TWI650162B - 雙相高爾夫桿頭的鈦合金 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種雙相高爾夫桿頭的鈦合金，其包含6.0至7.5重量%的鋁、1.5至2.5重量%的釩、1.5至2.5重量%的鉻、0.1至0.5重量%的鐵、1.5至2.5重量%的錫、1.5至2.5重量%的鋯、0.1至0.5重量%的矽，其餘重量為鈦，以及其它不可避免的微量元素。該雙相高爾夫桿頭的鈦合金經過780至840℃的塑性加工與熱處理後，獲得具有α+β雙相組織的合金結構，以及形成微量的微細ω相析出物，使該雙相高爾夫桿頭的鈦合金具備1300至1450MPa的抗拉強度，1250至1400MPa的降伏強度，以及6至12%的延伸率。

Description

雙相高爾夫桿頭的鈦合金

本發明是有關於一種雙相(duplex phase)高爾夫桿頭的鈦合金，包含：6.0至7.0重量%的鋁、1.5至2.5重量%的錫、1.5至2.5重量%的鋯、1.5至2.5重量%的釩、1.5至2.5重量%的鉻、0.1至0.5重量%的鐵、0.05至0.20重量%的矽。經適當的塑性加工與熱處理後，合金基本顯微結構為bimodal組織，同時具備次晶粒與高密度差排的特徵，以及微量的ω相析出物。

在高爾夫球具中，將數種不同用途的球桿依照功能分類成：木桿、鐵桿及推桿，不同用途的球桿分別由各種合金材質製成。其中，木桿桿頭(wood)3~5支、鐵桿桿頭(iron)7~8支、劈起桿桿頭(PW)1支、砂坑桿桿頭(SW)1支、推桿桿頭(putter)1支。茲分述如下：

1.木桿頭：木桿頭主要以開球桿為主，以打得遠直為需求，且擊球失誤率低，因此基本上朝大型化發展，以擴大有效擊球區與輕量化。因，鈦合金具有高比強度及低比重的特性，可讓木桿頭的甜密區較大，保持方向的穩定性，故為常用的素材。此外，木桿亦包括：球道木桿，為在球道上長距離為目標，體積較小，一般以不鏽鋼材質為多。

2.鐵桿頭：用於擊球到果嶺或預定地點，主要以打得准與穩定掌握其飛行距離，材質主要以不鏽鋼為主，外觀造型也較趨向擴大甜密區發展，新材質、新結構與複合材料及具吸振效果的產品開發為其重要發展方向。此外，目前除了球頭結構設計，就目前材料而言，普遍被職業選手認定較優異的材料為鍛造軟鐵(S25C)，主要因其具備20~30%的延伸率與適當的強度，惟其容易生鏽，通常以電鍍處理克服。此外，鐵桿亦包括：砂坑桿或挖起趕，通常具較大的傾斜角，擊球曲度較高。

3.推桿：推桿則使用在果嶺上推球入洞，主要以控制球的方向為主，注重平衡。在設計時以平衡、重心、瞄準與造型美為主，其意義即是如何維持推桿球頭與中管桿配合時，打擊面不致旋轉，在製造上以精密鑄造為主，但是最近有朝直接使用CNC加工球頭，以維持設計重心的位置及保持球頭的均勻性。

故整體而言，以高爾夫球木桿頭來說，在固定大小及重量的限制下，其主要發展為尋求具備良好的機械強度以防止中空的木桿頭因打擊的因素產生凹陷甚至破裂等現象。依據目前高爾夫木桿頭製造的經驗，使用最多的木桿頭合金材料大多數為為鈦合金及不鏽鋼，其中，鈦系常用素材如6-4Ti、20-4-1Ti、15-3-3-3Ti、10-2-3Ti、SP700與Ti735；鐵系則以17-4PH、455SS、465SS與AM355為主。

另，其間最常使用材料為6-4鈦合金，根據市售Ti-6Al-4V合金而言，其合金成分元素為5.5至6.7重量%的鋁、3.5至4.5重量%的釩、鐵≦0.3%、OT(其他過渡元素)≦0.4%、碳≦0.1%、氮≦0.1%、氧≦0.2%、矽≦0.2%。如第1圖中6-4鈦合金基本相變化的示意圖，6-4鈦合金經不同 熱處理後，會呈現不同組織結構，典型的組織結構有三種：

1.經1040℃熱處理後，呈現針狀(acicular or plate-like)麻田散鐵結構，商用6-4鈦合金典型組織圖，如第2圖所示。其主要特徵為強度高，典型抗拉強度介於1150至1200MPa，如第5圖所示，但破壞韌性值(fracture toughness)低。

2.經930℃熱處理後，呈現等軸晶雙相組織(equiaxed α+acicular β)，如第3圖所示。如第5圖所示，其強度降低，典型抗拉強度介於1100至1150MPa，但破壞韌性值提高。

3.經820℃熱處理後，呈現雙相組織(bimodal，primary α+β)，如第4圖所示。如第5圖所示，其機械強度最低，典型抗拉強度介於1000至1050MPa，惟破壞韌性值最佳。

因此，不同顯微結構，會影響球頭特性。如第6圖所示，6-4鈦合金經不同溫度持溫1小時，製成高爾夫球頭後，其砲擊次數與CT(特徵時間)，皆有特徵。在針狀組織下，CT值較高，砲擊發數較低；在雙相(bimodal)組織下，則具較高的砲擊耐久次數。另，在球頭設計趨向薄化、不均厚等設計下，一般6-4鈦球頭加工或熱處理溫度範圍，皆低於950℃，典型的處理後，組織結構如第7圖所示。

故，有必要提供一種雙相高爾夫桿頭的鈦合金，以解決習用技術中所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種雙相高爾夫桿頭的鈦合金，其特徵屬於bimodal結構，亦即在球頭設計趨向薄化、不均厚等發展下， 將可增加高爾夫球頭的設計空間，使得合金強度大於商用雙相6-4鈦合金至少10至20%，進而提高高爾夫球桿頭結構設計空間，增加球頭擊球的特性。

本發明的再一目的在於利用合金設計概念，調整合金配比倍，設計概念如下：

鋁(Al)：在本發明的鈦合金中添加鋁時，考量α+β雙相組織分佈，降低合金密度，增加固溶強度，因此，鈦合金的鋁含量設計為6.0至7.5重量%之間。鋁含量偏低時，強度偏低；過高時，則易形成α 2脆化相。

釩(V)、鉻(Cr)、鐵(Fe)：調整α+β雙相組織中β相的比例，以及多元合金元素(High entropy，高熵設計理念)，因此，本發明的鈦合金的β相穩定元素總量設計為3.5至4.5重量%之間；釩含量介於1.5至2.5重量%之間，鉻含量控制在1.5至2.5重量%之間，鐵含量控制在0.1至0.5重量%之間。

錫(Sn)、鋯(Zr)、矽(Si)：考量多元合金元素高熵設計理念，以及元素固溶強化理念，本發明的鈦合金的固溶強化元素總量設計為3.5至4.5重量%之間；錫含量介於1.5至2.5重量%之間，鋯含量控制在1.5至2.5重量%之間，矽含量控制在0.1至0.5重量%之間。

整體而言，本發明的鈦合金藉由適當控制合金成分，且藉由780℃至840℃溫度下，塑性加工和/或熱處理，使得合金可獲致α+β雙相組織，以及基地內產生次晶粒(subgrain)與高密度差排的結構，同時，存在微量的ω相析出物；使得該合金，具備1300至1450兆帕(MPa)的抗拉強度，1250至1400MPa的降伏強度，以及6至12%的延伸率

為達成本發明的前述目的，本發明的一實施例提供一種雙相高爾夫桿頭的鈦合金，其包含6.0至7.5重量%的鋁、1.5至2.5重量%的釩、1.5至2.5重量%的鉻、0.1至0.5重量%的鐵、1.5至2.5重量%的錫、1.5至2.5重量%的鋯、0.1至0.5重量%的矽，以及其它不可避免的微量元素。

在本發明的一實施例中，該雙相高爾夫桿頭的鈦合金經過780至840℃塑性加工與熱處理後，具有α+β雙相組織。

在本發明的一實施例中，該雙相高爾夫桿頭的鈦合金具有次晶粒與高密度差排的結構，同時具有微量的ω相析出物。

在本發明的一實施例中，該雙相高爾夫桿頭的鈦合金具有1300至1450兆帕的抗拉強度，1250至1400兆帕的降伏強度，以及6至12%的延伸率。

為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：。

第1圖是現有6-4鈦合金經不同熱處理後，呈現三種典型結構。

第2圖是SEM圖，顯示現有6-4鈦合金經1040℃/1小時，呈現針狀組織。

第3圖是SEM圖，顯示現有6-4鈦合金經930℃/1小時，呈現等軸的α+針狀β。

第4圖是SEM圖，顯示現有6-4鈦合金經820℃/1小時，呈現bimodal 組織，初析α相基地+島狀β相。

第5圖是現有6-4鈦合金經不同溫度持溫1小時，機械性質分佈圖。

第6圖是現有6-4鈦合金經不同溫度持溫1小時，製成高爾夫球頭的特性。

第7圖是SEM圖，顯示現有6-4鈦合金經820℃熱鍛造後，顯微組織分佈圖。

第8圖是SEM圖，本發明實施例C經820℃/1小時，呈現bimodal組織，初析α相基地+島狀β相。

第9a至9f圖是本發明實施例C的TEM圖，本發明實施例C經820℃/1小時，呈現次晶粒與高密度差排特徵，以及微量ω相析出物；其中第9a圖：明視野圖；第9b圖：[11-20]α鈦擇區繞射圖；第9c圖：[110]β鈦繞射圖；第9d圖：g=0002 α鈦暗視野圖；第9e圖：g=002 β鈦暗視野圖；第9f圖：g=10-10ω相暗視野圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。此外，本發明所提到的單數形式“一”、“一個”和“該”包括複數引用，除非上下文另有明確規定。數值範圍(如10%~11%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的 B)，則皆指其下限值可能為0(即0%≦B≦0.2%)。上述用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

如下表1所示，本發明雙相高爾夫桿頭的鈦合金的機械性質分佈表，在本發明成分範圍：6.33至7.34重量%的鋁、1.89至2.18重量%的釩、1.79至2.13重量%的鉻、0.15至0.31重量%的鐵、1.82至2.45重量%的錫、1.98至2.37重量%的鋯、0.07至0.28重量%的矽、0.07至0.19重量%的氧、0.1至0.5重量%的氮，以及0.02至0.05重量%的碳，其餘重量為鈦。該雙相高爾夫桿頭的鈦合金經過820℃持溫1小時熱軋加工，與820℃持溫1小時熱處理後，合金具α+β雙相組織；且，存次晶粒與高密度差排的結構，同時，存在微量的ω相析出物。該雙相高爾夫桿頭的鈦合金的機械性質，具備1360至1439MPa的抗拉強度(tensile strength)，1203至1386MPa的降伏強度(yield strength)，以及6.4至11.3%的延伸率。對照例，編號F成分中含有：6.12重量%的鋁、4.13重量%的釩、0.20重量%的鐵、0.1至0.5重量%的矽，以及0.16重量%的氧、0.1至0.5重量%的氮、0.05重量%的碳。F合金經過820℃持溫1小時熱軋加工，具備1025MPa抗拉強度，986MPa的降伏強度，以及12%的延伸率。

第8圖為本發明實施例C的SEM圖，呈現bimodal組織，即為初析α相基地+島狀β相；顯示：本發明雙相鈦合金，屬□bimodal結構，具有初析α相+島狀β相；以實施例C，抗拉強度可達1386MPa，(遠大於1200MPa)，在球頭設計趨向薄化、不均厚等發展下，將可增加高爾夫球頭設計空間，就高爾夫球桿頭合金應用，具備新穎性與創新性。

為了讓本發明的創新特徵，能更瞭解，本發明實施例C，電鏡分析特徵，說明如下。第9a至9f圖為TEM圖，顯示本發明實施例C經820℃/1小時，呈現次晶粒與高密度差排特徵，以及微量ω相析出物。第9a圖為明視野圖，顯示α相與β相區域，如圖中所示；第9b圖為α鈦[11-20]軸的擇區繞射圖型，顯示此區域具備HCP結構，晶格常數a=0.295nm、c=0.468nm；第9c圖則為β鈦[110]軸的擇區繞射圖型，顯示此區域具備BCC結構，晶格常數a=0.329nm，第9c圖中，除了β鈦繞射點外，亦可觀察到微弱ω相繞射圖形，顯示此區域存在微量HCP結構ω相，晶格常數a=0.465nm、c=0.296nm；第9d、9e及9f圖，分別為g=0002 α鈦暗視野圖、g=002 β鈦暗視野圖、以及g=10-10 ω相暗視野圖。

綜上所述，整體而言，本發明的鈦合金藉由適當控制合金成分，且藉由780℃至840℃溫度下，塑性加工和/或熱處理，使得合金可獲致α+β雙相組織，以及基地內產生次晶粒(subgrain)與高密度差排的結構，同時，存在微量的ω相析出物；使得該合金，具備1360至1439MPa的抗拉強度，1203至1386MPa的降伏強度，以及6.4至11.3%的延伸率。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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。

Claims (3)

1. 一種雙相高爾夫桿頭的鈦合金，其包含6.0至7.5重量%的鋁、1.5至2.5重量%的釩、1.5至2.5重量%的鉻、0.1至0.5重量%的鐵、1.5至2.5重量%的錫、1.5至2.5重量%的鋯、0.1至0.5重量%的矽，以及不可避免的微量元素，其餘重量為鈦，其中該雙相高爾夫桿頭的鈦合金具有1300至1450兆帕的抗拉強度，1250至1400兆帕的降伏強度，以及6至12%的延伸率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙相高爾夫桿頭的鈦合金，其中該雙相高爾夫桿頭的鈦合金經過780至840℃塑性加工與熱處理後，具有α+β雙相組織。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙相高爾夫桿頭的鈦合金，其中該雙相高爾夫桿頭的鈦合金具有次晶粒與高密度差排的結構，同時具有微量的ω相析出物。