TW202302880A - 高強度麻時效鋼板材及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種麻時效鋼板材製造方法包括：進行一熔煉製程；進行一鍛造製程；進行一軋製製程；以及對該軋製製程後之板材進行一固溶處理、一深冷處理及一時效處理而完成一麻時效鋼板材；其中該麻時效鋼板材包括以下成份：16~19wt%的鎳、8~10wt%的鈷、5.5~7.0wt%的鉬、0.4~1.4wt%的鈦、0.05~0.3wt%的鉻、0.05~0.2wt%的鋁、0.05~0.1wt%的矽、平衡量的鐵，以及不可避免之雜質。本發明之麻時效鋼板材的優點是一種新型低成本的麻時效鋼合金，在經過適當固溶、深冷、時效環境後，獲得了抗拉強度在275~320KSI及降伏強度在264~315KSI，具有良好的綜合機械性能，可作為高爾夫球桿頭之結構材料使用。

Description

高強度麻時效鋼板材及其製造方法
本發明是有關於一種麻時效鋼板材及其製造方法，且特別是有關於一種用於高爾夫球桿頭之高強度麻時效鋼板材及其製造方法。
高爾夫球桿頭發展過程中，從早期木質實心到現今使用金屬材料的空心桿頭，整體強度越來越高且可減輕重量，甚至開始追求高慣性矩(MOI,moment of inertia)與高恢復係數(COR,coefficient of restitution)，來提高擊球的成功率與球飛行的距離。而現今主流的金屬材料可透過不同的加工處理方式與合金元素的搭配，創造出能夠更具有操控、精準、遠距及錯誤容忍值更高的最佳球具。
另一方面，鐵系合金亦應用於高爾夫球桿頭的領域。近年來，鐵系合金高爾夫球桿頭球桿頭設計，漸漸強調高特徵時間(CT,characteristic time)的高爾夫球桿頭開發設計，主要是增加打擊面的彈簧效應作為主要的設計理念，以增加擊球距離。
然而，就現有的鐵系合金球桿頭的材質方面，尚未找尋到適合材質組成，以增加打擊面的彈簧效應，進而增加擊球距離。增加打擊面彈簧效應有多種方式，其中以減薄打擊面板材厚度為業界常用手法，此種方式需打擊面板材搭配具有高強度、耐磨耗度及延展性等性質。
現有用於製作高爾夫球桿頭的組成合金，例如專利申請號TW200630141(高爾夫桿頭之不銹鋼合金)公開案，揭示一種包括以重量百分比計的碳0.08~0.15%、矽0.5~1.5%、錳0.4~1.2%、銅0.55%以下、鎳3.5~6.0%、鉻13.5~17.0%、鉬1.5~2.6%、氮0.07~0.13%，及其餘比例則為鐵的合金材料(下稱現有不銹鋼合金)。經由上述合金比例所製成的高爾夫球桿頭，由其說明書的第9頁的記載可知，其抗拉強度約為216.8~219.1KSI(1495.8~1511.7MPa)，而降伏強度約為175.7~180.7KSI(1212.36~1247MPa)。其整體強度仍然不足，進而導致高爾夫球桿頭具有容易變形的缺點。
因此，便有需要提供一種用於高爾夫球桿頭之高強度麻時效鋼板材及其製造方法，以解決現有技術所存在的問題。
本發明之一目的是提供一種高強度麻時效鋼板材及其製造方法。
依據上述之目的，本發明提供一種麻時效鋼板材製造方法，包括下列步驟：對含有鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)、矽(Si)的材料進行一熔煉製程，以形成一鑄錠；對該鑄錠進行一鍛造製程而形成一板胚；對該板胚進行一軋製製程而形成一板材；以及對該軋製製程後之該板材進行一固溶處理、一深冷處理及一時效處理而完成一麻時效鋼板材：其中該麻時效鋼板材包括以下成份：16~19wt%的鎳(Ni)、8~10wt%的鈷(Co)、5.5~7.0wt%的鉬(Mo)、0.4~1.4wt%的鈦(Ti)、0.05~0.3wt%的鉻(Cr)、0.05~0.2wt%的鋁(Al)、0.05~0.1wt%的矽(Si)、平衡量的鐵(Fe)，以及不可避免之雜質。
本發明更提供一種麻時效鋼板材，以其總重為100wt%計算，該麻時效鋼板材包括以下成份16~19wt%的鎳(Ni)、8~10wt%的鈷(Co)、5.5~7.0wt%的鉬(Mo)、0.4~1.4wt%的鈦(Ti)、0.05~0.3wt%的鉻(Cr)、0.05~0.2wt%的鋁(Al)、0.05~0.1wt%的矽(Si)、平衡量的鐵(Fe)，以及不可避免之雜質。
本發明之麻時效鋼板材的優點是一種新型低成本的麻時效鋼合金，在經過適當固溶、深冷、時效環境後，具有良好的綜合機械性能，可作為高爾夫球桿頭之結構材料使用，並可進行冷熱加工；在高氯環境中具有良好的抗腐蝕性能，作為高爾夫球桿頭的最佳材質。
S100:步驟
S200:步驟
S210:第一鍛造步驟
S220:第二鍛造步驟
S230:第三鍛造步驟
S240:第四鍛造步驟
S250:步驟
S300:步驟
S310:第一熱軋步驟
S320:第二熱軋步驟
S330:第三熱軋步驟
S340:第四熱軋步驟
圖1為本發明之一實施例的麻時效鋼板材製造方法之流程示意圖。
圖2為本發明之鍛造製程之流程示意圖。
圖3為本發明之軋製製程之流程示意圖。
圖4a及4b為本發明之一實施例的麻時效鋼板材經固溶處理+深冷處理+時效處理後的金相圖(SEM掃描電子顯微鏡照片-500及1000倍)。
圖5a及5b為本發明之一實施例的麻時效鋼板材的金相圖(SEM掃描電子顯微鏡照片-5000倍)，其顯示Ni3Ti析出物。
圖6為本發明之一實施例的麻時效鋼板材的金相圖(SEM掃描電子顯微鏡照片-5000倍)，其顯示Ni3Mo析出物。
為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例的鈦合金板材製造方法之流程示意圖。該鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：
圖1為本發明之一實施例的用於高爾夫球桿頭之麻時效鋼板材製造方法之流程示意圖。該麻時效鋼板材為一種高強度Fe-Ni基馬氏體時效鋼。該麻時效鋼板材製造方法，包括下列步驟：
在步驟S100中，對含有鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)、矽(Si)的材料進行一熔煉製程，以形成一麻時效鋼鑄錠。舉例，採用工業純鐵、電解鎳、電解鈷、鉬鐵、純鋁條、海綿鈦、鉻鐵合金、矽鐵為原材料進行真空電弧自耗熔煉。冶煉採用真空感應爐，含矽(Si)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)和鉬(Mo)的材料加入坩堝中，含鋁(Al)、鈦(Ti)和鉻(Cr)的材料裝入料斗，採用通常的冶煉工藝冶煉，但在精煉期終了，合金化之後，充氬(Ar)氣，然後通電攪拌並抽真空1~2分鐘，真空度達10-2mmHg以上，溫度達1600℃左右，停電出鋼。氧化物、硫化物和氧硫化物，呈渣的形式浮到鋼液表面或附著於坩堝壁上，在出鋼時被除掉，這樣達到了淨化鋼的目的。添加0.1%的釩鐵、鈮鐵，使釩(V)、鈮(Nb)最後殘留在鋼合金中佔0.003~0.08%，並且呈微細的化合物質點，有細化晶粒的作用，結果大大改善麻時效鋼合金的衝擊韌性，同時強度和疲勞極限也都有所提高。在精煉期結束後，向坩堝中添加少量碳(C)，利用碳與鋼液中的氧氣(O2)和硫(S)有很強親和力，進一步脫去鋼合金中的氧氣(O2)和硫(S)，淨化鋼液，鋼質純化。同時控制其加入方式，供電攪拌、停電等製程，使碳(C)在鋼合金中殘留0.0035~0.03%，增大鋼液流動性和過冷度，增多鑄錠時的非自發核心，使鋼錠的晶粒細化。固溶的過飽和碳含量較低，其晶格扭曲適中，結果是保持了 高抗拉強度，同時提高了鋼合金的衝擊韌性和疲勞強度極限。
鋼合金各組成分依照設計質量配比後，進行真空自耗熔煉爐熔煉，熔煉次數為3次，第一次鑄錠直徑為120mm，第二次鑄錠直徑為170mm，第三次鑄錠直徑為220mm。鑄錠生產工藝流程如下：挑料→混料→布料→壓制電極→電極組焊→熔煉→鑄錠處理、分析檢驗→入庫。根據所確定的工藝路線、合金化方式及所制定的試製方案熔煉出直徑Φ220mm的鑄錠。鑄錠扒除表面污染層及皮下氣孔缺陷後，在距離鑄錠冒口和底部均為50mm位置，取化學成分和氣體分析樣品。採用標準方法，完成了成分檢測，結果如表1所示。可見，鑄錠中各主要元素及雜質元素均滿足試製要求，成分控制達到了預期目標。
Figure 110124825-A0101-12-0005-1
在步驟S200中，對該鑄錠進行一鍛造製程(forging process)而形成一板胚。舉例，採用的鍛造設備為800噸快鍛機，加熱爐温度控制精度±10℃。圖2為本發明之鍛造製程之流程示意圖。該鍛造製程包括：進行一第一鍛造步驟S210，開坯：在加熱温度1180±10℃之間，將該鑄錠進行一鐓粗一 拔長，鍛後空冷，且且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕，以形成一坯料；進行一第二鍛造步驟S220，坯料改鍛：在加熱温度1000±10℃之間，將該第一鍛造步驟S210後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第三鍛造步驟S230，坯料改鍛：在加熱温度960±10℃之間，將該第二鍛造步驟S220後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；進行一第四鍛造步驟S240，坯料改鍛：在加熱温度900±10℃之間，將該第三鍛造步驟S230後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後回爐；以及在步驟S250中，將該第四鍛造步驟後之坯料進行單向壓下及四周整形交替操作，並鍛製成尺寸為400mmx300mmx60mm的板坯。
在步驟S300中，對該板胚進行一軋製製程(rolling process)而形成一板材。舉例，採用軋輥寬度為400mm的小型軋板機完成板材軋製。該板坯採用高温箱式電阻爐加熱，在熱軋試驗機組軋機上軋製。使用數字式電位差計對箱式電阻爐進行温度校訂，保證温度偏差±10℃。
圖3為本發明之軋製製程之流程示意圖。在本實施例中，該軋製製程(亦即壓軋工法)包括：進行一第一熱軋步驟S310：在加熱温度1000±100℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度，例如δ 60mm→δ 30mm；進行一第二熱軋步驟S320：在加熱温度850±50℃之間，將該第一熱處理步驟S310後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度，例如δ 30mm→δ 15mm；進行一第三熱軋步驟S330：在加熱温度1000±100℃之間，將該第二熱處理步驟S320後之板胚進行水淬，例如水淬30分鐘；以及進行一第四熱軋步驟S340：在加熱温度850±50℃之間，將該第三熱處理步驟S330後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第 三厚度，例如δ 15mm→δ 4±0.6mm，以形成該板材。
在步驟S400中，對該軋製製程後之該板材進行一固溶處理、一深冷處理及一時效處理而完成一麻時效鋼板材產品。舉例，該軋製製程後之最終熱處理製程包括在溫度800℃~900℃固溶處理(solution treatment)1~2小時，在溫度-40~80℃深冷處理(cryogenic treatment)2~8小時，以及在溫度430~550℃時效處理(ageing treatment)2~5小時，而完成該麻時效鋼板材產品。詳言之，固溶處理：加熱到830±15℃，熱透後保溫1小時，油淬；或空冷、或用惰性氣體進行真空熱處理，隨後進行深冷處理，在-73℃，2小時
Figure 110124825-A0101-12-0007-14
保溫時間
Figure 110124825-A0101-12-0007-15
8小時，然後在空氣中升到室溫；時效處理(回火處理)：加熱到430~550℃，保溫2~5小時，空冷。除了鈷之外，加入的合金元素都降低Ms點，但可保持Mf點高於室溫，這樣固溶化後淬冷下來都能完全轉化為馬氏體。時效析出硬化相主要是小片狀Ni3Mo，鈷的作用是加強Ni3Mo引起析出硬化，鉬是主要時效硬化的主要元素。
該麻時效鋼板材包括以下成份：16~19wt%的鎳(Ni)、8~10wt%的鈷(Co)、5.5~7.0wt%的鉬(Mo)、0.4~1.4wt%的鈦(Ti)、0.05~0.3wt%的鉻(Cr)、0.05~0.2wt%的鋁(Al)、0.05~0.1wt%的矽(Si)、平衡量的鐵(Fe)，以及不可避免之雜質(例如O、N、S、C等)，如表2。
Figure 110124825-A0101-12-0007-2
如上所述，本發明麻時效鋼板材在含有Co、Mo、Ti、Cr、Al、Si的Fe-Ni基馬氏體時效鋼所要求的各種原材料中可更添加0.1%的V鐵、Nb鐵，並於合金中殘留0.003~0.083%的Nb與V化合物，由於鋼質純淨度高、晶粒細化，因此抗拉強度、疲勞強度，特別是衝擊韌性與已有技術相比要高。本發明麻時效鋼板材獲得了抗拉強度在275~320KSI及降伏強度在264~315KSI的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，滿足了高爾夫球桿頭的需求，如表3所示。
Figure 110124825-A0101-12-0008-3
根據本發明之實施例3中，麻時效鋼板材的材料性能指標為：本發明之軋製製程後的最終熱處理製程在830℃高温真空環境中後、再經由深冷-73℃之後，藉由480℃時效效能使麻時效鋼板材達到最佳強度指標；抗拉強度TS在320KSI、降伏強度YS在315KSI、延伸率EL在6.5%、硬度在HRC 56。圖4a及4b為本發明之一實施例的麻時效鋼板材經固溶處理+深冷處理+時效處理後的金相圖。
添加16.0~19.0wt%的鎳於鋼合金材料中，可增加合金材料的抗腐蝕性及抗氧化性，且穩定合金材料的沃斯田鐵(FCC)相。鎳對改善鋼的韌性具有積極作用。麻田散鐵時效鋼中的鎳可以促進Ni3的時效析出。當鎳含量較少時，Ni3Ti僅限制在晶界和板條上。到18%時，在晶界和板條上能發現Ni3Ti。圖5a及5b為本發明之一實施例的麻時效鋼板材的金相圖，其顯示Ni3Ti析出物。
添加8~10wt%的鈷於鋼合金材料中，使麻時效鋼合金獲得更高的抗拉強度及降伏強度。
添加5.5~7.0wt%的鉬於鋼合金材料中，可進一步提升麻時效鋼合金的高溫強度、潛變強度與高溫硬度，相對增加製作出的高爾夫球桿頭的耐磨性及強度。添加鉬有機會使Fe2Mo和Ni3Mo析出，在不降低韌性的情況下可以提高強度。鉬可以與鎳生成Ni3Mo金屬間化合物，增強基體，並抑制麻時效鋼合金中的P和S。圖6為本發明之一實施例的麻時效鋼板材的金相圖，其顯示Ni3Mo析出物。
添加0.4~1.4wt%的鈦於鋼合金材料中，鈦可以通過形成Ni3Ti來提高麻時效鋼合金的強度，強度和韌性有顯著影響。當鈦含量超過2.0%時，韌性會急劇下降。達不到0.4%，不僅強度達不到要求，而且在燒結過程中被壓下沃斯田鐵加工出效果並降低，從而促進了及時性(過時效)的軟化。因此將鈦含量保持在0.4~1.4%。
添加0.05~0.3wt%的鉻於鋼合金材料中，，以確保麻時效鋼合金之耐腐蝕性。
添加0.05~0.2wt%的鋁於鋼合金材料中，可使鋼的表面形成緻 密的Ai2O3氧化膜，進而提升麻時效鋼合金的抗蝕性。
添加0.05~0.1wt%的矽於鋼合金材料中，在熔煉製程時，麻時效鋼合金材料內可防止氣孔形成，增進收縮作用及增加鋼液流動性等優點，有助於鑄件原料的製程。
本發明之用於高爾夫球桿頭的麻時效鋼板材為麻時效鋼(C320)合金組成，其中該麻時效鋼合金的密度為7.9~8.1g/cm3。本發明與現有技術相比，本發明之麻時效鋼板材綜合性能優良，具有更高的強度和良好塑韌性的優點，同時具有較好的抗應力腐蝕性能。
本發明之麻時效鋼板材的優點是一種新型低成本的麻時效鋼合金，在經過適當固溶、深冷、時效環境後，獲得了抗拉強度在275~320KSI及降伏強度在264~315KSI，具有良好的綜合機械性能，可作為高爾夫球桿頭之結構材料使用，並可進行冷熱加工；在高氯環境中具有良好的抗腐蝕性能，作為高爾夫球桿頭的最佳材質。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
S100:步驟
S200:步驟
S300:步驟
S400:步驟

Claims (10)

  1. 一種麻時效鋼板材製造方法，包括下列步驟：
    對含有鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)、矽(Si)的材料進行一熔煉製程，以形成一鑄錠；
    對該鑄錠進行一鍛造製程而形成一板胚；
    對該板胚進行一軋製製程而形成一板材；以及
    對該軋製製程後之該板材進行一固溶處理、一深冷處理及一時效處理而完成一麻時效鋼板材；
    其中該麻時效鋼板材包括以下成份：16~19wt%的鎳(Ni)、8~10wt%的鈷(Co)、5.5~7.0wt%的鉬(Mo)、0.4~1.4wt%的鈦(Ti)、0.05~0.3wt%的鉻(Cr)、0.05~0.2wt%的鋁(Al)、0.05~0.1wt%的矽(Si)、平衡量的鐵(Fe)，以及不可避免之雜質。
  2. 根據專利申請範圍第1項所述之麻時效鋼板材製造方法，其中該固溶處理、該深冷處理及該時效處理是指在溫度800℃~900℃固溶處理1~2小時，在溫度-40~80℃深冷處理2~8小時，以及在溫度430~550℃時效處理2~5小時。
  3. 根據專利申請範圍第2項所述之麻時效鋼板材製造方法，其中該麻時效鋼板材更包括0.003~0.08%的釩(V)及0.003~0.08%的鈮(Nb)。
  4. 根據專利申請範圍第2項所述之麻時效鋼板材製造方法，其中該熔煉製程包括：採用工業純鐵、電解鎳、電解鈷、鉬鐵、純鋁條、海綿鈦、鉻鐵合金、矽鐵進行真空電弧自耗熔煉。
  5. 根據專利申請範圍第2項所述之麻時效鋼板材製造方法，其中該鍛造製程包括：
    進行一第一鍛造步驟：在加熱温度1180±10℃之間，將該鑄錠進行一鐵粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕，以形成一坯料；
    進行一第二鍛造步驟：在加熱温度1000±10℃之間，將該第一鍛造步驟後之坯料進行一鐵粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；
    進行一第三鍛造步驟：在加熱温度960±10℃之間，將該第二鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且研磨除去表面氧化皮與磨去裂痕；
    進行一第四鍛造步驟：在加熱温度900±10℃之間，將該第三鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後回爐；以及
    將該第四鍛造步驟後之坯料進行單向壓下及四周整形交替操作，以形成該板坯。
  6. 根據專利申請範圍第2項所述之麻時效鋼板材製造方法，其中該軋製製程包括：
    進行一第一熱軋步驟：在加熱温度1000±50℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度；
    進行一第二熱軋步驟：在加熱温度850±50℃之間，將該第一熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度；
    進行一第三熱軋步驟：在加熱温度1000±50℃之間，將該第二熱處理步驟後之板胚進行水淬；以及
    進行一第四熱軋步驟：在加熱温度850±50℃之間，將該第三熱軋步驟後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度。
  7. 一種麻時效鋼板材製造方法，包括下列步驟：
    對含有鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)、矽(Si)的材料進行一熔煉製程，以形成一鑄錠；
    對該鑄錠進行一鍛造製程而形成一板胚：
    對該板胚進行一軋製製程而形成一板材；以及
    對該軋製製程後之該板材進行一固溶處理、一深冷處理及一時效處理而完成一麻時效鋼板材；
    其中該麻時效鋼板材由以下成份所組成：16~19wt%的鎳(Ni)、8~10wt%的鈷(Co)、5.5~7.0wt%的鉬(Mo)、0.4~1.4wt%的鈦(Ti)、0.05~0.3wt%的鉻(Cr)、0.05~0.2wt%的鋁(Al)、0.05~0.1wt%的矽(Si)、0.003~0.08%的釩(V)、0.003~0.08%的鈮(Nb)、平衡量的鐵(Fe)，以及不可避免之雜質。
  8. 一種麻時效鋼板材，以其總重為100wt%計算，該麻時效鋼板材包括以下成份16~19wt%的鎳(Ni)、8~10wt%的鈷(Co)、5.5~7.0wt%的鉬(Mo)、0.4~1.4wt%的鈦(Ti)、0.05~0.3wt%的鉻(Cr)、0.05~0.2wt%的鋁(Al)、0.05~0.1wt%的矽(Si)、平衡量的鐵(Fe)，以及不可避免之雜質。
  9. 根據專利申請範圍第8項所述之麻時效鋼板材，其中該麻時效鋼板材更包括0.003~0.08%的釩(V)及0.003~0.08%的鈮(Nb)。
  10. 一種麻時效鋼板材，以其總重為100wt%計算，該麻時效鋼板材由以下成份所組成：16~19wt%的鎳(Ni)、8~10wt%的鈷(Co)、5.5~7.0wt%的鉬(Mo)、0.4~1.4wt%的鈦(Ti)、0.05~0.3wt%的鉻(Cr)、0.05~0.2wt%的鋁(Al)、0.05~0.1wt%的矽(Si)、0.003~0.08%的釩(V)、0.003~0.08%的鈮(Nb)、平衡量的鐵(Fe)，以及不可避免之雜質。
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