高爾夫球桿頭及其低密度合金的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種高爾夫球桿頭及其低密度合金，其以重量百分比計包含：重量百分比平衡的鈦、鋁10%至11%；及其他微量元素：(碳+氮+氧)<0.2%、硅<0.2%、(鉻+鐵+釩+鉬)<0.4%。鋁10%～11%用于降低密度，使所述合金具有90～110千磅/平方英寸的抗拉強度，及4.18～4.30克/立方厘米的密度，用以提高所述高爾夫球桿頭的設計空間。且通過高溫925±25℃熱處理，可避免介面析出相或α2相產生，而改善脆裂現象，可提升合金延伸率至6～15%，符合所述高爾夫球桿頭的設計需求，因而形成低密度鑄造型高爾夫球桿頭的鈦鋁合金。
【專利說明】高爾夫球桿頭及其低密度合金

【技術領域】
[0001] 本發明是有關于一種高爾夫球桿頭及其低密度合金，其通過控制鈦、鋁混合比例， 平衡的欽、錯10%?11%，及其他微量兀素：（碳+氣+氧）〈〇. 2%、娃〈0. 2%、（絡+鐵+ f凡+ 鑰）〈0.4%;且通過適當的高溫熱處理，可避免所述合金介面（interfacial interphase)析 出相或α2相產生，以提升所述合金延伸率至6?15%。同時，使所述合金具有90?110千 磅/平方英寸的抗拉強度及4. 18?4. 30克/立方厘米的密度，以供調整重心位置及提升 設計空間的高爾夫球桿頭的低密度合金。

【背景技術】
[0002] 近二十年來，由于鈦合金具有優異的抗蝕性與高比強度（強度與密度比值），因此 被廣泛應用于高爾夫球桿頭產業，目前約占整體市場30?40%左右。
[0003] 早期，在鈦合金的材料選用，主要以純鈦（G4)和鈦-6鋁-4釩為主，其特征為使 高爾夫球桿頭（發球桿）體積由原來使用鐵系合金的250?270cc，提升到320?350cc。 而隨著球桿頭設計的需求，約十年前開始運用高強度β-型鈦合金，如：15-3-3-3、10-2-3、 2041鈦合金等，主要特征為使高爾夫球桿頭體積提升到400?450cc。
[0004] 隨著制程技術的提升與穩定，目前鈦合金高爾夫球桿頭（發球桿）體積已達到 450?470cc，根據高爾夫球桿頭體積國際規范為460cc。此外，亦考量原料成本，高爾夫球 桿頭產業亦使用含鑰和/或鉻鈦合金，如：4. 5-3-1-1、SP700、BT14、5-1-1-1、Ti735等。另 夕卜，考量低的楊氏系數與吸震性，亦開發高鑰鈦合金，如：15-3、15-5-3等。
[0005] 高爾夫球桿頭大致可分為三大類：木桿、鐵頭及推桿，簡述如下：
[0006] 1.木桿頭：用于開球，主要以打得遠與直為需求，因鈦合金具有高比強度及低比 重的特性，讓木桿頭的甜密區較大，保持方向的穩定性。而球道木桿，一般以不銹鋼材質為 多，異素材結合的復合材質木桿頭因具創新性、可創造配重以達最佳效果。
[0007] 2.鐵桿頭：用于擊球到果嶺或預定地點，主要以打得準與穩定飛行距離，材質主 要以不銹鋼為主，就鐵桿頭材料而言，主要的發展有二，其一：為20?30%的延伸率與高強 度（超過150千磅/平方英寸以上）的組合，其二：為100?120千磅/平方英寸的強度與 高延伸率（超過30%以上）的組合。
[0008] 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。其 意義即是如何維持推桿球桿頭與中管桿配合時，打擊面不致旋轉，最近有朝直接使用計算 機數字控制機床（Computer numerical control, CNC)加工球桿頭，以維持設計重心的位置 及保持球桿頭的均勻性。
[0009] 近幾年來，由于球桿頭體積的限制，為增加球桿頭重量分布的設計空間；因此，發 展低于鈦-6鋁_4釩的密度（US2006/0045789案，4. 42?4. 48克/立方厘米）的鈦合金， 為高爾夫球桿頭產業界重要發展之一，如2009年開始被量產的鈦-8鋁-1釩-1鑰合金（鑄 件密度4. 30?4. 36克/立方厘米）。
[0010] 鈦合金為相當優異的高爾夫球桿頭素材，惟近年來不論厚度或外型結構，高爾夫 球桿頭都已走向了極限的設計，如：打擊面厚度由2. 5mm?3. 6mm下降至2. Imm?2. 5mm， 頂蓋厚度由I. Omm?I. 2mm下降至0. 6mm?0. 8mm ;使其高爾夫球桿頭在設計條件下，其高 爾夫球炮擊測試介于200-4000發間，相較過去的經驗值5000-14000發低很多。而若考量 一般高爾夫球炮擊測試，合格標準為在一定球速下承受3000次以上的炮擊，其性質介于合 格標準邊緣。此外，根據過去分析顯示：8-1-1鈦合金或6-4鈦合金高爾夫球桿頭，若制程 曾經存在于800-950°C之間，其顯微結構于α相/β相界面易產生界面相，而誘發微裂紋的 形成，此為高爾夫球桿頭炮擊測試介于200-4000發間變異的主要因素。
[0011] 然而，至目前為止，在高爾夫球桿頭體積大型化及多樣化的客制需求下，便有需要 開發低密度、高延展性，但仍保持原有機械強度，以提高設計裕度。
[0012] 故，有必要提供一種改良的高爾夫球桿頭及其低密度合金，以解決現有技術所存 在的問題。


【發明內容】

[0013] 有鑒于此，本發明的主要目的為提供一種高爾夫球桿頭的低密度鈦合金，其調整 鈦合金的鋁含量的比例，開發鈦89%至90%、鋁10%至11%合金（以重量百分比計）。就室 溫結構用鈦合金而言，降低鈦合金密度，主要利用添加鋁元素達到；其中當鋁當量達到9. 5 以上，Aleq=Al%+10(0+2N+C)%+0. 333Sn%+0. 166Zr%，合金于熱處理過程中易形成 DO19 的 α 2 規則相，而發生延伸率降低或脆化現象，此乃商用鈦合金主要以鈦-6鋁-4釩為主的原因之 一。目前，最新以量產的鈦合金，以鈦-8鋁-1釩-1鑰合金密度最低（4. 32?4.36克/立 方厘米）。因此，提高鋁元素含量，尤其是鑄造狀態下降低鈦合金密度，將可進一步提升高爾 夫球桿頭設計空間的功效。
[0014] 鈦合金基本相變化：非合金化的鈦于882°C時會發生同素異構變態，溫度882°C以 下為六方最密堆積結構的α相，在882°C以上為體心立方結構的β相。根據鈦合金添加 的合金元素對β/α+β轉換溫度的影響，α穩定元素主要是提高β/α+β轉換溫度，如： 鋁、氧、碳和氮，α穩定元素中以鋁最為重要，主要鋁的密度低(鋁的密度為2. 7克/立方厘 米、鈦的密度為4. 5克/立方厘米)，價錢較為低廉，同時可以增加鈦合金的抗拉強度、潛變 強度。而β穩定元素主要是降低β/α+β轉換溫度，如：釩、鑰、鉻和鐵等元素，隨著合金中 β穩定元素添加的含量越多，室溫下的β相也越多。中性元素的添加并不會對β/α+β轉 換溫度有所影響，如錫、鋯，其添加的主要作用為增加 α相的強度界面相：鈦合金于α相和 β相之間會有一不同結構的區域出現，所述區域為一具高密度差排的層狀區域（Striated Layer，SL)和一無內部結構的塊狀區域（Monolithic Layer，ML)的復合界面相，所述界面 相的存在，提供了疲勞和裂紋成長路徑。
[0015] 為解決上述問題，本發明所提出的技術手段為提供一種鑄造鈦鋁合金，其以重量 百分比計包含：鈦89?90%，鋁10?11%，鑄造狀態下（精密鑄造），密度范圍為4. 18至 4. 30克/立方厘米。同時，透過其他不可避免微量元素的控制，如：（碳+氮+氧）〈0. 2%、 硅〈0. 2%、（鉻+鐵+釩+鑰）〈0. 4%，以及適當的高溫925 ±25 °C熱處理，調整鑄件結構，以 避免介面（interfacial interphase)析出相或α2相產生，以改善合金脆性與提升合金延 伸率，又或者，于925 °C ± 25 °C進行熱均壓處理或鍛造或擠鍛，來完成材質均質化。
[0016] 上述的鑄造鈦鋁合金系以延伸率在6?15%、抗拉強度在90?110千磅/平方英 寸的鈦合金。本發明的鈦鋁合金中的鈦及鋁的含量，較現有技術6A1-4V-Ti、Ti-8-l-l高， 鋁含量的提高降低比重、增加彈性模量有明顯效果，與6A1-4V-Ti、Ti-8-l-l相比，釩或鑰 的添加量大為減少，從而降低了鈦鋁合金的制造成本，且其密度也低于同類合金，有利于高 爾夫球桿頭的大型化，并而提高其設計裕度、空間。
[0017] 另外，為達成本發明的前述目的，本發明一實施例提供一種高爾夫球桿頭，該桿頭 包含有一打擊面板、一頂部、一底部、一趾部、一跟部及一管柄，其特征在于：所述高爾夫球 桿頭至少一部分是由本發明鈦鋁合金制造而成，所述鈦鋁合金包含重量百分比平衡的鈦、 鋁10%?11%，及其他微量元素：（碳+氮+氧）〈0. 2%、硅〈0. 2%、（鉻+鐵+釩+鑰）〈0. 4%， 所述鈦鋁合金經925±25°C高溫熱處理1至4小時，其具有90?110千磅/平方英寸的抗 拉強度，及4. 18?4. 30克/立方厘米的密度。例如，該頂部、底部、趾部及跟部系由本發明 鈦鋁合金所制成，該打擊面板選擇由6-4鈦合金、SP700或其它習知之鈦合金所制成。然而， 本發明鈦鋁合金亦可使用于打擊面板。
[0018] 在本發明的一實施例中，所述熱處理時間為1小時。
[0019] 在本發明的一實施例中，所述鈦鋁合金的延伸率為6?15%。
[0020] 在本發明的一實施例中，所述高爾夫球桿頭的體積介于410至470立方厘米，在適 當配重后，其整體重量介于180至210公克。
[0021] 再者，本發明另一實施例提供另一種高爾夫球桿頭的低密度合金，其特征在于：所 述低密度合金包含：重量百分比平衡的鈦、重量百分比10%?11%的鋁，及其他微量元素： (碳+氮+氧）〈〇· 2%、硅〈0· 2%、（鉻+鐵+釩+鑰）〈0· 4%所組成，其具有90?110千磅/ 平方英寸的抗拉強度、4. 18?4. 30克/立方厘米的密度及6?15%延伸率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明實施例2經不同溫度處理1小時的硬度分布圖。
[0023] 圖2是本發明實施例2經800°C溫度處理，通過掃描式電子顯微鏡（SEM)觀察的視 圖，顯示針狀組織。
[0024] 圖3是本發明實施例2經900°C溫度處理，通過SEM觀察的視圖，顯示針狀組織，且 晶粒尺寸約30?80 μ m。
[0025] 圖4是本發明實施例2,經1000°C溫度處理，通過SEM觀察的視圖，顯示針狀組織 且晶粒尺寸大于200 μ m。
[0026] 圖5是本發明實施例2,經不同1000°C溫度，通過穿透式電子顯微鏡（TEM)觀察的 視圖，顯示針狀組織基地，其中5(a)為明視野圖、5(b)為暗視野圖、5(c)為p 軸SADP 圖、5(d)為[1123]軸 SADP 圖。
[0027] 圖6本發明實施例2,經不同KKKTC溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地相界面， 存在有FCO結構相形成，6 (a)為明視野圖、6(b)為暗視野圖、6 (c)為I； 11?0 ；]軸SADP圖、6(d) 為[I m]軸SADP圖。
[0028] 圖7本發明實施例2,經不同950°C溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地針狀組織 高密差排消失，7(a)為明視野圖、7(b)為暗視野圖、7(c)為[IliO；!軸SADP圖。
[0029] 圖8本發明實施例2,經不同900°C溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地針狀組織 高密差排消失，8(a)為明視野圖、8(b)為暗視野圖、8(c)為p 軸SADP圖。
[0030] 圖9本發明實施例2,經不同800°C溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地相，存在有 %相形成，9(a)為明視野圖、9(b)為基地暗視野圖、9(c)為Ci 2暗視野圖、9(d)為 軸SADP圖。
[0031] 圖10本發明實施例2,經不同700°C溫度，TEM觀察的視圖。顯示在基地相，存在 有％相形成，10(a)為明視野圖、10(b)為基地暗視野圖、10(c)為Ci 2暗視野圖、10(d)為
[11?)]軸 SADP 圖。

【具體實施方式】
[0032] 為讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉本發明的較 佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下：
[0033] 請參照表1所示，實施例的鈦鋁合金，其合金元素的重量百分比包含：平衡的鈦 (Ti),鋁（Al) 10?11%，密度范圍為4. 18至4.30克/立方厘米。以下分別針對各種添加合 金元素的設計比例、限制范圍說明如下：
[0034] 鋁（Al):鋁添加于鈦合金中，主要可降低合金密度，提高合金強度；鋁的添加亦可 能形成Ti 3AlUdH)與TiAlU相）金屬中間化合物，所述金屬中間化合物將使合金室溫 的韌性（延伸率）急遽下降。整體而言，當鋁含量低于10.0%時，合金密度高于4.30克/ 立方厘米（預期目標）；若鋁含量大于11.0%時，則合金延伸率低于6%(預期目標）。因此， 本發明的合金材料其鋁含量應嚴格限制在10. 〇?11. 〇%之間。
[0035] 碳（C)、氮（N)、氧（O):系合金制程中不可避免的格隙原子，考量鋁當量Al^Al% +10 (0+2N+C) %+0. 333Sn%+0. 166Zr%，且為避免Ti3Al ( α 2相）的形成，本發明的合金材料其 (碳+氮+氧）含量應嚴格限制在〇· 2%以下。
[0036] 硅（Si):娃添加于合金中，將可提高強度，惟會增加合金脆性。案，硅元素系制程 中不可避免元素。依據本發明實施例，本發明的合金材料其硅含量限制在〇. 2%以下。
[0037] 鉻（Cr)、鐵（Fe)、釩（V)、鑰（Mo):系合金制程中不可避免的過渡元素，以64鈦合 金規范而言，其不可避免的過渡元素總量〈0.4%。而且，在本發明實施例中，（鉻+鐵+釩+ 鑰）總量〈0.37%。因此，本發明的合金材料其（鉻+鐵+釩+鑰）總含量限制在0.4%以 下。
[0038] 表1實施例與商用鈦鋁合金鑄造性質表
[0039]

【權利要求】
1. 一種高爾夫球桿頭，其特征在于：所述高爾夫球桿頭之至少一部分是由鈦鋁合金制 造而成，所述鈦鋁合金以重量百分比計包含： 重量百分比平衡的鈦、鋁10%?11%，及微量元素：（碳+氮+氧）〈〇. 2%、硅〈0. 2%、（鉻 +鐵+釩+鑰）〈0. 4%，所述鈦鋁合金經925±25°C高溫熱處理1至4小時，其具有90?110 千磅/平方英寸的抗拉強度，及4. 18?4. 30克/立方厘米的密度。
2. 如權利要求1所述的高爾夫球桿頭，其特征在于：所述熱處理為進行熱均壓處理或 鍛造或擠鍛。
3. 如權利要求1所述的高爾夫球桿頭，其特征在于：所述熱處理時間為1小時。
4. 如權利要求1所述的高爾夫球桿頭，其特征在于：所述鈦鋁合金的延伸率為6? 15%。
5. 如權利要求1所述的高爾夫球桿頭，其特征在于：所述高爾夫球桿頭的體積介于410 至470立方厘米，及其重量介于180至210公克。
6. -種高爾夫球桿頭的低密度合金，其特征在于：所述低密度合金以重量百分比計包 含： 重量百分比平衡的鈦、重量百分比10%?11%的鋁，及微量元素：（碳+氮+氧）〈〇. 2%、 硅〈0. 2%、（鉻+鐵+釩+鑰）〈0. 4%所組成，其具有90?110千磅/平方英寸的抗拉強度、 4. 18?4. 30克/立方厘米的密度及6?15%延伸率。
【文檔編號】A63B102/32GK104436578SQ201310422754
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】常傳賢, 蘇瑞明, 趙志燁 申請人:大田精密工業股份有限公司