TWI417402B - 極高強度之不鏽合金條，其製造方法及利用該極高強度之不鏽合金條製造高爾夫球杆頭之方法 - Google Patents

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Description

極高強度之不鏽合金條，其製造方法及利用該極高強度之不鏽合金條製造高爾夫球杆頭之方法
本發明係關於不鏽鋼條材料及特定言之係關於一種具有極高抗拉強度之不鏽鋼條物件，一種製造該不鏽鋼條物件之方法，及一種使用該條材料製造高爾夫球杆頭之方法。
高爾夫球杆製造商不斷尋找一種高強度面板材料。極高強度可製造更薄的面板截面，及因此更輕，其提供設計者在球杆頭設計中之更多靈活性。此外，耐腐蝕材料較非-不鏽鋼材料佳，此係因為其不需要在使用期間可去除之表面塗層或鍍覆之故。
該問題之目前解決方案包括使用諸如CUSTOM 455合金之標準PH不鏽合金及諸如CUSTOM 465及CUSTOM 475合金之最近設計的不鏽合金。然而，CUSTOM 455及CUSTOM 465合金無法提供在新高爾夫設計中所需之強度等級。CUSTOM 475合金提供極高強度，但其亦為高度合金，使其既對球杆製造商而言為昂貴且亦為高爾夫球杆製造方法所較不能容忍。
此外，很多球杆頭通常係使用具有一面板之一鑄件體來製造。鑄件體材料通常係由諸如17-4 PH或15-5 PH不鏽鋼之沉澱可硬化不鏽鋼形成。高爾夫球杆通常係藉由將該面板焊接至該鑄件體然後加熱處理整個組裝以得到最終性質來製造。用於球杆之鑄件體的合金通常具有約1900℉(1038℃)之溶液溫度，然而習知面板材料具有1550℉至1800℉(843℃至982℃)範圍之溶液溫度。在熱處理溫度中之不相配導致球杆體或者面板材料或兩者在組裝球杆頭之後提供不及於即經熱處理條件中之最優性質。此外，CUSTOM 475合金經常同時需要不同的製造方法，此係因為合金不能在球杆頭組裝後再溶解之故。
克服習知材料之缺點相當大程度係藉由根據本發明之不鏽鋼條物件達成。根據本發明之一態樣，提供由耐腐蝕合金形成之不鏽鋼條物件，該耐腐蝕合金包括以下各者，以重量百分數計約：
C　最多0.03
Mn　最多1.0
Si　最多0.75
P　最多0.040
S　最多0.020
Cr　10.9-11.1
Ni　10.9-11.1
Mo　0.9-1.1
Ti　1.5-1.6
Al　最多0.25
Nb　0.7-0.8
Cu　最多1
B　最多0.010
N　最多0.030
及其餘為鐵及常見雜質。經拉長之薄條提供在所處理之溶液中及老化硬化條件下至少約280ksi(1930.5MPa)之室溫抗拉強度。
根據本發明之另一態樣，提供一種製造薄條物件之方法。該方法包括鑄造具有以上提出之重量百分數之組成的耐腐蝕合金以形成一鑄錠之步驟。將該鑄錠熱加工以形成經拉長之條材料。然後使該條材料在時間與溫度之條件下進行熱處理以提供在室溫下至少約280ksi(1930.5MPa)之最終抗拉強度。
根據本發明之又一態樣，提供一種製造高爾夫球杆頭之方法。該方法包括鑄造具有以上所提之重量百分數之組成的耐腐蝕合金以形成一鑄錠。將該鑄錠熱加工以形成一經拉長之條物件，然後使該條物件在時間與溫度之條件下熱處理以助於該條材料之可機械加工性及可加工性。然後使該條材料進行機器加工以形成一用於高爾夫球杆頭之面板。該方法包括由耐腐蝕沉澱可硬化鋼合金形成一高爾夫球杆頭體之進一步步驟。將該面板焊接於高爾夫球杆頭體。接著在時間與溫度之條件下使組裝進行熱處理足以對高爾夫球杆頭體提供所需等級之硬度及強度及對面板提供於室溫下至少約280ksi(1930.5MPa)之最終抗拉強度。
本發明之一較佳實施例包括一具有以下以重量百分數計之組成的經拉長之條物件：
C　最多0.03
其餘為鐵及常見雜質。
使用真空感應熔煉(VIM)將合金組合物較佳地熔融。將不鏽鋼鑄造成一或多個鑄錠模具。就額外的清潔性而言，在VIM步驟後對合金進行真空電弧再熔煉。固化後，藉由中間壓製鑄錠以形成小胚然後熱輥壓該小胚以形成經拉長之條而使合金形成條。或者，該條材料可藉由自約1900℉至2250℉(1038℃至1232℃)之起始溫度熱輥壓鑄錠而形成。該條可提供於藉由於約1100℉至1350℉(593℃至732℃)下加熱約2至8小時然後在空氣中冷卻之過度老化條件。或者，對較佳可機械加工性及可加工性而言，在約1900℉至1950℉(1038℃至1065℃)下加熱條材料約1小時， 在空氣中冷卻，在約-100℉(-73.3℃)下冷凍約8小時，且然後將其於空氣中升溫至室溫。較佳地，在進行熱處理之前將條材料冷輥壓至最終或接近最終厚度。根據本發明之條材料可在連續熔爐內，隨著時間及溫度之相應調節而進行溶液處理。
不像諸如CUSTOM 475不鏽鋼合金之已知高強度不鏽鋼合金，根據本發明之合金條可在不明顯喪失性質，尤其不喪失強度下經兩次溶液處理。換言之，本發明之不鏽鋼條材料可提供於經處理之溶液及在冷凍條件，處理成組份，然後再溶解，再冷凍，並在組裝成高爾夫球杆頭以後老化硬化以提供所需高強度及硬度。
作為一根據本發明之經拉長之條物件之實例，係熔融及處理較小熔鋼。藉由VIM+VAR熔融400lb(181.4kg)熔鋼，然後鑄造為8英吋(20.3cm)直徑之鑄錠。VAR鑄錠之重量百分數組成見於表1。合金其餘成分為鐵及常見雜質。
在約2300℉(1260℃)下使鑄錠均質化16個小時，然後自約2000℉(1093℃)之起始溫度將其壓製成4-in×8-in(10cm×20.3cm)小胚。自約2250℉(1232℃)之起始溫度將該小胚熱輥壓成7.5 in.寬×0.15 in.厚(19cm寬×3.8mm厚)條。然後將該條研磨成0.135 in.(3.4mm)厚，接著冷輥壓成0.1103 in.(2.8mm)厚。使該條藉由在約1146℉(619℃)下加熱5.5小時而進行過度老化處理。冷卻至室溫後，將該條材料研磨成0.1083in.(2.75mm)之最終厚度。
標準條抗拉空白組係自該經過度老化之條以縱向及橫向方向粗切削。空白組為分別在1850℉(1010℃)、1900℉(1038℃)、1950℉(1065℃)、及2000℉(1093℃)下進行溶液處理1小時然後空氣冷卻。將經溶液處理之空白組在-100℉(-73.3℃)下進一步急冷8小時，且然後使其在空氣中回升至室溫。接著粗機器加工該等空白組以提供約1/2英吋寬×2英吋長(1.27cm寬×5.08cm長)之測量截面。使自每一溶液處理之粗機器加工空白組在約900℉(482℃)至約975℉(524℃)之範圍下老化4小時，然後空氣冷卻。在老化後完成測試樣品之機器加工，然後在室溫下進行測試。
室溫抗拉及硬度測試之結果呈現於下表2-4中，包括以℉(℃)計之溶液處理溫度(溶液溫度)及老化溫度(老化溫度)，以ksi(MPa)計之0.2%補償降伏強度(Y.S.)及極限抗拉強度(U.T.S.)，及以HRC計之洛氏(Rockwell)C級硬度(硬度)。
測試樣品之金相學分析顯示在1850℉(1038℃)及1900℉(1038℃)下處理之材料溶液具有約ASTM 8之粒度。在1950℉(1065℃)下處理之材料溶液具有約ASTM 7-8之粒度。在2000℉(1093℃)下處理之材料溶液具有約ASTM 2-3之粒度。此處及整個申請案中，ASTM粒度意指如根據ASTM標準測試方法E-112測定之平均粒度。
在表2、3及4中呈示之結果顯示較佳溶液溫度約1900℉(1038℃)至約1950℉(1065℃)。同樣地，為使材料提供所需280ksi(1930.5MPa)U.T.S.，較佳老化溫度為約900℉至925℉(482℃至496℃)。在圖中顯示U.T.S.對溶液及老化溫度組合之圖表。
在表中呈示之數據顯示由在本申請案中描述之合金組合物製得之條物件可達到280ksi.(1930.5MPa)或更高之U.T.S.。該條材料較其他可達到彼強度等級之不鏽鋼組合物之重金屬合金甚少，導致較低合金成本。另外，該條材料在不犧牲強度或韌度性質下可受到多於一次之溶液加熱處理。本發明之該條材料較佳在約1900-1950℉(1038-1065℃)範圍之溫度下進行溶液加熱處理，使此組合物之高爾夫球杆面板與最常用作高爾夫球杆頭體之沉澱可硬化不鏽鋼鑄造合金之溶液處理溫度完全一致。因此，可以組裝組態進行溶液處理並老化硬化面板及高爾夫球杆頭，以使不僅球杆頭體，而且使與高爾夫球接觸之面板得到最大硬度及強度。
熟習此項技術者將可理解在不脫離本發明之寬廣創作概念下，可對以上所述之實施例進行變化及改變。因此，應瞭解本發明不限於所描述之特定實施例，但希望涵蓋在如上所述之本發明之範圍與精神內及在隨附申請專利範圍中提出之所有改變與變化。
圖1係以老化溫度作為函數之抗拉強度之圖表。
(無元件符號說明)

Claims (16)

  1. 一種由耐腐蝕合金形成之經拉長之薄條物件，該耐腐蝕合金包括以下成份，以重量百分數計約： 且其餘為鐵及常見雜質，該經拉長之薄條物件在所處理的溶液中及老化硬化條件下具有至少約1930.5MPa之室溫抗拉強度。
  2. 如請求項1之經拉長之薄條物件，其中該條具有約2.54mm至2.8mm之厚度。
  3. 如請求項1或2之經拉長之薄條物件，其中該合金具有主要尺寸不大於約ASTM 7-8之平均粒度。
  4. 如請求項1或2之經拉長之薄條物件，其具有約53-54HRC之硬度。
  5. 一種由如請求項1之經拉長之條材料製造一高爾夫球杆頭之方法，其包括以下步驟：鑄造耐腐蝕合金以形成一鑄錠；機械處理該鑄錠形成經拉長之條材料；在用以改善該材料之機械可加工性及可加工性的時間及溫度之條件下熱處理該經拉長之條材料；切割該經拉長之條材料以形成一用於高爾夫球杆頭之面板；由耐腐蝕之可沉澱硬化之鋼合金形成一高爾夫球杆頭體；將該面板焊接至該高爾夫球杆頭體以形成一高爾夫球杆頭組裝；及然後在對該高爾夫球杆頭組裝提供硬度及強度及對該面板提供在室溫下至少約1930.5MPa之極限抗拉強度的時間與溫度之條件下熱處理該高爾夫球杆頭組裝。
  6. 如請求項5之方法，其中熱處理高爾夫球杆頭組裝之該步驟包括以下步驟：在約1038-1093℃之溫度下加熱該經拉長之條材料；及然後在約482℃至約510℃之溫度下加熱該經拉長之條材料。
  7. 如請求項6之方法，其中第一加熱步驟包括在約1038- 1065℃之溫度下加熱該高爾夫球杆頭組裝，且該方法在該等加熱步驟之間包括以下步驟：將該高爾夫球杆頭組裝快速地冷卻至約-73.3℃；及然後維持該高爾夫球杆頭組裝於約-73.3℃一段足以將合金中之任何奧斯田鐵(austenite)實質上完全地轉變為麻田散鐵(martensite)之時間。
  8. 如請求項5至7中任一項之方法，其中機械處理鑄錠之該步驟包括以下步驟：壓製該鑄錠以形成一小胚；及然後熱輥壓該小胚以形成該經拉長之條材料。
  9. 如請求項5至7中之任一項之方法，其中機械處理鑄錠之該步驟包括熱輥壓該鑄錠以形成經拉長之條材料。
  10. 如請求項8之方法，其中該熱輥壓步驟包括將該鑄錠或小胚加熱至約1038-1232℃。
  11. 如請求項9之方法，其中該熱輥壓步驟包括將該鑄錠或小胚加熱至約1038-1232℃。
  12. 如請求項5之方法，其中熱處理經拉長之條材料之該步驟包括在約593-732℃下使該條材料過度老化之步驟。
  13. 如請求項5至7中任一項之方法，其中機械處理鑄錠之該步驟包括以下步驟：壓製該鑄錠以形成一小胚；熱輥壓該小胚以形成經拉長之條材料；及然後冷輥壓該經拉長之條材料以減少其厚度至最終或接近最終尺寸。
  14. 如請求項5至7中任一項之方法，其中機械處理鑄錠之該步驟包括以下步驟：熱輥壓該鑄錠以形成經拉長之條材料；及然後冷輥壓該經拉長之條材料以減少其厚度至最終或接近最終尺寸。
  15. 如請求項13之方法，其中該熱輥壓步驟包括將該鑄錠或小胚加熱至約1038-1232℃。
  16. 如請求項14之方法，其中該熱輥壓步驟包括將該鑄錠或小胚加熱至約1038-1232℃。
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