高尔夫球杆头及其低密度合金的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种高尔夫球杆头及其低密度合金，其以重量百分比计包含：重量百分比平衡的钛、铝10%至11%；及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(铬+铁+钒+钼)<0.4%。铝10%～11%用于降低密度，使所述合金具有90～110千磅/平方英寸的抗拉强度，及4.18～4.30克/立方厘米的密度，用以提高所述高尔夫球杆头的设计空间。且通过高温925±25℃热处理，可避免介面析出相或α2相产生，而改善脆裂现象，可提升合金延伸率至6～15%，符合所述高尔夫球杆头的设计需求，因而形成低密度铸造型高尔夫球杆头的钛铝合金。
【专利说明】高尔夫球杆头及其低密度合金
【技术领域】
[0001] 本发明是有关于一种高尔夫球杆头及其低密度合金，其通过控制钛、铝混合比例， 平衡的钦、错10%?11%，及其他微量兀素：（碳+氣+氧）〈〇. 2%、娃〈0. 2%、（络+铁+ f凡+ 钥）〈0.4%;且通过适当的高温热处理，可避免所述合金介面（interfacial interphase)析 出相或α2相产生，以提升所述合金延伸率至6?15%。同时，使所述合金具有90?110千 磅/平方英寸的抗拉强度及4. 18?4. 30克/立方厘米的密度，以供调整重心位置及提升 设计空间的高尔夫球杆头的低密度合金。
【背景技术】
[0002] 近二十年来，由于钛合金具有优异的抗蚀性与高比强度（强度与密度比值），因此 被广泛应用于高尔夫球杆头产业，目前约占整体市场30?40%左右。
[0003] 早期，在钛合金的材料选用，主要以纯钛（G4)和钛-6铝-4钒为主，其特征为使 高尔夫球杆头（发球杆）体积由原来使用铁系合金的250?270cc，提升到320?350cc。 而随着球杆头设计的需求，约十年前开始运用高强度β-型钛合金，如：15-3-3-3、10-2-3、 2041钛合金等，主要特征为使高尔夫球杆头体积提升到400?450cc。
[0004] 随着制程技术的提升与稳定，目前钛合金高尔夫球杆头（发球杆）体积已达到 450?470cc，根据高尔夫球杆头体积国际规范为460cc。此外，亦考量原料成本，高尔夫球 杆头产业亦使用含钥和/或铬钛合金，如：4. 5-3-1-1、SP700、BT14、5-1-1-1、Ti735等。另 夕卜，考量低的杨氏系数与吸震性，亦开发高钥钛合金，如：15-3、15-5-3等。
[0005] 高尔夫球杆头大致可分为三大类：木杆、铁头及推杆，简述如下：
[0006] 1.木杆头：用于开球，主要以打得远与直为需求，因钛合金具有高比强度及低比 重的特性，让木杆头的甜密区较大，保持方向的稳定性。而球道木杆，一般以不锈钢材质为 多，异素材结合的复合材质木杆头因具创新性、可创造配重以达最佳效果。
[0007] 2.铁杆头：用于击球到果岭或预定地点，主要以打得准与稳定飞行距离，材质主 要以不锈钢为主，就铁杆头材料而言，主要的发展有二，其一：为20?30%的延伸率与高强 度（超过150千磅/平方英寸以上）的组合，其二：为100?120千磅/平方英寸的强度与 高延伸率（超过30%以上）的组合。
[0008] 3.推杆：推杆则使用在果岭上推球入洞，主要以控制球的方向为主，注重平衡。其 意义即是如何维持推杆球杆头与中管杆配合时，打击面不致旋转，最近有朝直接使用计算 机数字控制机床（Computer numerical control, CNC)加工球杆头，以维持设计重心的位置 及保持球杆头的均匀性。
[0009] 近几年来，由于球杆头体积的限制，为增加球杆头重量分布的设计空间；因此，发 展低于钛-6铝_4钒的密度（US2006/0045789案，4. 42?4. 48克/立方厘米）的钛合金， 为高尔夫球杆头产业界重要发展之一，如2009年开始被量产的钛-8铝-1钒-1钥合金（铸 件密度4. 30?4. 36克/立方厘米）。
[0010] 钛合金为相当优异的高尔夫球杆头素材，惟近年来不论厚度或外型结构，高尔夫 球杆头都已走向了极限的设计，如：打击面厚度由2. 5mm?3. 6mm下降至2. Imm?2. 5mm， 顶盖厚度由I. Omm?I. 2mm下降至0. 6mm?0. 8mm ;使其高尔夫球杆头在设计条件下，其高 尔夫球炮击测试介于200-4000发间，相较过去的经验值5000-14000发低很多。而若考量 一般高尔夫球炮击测试，合格标准为在一定球速下承受3000次以上的炮击，其性质介于合 格标准边缘。此外，根据过去分析显示：8-1-1钛合金或6-4钛合金高尔夫球杆头，若制程 曾经存在于800-950°C之间，其显微结构于α相/β相界面易产生界面相，而诱发微裂纹的 形成，此为高尔夫球杆头炮击测试介于200-4000发间变异的主要因素。
[0011] 然而，至目前为止，在高尔夫球杆头体积大型化及多样化的客制需求下，便有需要 开发低密度、高延展性，但仍保持原有机械强度，以提高设计裕度。
[0012] 故，有必要提供一种改良的高尔夫球杆头及其低密度合金，以解决现有技术所存 在的问题。
【发明内容】
[0013] 有鉴于此，本发明的主要目的为提供一种高尔夫球杆头的低密度钛合金，其调整 钛合金的铝含量的比例，开发钛89%至90%、铝10%至11%合金（以重量百分比计）。就室 温结构用钛合金而言，降低钛合金密度，主要利用添加铝元素达到；其中当铝当量达到9. 5 以上，Aleq=Al%+10(0+2N+C)%+0. 333Sn%+0. 166Zr%，合金于热处理过程中易形成 DO19 的 α 2 规则相，而发生延伸率降低或脆化现象，此乃商用钛合金主要以钛-6铝-4钒为主的原因之 一。目前，最新以量产的钛合金，以钛-8铝-1钒-1钥合金密度最低（4. 32?4.36克/立 方厘米）。因此，提高铝元素含量，尤其是铸造状态下降低钛合金密度，将可进一步提升高尔 夫球杆头设计空间的功效。
[0014] 钛合金基本相变化：非合金化的钛于882°C时会发生同素异构变态，温度882°C以 下为六方最密堆积结构的α相，在882°C以上为体心立方结构的β相。根据钛合金添加 的合金元素对β/α+β转换温度的影响，α稳定元素主要是提高β/α+β转换温度，如： 铝、氧、碳和氮，α稳定元素中以铝最为重要，主要铝的密度低(铝的密度为2. 7克/立方厘 米、钛的密度为4. 5克/立方厘米)，价钱较为低廉，同时可以增加钛合金的抗拉强度、潜变 强度。而β稳定元素主要是降低β/α+β转换温度，如：钒、钥、铬和铁等元素，随着合金中 β稳定元素添加的含量越多，室温下的β相也越多。中性元素的添加并不会对β/α+β转 换温度有所影响，如锡、锆，其添加的主要作用为增加 α相的强度界面相：钛合金于α相和 β相之间会有一不同结构的区域出现，所述区域为一具高密度差排的层状区域（Striated Layer，SL)和一无内部结构的块状区域（Monolithic Layer，ML)的复合界面相，所述界面 相的存在，提供了疲劳和裂纹成长路径。
[0015] 为解决上述问题，本发明所提出的技术手段为提供一种铸造钛铝合金，其以重量 百分比计包含：钛89?90%，铝10?11%，铸造状态下（精密铸造），密度范围为4. 18至 4. 30克/立方厘米。同时，透过其他不可避免微量元素的控制，如：（碳+氮+氧）〈0. 2%、 硅〈0. 2%、（铬+铁+钒+钥）〈0. 4%，以及适当的高温925 ±25 °C热处理，调整铸件结构，以 避免介面（interfacial interphase)析出相或α2相产生，以改善合金脆性与提升合金延 伸率，又或者，于925 °C ± 25 °C进行热均压处理或锻造或挤锻，来完成材质均质化。
[0016] 上述的铸造钛铝合金系以延伸率在6?15%、抗拉强度在90?110千磅/平方英 寸的钛合金。本发明的钛铝合金中的钛及铝的含量，较现有技术6A1-4V-Ti、Ti-8-l-l高， 铝含量的提高降低比重、增加弹性模量有明显效果，与6A1-4V-Ti、Ti-8-l-l相比，钒或钥 的添加量大为减少，从而降低了钛铝合金的制造成本，且其密度也低于同类合金，有利于高 尔夫球杆头的大型化，并而提高其设计裕度、空间。
[0017] 另外，为达成本发明的前述目的，本发明一实施例提供一种高尔夫球杆头，该杆头 包含有一打击面板、一顶部、一底部、一趾部、一跟部及一管柄，其特征在于：所述高尔夫球 杆头至少一部分是由本发明钛铝合金制造而成，所述钛铝合金包含重量百分比平衡的钛、 铝10%?11%，及其他微量元素：（碳+氮+氧）〈0. 2%、硅〈0. 2%、（铬+铁+钒+钥）〈0. 4%， 所述钛铝合金经925±25°C高温热处理1至4小时，其具有90?110千磅/平方英寸的抗 拉强度，及4. 18?4. 30克/立方厘米的密度。例如，该顶部、底部、趾部及跟部系由本发明 钛铝合金所制成，该打击面板选择由6-4钛合金、SP700或其它习知之钛合金所制成。然而， 本发明钛铝合金亦可使用于打击面板。
[0018] 在本发明的一实施例中，所述热处理时间为1小时。
[0019] 在本发明的一实施例中，所述钛铝合金的延伸率为6?15%。
[0020] 在本发明的一实施例中，所述高尔夫球杆头的体积介于410至470立方厘米，在适 当配重后，其整体重量介于180至210公克。
[0021] 再者，本发明另一实施例提供另一种高尔夫球杆头的低密度合金，其特征在于：所 述低密度合金包含：重量百分比平衡的钛、重量百分比10%?11%的铝，及其他微量元素： (碳+氮+氧）〈〇· 2%、硅〈0· 2%、（铬+铁+钒+钥）〈0· 4%所组成，其具有90?110千磅/ 平方英寸的抗拉强度、4. 18?4. 30克/立方厘米的密度及6?15%延伸率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明实施例2经不同温度处理1小时的硬度分布图。
[0023] 图2是本发明实施例2经800°C温度处理，通过扫描式电子显微镜（SEM)观察的视 图，显示针状组织。
[0024] 图3是本发明实施例2经900°C温度处理，通过SEM观察的视图，显示针状组织，且 晶粒尺寸约30?80 μ m。
[0025] 图4是本发明实施例2,经1000°C温度处理，通过SEM观察的视图，显示针状组织 且晶粒尺寸大于200 μ m。
[0026] 图5是本发明实施例2,经不同1000°C温度，通过穿透式电子显微镜（TEM)观察的 视图，显示针状组织基地，其中5(a)为明视野图、5(b)为暗视野图、5(c)为p 轴SADP 图、5(d)为[1123]轴 SADP 图。
[0027] 图6本发明实施例2,经不同KKKTC温度，TEM观察的视图。显示在基地相界面， 存在有FCO结构相形成，6 (a)为明视野图、6(b)为暗视野图、6 (c)为I； 11?0 ；]轴SADP图、6(d) 为[I m]轴SADP图。
[0028] 图7本发明实施例2,经不同950°C温度，TEM观察的视图。显示在基地针状组织 高密差排消失，7(a)为明视野图、7(b)为暗视野图、7(c)为[IliO；!轴SADP图。
[0029] 图8本发明实施例2,经不同900°C温度，TEM观察的视图。显示在基地针状组织 高密差排消失，8(a)为明视野图、8(b)为暗视野图、8(c)为p 轴SADP图。
[0030] 图9本发明实施例2,经不同800°C温度，TEM观察的视图。显示在基地相，存在有 %相形成，9(a)为明视野图、9(b)为基地暗视野图、9(c)为Ci 2暗视野图、9(d)为 轴SADP图。
[0031] 图10本发明实施例2,经不同700°C温度，TEM观察的视图。显示在基地相，存在 有％相形成，10(a)为明视野图、10(b)为基地暗视野图、10(c)为Ci 2暗视野图、10(d)为
[11?)]轴 SADP 图。
【具体实施方式】
[0032] 为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明的较 佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
[0033] 请参照表1所示，实施例的钛铝合金，其合金元素的重量百分比包含：平衡的钛 (Ti),铝（Al) 10?11%，密度范围为4. 18至4.30克/立方厘米。以下分别针对各种添加合 金元素的设计比例、限制范围说明如下：
[0034] 铝（Al):铝添加于钛合金中，主要可降低合金密度，提高合金强度；铝的添加亦可 能形成Ti 3AlUdH)与TiAlU相）金属中间化合物，所述金属中间化合物将使合金室温 的韧性（延伸率）急遽下降。整体而言，当铝含量低于10.0%时，合金密度高于4.30克/ 立方厘米（预期目标）；若铝含量大于11.0%时，则合金延伸率低于6%(预期目标）。因此， 本发明的合金材料其铝含量应严格限制在10. 〇?11. 〇%之间。
[0035] 碳（C)、氮（N)、氧（O):系合金制程中不可避免的格隙原子，考量铝当量Al^Al% +10 (0+2N+C) %+0. 333Sn%+0. 166Zr%，且为避免Ti3Al ( α 2相）的形成，本发明的合金材料其 (碳+氮+氧）含量应严格限制在〇· 2%以下。
[0036] 硅（Si):娃添加于合金中，将可提高强度，惟会增加合金脆性。案，硅元素系制程 中不可避免元素。依据本发明实施例，本发明的合金材料其硅含量限制在〇. 2%以下。
[0037] 铬（Cr)、铁（Fe)、钒（V)、钥（Mo):系合金制程中不可避免的过渡元素，以64钛合 金规范而言，其不可避免的过渡元素总量〈0.4%。而且，在本发明实施例中，（铬+铁+钒+ 钥）总量〈0.37%。因此，本发明的合金材料其（铬+铁+钒+钥）总含量限制在0.4%以 下。
[0038] 表1实施例与商用钛铝合金铸造性质表
[0039]
【权利要求】
1. 一种高尔夫球杆头，其特征在于：所述高尔夫球杆头之至少一部分是由钛铝合金制 造而成，所述钛铝合金以重量百分比计包含： 重量百分比平衡的钛、铝10%?11%，及微量元素：（碳+氮+氧）〈〇. 2%、硅〈0. 2%、（铬 +铁+钒+钥）〈0. 4%，所述钛铝合金经925±25°C高温热处理1至4小时，其具有90?110 千磅/平方英寸的抗拉强度，及4. 18?4. 30克/立方厘米的密度。
2. 如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述热处理为进行热均压处理或 锻造或挤锻。
3. 如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述热处理时间为1小时。
4. 如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述钛铝合金的延伸率为6? 15%。
5. 如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于：所述高尔夫球杆头的体积介于410 至470立方厘米，及其重量介于180至210公克。
6. -种高尔夫球杆头的低密度合金，其特征在于：所述低密度合金以重量百分比计包 含： 重量百分比平衡的钛、重量百分比10%?11%的铝，及微量元素：（碳+氮+氧）〈〇. 2%、 硅〈0. 2%、（铬+铁+钒+钥）〈0. 4%所组成，其具有90?110千磅/平方英寸的抗拉强度、 4. 18?4. 30克/立方厘米的密度及6?15%延伸率。
【文档编号】A63B102/32GK104436578SQ201310422754
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】常传贤, 苏瑞明, 赵志烨 申请人:大田精密工业股份有限公司