TWI450978B

TWI450978B - Golf club face with titanium alloy (a)

Info

Publication number: TWI450978B
Application number: TW101106309A
Authority: TW
Inventors: Akira Kawakami; Hideki Fujii
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2014-09-01
Also published as: TW201335380A

Description

高爾夫球桿面用鈦合金(一)

技術領域

本發明係有關於一種主要使用於開球桿之高爾夫球桿之面用材料的鈦合金製品。

背景技術

近年來，隨著要求高爾夫球桿需具有彈簧效應(Spring Like Effect=SLE)之恢復係數規則(SLE規則)的導入，使用於高爾夫球桿面用之鈦合金材料的種類大幅地改變。於施行恢復係數規則前，係以楊氏模數低、容易得到高反彈性能，且高強度、耐久性優異之β型鈦合金為主流。該等β型鈦合金中，因加工成形性亦優異，主要係利用稱作Ti-15-3合金之Ti-15%V-3%Cr-3%Sn-3%Al合金、或與其類似之合金。然而，隨著恢復係數規則的導入，使用因楊氏模數低而恢復係數容易變高之β型鈦合金，為了降低恢復係數以滿足規則，只能增厚面板厚度，以提升面的剛性。此時，於使用包含大量之V或Mo等高價之合金元素的β型鈦合金作為面材料時，將無法避免成本上升。此外，相較於使用具有較β型鈦合金高之楊氏模數，且具有同等以上之比強度的材料的情形，使用β型鈦合金時需增厚板厚，後者之面變重。如此，因增大使用有β型鈦合金作為面之高爾夫球桿頭的容積係為困難，且於擊球時之甜蜜點(sweet spot)將相對的變小，故對使用者來說亦有使用不易的問題。由如此之理由來看，β型鈦合金逐漸非高爾夫球桿面用材料之主流。

相對於此，現今，以楊氏模數較β型鈦合金高之α+β型鈦合金作為開球桿面用材料正成為主流。藉由使用楊氏模數高之α+β型鈦合金，即使面薄，恢復係數仍不易升高，且相較於使用β型鈦合金，符合恢復係數規則之板厚自由度提高。又，因α+β型鈦合金之比重較β型鈦合金小，即使與β型鈦合金同質量，仍可增大球桿頭的容量。此外，α+β型鈦合金因高價合金元素的含量較β型合金低，具有材料成本亦低等多項優點。該α+β型鈦合金，具代表性者係Ti-6%Al-4%V，其他亦可使用例如：Ti-5%Al-1%Fe、Ti-4.5%Al-3%V-2%Fe-2%Mo、Ti-4.5%Al-2%Mo-1.6%V-0.5%Fe-0.3%Si-0.03%C、Ti-6%Al-6%V-2%Sn、Ti-6%Al-2%Sn-4%Zr-6%Mo、Ti-8%Al-1%Mo-1%V、Ti-6%Al-1%Fe等。

只要使用該等合金，即使面之厚度較β型鈦合金製面薄，仍滿足恢復係數規則，且藉由控制於適當之強度．延性範圍，亦可賦與高爾夫球桿面所需的耐久性。此時，於改變面形狀或構造，而可控制反彈性能的圓條製品等中，以楊氏模數120GPa以上、抗拉強度800MPa以上、斷裂延伸15%以上為佳。於面成形加工時加工度少的薄板製品中，以板面內之單向上，楊氏模數135GPa以上、抗拉強度1000MPa以上、斷裂延伸10%以上為佳。楊氏模數為了符合恢復係數規則、抗拉強度與延性為了得到良好之耐久性，以分別滿足前述值為佳。然而，該等之合金的加工性並非充分良好，因此，欲高良率、低成本且穩定地供給滿足恢復係數規則之耐久性優異，且可以薄之板厚增大面容量的材料係為困難。

例如，最通用之α+β型合金Ti-6%Al-4%V合金，具有作為面材料充分之強度、楊氏模數，已大量地作為高爾夫球桿面用合金使用。然而，該合金含有6%之於高溫下具有固溶強化能，使熱軋時之變形阻力增大的Al，有熱加工性不佳之問題，且含有4%之高價的β相穩定化元素V，有材料成本較高的問題。

專利文獻1中提出了與Ti-6%Al-4%V合金同樣地具有高之比強度，且低成本的合金。此係藉由以便宜且β相穩定化能高之Fe，取代V或Mo等高價且比重大之元素，作為β相穩定化元素、及大量地添加Al作為比重小之α相穩定化元素，以求高比強度且低成本的α+β型合金。但，該合金亦含有5.5~7%之Al，有不易熱加工之缺點。特別是，為降低對面材料之加工成本，以供給可僅藉由輕壓製成形與研磨步驟加工成面形狀的板製品為佳，但該合金因高熱變形阻力，而不易造形成板製品之形狀。特別是，於熱軋時，該合金之適當熱軋溫度範圍小，若溫度稍微低於該溫度時，將產生大的邊緣破裂，故有成品良率顯著地低的問題。

另一方面，加工性較佳之α+β型合金的例，係專利文獻2所提出之合金，於線圈形狀下的單向冷軋亦可無誤地製作係該合金之特徵。但，該合金亦含有4.5%之使熱加工性下降的Al，因此，除了熱加工溫度受到限定的問題，亦有分別含有2.0%、1.6%之作為高價β相穩定化元素的Mo、V，造成材料成本高之問題。

先前技術文獻專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2004-10963號公報

專利文獻2：日本專利特開平11-335758號公報

發明概要

本發明係以前述情事為背景所作成者，目的係以提供一種以具有高楊氏模數、抗拉強度，並具有優異之熱．冷加工性作為特徵的α+β型鈦合金。

發明人等發現，藉由複合添加O與Al強化α相，並選擇便宜之Fe作為β相穩定化元素，適當地調整該等元素之添加量，於使室溫下之β相分率降低時，可實現強度與楊氏模數均高的鈦合金。該合金之比重亦小，係最適合作為高爾夫球桿面用材料的材料。此外，該合金相較於以Ti-6%Al-4%V合金為主之其他α+β型合金，因限制使熱加工性下降的Al為低含量，故熱軋時之軋延負荷低，不易產生熱軋時的刮痕或邊緣破裂。因此，包含板在內，有對所有形狀之製品的製造性良好的優點。

換言之，為解決前述課題，本發明係以以下內容作為主要內容。

一種高爾夫球桿面用鈦合金，其以質量%計係含有1.0~3.5%之Al、0.5~1.4%之Fe、0.20~0.50%之O及0.002~0.030 %之N，且剩餘部分係由Ti及不可避免的不純物所構成之具有優異熱加工性及冷加工性者。

藉由本發明，可提供一種以具有高強度．延性平衡及楊氏模數，並具有優異之熱．冷加工性作為特徵的高爾夫球桿面用α+β型鈦合金。

用以實施發明之形態

對於高爾夫球桿面來說，並非於所有方向上均要求高楊氏模數與強度，係特別對高爾夫球桿面之縱向(於高爾夫球員擊球時，高爾夫球桿面碰觸到球之前的垂直方向)，要求高楊氏模數與強度。

本發明人等為解決前述課題，詳細地調查成分元素及製造方法對鈦合金之材質特性造成的影響，結果，發現藉由控制Fe、Al、O、N添加量，可製造具備作為高爾夫球桿面用材料優異之強度．延性、楊氏模數，且熱．冷加工性優異的α+β型鈦合金製品。於製造板製品時，利用單向熱軋或冷軋，形成材質異向性之集合組織將顯著地發達，產生與軋延方向垂直之方向的板寬方向之楊氏模數及強度較軋延方向增大的異向性。藉由O與Al複合強化之本發明合金中，可知顯現更強的該異向性。因此，發現藉使高爾夫球桿面之縱向為前述板寬方向，可得作為高爾夫球桿面所需之單向(高爾夫球桿面之縱向)上的高楊氏模數及高強度。

本發明係依據以上之觀察所得知識所作成者。以下，顯示選擇本發明中各種含有元素之理由、及限定其含量範圍的理由。

Fe係β相穩定化元素中便宜之添加元素，具有強化鈦合金之β相的作用。並且，因β相穩定化能高，故即使為較低之添加量仍具有可穩定β相的特性。為得到作為高爾夫球桿面所需之強度，需添加0.5%以上的Fe。另一方面，因Fe容易於Ti中凝固偏析，又，大量地添加時，β相之體積分率增加，楊氏模數下降，故鈦合金於圓條製品中楊氏模數小於120GPa，於薄板製品中板面內之單向上楊氏模數小於135GPa，而不易符合作為高爾夫球桿面的恢復係數規則。考量到該等之影響，將Fe之添加量的上限設為1.4%。

另外，於較重視強度時，Fe之下限以0.7%較佳。又，重視更確實地符合恢復係數規則，並確實地抑制楊氏模數下降的話，Fe之上限以1.2%為佳。

Al係鈦α相之穩定化元素，係具有高固溶強化能的便宜之添加元素。藉由複合添加後述之O、N，並將添加量之下限設為1.0%，以得到作為高爾夫球桿面於耐久性上所需之強度程度的圓條製品中抗拉強度800MPa以上，薄板製品中板面內之單向上抗拉強度1000MPa以上。另一方面，於添加大於3.5%之Al時，與O之複合強化將變得過高，延性下降，且無法達成作為高爾夫球桿面於耐久性上所需之斷裂延伸10%以上，造成冷加工性下降。因此，Al之添加量需為3.5%以下。

另外，於較重視強度時，Al之下限以1.3%為佳。又，於重視耐久性時，為穩定地得到充分之延性，Al之上限以3.2%為佳。

O於鈦α相中間質地固溶，具有固溶強化之作用。又，藉由與Al複合添加，使α相強化，具有提升強度與楊氏模數的效果。於添加小於0.20%之O時，未能得到顯示作為高爾夫球桿面之充分的耐久性之圓條製品中抗拉強度800MPa以上，薄板製品中板面內之單向上抗拉強度1000MPa以上的強度，又，於添加大於0.50%時，強度變得過高，延性下降，無法達成斷裂延伸10%以上，耐久性受到損害。因此，將0.20%設為下限，0.50%設為上限。

N與O同樣地，於鈦α相中間質地固溶，具有固溶強化的作用。為發揮該效果，需添加0.002%以上。另一方面，藉由使用包含高濃度之N的海綿鈦之通常方法，於添加大於0.030%之N時，將容易生成稱作LDI(Low density Inclusion)的未溶解夾雜物，製品之良率變低。因此，將0.002%設為下限，0.030%設為上限。

於本發明中，圓條或厚板等於對面形狀成形加工時進行較大之加工，藉由控制面形狀，可製造將恢復係數抑制為低的鈦製品，因具有前述成分範圍，可得具有良好特性之高爾夫球桿面。特別是，於以熱鍛等成形加工成面形狀時，因本發明合金顯示良好之加工性，故適合作為面材料。

另一方面，本發明之鈦合金於製造對面形狀成形加工時僅進行輕度加工，藉由面形狀將恢復係數抑制為低的程度小的薄板製品時，若使稱作Transverse-texture(橫向組織) 之集合組織發達，板寬方向之抗拉強度及楊氏模數變高，適合作為高爾夫球桿面用材料。此時，鈦合金之Al、Fe、O受限於前述成分範圍內，於加熱至β單相域、或β變態點下之α+β2相域溫度後單向熱軋，或者更加於與熱軋方向相同之方向上單向冷軋後，以適當之條件退火，因Transverse-texture容易變得發達，板寬方向之強度與楊氏模數變高，故可製造最適合作為面用材料者。

於製造該薄板材料時，自開始熱軋或冷軋直到結束，僅一貫地於單向軋延之理由，係為了有效率地得到作為本發明目的之可得隨著材質異向性之板寬方向高的楊氏模數之Transverse-texture。如此，藉由將具有高楊氏模數與強度．延性平衡之本發明的鈦合金薄板之板寬方向，配置於高爾夫球桿面之縱向或與其相近之方向，可製造對應恢復係數規則，且耐久性優異之面。

實施例 <實施例1>

利用真空電弧熔解法將具有表1所示之組成、及β變態點之鈦材熔解，並將其熱鍛後作為直徑100mm的小鋼胚。將該小鋼胚加熱至950℃後，利用熱軋製造出直徑18mm之圓條。以深度計測定熱軋後之圓條的表面刮痕深度，並以三個階段評價熱加工性(○：最大刮痕深度≦0.3mm、△：最大刮痕深度大於0.3mm~小於0.5mm、×：最大刮痕深度≧0.5mm)。於刮痕深度為0.3mm以下時，因其後之剝皮步驟中的切削量少，故加工成本變低，可判定熱加工性為良好。對該圓條進行700℃、2h之退火後，擷取平均直徑6mm之JIS14號抗拉試驗片，調查抗拉特性。為得作為高爾夫球桿面用之良好的耐久性，抗拉強度(TS)需為800MPa左右以上，且斷裂延伸(EL)需為15%以上。於表1亦一併顯示該等結果。

於表1中，試驗號碼1、2分別係Ti-6%Al-4%V合金、Ti-7%Al-1%Fe合金之結果。試驗號碼1、2之抗拉強度均大於目標值800MPa，但產生0.5mm以上深度的熱軋刮痕，熱加工性不佳。

相對於此，本發明例之試驗號碼4、5、6、9、10、13、14、17、19、20顯示800MPa以上之高抗拉強度與大於15%之高斷裂延伸，且未產生大於0.3mm的熱軋刮痕，具有良好之熱加工性。又，本發明例確保所有之楊氏模數係120GPa以上。

另一方面，試驗號碼3、8、12、16中，於抗拉強度小於800MPa時，未具有作為面用材料之充分的強度。因依試驗號碼3、8、12、16之順序，Al、Fe、O、N之添加量分別低於本發明之下限值，故固溶強化並不充分，抗拉強度變低。

試驗號碼7、11、15、18中，斷裂延伸小於15%，未保有充分之延性，未能賦與高耐久性。其中，試驗號碼7、11、15中，因Al、Fe、O之添加量分別添加大於本發明之上限值，強度變得過高，造成延性下降。又，試驗號碼18中，因添加大於本發明之上限的N，故產生LDI，藉此，延性下降。

前述中，試驗號碼7、18中分別於熱軋後大量產生大於0.3mm及0.5mm之深度的表面缺陷。試驗號碼7中，因使熱加工性下降之Al之添加大於本發明之上限，故產生熱軋刮痕。又，試驗號碼18中，因含有過剩之N，產生LDI，於表面附近者被視為缺陷，故熱軋刮痕評分低。

藉由以上之結果，含有本發明所規定之元素含量的鈦合金之抗拉強度、楊氏模數與斷裂延伸高，並具有作為高爾夫球桿面用材料優異的材質特性，具有良好之熱加工性。另一方面，於本發明所規定之合金元素量之外，除了熱加工性下降，亦無法滿足抗拉強度及延性等必要之材質特性。

<實施例2>

利用真空電弧熔解法將具有表1之試驗號碼5、10、14所示之組成、及β變態點的鈦材熔解，並將其熱鍛，作成厚度180mm之扁鋼胚。藉由表2~4所示之條件將該扁鋼胚單向熱軋，製造厚度4mm之熱軋板。將其進行珠粒噴擊處理後，酸洗去除氧化鏽皮後，以深度計測定表面刮痕深度，並以三個階段評價熱加工性(○：最大刮痕深度≦0.2mm、△：最大刮痕深度大於0.2mm~小於0.5mm、×：最大刮痕深度≧0.5mm)。於表2~4亦一併顯示此時之結果與調查抗拉特性後之結果。

表2~4分別係試驗號碼5、10、14所示之組成的板製品之結果。以表2~4之條件製造的板均充分地滿足高爾夫球桿面所需要的板寬方向之抗拉強度1000MPa以上、及楊氏模數135GPa以上，亦確保10%以上之斷裂延伸。因此，使用該等板材製造出之高爾夫球桿面兼具符合恢復係數規則之特性與良好之耐久性。又，該等之熱軋酸洗板未產生大於0.2mm深度之表面缺陷，顯示良好之熱軋性。因此，該等薄板材適合作為高爾夫球桿面用材料。

特別是，試驗號碼21、23、24、26、28、29、31、33、34於板寬方向上具有145GPa以上之高楊氏模數，且於以相同化學組成的合金比較時，抗拉強度較試驗號碼22、25、27、30、32、35高，對恢復係數規則具有優異之性能，並具有良好之耐久性。這是因為，於試驗號碼22、25、27、30、32、35中，熱軋前的加熱溫度係α+β2相域之較低的溫度，相較於加熱至β單相域、或β變態點下之α+β2相溫度的情形，Transverse-texture之發達少，材質異向性無法變大，相對於此，試驗號碼21、23、24、26、28、29、31、33、34藉由加熱至β單相域後熱軋，Transverse-texture發達，板面內之材質異向性變大，於板寬方向上可得高楊氏模數與抗拉強度。

藉由以上結果，具有本發明所規定之元素含量的鈦合金，具備作為高爾夫球桿面用板材料之優異特性。因此，藉由將具有本發明所示之成分範圍的添加元素之鈦合金單向熱軋，可製造於板寬方向上具有高楊氏模數、抗拉強度及延性的高爾夫球桿面用板材料。

產業上之可利用性

本發明之鈦合金，於圓條製品方面，可得楊氏模數120GPa以上、抗拉強度800MPa以上、斷裂延伸15%以上，於薄板製品方面，可得板面內之單向上的楊氏模數135GPa 以上、抗拉強度1000MPa以上、斷裂延伸10%以上之結果，於加工成高爾夫球桿面時，可提供一種滿足恢復係數規則，並具有優異之耐久性，適用於高爾夫球桿面用途的材料。

Claims

一種高爾夫球桿面用鈦合金，以質量%計係含有1.0~3.5%之Al、0.5~1.4%之Fe、0.20~0.50%之O及0.002~0.030%之N，且剩餘部分係由Ti及不可避免的不純物所構成之具有優異熱加工性及冷加工性者。