TWI483758B - 含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法 - Google Patents

Description

含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法

本發明是關於一種精密鑄造高爾夫球桿頭的方法，特別是精密鑄造一種含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法。

一般而言，高爾夫球桿可分為木桿、鐵桿及推桿三大類，早期的木桿頭與鐵桿頭多以不鏽鋼或碳鋼材質製成，為提高球桿頭的功能性，近年來有各種新的鋼類鑄造材料被持續開發，並用以製造高爾夫球桿頭。另一方面，高爾夫球桿頭多以精密鑄造方式製成，而目前的精密鑄造大多於大氣中進行，藉由高週波感應熔解爐(High Frequency Induction Furnace)快速地將鋼類金屬錠熔融，再搭配靜態重力澆鑄為之。

然而，由於可提高球桿頭功能性的鋼類合金中，常含有易與大氣中的氧反應的活性金屬(例如：錳、鋁、矽、鈷、鈦等)，因而易於熔煉鋼類金屬錠的過程中，與氧產生劇烈的氧化反應，不但造成熔解的困難度提升，更易導致澆鑄後在高爾夫球桿頭鑄件上形成產生大量的渣孔或反應氣孔等鑄造缺陷；再者，劇烈的氧化反應也會造成金屬液在殼模內的流動性下降，易因澆鑄不足導致高爾夫球桿頭鑄件的成型良率降低，或是產生冷隔(Cold Shut)的問題而在高爾夫球桿頭鑄件中形成縫隙。此外，當欲熔煉之鋼類金屬錠中含有鉻時，雖然鉻在熔煉的過程中與大氣產生氧化反應的程度不若上述氧化力較高之活性金屬，但含鉻的金屬液進入模穴後，易與殼模的面層產生反應而生成二氧化鋯與氧化鐵，亦會造成高爾夫 球桿頭鑄件表面的缺陷。

為解決上述問題，當用以製造高爾夫球桿頭之鋼類鑄材中含有活性金屬時，熔煉過程通常會選擇在真空環境中進行，目前業界較常使用的真空鑄造大致上包含真空電弧熔煉(Vacuum Arc Melting)與感應凝殼熔煉(Induction Skull Melting)二種；然而，無論是真空電弧熔煉或感應凝殼熔煉，其熔煉過程中都會使用水冷銅坩堝來作為鋼類鑄材熔融的載具，但水冷銅坩堝會降低金屬的過熱度(Degree of Superheat)，使熔融的金屬液重新在水冷銅坩堝的內表面凝固，並生成一層具有厚度的殼體(即所謂「凝殼」)，以致鋼類鑄材轉換成高爾夫球桿頭鑄件的比例降低，形成鑄材的浪費而難以降低鑄造成本，特別是當鋼類鑄材含有例如鎳或鈷等較為昂貴的成分時，如何提高鑄材與鑄件之間的轉換比例，遂成為一項亟需改善的課題。

本發明之目的係提供一種含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，可避免金屬液產生劇烈的氧化反應，並可提高鑄材與鑄件之間的轉換比例，避免浪費鑄材，以有效提升高爾夫球桿頭鑄件良率及降低鑄造成本。

為達到前述目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，包含：將一殼模定位放置於一旋轉平台，該殼模包含相連通的一坩堝部及一模穴部，且該旋轉平台連接於一可軸向旋轉的轉軸；將一含活性金屬的鋼類金屬錠放置於該殼模的坩堝部，並於真空環境下將該鋼類金屬錠加熱熔融成金屬液；驅動該轉軸以連動該旋轉平台轉動，使熔融的金屬液流入該殼模的模穴部中；緩速停止該轉軸，並取下該澆鑄完成的殼模；破壞該殼模以取得一高爾夫球桿頭鑄件；其中，該殼模的成型步驟包含：準備一蠟胚， 該蠟胚包含一坩堝胚及一鑄件胚，該坩堝胚的環周面設有一第一連接部，該鑄件胚設有一第二連接部，該第一連接部與該第二連接部相對連接成一體；於該蠟胚的表面形成一包覆層；對該蠟胚及包覆層加熱，以將蠟熔出；將該脫蠟完成的包覆層以高溫燒結而形成該殼模，並使該殼模具有一體相連之坩堝部與模穴部。

其中，該鋼類金屬錠可以為包含錳(Mn)、鋁(Al)或矽(Si)的鐵基材料，該鋼類金屬錠的鐵含量大於50%，該鋼類金屬錠的密度為6.5~7.5g/cm³ ；例如，該鋼類金屬錠可以包含以重量百分比計5.0至35%之錳，或該鋼類金屬錠可以包含以重量百分比計6.0至12%之鋁，或該鋼類金屬錠可以包含以重量百分比計3.0至5.5%之矽。

其中，該鋼類金屬錠可以為包含鈷(Co)、鉬(Mo)或鈦(Ti)的鐵基材料，該鋼類金屬錠的鐵含量大於50%，該鋼類金屬錠的抗拉強度大於250ksi；例如，該鋼類金屬錠可以包含以重量百分比計5.0%至15.0%之鈷，或該鋼類金屬錠可以包含以重量百分比計1.0%至6.0%之鉬，或該鋼類金屬錠可以包含以重量百分比計0.2%至2.0%之鈦。

其中，該鋼類金屬錠可以包含以重量百分比計15~30%之鉻(Cr)，該鋼類金屬錠的密度為7.5~8g/cm³ 。

其中，該殼模的面層材料可以為氧化釔、安定氧化鋯或氧化鋁。

其中，該殼模的背層材料可以為莫來石混合物，其三氧化二鋁的含量為45%~60%，二氧化矽的含量為55%~40%。或者，該殼模的背層材料可以為二氧化矽混合物，其二氧化矽的含量達95%以上。

據此，本發明的含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，可以在真空環境中熔煉金屬液，避免金屬液產生劇烈的氧化反應，以提升高爾夫球桿頭鑄件的良率；同時，還可利用離心力將熔融的金屬液確實地 澆灌填充入殼模的模穴，以提高鑄材與高爾夫球桿頭鑄件之間的轉換比例，避免浪費鑄材而降低鑄造成本。

1‧‧‧真空爐

11‧‧‧容室

12‧‧‧導氣管

13‧‧‧開口

14‧‧‧蓋體

2‧‧‧轉軸

21‧‧‧本體

22‧‧‧止轉部

23‧‧‧抵靠部

3‧‧‧旋轉平台

31‧‧‧軸接部

311‧‧‧穿孔

32‧‧‧定位部

32a‧‧‧坩堝定位部

32b‧‧‧模穴定位部

321‧‧‧穿置孔

322‧‧‧容槽

4‧‧‧殼模

41‧‧‧坩堝部

411‧‧‧容置空間

412‧‧‧第一連接管

413‧‧‧環唇

42‧‧‧模穴部

421‧‧‧模穴

422‧‧‧第二連接管

5‧‧‧加熱器

6‧‧‧蠟胚

61‧‧‧坩堝胚

611‧‧‧第一連接部

62‧‧‧鑄件胚

621‧‧‧第二連接部

7‧‧‧包覆層

8‧‧‧套環

M‧‧‧馬達

B‧‧‧軸承

L‧‧‧升降控制器

P‧‧‧鋼類金屬錠

N‧‧‧金屬液

第1圖：本發明搭配使用之真空離心鑄造裝置的結構示意圖。

第2圖：本發明搭配使用之真空離心鑄造裝置的局部立體分解圖。

第3圖：本發明的實施示意圖(一)。

第4圖：本發明搭配使用之真空離心鑄造裝置的殼模成型流程示意圖。

第5圖：本發明的實施示意圖(二)。

第6圖：本發明的實施示意圖(三)。

第7圖：本發明搭配使用之另一真空離心鑄造裝置的結構示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參閱第1圖，其係本發明之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法所搭配使用之一真空離心鑄造裝置。其中，該真空離心鑄造裝置包含一真空爐1、一轉軸2、一旋轉平台3、一殼模4及一加熱器5；該轉軸2、旋轉平台3、殼模4及加熱器5均設於該真空爐1中，該旋轉平台3連接該轉軸2以與該轉軸2同步旋轉，該殼模4定位放置於該旋轉平台3，該加熱器5則用以對該殼模4加熱。

更詳言之，上述真空爐1的內部具有一容室11，該真空爐1可設有一導氣管12，該導氣管12與該容室11相連通，一真空控制器(圖未繪示)可依據設定值，透過該導氣管12而向該容室11抽氣，以控制該容室11的真空度。另，該真空爐1還可設有一開口13，以供使用者向該 容室11置入或取出物品，及設有一蓋體14以啟閉該開口13。

請參閱第1、2圖，上述轉軸2係可軸向轉動地設於該真空爐1的容室11中；在本實施例中，該轉軸2可與一馬達M的輸出端相連，以由該馬達M驅動旋轉。又，該馬達M可以選擇設於該真空爐1的外部，該轉軸2的一端穿伸出該真空爐1以連接該馬達M；該轉軸2可穿置於一軸承B中，該軸承B可連接定位於該真空爐1，以輔助提升該轉軸2的旋轉穩定性，防止該轉軸2轉動時產生偏擺的情況。

此外，該轉軸2位於該容室11中的部分可分為一本體21及一止轉部22，該本體21與止轉部22的徑向截面形狀不同，以於二者交界處形成一抵靠部23，以供該旋轉平台3結合於該止轉部22並抵接於該抵靠部23，使該旋轉平台3能隨該轉軸2產生同步旋轉；在本實施例中，該本體21的徑向截面可以呈圓形態樣，該止轉部22可以設於該轉軸2的端部，該止轉部22的徑向截面則呈非圓形態樣，以供該旋轉平台3套接結合於該止轉部22並抵接於該抵靠部23。

請參閱第2、3圖，上述旋轉平台3係用以供上述殼模4定位放置的載具，該旋轉平台3設有相連接的一軸接部31及一定位部32；在本實施例中，該軸接部31可設有一穿孔311，該穿孔311的徑向截面形態較佳與該轉軸2的止轉部22的徑向截面形態相匹配，以供該旋轉平台3透過該軸接部31的穿孔311套合連接該轉軸2的止轉部22。該旋轉平台3的定位部32可以概分為一坩堝定位部32a及一模穴定位部32b，該坩堝定位部32a位於該軸接部31與該模穴定位部32b之間，且該軸接部31、坩堝定位部32a及模穴定位部32b係依該轉軸2的徑向延伸排列；又，該坩堝定位部32a可設有一穿置孔321，以供該殼模4的一部分穿伸於其中，該模穴定位部32b則可設有一容槽322，以容置該殼模4的另外一部分。

請參閱第2、3圖，上述殼模4具有相連通的一坩堝部41及 一模穴部42，該殼模4的坩堝部41可定位放置於該旋轉平台3的坩堝定位部32a，該殼模4的模穴部42則可定位放置於該旋轉平台3的模穴定位部32b，使該殼模4的坩堝部41較模穴部42更鄰近於該旋轉平台3的軸接部31。

其中，該坩堝部41可概呈杯狀而於內部形成一容置空間411，該容置空間411可用以容置欲加熱熔融的鋼類金屬錠P，該坩堝部41的環周面另設有一第一連接管412，該第一連接管412連通該容置空間411。該模穴部42是用以成型高爾夫球桿頭的部位，該模穴部42的外型不特別限制，該模穴部42的內部具有至少一模穴421，該模穴421的形態與所欲鑄造成型的高爾夫球桿頭相匹配；該模穴部42另設有一第二連接管422，該第二連接管422連通該模穴421，且該坩堝部41與模穴部42由該第一連接管412及第二連接管422相對接，使該容置空間411得以與該模穴421相連通。

請參閱第4圖，在本實施例中，該殼模4的坩堝部41與模穴部42可以呈一體相連的形態，該殼模4的成型步驟為：準備一蠟胚6，該蠟胚6包含一坩堝胚61及一鑄件胚62，該坩堝胚61的環周面設有一第一連接部611，該鑄件胚62則設有一第二連接部621，該坩堝胚61與鑄件胚62由該第一連接部611及第二連接部621相對連接成一體。對該蠟胚6進行沾漿、淋砂或黏砂等流程，於該蠟胚6的表面形成一包覆層7。對該蠟胚6及包覆層7加熱，以將蠟熔出；舉例而言，可將該蠟胚6與包覆層7一併置入一蒸氣釜內加熱，使該蠟胚6熔化以便從該包覆層7中排出。將該脫蠟完成的包覆層7以高溫燒結而形成所述殼模4，並使該殼模4具有一體相連之坩堝部41與模穴部42。其中，該殼模4的面層材料可選用氧化釔、安定氧化鋯或氧化鋁等耐火材料，該殼模4的背層材料則可選用莫來石(3Al₂ O₃ -2SiO₂ )或二氧化矽作為耐火材料；又，當背層材料選用莫來 石混合物時，其三氧化二鋁的含量較佳為45%~60%，二氧化矽的含量較佳為55%~40%；當背層材料選用二氧化矽混合物時，其二氧化矽的含量較佳可達95%以上。

請再參閱第1、3圖，上述加熱器5設於該真空爐1的容室11中，用以對該殼模4的坩堝部41加熱。在本實施例中，該加熱器5可選擇為一高週波線圈，並由一升降控制器L帶動該加熱器5在該容室11中移動；須加熱該殼模4的坩堝部41時，該加熱器5可被帶動上升至一預設位置，以環繞於該坩堝部41的外周，並啟動該加熱器5，使該坩堝部41被加熱升溫；加熱完畢後，該加熱器5則可以被該升降控制器L帶動下降，使該加熱器5不再環繞於該坩堝部41的外周，以免干擾該殼模4隨該旋轉平台3及該轉軸2之旋轉動作。

據由前述結構，本發明可實施一種含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，該製造方法大致上包含以下步驟：請參閱第1至3圖，將一殼模4定位放置於一旋轉平台3，且該旋轉平台3連接於一可軸向旋轉的轉軸2。更詳言之，該旋轉平台3可設於一真空爐1中，以便控制該殼模4所處空間的真空度；另，該殼模4包含相連通的一坩堝部41及一模穴部42，該殼模4可由該坩堝部41穿伸於該旋轉平台3的穿置孔321中，並由該坩堝部41的第一連接管412抵接於該旋轉平台3，該殼模4的模穴部42則可置放於該旋轉平台3的容槽322，使該殼模4能穩固定位於該旋轉平台3上的預設位置。以及，將一鋼類金屬錠P放置於該殼模4的坩堝部41中，該鋼類金屬錠P可以為含有活性金屬的鋼類材料；舉例而言，下表為可實施本發明製造方法之三種鋼類材料，但並不以此為限。

由上表可知，〝實施例一〞及〝實施例二〞為包含鋁(Al)或矽(Si)或錳(Mn)的鐵基材料，其鐵含量大於50%，密度為6.8g/cm³ ，抗拉強度為145~155ksi，屬於具有低比重(密度為6.5~7.8g/cm³ )特性的鋼類材料；〝實施例三〞、〝實施例四〞及〝實施例五〞為包含鈷(Co)或鉬(Mo)或鈦(Ti)的鐵基材料，其鐵含量大於50%，密度為7.8g/cm³ ，抗拉強度為250~275ksi，屬於具有高強度(抗拉強度大於250ksi)特性的鋼類材料；〝實施例六〞屬於高鉻(Cr)含量的鐵基材料，其包含以重量百分比計15~30%之鉻，密度為7.5~8g/cm³ ，抗拉強度為90~110ksi。

請參閱第1、5圖，於真空環境下將該鋼類金屬錠P加熱熔融成金屬液N。更詳言之，在該殼模4安置定位後，該加熱器5可被帶動上升至一預設位置，以環繞於該坩堝部41的外周；同時，該真空爐1的導氣管12可向該容室11抽氣，以控制該容室11的真空度。待真空度達到預設值(例如真空度小於0.3mbar)後，可啟動該加熱器5，使該殼模4的坩堝部41被加熱升溫，令該坩堝部41中的鋼類金屬錠P能熔融成金屬液N；其中，該加熱器5作動時，其電源供應器的頻率可例如為4kHz~30kHz， 功率為5kW~100kW。在鋼類金屬錠P都熔融成金屬液N後，該加熱器5則停止作動，並快速地被帶動下降，使該加熱器5不再環繞於該坩堝部41的外周。

請參閱第1、6圖，驅動該轉軸2以連動該旋轉平台3轉動，使熔融的金屬液N流入該殼模4的模穴部42中。更詳言之，該轉軸2可由該馬達M驅動以產生軸向旋轉，其轉速約為200rpm~700rpm，該轉速可依據高爾夫球桿頭鑄件的厚度(即該模穴421的空間大小)進行調整；當該旋轉平台3受連動而以該轉軸2為軸心轉動時，在旋轉過程中，金屬液N可受離心力作用而沿著該殼模4的坩堝部41的內側壁面，通過該殼模4的第一連接管412及第二連接管422，流入該模穴部42中以進行澆鑄的動作，進而填充該模穴421。澆鑄完成後，可緩速停止該轉軸2，並將該殼模4從該旋轉平台3上取下，續將該殼模4破壞以取得所述高爾夫球桿頭鑄件。

是以，本發明之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，可在熔融的金屬液N再度凝固前，利用離心力將金屬液N確實地澆灌填充入殼模4的模穴421，以避免發生部分金屬液N在坩堝部41中凝固形成凝殼的狀況，故能有效提高鑄材(即該鋼類金屬錠P)與高爾夫球桿頭鑄件之間的轉換比例，避免浪費鑄材以降低鑄造成本。

另，請參閱第7圖，在另一實施例中，本發明含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法還可以搭配使用具有數個模穴421的殼模4，一次性地鑄造出數個高爾夫球桿頭鑄件，以提升製造效率。

綜上所述，本發明含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法及其裝置，可在真空環境中熔煉金屬液，避免金屬液產生劇烈的氧化反應，以提升高爾夫球桿頭鑄件的良率；同時，還可利用離心力將熔融的金屬液確實地澆灌填充入殼模的模穴，避免發生部分金屬液在坩堝部中凝固 形成凝殼的狀況，故能有效提高鑄材與高爾夫球桿頭鑄件之間的轉換比例，避免浪費鑄材以降低鑄造成本。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

2‧‧‧轉軸

21‧‧‧本體

22‧‧‧止轉部

23‧‧‧抵靠部

31‧‧‧軸接部

311‧‧‧穿孔

32‧‧‧定位部

32a‧‧‧坩堝定位部

32b‧‧‧模穴定位部

321‧‧‧穿置孔

322‧‧‧容槽

4‧‧‧殼模

41‧‧‧坩堝部

411‧‧‧容置空間

412‧‧‧第一連接管

42‧‧‧模穴部

421‧‧‧模穴

422‧‧‧第二連接管

5‧‧‧加熱器

N‧‧‧金屬液

Claims (13)

1. 一種含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，包含：將一殼模定位放置於一旋轉平台，該殼模包含相連通的一坩堝部及一模穴部，且該旋轉平台連接於一可軸向旋轉的轉軸；將一含活性金屬的鋼類金屬錠放置於該殼模的坩堝部，並於真空環境下將該鋼類金屬錠加熱熔融成金屬液；驅動該轉軸以連動該旋轉平台轉動，使熔融的金屬液流入該殼模的模穴部中；緩速停止該轉軸，並取下該澆鑄完成的殼模；破壞該殼模以取得一高爾夫球桿頭鑄件；其中，該殼模的成型步驟包含：準備一蠟胚，該蠟胚包含一坩堝胚及一鑄件胚，該坩堝胚的環周面設有一第一連接部，該鑄件胚設有一第二連接部，該第一連接部與該第二連接部相對連接成一體；於該蠟胚的表面形成一包覆層；對該蠟胚及包覆層加熱，以將蠟熔出；將該脫蠟完成的包覆層以高溫燒結而形成該殼模，並使該殼模具有一體相連之坩堝部與模穴部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠為包含錳(Mn)、鋁(Al)或矽(Si)的鐵基材料，該鋼類金屬錠的鐵含量大於50%，該鋼類金屬錠的密度為6.5~7.5g/cm³ 。
3. 如申請專利範圍第2項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠包含以重量百分比計5.0至35%之錳。
4. 如申請專利範圍第2項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠包含以重量百分比計6.0至12%之鋁。
5. 如申請專利範圍第2項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠包含以重量百分比計3.0至5.5%之矽。
6. 如申請專利範圍第1項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠為包含鈷(Co)、鉬(Mo)或鈦(Ti)的鐵基材料，該鋼類金屬錠的鐵含量大於50%，該鋼類金屬錠的抗拉強度大於250ksi。
7. 如申請專利範圍第6項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠包含以重量百分比計5.0%至15.0%之鈷。
8. 如申請專利範圍第6項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠包含以重量百分比計1.0%至6.0%之鉬。
9. 如申請專利範圍第6項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠包含以重量百分比計0.2%至2.0%之鈦。
10. 如申請專利範圍第1項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該鋼類金屬錠包含以重量百分比計15~30%之鉻(Cr)，該鋼類金屬錠的密度為7.5~8g/cm³ 。
11. 如申請專利範圍第1至10項之任一項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該殼模的面層材料為氧化釔、安定氧化鋯或氧化鋁。
12. 如申請專利範圍第1至10項之任一項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該殼模的背層材料為莫來石混合物，其三氧化二鋁的含量為45%~60%，二氧化矽的含量為55%~40%。
13. 如申請專利範圍第1至10項之任一項所述之含活性金屬之鋼類高爾夫球桿頭的製造方法，其中，該殼模的背層材料為二氧化矽混合 物，其二氧化矽的含量達95%以上。