高爾夫球桿面用鈦合金的制作方法
【專利摘要】提供一種具有高的楊氏模量以及強度-延展性平衡的α+β型鈦合金來作為1號木桿、鐵頭球桿等的高爾夫球桿桿面用坯料。一種高爾夫球桿面用鈦合金，其特征在于，以質(zhì)量％計，包含4.7～5.5％的Al、0.5～1.4％的Fe、0.03％以下的N、以及由式(1)計算的氧當(dāng)量[O]eq為0.25～0.34％的O，余量包含Ti以及雜質(zhì)；具有高強度、高楊氏模量。通過添加固溶強化α相的Al、O、N，并且作為β穩(wěn)定化元素選擇廉價的Fe，且適當(dāng)限制這些元素的添加量，不依賴于冷加工強化或者時效強化熱處理而能夠兼?zhèn)涓叩膹姸?、和滿足反彈系數(shù)規(guī)制的高的楊氏模量，同時斷裂伸長率也大大地良好，顯示出高的強度-延展性平衡。[O]eq＝[O]+2.77[N]···式(1)。
【專利說明】高爾夫球桿面用鈦合金

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及以I號木桿(driver)為主的高爾夫球桿的桿面用坯料所使用的鈦合金。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來,伴隨著高爾夫球桿不能具有彈簧效應(yīng)(Spring Like Effect = SLE)這一反彈系數(shù)規(guī)制(SLE規(guī)則)被導(dǎo)入，用于高爾夫球桿面用途的鈦合金坯料的種類大大變化。在實行反彈系數(shù)(恢復(fù)系數(shù))規(guī)制之前，低的楊氏模量(Young’s modulus)、能容易地得到高的反彈性能、高強度且耐久性優(yōu)異的、以T1-15% V-3% Cr-3% Sn-3% Al合金為主的β型鈦合金是主流。但是，伴隨著反彈系數(shù)規(guī)制的導(dǎo)入，為了使用低楊氏模量的β型鈦合金，并降低反彈系數(shù)來滿足規(guī)制，只有增厚桿面板厚來提高桿面的剛性的方法。當(dāng)使用該方法時，在將大量含有V、Mo等的高價格的合金元素的β型鈦合金應(yīng)用于桿面坯料的情況下，成本提高不能避免。而且，β型鈦合金，與其他的鈦合金相比，比重也大，伴隨著增厚板厚，桿面變重。這樣一來，桿面使用β型鈦合金的高爾夫球桿頭的容積被限制，擊打球時的甜蜜點(sweet-spot)相對地變小，因此也存在對于使用者來說難以使用的問題。由于這樣的理由，β型鈦合金開始變得不是高爾夫球桿面用坯料的主流。
[0003]與β型鈦合金相比，楊氏模量高的α+β型鈦合金，作為I號木桿桿面用坯料現(xiàn)在正成為主流。通過使用楊氏模量高的α+β型鈦合金，即使減薄桿面，反彈系數(shù)也難以變高，與β型鈦合金相比，通過(符合)反彈系數(shù)規(guī)制的板厚自由度提高。另外，與β型鈦合金相比，比重小，即使是相同的質(zhì)量，也能夠增大球桿頭的容量。而且，與β型合金相比，高價格的合金元素的含量低，因此坯料成本也低，有上述這些的很多的優(yōu)點。作為該α+β型鈦合金，T1-6% Al-4% V為代表性的合金，但除此之外，還可使用例如T1-5% Al-1 % Fe、T1-4.5% Al-3% V-2% Fe-2% Mo、Ti_4.5% Al-2% Mo-1.6% V-0.5% Fe-0.3% S1-0.03%C、T1-6 % Al-6 % V-2 % Sn、Ti_6 % Al-2 % Sn-4 % Zr-6 % Mo、Ti_8 % Al-1 % Mo-1 % V、T1-6% Al-1% Fe 等。
[0004]如果使用這些合金，則即使使桿面厚度比β型鈦合金制桿面薄，也滿足反彈系數(shù)規(guī)制，并且通過使用適當(dāng)?shù)膹姸?延展性范圍的鈦合金，也能夠?qū)Ω郀柗蚯驐U面賦予所需要的耐久性。即使減薄桿面厚度也要求高耐久性的高級的高爾夫球桿的情況下，改變桿面形狀和/或結(jié)構(gòu)能夠控制反彈性能的圓棒制品等，優(yōu)選具有120GPa以上的楊氏模量、950MPa以上的抗拉強度、15%以上的斷裂伸長率。在桿面成形加工時加工度少的薄板制品等，優(yōu)先在板面內(nèi)的一個方向具有135GPa以上的楊氏模量、IlOOMPa以上的抗拉強度、7%以上的斷裂伸長率。在這些情況下，關(guān)于楊氏模量，為了通過反彈系數(shù)規(guī)制，而且，關(guān)于抗拉強度和延展性，為了得到良好的耐久性，優(yōu)先滿足上述的值。但是，一般地，α+β型合金，加工性并不良好，即使減薄板厚也具有高耐久性、并滿足反彈系數(shù)規(guī)制的高強度、高楊氏模量、和良好的熱加工性兼?zhèn)涞摩?β型合金受限。
[0005]例如，作為最通用的α+β型合金的T1-6% Al-4% V合金，作為桿面坯料具有充分的強度、楊氏模量，作為高爾夫球桿面用合金已經(jīng)被廣泛使用。但是，該合金含有6%的在高溫下顯示固溶強化能力、使熱加工時的變形阻力增大的Al，存在熱加工性不好的問題，另外，含有4%的聞價格的β相穩(wěn)定化兀素V,存在還料成本比較聞的問題。
[0006]專利文獻I提出了一種與T1-6% Al-4% V合金同樣地具有高的比強度、且低成本的合金。該合金是通過作為β穩(wěn)定化元素將V和Mo等的高價格、比重重的元素置換為廉價、β穩(wěn)定化能力高的Fe，以及較多地添加比重輕的α相穩(wěn)定化元素Al，來謀取高比強度且低成本的α+β型合金。但是，該合金含有5.5~7%的Al，具有難以熱加工的難點。特別是要降低朝向桿面坯料的加工成本的話，希望以只通過輕的壓制成形和研磨工序就能夠加工成桿面形狀的板制品來供給，但該合金由于高的熱變形阻力，難以造形成為板制品。特別是在熱軋時，該合金的合適的熱軋溫度范圍狹窄，若溫度比其稍微降低，就容易發(fā)生裂邊，存在成品合格率低的問題。
[0007]專利文獻2中提出了一種保護高強度且低反彈鈦合金桿面的高爾夫球桿頭。在構(gòu)成桿面的鈦合金中，規(guī)定了 Al以及Fe的含量，由此得到高的楊氏模量和抗拉強度。專利文獻2中沒有記載該合金的具體的制造方法，但要在權(quán)利要求書中所示的在Al以及Fe中含有不可避免的雜質(zhì)的合金組成下得到權(quán)利要求所記載的1200~1600MPa的抗拉強度的話，制造方法相當(dāng)?shù)乇幌薅?。即，熱軋、鍛造等的熱加工態(tài)的合金、或者采用在熱加工或者冷加工后進行退火處理的方法得到的合金，不能得到這樣的強度。進而在對熱或冷加工品進行了時效熱處理的情況下也不能夠得到該強度范圍的制品。唯一只在冷加工到非常高的加工率的情況下具有得到的可能性。但是，在該情況下，雖能得到高強度，但塑韌性顯著降低。在使用那樣的狀態(tài)的桿面的高爾夫球桿中，若桿面一旦發(fā)生疲勞龜裂，則不能夠抑制其擴展。這樣，存在不能確保近來對高爾夫球桿面所要求的高耐久性的問題。
[0008]另外，專利文獻 3中提出了一種在包含焊接區(qū)的高爾夫球桿頭中熱影響區(qū)的耐久性高、通過熱處理能夠調(diào)整楊氏模量以及強度的桿面用鈦合金。其特征在于:通過適量添加Al、Fe、O、N來調(diào)整強度并使熱影響區(qū)的疲勞特性提高，并且通過控制時效強化熱處理等的熱處理條件來控制楊氏模量。但是，在專利文獻3提出專利申請后，反彈系數(shù)規(guī)制(SLE規(guī)貝U )被施行，變得只需求楊氏模量高的合金，在專利文獻3的權(quán)利要求書中記載的合金組成以及熱處理條件下，存在也有得不到滿足反彈系數(shù)規(guī)制的高楊氏模量的情況的問題。
[0009]在先技術(shù)文獻
[0010]專利文獻
[0011]專利文獻1:特開2004-10963號公報
[0012]專利文獻2:特開2006-212092號公報
[0013]專利文獻3:特開2005-220388號公報
[0014]專利文獻4:特開2008-106317號公報
[0015]專利文獻5:特開2008-133531號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是，解決上述課題，提供具有高的楊氏模量以及強度-延展性平衡的α + β型鈦合金。
[0017]發(fā)明人發(fā)現(xiàn):當(dāng)通過添加固溶強化α相的Al、O、N，并且作為β穩(wěn)定化元素選擇廉價的Fe，且適當(dāng)限制這些元素的添加量，來使室溫下的β相分?jǐn)?shù)降低時，不依賴于冷加工強化或者時效強化熱處理就能夠兼?zhèn)涓叩膹姸?、和滿足反彈系數(shù)規(guī)制的高的楊氏模量。同時發(fā)現(xiàn)，斷裂伸長率也大大地良好，顯示高的強度-延展性平衡，得到高的耐久性。另外，該α+β型合金，比重也輕，是最適于高爾夫球桿面用途的坯料。而且，與以T1-6% Al-4%V合金為主的其他的α+β型合金相比，將使熱加工性降低的Al的含量限制為較低，因此熱軋時的軋制負(fù)荷低，熱軋時難以發(fā)生傷痕和裂邊。因此，具有下述優(yōu)點:朝向包括薄板在內(nèi)的所有形狀的制品的制造性良好。
[0018]本發(fā)明是基于上述見解而完成的，將以下的內(nèi)容作為要點。
[0019]—種高爾夫球桿面用鈦合金,其特征在于，以質(zhì)量％計，包含4.7~5.5%的Al、0.5~1.4%的Fe、0.03%以下的N、以及由式(I)計算的[0]eq(氧當(dāng)量)滿足0.25~
0.34%的0，余量包含Ti以及不可避免的雜質(zhì)；具有高強度、高楊氏模量。
[0020][0]eq = [O]+2.77 [N]..?式(I)
[0021]在此，[O]為氧濃度(質(zhì)量％ )，[N]為氮濃度(質(zhì)量％ )。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供以具有高的強度-延展性平衡以及楊氏模量為特點的高爾夫球桿面用α+β型鈦合金。

【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明人為了解決上述課題而詳細(xì)調(diào)查成分元素以及制造方法對鈦合金的材質(zhì)特性造成的影響的結(jié)果，發(fā)現(xiàn):通過控制Fe、Al、0、N添加量，能夠制造具備對即使薄壁化也要求高耐久性的高級的高爾夫球桿面用坯料所要求的高的強度-延展性平衡、和高的楊氏模量，并具有良好的熱加工性的α+β型鈦合金。特別是發(fā)現(xiàn):通過將固溶于α相而具有強化的作用的O和N的添加量用[0]eq式規(guī)定為合適的范圍，能夠不降低延展性而確保作為高端的高爾夫球桿面所要求的高的強度和楊氏模量。進而，以Al為主、添加O、N來復(fù)合強化α相的本發(fā)明合金，在制造板制品的情況下，通過單向熱軋或冷軋，造成材質(zhì)各向異性的織構(gòu)顯著發(fā)達(dá)，產(chǎn)生作為與軋制方向垂直的方向的板寬度方向的楊氏模量以及強度比軋制方向增大的材質(zhì)各向異性。
[0024]在高爾夫球桿面中，楊氏模量和抗拉強度如果在高爾夫球桿面的縱向?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)值即充分。因此，只要在板的至少一個方向?qū)崿F(xiàn)楊氏模量和抗拉強度即可。而且，在薄板制品中，通過進行單向軋制，對于軋制寬度方向，關(guān)于楊氏模量和抗拉強度能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)。即，如果將高爾夫球桿面的縱向取為上述板寬度方向，則能夠得到高爾夫球桿面所需要的在一個方向(高爾夫球桿面的縱向)上的高的楊氏模量和抗拉強度。
[0025]本發(fā)明是基于以上的見解完成的。以下示出選擇本發(fā)明所示的各種添加元素的理由、和限定其添加量范圍的理由。
[0026] Fe是β相穩(wěn)定化元素之中廉價的添加元素，具有強化β相的作用。并且，由于β穩(wěn)定化能力高，因此具有即使是比較低的添加量也能夠?qū)ⅵ孪喾€(wěn)定化的特性。要得到作為高爾夫球桿面所需要的強度的話，需要添加0.5%以上的Fe。另一方面，F(xiàn)e在Ti中容易凝固偏析，另外，若大量地添加，則與α相相比楊氏模量低的β相的體積分?jǐn)?shù)增加，因此塊體(bulk)的楊氏模量降低，圓棒制品的楊氏模量變得低于120GPa，薄板制品的在板面內(nèi)的一個方向上楊氏模量變得低于135GPa，作為高爾夫球桿面通過反彈系數(shù)規(guī)制變得困難。考慮到這些影響，將Fe的添加量的上限設(shè)為1.4%。再者，為了在重視強度特性的同時，切實地通過楊氏模量降低所導(dǎo)致的反彈系數(shù)規(guī)制，作為Fe添加量的下限優(yōu)選為0.7%、上限優(yōu)選為1.2%。
[0027]Al是鈦α相的穩(wěn)定化元素，是具有高的固溶強化能力且廉價的添加元素。為了通過與后述的O、N的復(fù)合添加，得到作為高級的高爾夫球桿面能夠確保耐久性的必需的強度水平、即圓棒制品抗拉強度為950MPa以上、薄板制品在板面內(nèi)的一個方向上抗拉強度為IlOOMPa以上，將添加量的下限設(shè)為4.7%。另一方面，若超過5.5%地添加Al，則變形阻力過于變高，延展性降低，作為高爾夫球桿面在耐久性上不能達(dá)成必需的延展性，并且，因熱變形阻力增大而造成熱加工性的降低。因此，Al的添加量需要設(shè)為5.5%以下。
[0028]O以及N，都在α相中間隙固溶，在室溫附近的溫度下具有固溶強化α相的作用。通過與Al的復(fù)合添加，能夠達(dá)成高強度以及高楊氏模量。其另一方面，與Al不同，不使熱變形阻力上升，因此通過添加0、Ν，能夠抑制Al添加量。如專利文獻3~5所記載的那樣，從O和N對Ti造成的強化機制的類似性來看，O以及N對室溫下的強度的作用能夠由上述式(I)所示的[O] eq—義地表示。當(dāng)添加[O] eq低于0.25%的0、N時,不能穩(wěn)定地得到:作為高級的高爾夫球桿面顯示充分的耐久性的、圓棒制品抗拉強度為950MPa以上、薄板制品在板面內(nèi)的一個方向上抗拉強度為IlOOMPa以上的強度。另外，當(dāng)添加[O] eq超過0.34%的范圍的O、N時，強度過于變高，延展性降低，在薄板制品的板面內(nèi)的一個方向上，斷裂伸長率不能確保7%。因此，由式(I)表示的[0]eq的下限設(shè)為0.25%、上限設(shè)為0.34%。
[0029]在板制品的情況下，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明中規(guī)定的化學(xué)成分范圍內(nèi)的鈦合金的單向熱軋材或冷軋材的板寬度方向的楊氏模量E，在上述[0]eq的范圍內(nèi)按照式(2)與[0]eq成比例而增加。這是因為通過α相穩(wěn)定化元素的增加，使楊氏模量降低的β相減少的緣故。通過在本發(fā)明的[0]eq的范圍添加0、Ν，板寬度方向的楊氏模量能夠得到140GPa左右的值。
[0030]E = 41.2[0]eq+130.2..?式(2)
[0031]關(guān)于N添加量，當(dāng)采用使用含有高濃度的N的海綿鈦的通常的方法來添加超過
0.030%的N時，容易生成被稱為LDI (低密度夾雜物:Low de nsity Inclus1n)的未熔夾雜物，制品的合格率變低，因此將0.030%作為上限。
[0032]圓棒和厚板等向桿面形狀的成形加工時伴有比較大的加工度，通過控制桿面形狀能夠?qū)⒎磸椣禂?shù)抑制為較低的情況下，通過具有上述成分范圍，能夠得到具有優(yōu)異的特性的高爾夫球桿面。具有上述成分范圍的本發(fā)明的鈦合金，也具備比較良好的可加工性，因此適合作為桿面坯料。
[0033]另一方面，在制造在向桿面形狀的成形加工中只進行輕度的加工，通過桿面形狀將反彈系數(shù)抑制為較低的余地少的薄板制品的情況下，若使被稱為Transverse-texture (橫向織構(gòu))的織構(gòu)發(fā)達(dá)，則板寬度方向的抗拉強度以及楊氏模量變高，作為高爾夫球桿面用坯料是優(yōu)選的。若將Al、Fe、O限制在本發(fā)明的成分范圍，且加熱至β單相區(qū)、或β相變點稍下方的α+β 2相區(qū)溫度進行單向熱軋、或者進而在與熱軋方向相同的方向進行單向冷軋后在通常所使用的合適的條件下退火，則Transverse-texture容易發(fā)達(dá)，板寬度方向的強度和楊氏模量變高，因此能夠制造最適合作為桿面用坯料的薄板制品。
[0034]制造該薄板坯料時，從熱軋或者冷軋開始到結(jié)束，一貫地只在一個方向上進行軋制的理由是為了高效率地獲得能得到本發(fā)明作為目標(biāo)的、與材質(zhì)各向異性相伴的板寬度方向的高的楊氏模量的Transverse-texture。這樣,通過將具有高的楊氏模量和強度_延展性平衡的該鈦合金薄板的板寬度方向配置為高爾夫球桿面的縱向或與之接近的方向，能夠制造與反彈系數(shù)規(guī)制對應(yīng)、并且具備高的耐久性的桿面。
[0035]實施例
[0036]〈實施例1>
[0037]采用真空電弧熔煉法熔煉具有表1所示的組成的鈦材，對其進行熱鍛造，制成為直徑10mm的還。將該還加熱至950°C后,通過熱軋制造了 Φ18_的圓棒。對該圓棒進行800°C、2h的退火后，制取平均直徑6_的JIS14號拉伸試件，調(diào)查了拉伸特性。另外，利用激光三維粗糙度計，作為從熱軋傷痕開口部的表面起算的深度，測定了熱軋傷痕的深度(〇:最大傷痕深度< 0.5mm、X:最大傷痕深度> 0.5mm)。為了作為高級的高爾夫球桿面用圓棒坯料得到良好的耐久性，需要抗拉強度為950MPa左右以上、并且斷裂伸長率為15%以上。另外，需要楊氏模量為120GPa以上。這些測定的結(jié)果也一并示于表1中。
[0038]表1
[0039]

【權(quán)利要求】
1.一種高爾夫球桿面用鈦合金，其特征在于，以質(zhì)量％計，包含4.7~5.5%的Al、.0.5~1.4%的？6、0.03%以下的N、以及由式(I)計算的氧當(dāng)量[0]eq滿足0.25~0.34%的O，余量包含Ti以及不可避免的雜質(zhì)；具有高強度、高楊氏模量，
[0]eq = [O]+2.77[N]..?式(I), 在此，[O]為氧濃度 ，[N]為氮濃度，兩者的單位均為質(zhì)量％。
【文檔編號】C22C14/00GK104136639SQ201280070564
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月24日
【發(fā)明者】川上哲, 高橋一浩, 藤井秀樹 申請人:新日鐵住金株式會社