TW201511800A - 高爾夫球桿頭及其低密度合金 - Google Patents

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Abstract

一種高爾夫球桿頭及其低密度合金，其以重量百分比計包含：重量百分比平衡的鈦、鋁10%至11%；及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、矽<0.2%、(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%。鋁10%~11%用於降低密度，使該合金具有90~110千磅/平方英寸的抗拉強度，及4.18~4.30克/立方公分的密度，可改善脆裂現象，提升合金延伸率。

Description

高爾夫球桿頭及其低密度合金
本發明是有關於一種高爾夫球桿頭及其低密度合金，其通過控制鈦、鋁混合比例，平衡的鈦、鋁10%~11%，及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、矽<0.2%、(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%；且通過適當的高溫熱處理，可避免該合金介面(interfacial interphase)析出相或α2相產生，以提升該合金延伸率至6~15%。同時，使該合金具有90~110千磅/平方英寸(kpsi)的抗拉強度及4.18~4.30克/立方公分的密度(比重)，以供調整重心位置及提升設計空間的高爾夫球桿頭的低密度合金。
近二十年來，由於鈦合金具有優異的抗蝕性與高比強度(強度與密度比值)，因此被廣泛應用於高爾夫球桿頭產業，目前約占整體市場30~40%左右。
早期，在鈦合金的材料選用，主要以純鈦(G4)和鈦-6鋁-4釩為主，其特徵為使高爾夫球桿頭(發球桿)體積由原來使用鐵系合金的250~270cc(毫升)，提升到320~350cc。而隨著球桿頭設計的需求，約十年前開始運用高強度β-型鈦合金，如：15-3-3-3、10-2-3、2041鈦合金等，主要特徵為使高爾夫球桿頭體積提升到400~450cc。
隨著製程技術的提升與穩定，目前鈦合金高爾夫球桿頭(發球桿)體積已達到450~470cc，根據高爾夫球桿頭體積國際規範為460cc。此外，亦考量原料成本，高爾夫球桿頭產業亦使用含鉬和/或鉻鈦合金，如：4.5-3-1-1、SP700、BT14、5-1-1-1、Ti735等。另外，考量低的楊氏係數與吸震性，亦開發高鉬鈦合金，如：15-3、15-5-3等。
高爾夫球桿頭大致可分為三大類：木桿、鐵頭及推桿，簡述如下：
1.木桿頭：用於開球，主要以打得遠與直為需求，因鈦合金具有高比強度及低比重的特性，讓木桿頭的甜密區較大，保持方向的穩定性。而球道木桿，一般以不銹鋼材質為多，異素材結合的複合材質木桿頭因具創新性、可創造配重以達最佳效果。
2.鐵桿頭：用於擊球到果嶺或預定地點，主要以打得准與穩定飛行距離，材質主要以不銹鋼為主，就鐵桿頭材料而言，主要的發展有二，其一：為20~30%的延伸率與高強度(超過150千磅/平方英寸以上)的組合，其二：為100~120千磅/平方英寸的強度與高延伸率(超過30%以上)的組合。
3.推桿：推桿則使用在果嶺上推球入洞，主要以控制球的方向為主，注重平衡。其意義即是如何維持推桿球桿頭與中管桿配合時，打擊面不致旋轉，最近有朝直接使用電腦數位控制機床(Computer numerical control,CNC)加工球桿頭，以維持設計重心的位置及保持球桿頭的均勻性。
近幾年來，由於球桿頭體積的限制，為增加球桿頭重量分 佈的設計空間；因此，發展低於鈦-6鋁-4釩的密度(US 2006/0045789案，4.42~4.48克/立方公分)的鈦合金，為高爾夫球桿頭產業界重要發展之一，如2009年開始被量產的鈦-8鋁-1釩-1鉬合金(鑄件密度4.30~4.36克/立方公分)。
鈦合金為相當優異的高爾夫球桿頭素材，惟近年來不論厚度或外型結構，高爾夫球桿頭都已走向了極限的設計，如：打擊面厚度由2.5mm~3.6mm下降至2.1mm~2.5mm，頂蓋厚度由1.0mm~1.2mm下降至0.6mm~0.8mm；使其高爾夫球桿頭在設計條件下，其高爾夫球炮擊測試介於200-4000發間，相較過去的經驗值5000-14000發低很多。而若考量一般高爾夫球炮擊測試，合格標準為在一定球速下承受3000次以上的炮擊，其性質介於合格標準邊緣。此外，根據過去分析顯示：8-1-1鈦合金或6-4鈦合金高爾夫球桿頭，若製程曾經存在於800-950℃之間，其顯微結構於α相/β相介面易產生介面相，而誘發微裂紋的形成，此為高爾夫球桿頭炮擊測試介於200-4000發間變異的主要因素。
然而，至目前為止，在高爾夫球桿頭體積大型化及多樣化的客製需求下，便有需要開發低密度、高延展性，但仍保持原有機械強度，以提高設計裕度。
故，有必要提供一種改良的高爾夫球桿頭及其低密度合金，以解決現有技術所存在的問題。
有鑑於此，本發明的主要目的為提供一種高爾夫球桿頭的低密度鈦合金，其調整鈦合金的鋁含量的比例，開發鈦89%至90%、鋁10%至11%合金(以重量百分比計)。就室溫結構用鈦合金而言，降低鈦合金密 度，主要利用添加鋁元素達到；其中當鋁當量達到9.5以上，Aleq=Al%+10(O+2N+C)%+0.333Sn%+0.166Zr%，合金於熱處理過程中易形成DO19的α2規則相，而發生延伸率降低或脆化現象，此乃商用鈦合金主要以鈦-6鋁-4釩為主的原因之一。目前，最新以量產的鈦合金，以鈦-8鋁-1釩-1鉬合金密度最低(4.32~4.36克/立方公分)。因此，提高鋁元素含量，尤其是鑄造狀態下降低鈦合金密度，將可進一步提升高爾夫球桿頭設計空間的功效。
鈦合金基本相變化：非合金化的鈦於882℃時會發生同素異構變態，溫度882℃以下為六方最密堆積結構的α相，在882℃以上為體心立方結構的β相。根據鈦合金添加的合金元素對β/α+β轉換溫度的影響，α穩定元素主要是提高β/α+β轉換溫度，如：鋁、氧、碳和氮，α穩定元素中以鋁最為重要，主要鋁的密度低(鋁的密度為2.7克/立方公分、鈦的密度為4.5克/立方公分)，價錢較為低廉，同時可以增加鈦合金的抗拉強度、潛變強度。而β穩定元素主要是降低β/α+β轉換溫度，如：釩、鉬、鉻和鐵等元素，隨著合金中β穩定元素添加的含量越多，室溫下的β相也越多。中性元素的添加並不會對β/α+β轉換溫度有所影響，如錫、鋯，其添加的主要作用為增加α相的強度介面相：鈦合金於α相和β相之間會有一不同結構的區域出現，該區域為一具高密度差排的層狀區域(Striated Layer，SL)和一無內部結構的塊狀區域(Monolithic Layer，ML)的複合介面相，該介面相的存在，提供了疲勞和裂紋成長路徑。
為解決上述問題，本發明所提出的技術手段為提供一種鑄造鈦鋁合金，其以重量百分比計包含：鈦89~90%，鋁10~11%，鑄造狀態下 (精密鑄造)，密度範圍為4.18至4.30克/立方公分。同時，透過其他不可避免微量元素的控制，如：(碳+氮+氧)<0.2%、矽<0.2%、(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%，以及適當的高溫925±25℃熱處理，調整鑄件結構，以避免介面(interfacial interphase)析出相或α2相產生，以改善合金脆性與提升合金延伸率，又或者，於925℃±25℃進行熱均壓處理或鍛造或擠鍛，來完成材質均質化。
上述的鑄造鈦鋁合金係以延伸率在6~15%、抗拉強度在90~110千磅/平方英寸的鈦合金。本發明的鈦鋁合金中的鈦及鋁的含量，較現有技術6A1-4V-Ti、Ti-8-1-1高，鋁含量的提高降低比重、增加彈性模量有明顯效果，與6A1-4V-Ti、Ti-8-1-1相比，釩或鉬的添加量大為減少，從而降低了鈦鋁合金的製造成本，且其密度也低於同類合金，有利於高爾夫球桿頭的大型化，並而提高其設計裕度、空間。
另外，為達成本發明的前述目的，本發明一實施例提供一種高爾夫球桿頭，該桿頭包含有一打擊面板、一頂部、一底部、一趾部、一跟部及一管柄，其特徵在於：該高爾夫球桿頭至少一部分是由本發明鈦鋁合金製造而成，該鈦鋁合金包含重量百分比平衡的鈦、鋁10%~11%，及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、矽<0.2%及(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%，該鈦鋁合金經925±25℃高溫熱處理1至4小時，其具有90~110千磅/平方英寸的抗拉強度，及4.18~4.30克/立方公分的密度。例如，該頂部、底部、趾部及跟部係由本發明鈦鋁合金所製成，該打擊面板選擇由6-4鈦合金、SP700或其它習知之鈦合金所製成。然而，本發明鈦鋁合金亦可使用於打擊面板。
在本發明的一實施例中，該熱處理時間為1小時。
在本發明的一實施例中，該鈦鋁合金的延伸率為6~15%。
在本發明的一實施例中，該高爾夫球桿頭的體積介於410至470立方公分，在適當配重後，其整體重量介於180至210公克。
再者，本發明另一實施例提供另一種高爾夫球桿頭的低密度合金，其特徵在於：該低密度合金包含：重量百分比平衡的鈦、重量百分比10%~11%的鋁，及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、矽<0.2%及(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%所組成，其具有90~110千磅/平方英寸的抗拉強度、4.18~4.30克/立方公分的密度及6~15%延伸率。
第1圖是本發明實施例2經不同溫度處理1小時的硬度分佈圖。
第2圖是本發明實施例2經800℃溫度處理，通過掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察的視圖，顯示針狀組織。
第3圖是本發明實施例2經900℃溫度處理，通過SEM觀察的視圖，顯示針狀組織，且晶粒尺寸約30~80μm。
第4圖是本發明實施例2，經1000℃溫度處理，通過SEM觀察的視圖，顯示針狀組織且晶粒尺寸大於200μm。
第5(a)圖至第5(d)圖是本發明實施例2，經不同1000℃溫度，通過穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察的視圖，顯示針狀組織基地，其中第5(a)圖為明視野圖、第5(b)圖為暗視野圖、第5(c)圖為[]軸SADP圖、第5(d)圖為[]軸SADP圖。
第6(a)圖至第6(d)圖是本發明實施例2，經不同1000℃溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地相介面，存在有FCO結構相形成，第6(a)圖為明視野 圖、第6(b)圖為暗視野圖、第6(c)圖為[]軸SADP圖、第6(d)圖為[]軸SADP圖。
第7(a)圖至第7(c)圖是本發明實施例2，經不同950℃溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地針狀組織高密差排消失，第7(a)圖為明視野圖、第7(b)圖為暗視野圖、第7(c)圖為[]軸SADP圖。
第8(a)圖至第8(c)圖是本發明實施例2，經不同900℃溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地針狀組織高密差排消失，第8(a)圖為明視野圖、第8(b)圖為暗視野圖、第8(c)圖為[]軸SADP圖。
第9(a)圖至第9(d)圖是本發明實施例2，經不同800℃溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地相，存在有α2相形成，第9(a)圖為明視野圖、第9(b)圖為基地暗視野圖、第9(c)圖為α2暗視野圖、第9(d)圖為[]軸SADP圖。
第10(a)圖至第10(d)圖是本發明實施例2，經不同700℃溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地相，存在有α2相形成，第10(a)圖為明視野圖、第10(b)圖為基地暗視野圖、第10(c)圖為α2暗視野圖、第10(d)圖為[]軸SADP圖。
為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉本發明的較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照表1所示，實施例的鈦鋁合金，其合金元素的重量百分比包含：平衡的鈦(Ti)，鋁(Al)10~11%，密度範圍為4.18至4.30克/立方公分，其中平衡的鈦(Ti)指扣除其他成份含量後以鈦補足至100wt%。以下分 別針對各種添加合金元素的設計比例、限制範圍說明如下：鋁(Al)：鋁添加於鈦合金中，主要可降低合金密度，提高合金強度；鋁的添加亦可能形成Ti3Al(α2相)與TiAl(γ相)金屬中間化合物，該金屬中間化合物將使合金室溫的韌性(延伸率)急遽下降。整體而言，當鋁含量低於10.0%時，合金密度高於4.30克/立方公分(預期目標)；若鋁含量大於11.0%時，則合金延伸率低於6%(預期目標)。因此，本發明的合金材料其鋁含量應嚴格限制在10.0~11.0%之間。
碳(C)、氮(N)、氧(O)：係合金製程中不可避免的格隙原子，考量鋁當量Aleq=Al%+10(O+2N+C)%+0.333Sn%+0.166Zr%，且為避免Ti3Al(α2相)的形成，本發明的合金材料其(碳+氮+氧)含量應嚴格限制在0.2%以下。
矽(Si)：矽添加於合金中，將可提高強度，惟會增加合金脆性。案，矽元素係製程中不可避免元素。依據本發明實施例，本發明的合金材料其矽含量限制在0.2%以下。
鉻(Cr)、鐵(Fe)、釩(V)、鉬(Mo)：係合金製程中不可避免的過渡元素，以64鈦合金規範而言，其不可避免的過渡元素總量<0.4%。而且，在本發明實施例中，(鉻+鐵+釩+鉬)總量<0.37%。因此，本發明的合金材料其(鉻+鐵+釩+鉬)總含量限制在0.4%以下。
上述實施例的合金材料係以鈦-鋁二元合金為主，平衡的鈦，鋁10~11%，同時，其他不可避免微量元素控制在，(碳+氮+氧)<0.14%、矽<0.14%、(鉻+鐵+釩+鉬)<0.37%。經精密鑄造製程，可獲得延伸率在6.9~12.5%之間，抗拉強度在96.0~105.1千磅/平方英寸之間，密度範圍為4.20~4.27克/立方公分之間。
依據本發明實施例1~4製成高爾夫球桿頭，該球桿頭體積較佳為410至470立方公分，更佳為450至460立方公分，重量約為180至210公克，經炮擊專用高爾夫球(球規格為90)55.8米/秒炮擊速度，通過3000發炮擊測試，打擊面板與球桿頭本體經目視與探傷測試均無破裂及裂痕。此外，對照例1與2，雖強度符合產業需求，惟密度不在預期的範圍內；對照例3，雖強度密度在預期的範圍內，惟其延伸率偏低，不符產業應用的需求性，有待更進一步開發突破。相對於Ti-8-1-1及6-4Ti，對照例的密度均低於4.35~4.43克/立方公分。
依據本發明實施例2為例，其於精密鑄造下(As-cast)毛胚， 未經任何熱處理，其機械性質：抗拉強度98.6千磅/平方英寸、降伏強度97.3千磅/平方英寸、延伸率1.4%，硬度HRc25.4；經925℃/1小時處理後，其機械性質提升為：抗拉強度102.2千磅/平方英寸、降伏強度95.3千磅/平方英寸、延伸率8.9%，硬度HRc25.5，密度4.22克/立方公分，適合作為高爾夫球桿頭的本體。前述熱處理時間亦可適度增加為2小時、3小時或4小時，以使材料組織更為均勻緻密。
另外，依據本發明實施例2為例，合金經700~1000℃/1小時，每隔25℃量測合金硬度分佈，如下第1圖所示；顯示實施例2，於900~950℃之間，熱處理1小時後，其硬度可達較低值，就合金設計與機械性質觀點，顯示其可獲致最佳的延伸率。在本發明實施例2中，合金鑄件經800℃、900℃與1000℃處理，經掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察，如第2~4圖所示，顯示不同熱處理將獲致不同的顯微結構。由於，不同的組織結構，故呈現不同的延伸率；故本發明專利實施例經900~950℃之間，熱處理1小時後，可獲致適當的組織結構，以得到最佳的延伸率。
再者，第5~10圖為穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察結果，第5圖與第6圖顯示合金於1000℃熱處理後，基地呈現高密度差排的麻田散體積地，同時亦可觀察到基地間介面存在有介面相析出物，該介面相的形成，將導致合金的脆性提高與延伸率降低；第7圖與第8圖顯示合金於900~950℃之間，熱處理1小時後，基地差排密度降低，同時亦無觀察到基地間介面相存在，顯示該溫度範圍內熱處理，合金可擁有較高的韌性或延伸率；第9圖與第10圖顯示合金於700~800℃之間，熱處理1小時後，基地內可觀察到規則的DO19 α2相產生。整體而言，本發明設計的高爾夫球鑄造鈦鋁合金桿頭， 透過高溫925±25℃熱處理，可避免介面析出相或α2相產生，而改善脆裂現象，可提升合金延伸率至6~15%。同時，該合金具有4.18~4.30克/立方公分的密度，可提高爾夫球桿頭的設計空間。
值得注意的是，本發明上文提及的「%」若無特定說明皆指「重量百分比(wt%)」；數值範圍(如10%~11%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的B)，則皆指其下限值可能為0(即0%≦B≦0.2%)；元素組合(C+D+E)指的是括弧內的這些n種元素之總含量，但可能其中部份元素的含量為0(若其下限值包含0，亦可能為全部元素的含量皆為0)；用語「平衡(balance)的F」指的是「其餘重量比例以F補足至100wt%」。
本發明由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明的範例。必需指出的是，已公開的實施例並未限制本發明的範圍。相反地，包含於權利要求書的精神及範圍的修改及均等設置均包括于本發明的範圍內。

Claims (6)

  1. 一種高爾夫球桿頭，該高爾夫球桿頭之至少一部分是由鈦鋁合金製造而成，該鈦鋁合金以重量百分比計包含：重量百分比平衡的鈦；鋁10%~11%；及微量元素，包含：(碳+氮+氧)<0.2%；矽<0.2%；及(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%；其中該鈦鋁合金經925±25℃高溫熱處理1至4小時，其具有90~110千磅/平方英寸的抗拉強度，及4.18~4.30克/立方公分的密度。
  2. 根據申請專利範圍第1項之高爾夫球桿頭，其中該熱處理為進行熱均壓處理或鍛造或擠鍛。
  3. 根據申請專利範圍第1項之高爾夫球桿頭，其中該熱處理時間為1小時。
  4. 根據申請專利範圍第1項之高爾夫球桿頭，其中該鈦鋁合金的延伸率為6~15%。
  5. 根據申請專利範圍第1項之高爾夫球桿頭，其中該高爾夫球桿頭的體積介於410至470立方公分，及其重量介於180至210公克。
  6. 一種高爾夫球桿頭的低密度合金，該低密度合金以重量百分比計包含：重量百分比平衡的鈦；重量百分比10%~11%的鋁；及 微量元素，其包含：(碳+氮+氧)<0.2%；矽<0.2%；及(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%所組成；其中該低密度合金具有90~110千磅/平方英寸的抗拉強度、4.18~4.30克/立方公分的密度及6~15%延伸率。
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