物层；向内为扩散层。其中以化合物层最为重要，其主要组成为 Fe_（2—3） N，它是提高耐磨性的可靠保证，同时它的抗蚀性也很好。氧化膜的主要作用是与化合物层一起构成极好的抗蚀层。

同时它处于多孔状态，可以储油，减少摩擦，对提高耐磨性有利，同时还有美化外观的作用。扩散层主要作用是提高工件的疲劳强度，对增加细薄件的整体强度和弹性也有很大的作用。QPQ处理的化合物层完全由￡氮化物形成，具有很高的表面硬度和耐磨性。

渗氮时间的控制：渗氮时间的长短主要取决于工件的种类及服役条件。时间太短，不能形成足够深度的渗层，时间过长则疏松严重。

渗氮温度的控制：渗氮温度主要根据材料的种类来决定，其次要考虑工件的强度要求。渗氮温度太低，不能形成足够深度的渗层；温度太高，疏松层严重。渗氮温度超过回火温度将会降低基体的硬度。

渗氮盐浴的 CNO^一和 CN^一量的控制：QPQ处理，渗氮盐浴的CNO^一不得低于 3 0％，最高不要超过 40％。盐浴成份一般控制 CNO^一%=36± 2％， CN^一%≤1％。

QPQ技术已经被很多行业采用，，但是由于QPQ技术渗层太浅，难以承受较重的负荷和较高的运转速度，更不能承受较大的磨损，因此应用的范围受到了很大限制。

QPQ技术发展可分三个阶段，化合物层深度分别可达到为15~20um、30~40um、60~80um，当前正处在第二阶段。

第一方面所述的高尔夫球头表面处理方法，其中，所述高频扩散处理的阳极电压为5-10KV，电流为5-10KA，所述高频扩散处理的时间为3-20秒，

第一方面所述的高尔夫球头表面处理方法，其中所述局部为球颈部。

第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的高尔夫球头表面处理方法获得的高尔夫球头表面复合结构，其中，所述高尔夫球头表面复合结构包括表面化合物层和位于化合物层之下的含氮珠光体过渡层。

第二方面所述的高尔夫球头表面复合结构，其中，所述球头表面化合物层的厚度大于20μm，所述球颈部的表面化合物层厚度小于10μm，所述含氮珠光体过渡层位于球颈部位，所述含氮珠光体过渡层为采用局部高频扩散热处理获得。

第二方面所述的高尔夫球头表面复合结构，其中，所述球颈部位为球头球颈调角部位。

第二方面所述的高尔夫球头表面复合结构，其中，所述球头球颈调角部位的氮化层厚度显著小于比其它部位的氮化层，所述含氮珠光体过渡层具有良好的强韧性。

有益效果

本发明的高尔夫球头的表面SQPQ复合处理工艺是在高尔夫球头传统QPQ工艺的基础上进行的进一步改进和升级形成的新工艺。该技术将深层QPQ工艺和高频热处理扩散热处理工艺复合在一起，先以深层QPQ工艺提高球头的耐磨和抗蚀能力，之后再进行局部高频和高温扩散工艺以改善球头的韧性，提高球头的调角能力，最后再进行抛光等美工工序，使球头具有高抗蚀、高耐磨、高调角能力的特点。本发明的制备工艺容易控制，所得产品的品质高，而且生产成本低。本发明获得的高尔夫球头具有如下优势：（1）具有球颈调角区域的氮化化合物层薄，其余部位氮化层厚的特征，在性能上具有高抗蚀、高耐磨、高调角能力的特点；(2)工艺成本低，工艺污染排放少的特点，可以替代电镀、离子镀等工艺，解决球头表处理的污染问题。(3)同时，该工艺的球头具有高耐磨性和高调角能力(4)本发明所制备的球头非常美观，色度易于运动时观察，使得击球容易。和传统QPQ工艺的球头对比，耐磨能力提高10倍以上，调角能力提高2倍以上。

附图说明

图1、传统QPQ高尔夫球头的金相照片

图2、SQPQ工艺高尔夫球头非高频部位的金相照片

图3、SQPQ工艺高尔夫球头高频部位的金相照片

图4、SQPQ工艺高尔夫球头的球头照片

图5、SQPQ工艺的过程曲线

图6、现有QPQ工艺的过程曲线

具体实施方式

下面，结合附图来进一步具体地阐述本发明，大本发明并不局限于下面的具体实施方式；任何根据本发明精神所作出的改进或者改变，都仍属于本发明的保护范围。本发明实施例的SQPQ工艺过程曲线如图5所示。

实施例1. 高尔夫球头SQPQ工艺处理工艺

将高尔夫球头按如下工艺步骤处理，获得美观外观，获得更优良的表面耐磨性和调角性能等功能性：

1、预热：将球头通过夹具吊入预热炉中预热。预热工艺260℃预热1.5小时。

2、氮化：将球头通过夹具吊入氮化炉中氮化。氮化工艺590℃氮化2.5小时。

3、氧化：将球头吊入氧化炉中氧化，氧化工艺：350℃氧化1.5小时。

4、清洗：将球头通过夹具吊入清水中清洗干净。

5、高频扩散：对球头的球颈部进行局部高频处理，以使表面氮化层溶解扩散。阳极电压5Kv, 电流10A，时间5秒。

6、喷砂：对球头表面进行喷砂处理，以让表面外观均匀。

7、二次氧化：将球头吊入氧化炉中氧化，氧化工艺：350℃氧化1.5小时。

8、清洗：将球头通过夹具吊入清水中清洗干净。

检验：对球头进行检验，检验合格品即完成SQPQ工艺处理。

对所得高尔夫球头拍摄照片如图4所示，对所得高尔夫球头的高频部位拍金相照片如图3所示，对所得高尔夫球头高频部位拍金相照片如图2所示。

实施例2. 高尔夫球头SQPQ工艺处理工艺

1、预热：将球头通过夹具吊入预热炉中预热。预热工艺350℃预热1.0小时。

2、氮化：将球头通过夹具吊入氮化炉中氮化。氮化工艺620℃氮化1.5小时。

3、氧化：将球头吊入氧化炉中氧化，氧化工艺：400℃氧化1.0小时

4、清洗：将球头通过夹具吊入清水中清洗干净。

5、高频扩散：对球头的球颈部进行局部高频处理，以使表面氮化层溶解扩散。阳极电压7Kv, 电流7A，时间10秒。

6、喷砂：对球头表面进行喷砂处理，以让表面外观均匀。

7、二次氧化：将球头吊入氧化炉中氧化，氧化工艺：400℃氧化1.0小时。

8、清洗：将球头通过夹具吊入清水中清洗干净。

9、喷砂：对球头表面进行喷砂处理，以让表面外观均匀。

检验：对球头进行检验，检验合格品即完成SQPQ工艺处理。

实施例3. 高尔夫球头SQPQ工艺处理工艺

1、预热：将球头通过夹具吊入预热炉中预热。预热工艺390℃预热0.5小时。

2、氮化：将球头通过夹具吊入氮化炉中氮化。氮化工艺650℃氮化0.5小时。

3、氧化：将球头吊入氧化炉中氧化，氧化工艺：450℃氧化0.5小时

4、清洗：将球头通过夹具吊入清水中清洗干净。

5、高频扩散：对球头的球颈部进行局部高频处理，以使表面氮化层溶解扩散。阳极电压10Kv, 电流5A，时间15秒。

6、喷砂：对球头表面进行喷砂处理，以让表面外观均匀。

7、二次氧化：将球头吊入氧化炉中氧化，氧化工艺：450℃氧化0.5小时。

8、清洗：将球头通过夹具吊入清水中清洗干净。

9、喷砂：对球头表面进行喷砂处理，以让表面外观均匀。

检验：对球头进行检验，检验合格品即完成SQPQ工艺处理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种高尔夫球头表面处理方法，其特征是，先对球头整体进行QPQ工艺处理，再对球头局部表面进行高频淬火和扩散热处理；

所述QPQ工艺处理包括预热、氮化、氧化和清洗，所述高频淬火和扩散热处理是对球颈调角部位进行高频淬火和扩散热处理之后，再分别依次进行喷砂、二次氧化和清洗；

所述预热温度为260-390℃，所述预热时间为0.5-1.5小时，所述氮化温度为590-650℃，所述氮化时间为0.5-2.5小时，所述氧化温度为350-500℃，所述氧化温度时间为0.5-1.5小时，所述二次氧化温度为350-500℃，所述二次氧化温度时间为0.5-1.5小时；

所述高频淬火的阳极电压为5-10KV，电流5-10A，所述高频淬火的时间为3-20秒。

2.根据权利要求1所述的高尔夫球头表面处理方法获得的高尔夫球头表面复合结构，其特征是，所述高尔夫球头表面复合结构包括表面化合物层和位于化合物层之下的含氮珠光体过渡层。

3.根据权利要求2所述的高尔夫球头表面复合结构，其特征是，所述球头表面化合物层的厚度大于20μm，所述球颈调角部位的表面化合物层厚度小于10μm，所述含氮珠光体过渡层位于球颈调角部位，所述含氮珠光体过渡层为采用局部高频淬火和扩散热处理获得。