专利名称：低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，尤指一种具有低密度、高延展及高防锈特性，适合用于制作高尔夫球的锻造铁杆头，以达到高强度、高延展性、高防锈性及优良的锻造表面等要求的实用性材料。
当纯金属添加他种金属或非金属合金元素而配制成合金后，其本身的性质也会发生变化，例如熔点降低、强度升高、延展性降低、电阻增大、导热度降低、热处理性能增进、耐蚀性变化及磁性变化等等，也因为纯金属配制成合金后，其机械、物理及化学性质均获得改善，因此可随着机械、器具的设计需要，选用适当的合金元素并控制其含量，以配制成合用的合金材料。
例如工业上经常利用的高强度低合金钢(HSLA)及合金工具钢即是，其中，高强度低合金钢是以添加2％以内的少量合金元素，如Ti、V、Nb，而获得高强度为其特色，且广为运用于公路及铁路桥梁、铁路货客车厢、大客车车体、农业机械或挖土工具等。此外，合金工具钢则是通过添加Cr、W、Mo、V、Ni等合金元素，使该些合金元素在钢内形成碳化物，使其具有硬化深度较深、耐磨耗及耐高温软化的特性，一般可作为切削工具或热加工模具，或是耐受冲击、耐磨的场合。
一套完整的高尔夫球具包含有木杆杆头(wood)、铁杆杆头、劈起杆杆头(PW)、砂坑杆杆头(SW)、推杆杆头(putter)、杆身(分为金属杆与碳纤维杆)、胶套(为吸收球头与球杆接触面的摩擦力与美观)及橡胶材质的握把。一般而言，高尔夫球铁杆是泛指铁杆、劈起杆及砂坑杆。铁杆主要用以将球击至目标点，其特征为球飞行距离比木杆稍短，但可将球打得较高，且方向容易掌握。通常1号铁杆长约39.5英寸，杆头斜度14度；2号杆以后杆身长度以0.5英寸递减，杆头斜度以4度递增。使用者可依目标距离选择适合的球杆击球。
此外，近年来，为使铁杆兼具传统木杆及铁杆优点，并兼具长距离打击与准确性打击，亦有将铁杆头制成空心的设计出现。铁杆尚包含有在果岭周围作近距离切球用的劈起杆(Pitching Wedge)及用于砂坑击球的砂坑杆(Sand Wedge)，两者皆属于挖起杆，这类球杆因杆头较重，斜度较大，所以容易将球击高及短距离的控球性。
目前高尔夫球铁杆头的制造方式，主要为精密脱蜡铸造法与锻造加工法两种，配合参阅表1所示，表1是传统精密脱蜡铸造法与锻造加工法所制作的铁杆头特性比较表。
另外也有少部分利用表面镀层(如镀镍、钴、钻石)或镶板加工。整体而言，精密脱蜡铸造法的成本最便宜，但锻造加工法具有较多方面的优点。而工业上现行使用于制作铁杆头的精密脱蜡铸造法与锻造加工法的合金材料机械性质如表2所示。
表2是目前用以制作铁杆头的材料机械性质比较表。
高尔夫球铁杆头的设计趋势，主要是为成功的击球并有良好的击球点，其主要设计方向如下
1.球头大型化包括木杆头体积在280cc～310cc之间，甚至可达到350cc，或有大尺寸(Oversize)的铁杆，其特点为增大球杆的击球甜蜜区，以提高成功的击球机率，及增加击球距离。
2.低重心为达稳定的挥击与击球点，并增加扭转惯性、提高击球距离，降低重心为最新趋势。
3.低空气阻力及凹背式强化打击面设计为达稳定的挥击与击球点并降低扭转能量损失，最近的发展趋势为电脑设计改变球杆头形状，以减低风阻系数并改变不同的重心与甜蜜区，甚至不论是铁杆头或木杆头的打击面均利用高压挤入方式制作打击面。
低重心、低空气阻力及强化打击面虽可达成功击球与良好击球点、增加扭转惯性、提高击球距离等目的，但整体而言，以高尔夫球铁杆头来说，由于其本身形状变化较多，所以要求用以制作铁杆头的合金材料必须兼具有高强度及高延展特性，同时需具备有耐蚀性。但是目前工业用的合金材料并不能完全合乎铁杆头的性能要求，以钛合金与析出不锈钢来说，其虽具有耐蚀性，但延伸率或冲击值并不理想，又以304不锈钢来说，其虽然延伸率约可达40％～60％，但强度仍嫌不足，所以目前仍以锻造软铁S25C兼具75ksi～85ksi抗拉强度及30％～35％延伸率为制作铁杆头的较佳素材，其缺陷是锻造后的耐蚀性仍稍嫌不足。
因此，在高尔夫球杆规格是以杆头的重量为一定的因素下，若能开发低密度、高延伸率或高韧性，且具有一定强度的新素材，则低密度将可使球头设计空间变大，适当的强度将使击球距离稳定或减少打击面厚度，以增加设计空间，高的延伸率或韧性则可使控球性能增加，如此可使高尔夫球铁杆头的打击效果发挥至最理想。而就目前高尔夫球杆制造业的同共经验，最佳的铁杆头制作合金材料的抗拉强度应为锻造软铁的1.0～1.5倍左右，即抗拉强度约80ksi～120ksi，降伏强度约55ksi～70ksi，延伸率必须超过40％，且愈高愈好，以及低于7.9g/cm3的密度，同时若能具备耐蚀性，则可增加其设计空间，以制作出打击性能最佳的高尔夫球铁杆头或空心铁杆头。
近一、二十年来，铁-铝-锰合金钢系列经过国内外专家学者广泛的研究，显示不同的合金设计能使铁-铝-锰合金钢分别具有高强度、高韧性、耐低温、耐高温及耐磨耗等特性，下列论文对这些性质均有详细的描述。
Schmatz，D.J.所发表，1960年，Trans.ASM，第52册，898页，标题″Structure and Properties of Aus tentic Alloys Containing Aluminumand Silicon″；Krivonogov，G.S.等人所发表，1975年，Phys.Met.& Metallog，第4册，29页，标题″Phase Trasformation Kinetics in Steel 9G28Yu9MVB″；Banerji，S.K.所发表，1978年，4月，Met.Prog，59页，标题″AnAustenitic Stainless Steel Without Nickel or Chromium，″；Charles，J.等人所发表，1981年，Met.Prog.71页，标题“PhaseDecomposition of Rapidly Solidified Fe-Mn-Al-C Austenitic Alloys”；Grcia，J.等人所发表，1982年，Met.Prog.47页，标题“Developmentof Oxidation Resistant Fe-Mn-Al Alloys”；Wang，R.等人所发表，1983年，Met.Prog.72页，标题″New StainlessSteel Without Nickel or Chromiun for alloys Applications″；
Benz，J.C.等人所发表，1985年，J.Met.36页，标题″An Assessmentof Fe-Mn-Al Alloys as Substitutes for Stainless Steels″；J.Charles.等人所发表，1981年，Met.Prog，71页，标题″New CryogenicMaterials″；Ham，K.H.等人所发表，1986年，Scripta Metall，第20册，33页，标题″TEM Evidence of Modulated Structure in Fe-Mn-Al-C Alloys″；Tjong，S.C.所发表，1990年，Mater.Char，第24册，275页，标题″Electron Microscope Observations of Phase Decompositions in anAustentic Fe-8.7Al-29.7Mn-1.04C Alloy″；Hwang，C.N.等人所发表，1993年，Scripta Metall，第28册，109页，标题″Grain Boundary Precipitation in an Fe-7.8Al-1.7Mn-0.8Si-1.0CAlloy″；Liu，T.F.所发表，1990年，美国专利第4968357号，标题″Hot-RolledAlloy Steel Plate″。
综合上述研究结果，其主要成分为铁、铝、锰、碳，锰元素的添加，主要可稳定沃斯田铁相，使此合金在室温或低温均为面心立方(FCC)结构，以改善Fe-Al或Fe-Al-C合金的脆性，而使此合金具有良好的韧性与加工性，铝元素的添加可增加合金的抗氧化性和抗蚀性，碳主要可析出强化元素，即将合金于1050℃～1200℃间做固溶化热处理后急速淬火，并于450℃～750℃间做时效处理。当合金在淬火状态时为单一沃斯田铁相，时效热处理时，首先会有细微(Fe，Mn)3AlCxκ相碳化物均匀整合(coherent)在基地内析出。此外，依成分不同在长时间时效处理后，在晶界上会产生γ→α+β-Mn或γ→α+β-Mn+κ相等相分解反应，此晶界粗大，β-Mn析出物将造成材料延性降低。因此，在沃斯田铁基地产生均匀且整合的κ相碳化物，而没有粗大的β-Mn析出物于晶界形成，乃为铁-铝-锰-碳合金获致高强度及高韧性的重要方法。
依据上述的研究成果发现，铁-铝-锰合金主要成分范围为铁、5％～12％的铝、20％～35％的锰及0.3％～1.3％的碳，其经固溶化、淬火及时效处理后，依合金成分不同，其抗拉强度介于80ksi～200ksi之间，降伏强度介于60ksi～180ksi之间，而延伸率则介于62％～25％之间，如表3及表4所示分别为过去专家学者研究的典型铁-铝-锰合金成分与其机械性质比较表。
表3是目前学术界已研究发表的典型铁-铝-锰合金成分表。
表4是目前学术界已研究发表的典型铁-铝-锰合金的机械性质比较表。
本发明人曾经对铁～10％铝-30％锰-1％碳合金材料，以及铁-8％铝-30％锰-0.8％碳合金材料进行研究分析，结果显示铁-10％铝-30％锰-1％碳合金材料经过0.5～2小时的1100℃热处理的后，其硬度值HRb82.7～88.9，抗拉强度值为111ksi～124ksi，降伏强度值为79.7ksi～97ksi，延伸率为58.9％～63.3％，晶粒尺寸(d)与抗拉强度(σ)的Hall-Petch关系式为σ＝68.72+21.2×d-0.46，如
图1所示为铁-铝-锰合金材料热处理后的金相图，而且经盐雾试验以高浓度盐水喷射48小时后显示其抗蚀性不佳，且其在其他专家学者所研究的热加工条件温度1050℃～200℃热锻加工后，材料表面粗糙度Ra＝3.1～5.9μm，如图6所示为铁-铝-锰合金材料热锻后的金相图。而铁-8％铝-30％锰-0.8％碳合金材料经过0.5～2小时1100℃的热处理后，其抗拉强度值为110ksi～120ksi，与铁-10％铝-30％锰～1％碳合金材料差异不大，只有降伏强度值为71.1ksi～83.1ksi变化稍大，其延伸率亦维持在58.5％～64.7％之间，晶粒尺寸(d)与抗拉强度(σ)的Hall-Petch关系式为σ＝69.25+23.6×d-0.45，经盐雾试验以高浓度盐水喷射48小时后显示其抗蚀性不佳，且其在专家学者所研究的热加工条件温度1050℃～1200℃热锻加工后的材料表面粗糙度值Ra＝3.2～5.7μm。
本发明的主要目的是提供一种具有低密度、高延展及高防锈特性的高尔夫球铁杆头的合金材料，其合金材料具有25％～31％锰、6.3％～7.8％铝、0.65％～0.85％碳、5.5％～9.0％铬及余量铁，其中亦可添加0.8％～1.5％硅、2.0％～5.0％钛或0.5％～1.0％钼；由于其所添加的铬、钛、钼均具有极佳的抗大气蚀腐性，且又可以在800℃～1050℃温度热锻加工，可获致极佳的表面性质，并经过980℃～1080℃温度1～24小时热处理，即可获致极佳的延展性与抗拉强度的组合，故使得该合金材料可达到高强度、低密度、高延展性、高防锈性及优异的表面性质的目的。
本发明的目的是这样实现的一种低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其特征是该合金材料包括25％～31％锰、6.3％～7.8％铝、0.65％～0.85％碳、5.5％～9.0％铬及余量铁所组成；该合金材料在800℃～1050℃温度热锻加工，以提升其表面性质，且表面粗糙度达到3μm以下。
该合金材料还包括添加0.8％～1.5％硅及2.0％～5％钛。该合金材料还包括添加0.5％～1％钼。该合金材料还包括在980℃～1080℃温度热处理1～24小时，以达到65％以上的延伸率。该合金材料还包括在980℃～1080℃温度热处理4～24小时，以达到70％以上的延伸率。该合金材料包括镶入它种高密度合金而复合形成低密度的球杆头。
下面结合较佳实施例和附图详细说明。
图2是铁-铝-锰合金材料热锻后的金相图。
图3是本发明热处理时间对抗拉强度、降伏强度及延伸率影响关系图(一)。
图4是本发明热处理时间对抗拉强度、降伏强度及延伸率影响关系图(二)。
图5是本发明热锻温度对表面粗糙度影响关系图。
本发明是关于一种低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其主要的元素组成成分为铁、锰、铝、碳、铬，其中亦可添加硅、钛、钼；其中，锰的成分为25％～31％，铝的成分为6.3％～7.8％，碳的成分为0.6 5％～0.85％，铬的成分为5.5％～9.0％，硅的成分为0.8％～1.5％，钛的成分为2.0％～5.0％，钼的成分为0.5％～1.0％，其余的比例均以铁为基材所组合而成合金材料。
以下即配合实施例详细说明，如表5所示，为编号1～10为本发明的成分范畴，及编号11～15为比较实施例。
表5是本发明的实施例与比较例组成成分表。
*编号11、12、13、14为比较例表6是本发明的材料特性比较表(一)
*实施例11.12.13.14.15为比较例表7是本发明的材料等性比较表(二)
再由表6及表7所示可知，铁-26.50％锰-6.85％铝-0.69％碳-5.67％铬所组成的编号1合金材料，经1030℃热处理2小时后，其机械性质为抗拉强度值为105ksi，降伏强度值为62.3ksi，延伸率可达68.5％，室温冲击值可达153.0尺-磅，再经950℃热锻加工后表面粗糙度可达2.63μm。若延长1030℃热处理时间至12小时后，其机械性质则变化为抗拉强度值为104.8ksi，降伏强度值为62.1ksi，延伸率可达75.9％，室温冲击值可达142.8尺-磅，再经850℃热锻加工后表面粗糙度可达2.11μm。且其球头经盐雾试验48小时及高尔夫球炮击3000发试验均合格。同样的，编号2～10合金材料的成分在本发明范畴内，经1030℃温度的2～12小时热处理后，其机械性质抗拉强度值介于104.8ksi～118.2ksi之间，降伏强度值则介于62.1ksi～68.5ksi之间，延伸率可达65.8％～77.8％，室温冲击值135.2～158.5尺-磅，表面粗糙度达2.8μm以下，且盐雾试验48小时及高尔夫球炮击试验均合格。
而当合金材料中不添加铬(比较例编号11、12合金材料)，或含铬量为3.15％(比较例编号13合金材料)，或含铬量为4.89％(比较例编号14合金材料)时，虽然其机械性质部分符合要求，但是盐雾试验基本上若无进一步的表面处理则皆无法合格。换言的，必须进一步施以表面电镀处理方可满足抗盐雾试验。
本发明合金范围材料，经由800℃～1050℃的温度热锻加工，并经980℃～1080℃温度热处理1～4小时，则合金材料的延展性可到达65％，如表6及图3所示；若延长至4～24小时，则合金材料的延展性可提升到70％以上，如表7及图4所示。
此外，编号1合金，在1030℃的温度进行热处理时发现，其热处理时间达24小时，延伸率变化不明显，但降伏强度会将低至54.8ksi，低于预期目标55ksi。因此，若要满足适当的降伏强度范围，则本发明合金范围材料的热锻温度应在24小时以下。
另外，如图5所示，编号1合金材料经过不同锻造温度施以高尔夫球铁杆头试制，发现其表面粗糙度会随着锻造温度的上升而由1.9μm变化至5.7μm。因此，若要满足高品质的锻造表面在Ra小于3μm以下，则本发明合金范围材料的热锻温度应在1050℃以下。
以下再分别针对各种添加合金元素的设计比例、限制范围及其对于合金材料性质的影响说明如下锰锰通常是与铁共存，由于锰容易与硫结合，可消除硫对于合金材料造成热脆性的有害影响，而且锰能去除合金材料中的氧化物，在高碳钢中，锰会与碳结合成Mn3C，且与Fe3C相容合成(Fe，Mn)3C，可增强合金材料的强度及硬化能。整体而言，当锰含量低于25w.t.％时，制造过程或成品中易产生部分肥粒铁相，不利于加工性或延伸性，若锰含量大于31w.t.％时，则将促使β-Mn相在晶界析出，造成脆性。因此，本发明的合金材料其锰含量应严格限制在25w.t.％～31w.t.％之间。
铝铝是一种极佳的脱氧剂，其不仅可仰制结晶粒成长，形成分散氧化物或氮化物，并可有效提升合金材料的延展性、加工性及韧性。整体而言，当铝含量低于63w.t.％时，将使合金材料的降伏强度低于预期目标55ksi，反的，若铝含量大于7.8w.t.％时，则降伏强度大于预期目标70ksi。因此，本发明的合金材料其铝含量应严格限制在6.3w.t.％～7.8w.t.％之间。
碳碳元素除了为碳化物析出作用外，其亦是沃斯田铁稳定相的元素，随着碳含量增加，肥粒铁减少而沃斯田铁愈稳定。整体而言，当碳含量大于0.5w.t％时，合金材料即可稳定形成沃斯田铁相，而为使降伏强度达到介于预期目标55ksi～70ksi之间，本发明的合金材料其碳含量应严格限制在0.65w.t.％～0.85w.t.％之间。
铬在合金材料中添加铬时，不仅可增加合金材料的腐蚀及氧化抵抗性，又可提升合金材料的硬化能及高温强度，尤其是对于高碳钢的耐磨耗性更有极显著的效果。整体而言，当铬含量低于5.5w.t.％时，将使该合金材料所作的铁杆头不符合盐雾试验标准，而当铬含量大于9.0w.t.％时，则其延伸率将低于65％的预期国标。因此，本发明的合金材料其铬含量应严格限制在5.5w.t.％～9.0w.t.％之间。若铬含量低于5.5w.t.％，则应加以电镀处理，以增加其抗蚀性。
硅硅在合金材料内有防止气孔形成、增进收缩作用及增加钢液流动性特点，但是当硅含量大于1.5w.t.％时，将使延伸率低于65％的预期目标。因此，本发明的合金材料若能添加0.8w.t.％～1.5w.t.％的硅，将有助于铸件原料的制程。
钛钛可以降低材料的密度与增加材料的抗蚀性，整体而言，钛含量在2.0w.t.％以下时，其降低材料密度与增加材料抗蚀性效果不明显，而当含量在5.0w.t.％以上会降低合金材料的延伸率。因此，本发明的合金材料若能添加2.0w.t.％～5.0w.t.％的钛，在预期性质范畴内，将有助于合金材料密度的降低与耐蚀性的增加。
钼钼可以使沃斯田铁的粗大化温度上升，并使硬化层深入，防止回火脆性，并可提升合金材料的高温强度、潜变强度、及高温硬度，同时并可使合金材料的抗孔蚀性增加，并形成耐磨耗的碳化钼粒子，且有助于钢液的流动性，唯钼含量高于1.5w.t.％以上时会造成过多的析出，使材料脆化。因此，本发明的合金材料若能添加0.5w.t.％～1.0w.t.％的钼，在预期性质范畴内，将有助于合金流动性与铸造性，同时增加耐蚀性。
整体而言，以本发明的合金材料制作高尔夫球铁杆头时，若是以锻造成型，则可以800℃～1050℃温度热锻造，可得到Ra＝3μm以下的最佳表面精度，若在1050℃～1200℃温度热加工除了会增加氧化层外，将使工件的表面粗度Ra大于3μm，不利于高尔夫球头品质。
通过上述设计，使本发明高尔夫球铁杆头的合金材料具有以下优点1.机械强度由于铝、锰、碳的含量适当控制，其抗拉强度值可介于80ksi～120ksi之间，降伏强度值可介于55ksi～70ksi之间，若以该合金材料制作铁杆头，将可发挥高尔夫球铁杆头或空心铁头的最佳要求。
2.低密度由于合金中添加6.3％～7.8％的铝元素，或可添加2.0w.t.％～5.0w.t.％的钛元素，且该合金材料为面心立方结构(F.C.C)，故可以有效降低合金材料的密度至6.78～7.05g/cm3，若以该合金材料制作铁杆头，在同样重量规格限制的下可得较大的铁杆头体积，使铁杆头具有较大的形状设计变化空间。
3.高延展性其合金材料中除了添加铝以增加延展性的外，合金材料又可经过980℃～1080℃的温度热处理进一步提升其延展性，当热处理的时间为1～4小时，则合金材料的延展性可到达65％，若热处理时间延长至4～24小时，则合金材料的延展性可提升到70％以上。
4.耐蚀性因为其合金材料中添加有铬、钛与钼，该些元素对于抗大气蚀腐性均有极佳的效果，同时将可减少高尔夫球铁杆头或空心铁头的制造成本。
综上所述，在适当的合金成分控制及锻造温度条件的下，本发明所设计的高尔夫球铁杆头的合金材料，具有低密度、高延展性及耐盐雾试验、及高的锻造表面品质等特点，实为制作高尔夫球铁杆头的最佳合金材料，具有新颖性、创造性和实用性。
权利要求
1.一种低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其特征是该合金材料包括25％～31％锰、6.3％～7.8％铝、0.65％～0.85％碳、5.5％～9.0％铬及余量铁所组成；该合金材料在800℃～1050℃温度热锻加工，以提升其表面性质，且表面粗糙度达到3μm以下。
2.根据权利要求1所述的低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其特征是该合金材料还包括添加0.8％～1.5％硅及2.0％～5％钛。
3.根据权利要求1所述的低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其特征是该合金材料还包括添加0.5％～1％钼。
4.根据权利要求1所述的低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其特征是该合金材料还包括在980℃～1080℃温度热处理1～24小时，以达到65％以上的延伸率。
5.根据权利要求1所述的低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其特征是该合金材料还包括在980℃～1080℃温度热处理4～24小时，以达到70％以上的延伸率。
6.根据权利要求1所述的低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其特征是该合金材料包括镶入它种高密度合金而复合形成低密度的球杆头。
全文摘要
一种低密度高延展性铁基的高尔夫球铁杆头的合金材料，其合金材料包括25％～31％锰、6.3％～7.8％铝、0.65％～0.85％碳、5.5％～9.0％铬及余量铁，其中亦可添加0.8％～1.5％硅、2.0％～5.0％钛或0.5％～1.0％钼。由于其所添加的铬、钛、钼均具有极佳的抗大气蚀腐性，且又可以在800℃～1050℃温度热锻加工，可获致极佳的表面性质，并经过980℃～1080℃温度1～24小时热处理，即可获致极佳的延展性与抗拉强度的组合，故使得该合金材料可达到高强度、低密度、高延展性、高防锈性及优异的表面性质。
文档编号C22C38/38GK1412335SQ0114156
公开日2003年4月23日 申请日期2001年10月19日 优先权日2001年10月19日
发明者赵志烨 申请人:大田精密工业股份有限公司