專利名稱：高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵合金，特別是涉及一種用于高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金。
背景技術：
高爾夫球桿依用途主要分為木桿、鐵桿，以及推桿，其中，木桿主要用于開球，以打得遠、打得直且擊球失誤率低為需求。因此，木桿的桿頭基本上朝大型化發展，以擴大有效擊球區與輕量化。由于鈦合金具有高比強度及低比重的特性，可讓桿頭的甜密區較大，并保持方向的穩定性，所以為木桿桿頭常用的材料；此外，還有例如用于球道上長距離擊打的球道木桿，其桿頭的體積則較小，一般則以不銹鋼材質為多。推桿則使用在果嶺上推球入洞，主要以控制球的方向為主，所以桿頭設計時以平衡、重心、瞄準與造型美為首要，且須維持球頭與中管桿配合而在打擊時不致令球旋轉。一般推桿桿頭在制造上以精密鑄造為主，近年來更發展出直接使用計算機數值控制(CNC)系統來加工成型，以維持設計重心的位置及保持均勻性。鐵桿用于擊球到果嶺或預定地點，必須打得準并穩定掌握擊球的飛行距離，桿頭材質主要以不銹鋼為主，外觀造型也較趨向擴大甜密區發展，所以新材質、新結構與復合材料及具吸振效果的產品開發為其重要發展方向。此外，鐵桿也包括砂坑桿或挖起桿，此類鐵桿的桿頭通常具較大的傾斜角，擊球曲度較高，強調逆旋轉速度(backspin)，所以通常是呈上薄下厚的實心板塊狀。大致來說，鐵桿桿頭構造上主要包含桿頭本體、打擊面板及配重塊等構件，可選擇由相同合金材料一體成型制成，或由不同的合金材料分別制成后，再加以組裝制成；而合金的制造一般是用精密脫蠟鑄造法與鍛造加工法兩種工藝方法制作的，另外也有采用表面鍍層或鑲板加工制作的，整體而言，鍛造加工法或鑲板加工的制程成本相對較精密脫蠟鑄造法來的高。由于鐵桿主要是用 以將球擊至目標點，所以必須兼具長距離打擊及打擊準確性等特點。因此，就鐵桿桿頭而言，必須在限定的重量限制下，以較佳的耐蝕材料尋求適當機械強度、高比強度(機械強度與密度比值)，或形狀的設計態樣。早期，鐵桿桿頭使用304不銹鋼為構成材料，依不同加工或熱處理制程使桿頭具有40-60%延伸率，并獲得較佳的擊球感，只是用304不銹鋼為材料制作的桿頭降伏強度僅200-280MPa、抗拉強度僅480_550MPa，使用過程易發生變形，而使擊球角度發生變化；所以接著發展出用鍛造軟鐵(S25C)作為鐵桿桿頭材料，用鍛造軟鐵制作的鐵桿桿頭具備20-35%的延伸率、降伏強度270-350MPa、抗拉強度480_550MPa，而普遍被職業選手認定是目前較為優異的選擇，但因為軟鐵容易生銹，所以還必須在其合金表面進行電鍍處理，而有制程繁復的缺點。另外，就桿頭設計與價格而言，也常使用高強度的馬氏體(martensite)不銹鋼，如431，或是沉淀硬化型不銹鋼，如17-4，作為桿頭材料，只是馬氏體不銹鋼使用溫度約650-800°C的退火處理時，雖然可獲得20%左右的延伸率的改善，卻會失去馬氏體型材料應有的強度，而沉淀硬化型不銹鋼則必須多施予退火處理，或是再配合施予固溶處理與時效析出處理，因此制程上也是較為繁復。
整體而言，在固定重量的限制、與抗蝕性、機械強度的需求下，目前較佳的高爾夫球鐵桿的桿頭材質應具備以下三項條件:1.具備550±30MPa的抗拉強度，且越高越好。2.具備20±5%的延伸率，且越高越好。3.通過35±3°C、48_72小時的5%氯化鈉(NaCl)環境測試(鹽霧試驗)。因此，近期在鑄造型高爾夫鐵桿頭材質的研究上也多有發展，如圖1、圖2、圖3所示，詳列出目前常用的合金材料的特性，及其合金元素的比例、熱處理條件，并大略可歸納為四大類，其中，第一類是高延伸率(35-45%)的合金，包括304、N60、與中國臺灣專利第524703號等等，特點在于此類合金強度介于550-970MPa、材質較軟，容易調整桿身角度(±2度)，打擊感佳，以及具備較佳的車削加工特性；而此類的發展是以朝向圖4中所示A區靠近為佳，在具有高延伸率的條件下進而改善合金強度，例如中國臺灣專利第142666、166510號、美國專利第6，617，050就是以高延伸率(35-78% )為發明主軸、而以鐵鋁錳合金為基礎發展來制得較高延伸率的合金來做為高爾夫鐵桿頭。第二類是非不銹鋼系列，包括碳鋼與低合金鋼，分布于圖4中斜線L的左方；其特點是鑄造性良好、材質較軟與易車削加工，容易調整桿身角度(±2度)，打擊感佳，因此是目前常使用的高爾夫鐵桿頭的材料，但因為容易生銹而必須另外進行表面處理增加桿頭的抗蝕性。第三類是硬化型不銹鋼，強度較高而能特別用于鐵桿頭的打擊面、不易變形，目前常見的有較高強度的AM355與450，可用于桿頭的打擊面，以及強度較低的255與A168，其延伸率18-22%左右、較易加工。而此類的發展是以朝向圖4中所示B區靠近為佳，在具有高強度的條件下進而改善合金的延伸率，例如目前最新開發與使用的15-5不銹鋼，就是與傳統17-4沉淀硬化型不銹鋼相近并朝B區范圍發展研究得到。第四類是馬氏體系列不銹鋼`，典型合金為431，其主要特征為不生銹與價格便宜，通常施予退火軟化后應用，其缺點便是原本具高硬度特性的馬氏體結構經退火后抗拉強度大幅減低。因此，目前很多以馬氏體結構為基礎而朝圖4中所示C區靠近研發出高強度、適用于高爾夫鐵桿頭的合金材料。例如中國臺灣專利第200630141號、中國專利CN18331179、日本JPA 2006255016所揭露借由適當的碳、硅、錳、銅、鎳、鉻、鑰及氮等元素重量比例而鑄造出以馬氏體結構為主的合金后，再施以特定溫度、時間的固溶處理(solutiontreatment)、深冷處理(sub-zero treatment),以及時效處理(aging treatment)等程序后制作而成一種高強度的高爾夫鐵桿頭用的合金材料；還有例如中國臺灣專利第347415號所揭露的以一定比例的碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鑰、鎳、鈮、釩，其余為鐵基材鑄造合金后進行加熱至淬火溫度1000-1050°C后冷卻至常溫，再經二次回火570°C _590°C后空冷等熱制程而制得高強度、耐酸蝕的高爾夫鐵桿頭用的合金材料；另外，還有如日本專利第5-290346號所揭露的，利用馬氏體基體為基礎結構并配合高含量鑰化鈷(MoCo)析出強化，達到高強度的目的。綜合上述，目前高爾夫鐵桿桿頭的發展主要是朝向兼具強度與延伸率，且耐抗蝕的合金，但，現在的制程必須在合金鑄造以后還需進行如回火、時效處理、析出處理…等作業程序以得到所需的抗拉強度、延伸率、抗腐蝕性的鐵桿桿頭特性，且升降溫處理過程的控制也較為繁復，而使得整體制程時間拉長、效率較低。

發明內容
本發明的目的在于提供一種程序簡化、機械強度佳的高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金。本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金包含13.5-14.5w.t.%的鉻(Cr)、3.5-4.8w.t.% 的鎳(Ni)、0.02-0.15w.t.% 的碳(C)、0.02-0.15w.t.% 的鈦(Ti)、0.02-0.15w.t.%的氮(N)、0.02-0.25w.t.% 的鋁(Al)、0.2-1.2w.t.% 的錳(Mn)、0.2-1.2w.t.% 的硅(Si)、平衡量的鐵(Fe)，以及其它于合金材料鑄造過程中不可避免產生的雜質。本發明的目的及解決技術問題還采用以下技術手段進一步實現。較佳的，該鐵鉻鎳合金還包含銅(Cu) 1.5-3.0w.t.%。較佳的，該鐵鉻鎳合金于鑄造后還用950-1100的溫度進行高溫正常化(Normalizing)處理 1-8 小時。較佳的，該鐵鉻鎳合金具有回火馬氏體組織基體的顯微結構特征，并包含微量的氮化鋁(AlN)與碳化鈦(TiCx)的穩定相。較佳的，該鐵鉻鎳合金具備1200_1300MPa的抗拉強度，還具備1120_1210Mpa的降伏強度，及具備18-27%的延伸率。特別補充的是，過去數十年來，鐵鉻鎳合金鋼系列受到廣泛的研究與討論，研究顯示經由不同的合金設計能使鐵鉻鎳合金鋼分別具有高強度、高韌性、耐低溫、耐高溫及耐磨耗等特性，基本分 類大致如下五類。第一種是奧氏體(Austenite)系合金鋼，其顯微結構為面心立方結構，基本成分為:16-26w.t.%鉻、8-25w.t.%鎳、0_6w.t.%鑰及0.08w.t.%以下的碳。其典型的機械性質是抗拉強度400-650MPa，降伏強度200_450MPa，延伸率35-65%。第二種是鐵素體(Ferrite)系合金鋼，其顯微結構為體心立方結構，基本成分為:12-19w.t.%鉻、0_5w.t.%鎳、5w.t.%以下鑰及0.25w.t.%以下碳。其典型的機械性質是抗拉強度400-750MPa，降伏強度300_550MPa，延伸率20-30%。第三種是鐵素體-奧氏體系合金鋼:其顯微結構為面心立方加上(20% -50% )體心立方的雙相結構，基本成分為:18-27w.t.%鉻、4-7w.t.%鎳、l-4w.t.%以下的鑰及
0.05w.t.%以下的碳；其典型的機械性質是抗拉強度680-850MPa，降伏強度300_600MPa，延伸率25-40%。第四種是馬氏體(martensite)系合金鋼，其顯微結構為馬氏體結構，基本成分為:ll-18w.t.%鉻、0-2w.t.%鎳、2w.t.%以下的鑰及0.20w.t.%以下的碳；其典型的機械性質是抗拉強度1020-1420MPa，降伏強度950_1250MPa，延伸率10-15%。第五種是馬氏體-奧氏體系合金鋼，其顯微結構為馬氏體加上-奧氏體(0% -20% )的雙相結構，基本成分為:12-18w.t.%鉻、4-6w.t.%鎳、l_2wt %以下的鑰及
0.10被％以下的碳；其典型的機械性質是抗拉強度820-1300MPa，降伏強度690_980MPa，延伸率 15-20% ο而本發明即針對第四種馬氏體(martensite)系合金鋼為基礎，進而研究發展出具有較優異的機械強度表現，且適合量產的鐵鉻鎳合金。另外補充的是，在此還針對本發明所述高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金中所添加的其他元素的比例范圍與其影響一一說明如下。
鉻:用以增加鐵鉻鎳合金對于腐蝕及氧化的抵抗性，且有助于形成體心立方(body-centered cubic, BCC)鐵素體的穩定相，或馬氏體組織；鉻含量較少時,易形成馬氏體組織結構，抗蝕特性較低，而鉻含量較多時，易形成鐵素體組織，不利合金強度。在本發明的高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金中，當鉻含量低于13w.t.%時，將使得整體合金抗銹腐蝕能力偏低，尤其存在有鑄造縮孔時，易發生銹斑。而當鉻含量大于15w.t.%，將提高合金鑄造時的偏析量且原料成本偏高。因此，本發明的高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的鉻含量應控制在
13.5-14.5w.t.%之間，可獲得較好的鑄造特性與材料機械性質。鎳:用以增加鐵鉻鎳合金對于腐蝕及氧化的抵抗性，同時，也有穩定奧氏體組織結構或延遲珠光體(pearlite)的生成。在本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金中，當鎳含量低于3.0w.t.%，將使鐵鉻鎳合金鑄件因含鉻量相對提高而傾向形成鐵素體組織，使其強度偏低。當鎳含量大于5.5wt%時,將使該鐵鉻鎳合金的奧氏體相穩定,而使機械強度低于預定數值。因此，為使鐵鉻鎳合金于生產過程中容易控制顯微結構，以展現優化高爾夫球鐵桿頭性能，本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的鎳含量應控制在3.5-4.8w.之間。碳:碳基本上為一般鋼鐵材料不可或缺的元素，除了形成碳化物外，也是奧氏體的穩定相元素。在本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金中，當碳含量過高時，將不利鐵鉻鎳合金的耐蝕性，因此，為使鐵鉻鎳合金具備高溫穩定相的顯微結構，以及避免碳化物析出影響焊接性與抗蝕性，本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金添加0.02-0.15w.t%的碳，而在經過高溫正常化處理之后，與鈦形成TiCx的穩定相，將有助于展現優化高爾夫鐵桿桿頭的性能。鈦:在鐵鉻鎳合金內可借由鈦合金元素的添加細化晶粒和降低合金的過熱敏感性及回火脆性，并具有抵抗大氣腐蝕的性能。在本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金中添加鈦合金元素最主要是為使合金在鑄造、及高溫正常化處理后，和碳形成TiCx穩定相以達到較好的機械性質，而無需再 進行時效處理。但是，當鈦含量大于0.2w.t%、特別是超過0.5w.t%時，將會造成碳化鈦粗大與偏聚現象，大幅影響鐵鉻鎳合金的延展性和韌性。因此，本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金中，控制鈦的含量比例在0.02-0.15w.t%，借此達到更好的材料性質。鋁、氮:在鑄造后經過高溫正常化處理過，微量的鋁和氮易形成AlN高溫穩定相，將有助于提升整體合金的機械性質，而無需再進行時效處理。然而，其氮的添加不可超過
0.15w.t.%，否則在鑄造過程中易產生氣孔，而鋁的添加若超過0.5w.t.%、特別是超過
1.0w.t.%，則鑄造過程中易產生氧化鋁渣，將都會導致鑄件質量不良。因此，本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金分別添加0.02-0.25w.t.%的鋁，以及0.02-0.15w.t.%的氮以形成AlN的高溫穩定相與部份鋁元素固溶強化，使其具有優化高爾夫球鐵桿頭強度以及最佳延伸率。硅、錳:硅與錳基本上為一般鋼鐵材料不可或缺的元素，在鐵鉻鎳合金內摻雜或添加硅時，有利于防止氣孔形成、增進收縮作用及增加鋼液流動性。錳通常與鐵共存，由于錳容易與硫結合，所以可消除硫對于鐵鉻鎳合金所造成的熱脆性有害影響。再者，錳能去除鐵鉻鎳合金中的氧化物。此外，猛也可穩定面心立方(Face-Centered Cubic, FCC)結構的馬氏體相。因此，本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金分別添加0.2-1.2w.t.%的硅與錳，將有助于展現優化高爾夫球鐵桿頭性能。銅:添加銅有利于使鐵鉻鎳合金具有抵抗大氣腐蝕的性能，并能提高強度及韌性。但是，當銅含量大于3.5w.t.%時，將會使鐵鉻鎳合金變脆，并降低延展性。因此，本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金若能控制或添加1.5-3.0w.t.%的銅，將有助于提升耐蝕性與機械性質。本發明的有益效果在于:借由適當合金成分比例的控制，并搭配高溫正常化處理使得合金鑄件維持有馬氏體的顯微組織與微量元素的配合而兼具一定的強度與韌性；加上本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金在經適當的合金鑄造后，只要進行高溫正常化處理，無需再經任何時效處理、析出處理，即具備優秀的機械性質，與大氣抗腐蝕特性，而又兼具控制合金制程成本的功效。


圖1是一表格，說明目前常用的高爾夫鐵桿的桿頭的機械性質；圖2是一表格，說明目前常用的高爾夫鐵桿的桿頭材料成分；圖3是一表格，說明目前常用的高爾夫鐵桿的桿頭熱處理條件；圖4是一 XY散布圖，說明本發明與目前常用的高爾夫鐵桿的桿頭材料與機械性質分布；圖5是一掃描式電子顯微鏡圖，說明本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的實施例2 ；圖6是一掃描式電子顯微鏡圖，說明本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的實施例2 ；

圖7是一掃描式電子顯微鏡圖，說明本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的比較例2 ；圖8是一掃描式電子顯微鏡圖，說明本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的比較例I ;圖9是一 X光繞射圖，說明本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的實施例2 ；圖10是一 X光繞射圖，說明本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的比較例2。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明。本發明公開一種經過鑄造而制作出的鐵鉻鎳合金，其主要包含鐵(Fe)、鉻(Cr)及鎳(Ni)，并摻雜微量比例的猛(Mn)、硅(Si)、銅(Cu)、氮(N)、招(Al)、碳(C)以及鈦(Ti)等元素，而令鑄造而出的鐵鉻鎳合金屬于馬氏體的顯微結構、具有良好的機械性質。試樣制備本發明高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金的實施例分別以不同的元素含量比例，以及不同的溫度、時間下的高溫處理后制得，并與目前不含鋁、氮、鈦、或銅的鐵鉻鎳合金成分做比較，且數據采樣為10次試樣的平均值，具有相當的可靠性，以下分別詳細說明各實施例與比較例的成分范圍與實驗結果。〈本發明實驗例I>
權利要求
1.一種高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金，其特征在于:包含13.5-14.5w.t.%的鉻、3.5-4.8w.t.% 的鎳、0.02-0.15w.t.% 的碳、0.02-0.15w.t.% 的鈦、0.02-0.15w.t.% 的氮、0.02-0.25w.t.%的鋁、0.2-1.2w.t.%的錳、0.2-1.2w.t.%的硅、平衡量的鐵，以及合金材料鑄造過程中不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金，其特征在于:該鐵鉻鎳合金還包含 1.5-3.0w.t.% 的銅。
3.根據權利要求1或2所述的高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金，其特征在于:該鐵鉻鎳合金于鑄造后還用950-1100°C的溫度進行高溫正常化處理1-8小時。
4.根據權利要求3所述的 高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金，其特征在于:該鐵鉻鎳合金具有回火馬氏體組織基體的顯微結構特征，還具有微量的氮化鋁與碳化鈦的穩定相。
5.根據權利要求4所述的高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金，其特征在于:該鐵鉻鎳合金的抗拉強度為1200-1300MPa，降伏強度為1120_1210MPa，延伸率為18-27%。
全文摘要
一種高爾夫桿頭的鐵鉻鎳合金，包含13.5-14.5w.t.％的鉻、3.5-4.8w.t.％的鎳、0.02-0.15w.t.％的碳、0.02-0.15w.t.％的鈦、0.02-0.15w.t.％的氮、0.02-0.25w.t.％的鋁、0.2-1.2w.t.％的錳、0.2-1.2w.t.％的硅、和/或1.5-3.0w.t.％的銅、平衡量的鐵，以及其它于合金材料鑄造過程中不可避免產生的雜質，此鐵鉻鎳合金經過鑄造程序后，利用高溫正常化處理而得到回火馬氏體組織基體，以及含微量的氧化鋁與碳化鈦穩定相的顯微組織結構，以此鐵鉻鎳合金材料制作的高爾夫球鐵桿頭，具有制程簡單、不需要進行任何時效處理，即具有良好的強度與延伸率組合且不生銹的特性。
文檔編號A63B53/04GK103243274SQ20121002302
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月2日 優先權日2012年2月2日
發明者趙志燁, 魏伶容, 常傳賢, 張媛婷, 蘇瑞明 申請人:大田精密工業股份有限公司