524703 S)A4 規格(210 X 297 公釐) A7 B7 五、發明說明( 本發明係關於一種應用於 料,尤指-種具備符合製作言爾夫鐵桿頭之合金材 性、防鏽性及鍛造加卫性等^球鐵桿頭對強度、延展 按,高爾夫球運動因dt的合金材料設計。 4 β ·门士 衣琢展境大自然化,且遥“曰 和心又是強調自我挑 :Ϊ 層可從5〜6歲至8〇〜90歲, 、運動/、運動年齡 該高爾夫球運動所使用的球1::二人:愛的運動之-。 桿、…桿等等,各二:球 及使用的場所。 仟合,具特疋的功用 在前述眾多型式的高爾去 球擊至目標點的球具,鐵桿主要係用以將 桿猶短,但可將球打得較Γ来;'的球飛行距離較木 球運動中常用❸::來且::容易掌握,為高爾夫 , 近年末,為使鐵桿兼具傳統木桿及 鐵杯的優點,並兼具長距離打擊與 有將鐵桿桿頭製成空心狀之設計。 J ,亦 目别有關南爾夫球鐵桿頭之势 鑄造法及鍛造加工法兩# 5 式要為精密脫蠟 &兩種’如弟-圖精密脫蠟鑄造法與鍛 鐵桿頭特性比較表所示,另有少部分則利 =,層或鑲板加工等方式。整體而言’精密脫賴造 :::本最低,但鍛造加工法具有較多方面的優點,而現 竹作鐵桿頭之精密脫壤鑄造法與锻造加工法的合金材料 機械性貝概如第二圖各合金材料之機械性質比較表所示。 、、其次,鐵桿頭因固定重量的限制下,其主要發展為尋 求具適當強度及高延展性之素材,如430不鏽鋼、Π-4ΡΗ 本·尺^
--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· -線·! 五、發明說明(>) 入不鏽鋼本體中 N鎢鐵鎳合金、 降低球頭重心及 、增加扭轉慣性 不鏽鋼、鍛造軟鐵,或利用高強度板材鎮 ,或利用高密度之絲合金(如鎢錄合金 鎢鎳銅合金等),肖明加擊球甜密區、 強化打擊面,以達成功擊球與良好擊球點 、提高擊球飛行角度等目的。 過去,本案發明人曾就高爾夫鐵桿球桿本體 與結構分析,其結果顯示,該 :丁〜、 其包括: 不干貝主要刀為二大部分, 严…::刀,點,用以直接接觸高爾夫球 ㈣开:二二 〜3. 5随之間,其基本需求為不會 ‘欠形的材㈣度與最高的延伸率餘性,目前 =約=在3°〜’抗拉強度大約在7〇〜1销]5_ 之間。此外,-般球頭要求要穩定的桿面,因一般 :球與桿面的擊球時間約為請45秒,此時,桿面的穩定 ”否’為影響擊球好壞的絕對因素,因此,大尺寸的桿面 ,增加擊球甜密區,藉以提昇擊球穩枝,為設計的^量 重點:此外,減少鐵桿頭打擊面角度變形,以及增加打擊 面材料靭性(容易彈性變形)及增加接觸 定性與高爾夫球飛行角度,亦為設計„之—。日 2底面·用以主要支撐高爾夫球頭本體形狀,為次 要又力點’其一般厚度約為3 〇〜5· 〇醜之間,因與地面直 接接,其基本需求為材料耐磨性、耐蝕性與強度,目前該 材料的抗拉強度大約在8〇〜15〇ksi之間。 3、桿部·用以支撐高爾夫球桿身,其一般厚度約為 524703
發明說明(j 2.2〜3.5之間,孔内徑約為8〜12mm之間,其基本需 徑軸與打擊面角度(則與斜角),—般使用與本體相同 材質。 整體而言,低重心、低空氣阻力及強化打擊面之球才曰 設計雖可達成功擊球與良好擊球點、增加扭轉慣性、提: 擊球距離等目.的。但朗桿頭而言,由於本身形狀變形: 多,㈣要求用以製作鐵桿頭的合金材料必須兼具適當強 度及冋L展特f生’同時需具備有耐敍性。然而,目前工業 用合金材料並不能完全合乎該鐵桿頭的性能要求,以欽合 金與析出不鏽鋼來說,雖具耐㈣,強度亦很好,^ 鐵桿頭所需甚多,且其延伸率或_值並不盡理相.又以 AIS刪不鏽鋼來說,其抗拉強度約為Hi左右,雖 然延伸率可達40~_,可增加擊球操控性,但球頭使用一 段使用時間後’打擊面角強會產生變化,即強度仍嫌不足 ’所以目前仍以鍛造軟鐵咖兼具75〜85ksi抗 30,延伸率為製鐵桿社較佳素材,惟其 性仍稱嫌不足。 说心町蝕 =前高爾夫球桿製造業者的共同經驗,最佳的鐵桿 頭製作δ金材料之抗拉強度應為锻造軟鐵之HU倍左 右,或304不鏽鋼之1·;[〜1 3 · 口工 .職S1,降伏強度約5〇〜75sr,左且右延^即抗拉強度約 ^ a ^ Λ it3ksi,且延伸率超過40%以上 及〆、備耐㈣的合金材料,則可製作出打擊性能最佳的言 爾夫鐵桿或空心鐵桿頭。 、回 過去,鐵-鎳-鉻合金鋼系列經過國内外專家學者廣泛 -本紙ϋ適用fig標準(CNS)A4規格(210 --------tr—Λ------_ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 524703 A7 ----------B7 __ 五、發明說明(γ ) =究,顯示不同的合金設計能使鐵_鎳_鉻合金鋼分別具有 同強度、高韌性、耐低溫、耐高溫及耐磨耗等特性,其要 成伤為鐵、鎳及鉻,錄元素的添加主要可穩定沃斯田鐵相 ’使此合金在室溫或低溫均為面心立方(FCC)結構,以改善 鐵基合金的韌性,鉻元素的添加可增加合金的抗氧化性二 抗蝕性。又其合金基本分類,係包括: 1、沃斯田鐵系:其顯微結構為完全面心立方(FCC)結 構^基本成分為鉻:16〜26wt%,鎳:8〜25wt%,鉬:0〜6wt% ,碳:〇.〇8wt%以下,其餘為鐵。其典型機械性質範圍··抗 拉強度@ 60〜8〇ksi,降伏強度& 45〜60ksi,延伸率約 40〜6Gwt% 〇 2肥粒鐵系:其顯微結構為體心立方(gee)結構, ,本成分為鉻:12〜19wt%,鎳:〇〜5wt%,鉬:5的%以下, 反〇· 25wU以下,其餘以鐵為基材。其典型機械性質範圍 •抗拉強度約60〜1〇〇ksi,降伏強度約45〜8〇ksi,延伸率 約20〜30%。 3、肥粒鐵一沃斯田鐵系:其顯微結構為fcc + (0 50/〇BCC雙相結構,基本成分為鉻:i8〜2yw找,鎳:4〜 ,鉬· 1〜4wt%,碳·· 〇· 〇5wt%以下,其餘為鐵。其典型機械 性質範圍:抗拉強度約1Q(M激si,降伏強度約奶〜祖si ’延伸率約25〜40%。 、4、、麻田散鐵系:其顯微結構為麻田散鐵結構,其基 本成分為鉻:11〜咖%,鎳:0〜2wt%,銦:2wt%以下,碳 :〇.17wt%以下,其餘為鐵。其典型機械性質範圍:抗拉強 --------^^------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺㈣射關~----一 524703 五、發明說明(夕) 度約150〜200ksi,降伏強度約14〇〜18〇ksi,延伸率約i〇~i5% 5、麻田散鐵-沃斯田㈣、:其賴結構為麻田散鐵結 構K0〜20%)沃斯田鐵雙相結構,其基本成分為絡:12〜腕% ,鎳:4〜6wt%,鉬·· 1〜2wt%以下,碳:〇· 1〇wt%以下,其餘 為鐵。其典型機械性質範圍:抗拉強度約12(M6〇ksi:、降 伏強度約100〜140ksi,延伸率約μ〜20%。 如第三圖所示,即就不鏽鋼相關合金成分與結構範圍 ,以及本發成分範圍有進一步顯示。 過去,本案發明人曾對鐵—2415%鉻—8 3%鎳之合金A 以及鐵-25.61%鉻-8.1%錄之合金B進行研究分析,結果顯 不’合金A與合金B經過1/2小時的1〇帆熱處理後,其 硬度值為_85.2〜88.9,抗拉強度值為m]21ksi,降伏 強度值為81.7〜88急卜延伸率則為45 9〜513%,顯示若 能進-步設計鐵錄鉻合金成分、製程流程與顯微結構的控 制,將可發展抗拉強度約8(M〇〇ksi,降伏強度約㈣制 L伸率超過50%,以及能具備耐蝕性之合金’非常適合於 高爾夫鐵桿頭或空心鐵桿頭所需的材質,且能用以發揮擊 球最佳效果。 為此,本案發明人乃利用合金設計與製程處理之理冬 ,設計出本發明「應用於製作高_夫鐵桿頭之合金材料: ,猎此’提供—種具有(沃斯田鐵及6〜m的狀肥粒鐵)雙 l:f:侧之特性,同時利用適當的製程處理,使其結構 i田化’又控制其抗拉強度介於δ(Μ〇〇Μ之間,降伏強 本纸張尺度適用中 524703 A7 ' '·~ ______Β7____ 五、發明說明(么) 度介於60〜75ksi之間,延伸率大於5〇%,且具有抗蝕性之 素材,有別於過去專家學者研究設計之範疇,並且更符合 用以製作高爾夫球鐵桿頭或空心鐵桿頭之強度需求、言延 展性、咼防鏽性及優良鍛造加工性要求的實用性材料者。 本發明之主要目的在於:提供一種應用於製作高爾夫 鐵桿頭之合金材料,其合金材料具有218〜24 8wt%鉻、 7. 8 〜8. 8wt%鎳、0. 03 〜〇· 12wt%(氮 +碳),i 中玄 八 小」添加 〇.5^〇.8wW ^ ^/st 1.0^1.8wt%li, 基材組合而成;以前揭適當設計的材料合金元素組合,經 適當鑄造程序,如對鑄造精密殼模施以適當的超音波震^ 或低頻振盪等,則可控制鑄件顯微結構為(沃斯田鐵+6, 肥粒鐵)之細小樹枝狀結構,使其具有最佳化高爾夫球鐵桿° 頭強度,以及最大球桿桿身角度調整容許度,且不會使鐵 才干在使用後發生頭桿面角度變化之現象;此外,又可在 850〜950°C溫度熱間鍛造加卫,可獲致極佳的表面性質;並 經950〜1150°C溫度卜24小時熱處理,則锻件顯微結構 沃斯田鐵基地+ 6 ~ 17 %顆粒狀散佈肥粒鐵)之雙相組織社構, 在控制適當的熱處理時間與溫度下,則可獲致極佳的。延展 性與抗拉強度的組合,使其具有最佳化高爾夫鐵桿頭強度 、’以及最大的球桿桿身角度調整容許度。整體而言,經^ 適當的成份調配,以及適當製程處理與熱處理程序,可 制適當的顯微結構組合,故使得該合金材料可達到最佳^ 度與韌性組合、高防鏽性及優異的表面性質,符合製 佳高爾夫球鐵桿頭特性之目的。 〇 、取 ____ 8 --------------------訂---·------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺錢中國國冢標準(CNS)A4規格(2ΐ〇· 297公釐) 524703 A7 B7 第七圖 第八圖 五、發明說明( 為使貝審查委貝能進—步瞭解本發明具體之設計及 其他目的,兹附以圖式詳細說明如后: (一)圖式部份: 第圖係、精在脫虫鼠鑄造法與鍛造加工法製作之鐵桿頭特 性比較表。 、 第二圖:係目前用以製鐵桿頭之材料機械性質比較表。 第三圖:係鐵錄鉻不鏽鋼合金系列基本結構圖與本發明實 施例範圍。 、 第四圖:係本發明實施例與對照例相關性質表。 第五圖:係本發明高爾夫鐵桿頭鑄件經_過程、鑄模加 以適當的振動處理實施例之金相圖。 第六圖:係本發明鐵桿頭鍛件經i_c固溶處理實施例之 金相圖。 本發明鐵桿頭鑄件經澆鑄過程、鑄模未加以適 畜的振動處理另一實施例之金相圖。 係本發明鐵桿頭锻件經1咖Gc固溶處理之另d 施例金相圖。 μ 本發明應用於製作高爾夫鐵桿頭之合金 組ί成份鐵、錄、絡,其中亦可添石夕、鐘、氮、二= ,刖述鉻之成份為218〜24.8wt%、 s : A 77 ’’、、1,0〜n%,其餘比例均以鐵為基材,藉此 組成本發明之合金材料。 曰 本紙張尺度適用中國國家 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-------------線一 524703 A7 ------— —_B7___ 五、發明說明(^ ) 以下再配合實施例詳細說明,如第四圖所示,其中編 號1〜12為本發明成分範脅,編號13〜16為比較實施例,而 表列相關數據為採樣1 〇個試片之平均值。由圖中所示知, 鐵-21.89%鉻-8.25%鎳-0.04%碳-0,07%氮所組成編號1合 金材料、經l〇5〇GC熱處理4小時後,其機械性質為抗拉強 度值89· lksi,降伏強度值β2· 3ksi,延伸率可達57. 5%, 且其球頭經鹽霧試驗48小時及高爾夫砲擊3000發試驗均 合格,此外,如第五圖顯示,此編號1合金材料實施例, 其精密鑄造經低頻震動後,其可獲得微細的(沃斯田鐵 + 10· 8%肥粒鐵)之細小樹枝狀結構。 鐵-21.35%鉻-8.24%鎳-0.05%碳-〇,〇5%氮-〇_64%石夕- 1·68%Ι孟所組成編號1〇合金材料,經〜95〇叱鍛造加工 後,其表面精糙度為1 · 9 // m以下;而編號丨〇合金材料經 1050GC熱處理4小時後,其機械性質為抗拉強度值93. 2ksi ,降伏強度值62· 2ksi,延伸率可達61. 3%,且其球頭經鹽 務4驗48小時及高爾夫砲擊3〇〇〇發試驗均合格。此外, 、、扁號10典型顯彳政結構如第六圖所示,其可獲得微細的(沃 斯田鐵+8· 2%肥粒鐵)之細小樹枝狀結構。同樣的,編號丨〜12 合金材料成份在本發明設計範疇内,經熱處理後,其機械 性質中,抗拉強度值介於83· 4〜99· 7ksi之間,降伏強度值 則介於60.2~74.01^:1之間,延伸率可達5〇.4〜642%,且鹽 霧試驗48小時及高爾夫球擊試驗均合格。 又當合金材料於鑄造製程中,鑄模未施以震盪時,則 毛現其树枝狀結構較為粗大,則樹枝狀結構邊界較粗化, !------10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑵0 x 297公爱τ-—---- ---------------------訂—-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 524703 A7 ----------- B7___ 五、發明說明(7 ^~ " 口此’其成份偏析量較大機械性f較差(如比較例編號13 14 σ/材料),第七圖為比較例編號μ之顯微結構圖( 貝知例相近)。當合金材料鉻含量低於本發明設計範 了 t(如比車乂例編唬13合金材料),其肥粒鐵佔4·以低於⑽ ’則發現其機械性質與延伸率低本發明設計範,。當合金 =料鉻含量高於本發明設計料時(比較⑽號15、16合 王材料)1^例編5虎15之顯微結構圖,其肥粒鐵佔18% 大於Π%’則發現其機械性質高於本發明設計範田壽,但延 伸率不如本發明。第八圖所示比較例編號16合金材料,經 過锻造與1050dc熱處理1/2小時後,其機械性質高於本發 明專利設計料,但但延伸率不如本發明。前述編號13~16 ° m材料均非製作高爾夫鐵桿頭之最佳合金材料。 枚以下再分別針對本發明中各添加元素之設計比例、限 制範圍及其對於合金材料性質之影響逐—提出說明。 鉻:其添加於合金材料中,不僅可增加合金材料的腐 蝕,氧化抗性,且可提昇合金材料硬化能及高溫強度,尤 其是對於高碳鋼之耐磨耗性更有顯著之效果。而絡基本上 為bcc肥粒鐵穩定相,當鉻含量低於mt%,將使該合 金㈣戶f作之鐵桿頭肥粒鐵相不足,使強度低於本發明設 計之範脅;當鉻含量大於24.8wt%時,將使肥粒鐵相過多 ,使延伸率低於50%預期目標。故為使合金材料於生產過 程中容易控制(沃斯田鐵基地+6〜m顆粒狀散佈肥粒鐵) 曰構展現佳向爾夫鐵桿頭性能,需嚴格限制絡含 量在21. 8〜24. 8wt%之間。 本紙張尺度國_ ---- --------------------訂—%------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 524703 A7 _B7___ 五、發明說明(/C7 ) 鎳:其添加於合金材料中,不僅可增加合金材料的腐 蝕及氧化抗性,且穩定合金材料之FCC沃斯田鐵相。當鎳 含量低於7. 8wt%,將使該合金材料所作之鐵桿頭沃斯田鐵 相較不穩定,相對的肥粒鐵相會過多,而使延伸率低於50% 預期目標;當鉻含量大於8. 8wt%時,雖使沃斯田鐵穩定, 相對肥粒鐵相會不足,而使其強度低於本發明設計範圍。 故為使合金材料於生產過程中,容易控制(沃斯田鐵基地 + 6〜17%顆粒狀散佈肥粒鐵)之顯微結構,展現佳高爾夫鐵桿 頭性能,需嚴格限制鉻含量在7.8〜8. 8wt%之間。 錳:錳通常是與鐵共存,由於錳易與硫結合,可消除 硫對合金材造成熱脆性之有害影響,且錳能去除合金材料 中的氧化物;此外,錳會使FCC結構之沃斯田鐵穩定。因 此,本發明合金材若能添加1.0〜1.8wt%錳,在預期性質範 疇内,將有助於消除熱脆性及鑄造性之改善。 碳、氣:碳與氮元素基本上為一般鋼鐵材料不可缺的 元素,除為礙化物或氮化物外,亦是沃斯田鐵穩定相所需 的元素,隨著碳氮含量增加,肥粒鐵減少而沃斯田鐵愈穩 定,惟碳氮含量過高時,將不利合金材料的耐蝕性。因此 ,若本發明若能控制或添加0. 03〜0. 12wt%之(碳+氮),在預 期性質範疇内,將有助於耐蝕性與沃斯田鐵相穩定。 石夕:石夕在合金材料内有防止氣孔形成、增進收縮作用 及增加鋼液流動性等特點,惟矽含量大於l.Owt%時,不利 於延伸率。因此,本發明之合金材料若能添加0.5〜0.8wt% 之矽,將有助於鑄件原料之製程。 12 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) --------------------訂—-------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 524703 A7 、發明說明(") 綜上所述,本發明透過適當的合金成分設計,及在適 當鑄造製程改善或控制適當的熱處理,可獲致(沃斯田鐵基 地+6〜17%顆粒狀散佈肥粒鐵)之顯微結構。換言之,本發曰^ 設計之合金材料,其抗拉強度可達8〇〜1〇〇ksi之間,^伏 強度值60〜75ksi之間,延伸率超過5⑽以上,以此機械性 質組合製作鐵桿頭,將可發揮高爾夫鐵桿頭最佳要求,因 此,本發明之設計符合發明專利之要件, ^ 申請。 干犮依法具文提出 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •f 訂---------線{ 13 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)