高尔夫铁杆头的组成合金及其制造方法与流程

1.本发明是有关于一种高尔夫铁杆头的组成合金及其制造方法，特别是有关于一种具有特定组成及比例的高尔夫铁杆头的组成合金及其制造方法。


背景技术：

2.高尔夫球运动因其球场环境大自然化，且运动量和缓；同时，又是强调自我挑战的球类运动，其运动年龄层可从5岁至90岁，而为多数人喜爱的运动之一，所述高尔夫球运动所使用的球具概包括有木杆、铁杆、起球杆、沙坑杆、推杆等等，各型式的球杆各有其特定的功用及使用的场所。
3.传统以不锈钢为铸造的高尔夫球头，主要有：431ss、a168、15-5ss、a115、以及17-4ph等材质，其铸造高尔夫球头，经不同热处理后，其机械性质：抗拉强度介于738～1310mpa、屈服强度介于648～1207mpa、延伸率介于10.0～18.0％。
4.然而，现有的高尔夫球头的机械性质仍不足够，因此需要发展高强度可铸造的不锈钢。故，有必要提供一种高尔夫铁杆头的组成合金及其制造方法，以解决现有技术所存在的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种高尔夫铁杆头的组成合金及其制造方法，以解决现有技术所存在的高尔夫球头的机械性质仍不足够的问题。
6.本发明的一目的在于提供一种高尔夫铁杆头的组成合金，其是通过使用具有特定比例的特定组成，以使高尔夫铁杆头的组成合金具有优于现有高尔夫铁杆头的机械性质。在一实施例中，所述高尔夫铁杆头的组成合金具有特定的组织结构(例如90～97％的马氏体与3～10％奥氏体，其中：所述马氏体中可包含tic的颗粒状析出物；及/或所述奥氏体中还包含(cr,mo)
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c6的纳米碳化物。
7.本发明的另一目的在于提供一种高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法，其利用具有特定比例的特定组成作为原料，并通过一系列熔炼铸造与特定温度处理以形成本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金。
8.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铁杆头的组成合金，其包含：0.08至0.12重量份的碳；0.8至1.5重量份的硅；0.8至1.5重量份的锰；13.0至15.0重量份的铬；3.7至5.1重量份的镍；2.0至3.4重量份的钼；0.5至1.2重量份的铜；0.25至0.40重量份的铌；0.1至0.3重量份的钛；0.08至0.18重量份的氮；以及71.3至78.69重量份的铁。
9.在本发明的一实施例中，所述高尔夫铁杆头的组成合金的组织结构包含90～97％的马氏体与3～10％奥氏体。
10.在本发明的一实施例中，所述马氏体中还包含tic的颗粒状析出物。
11.在本发明的一实施例中，所述奥氏体中还包含(cr,mo)
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c6的纳米碳化物。
12.在本发明的一实施例中，所述高尔夫铁杆头的组成合金的抗拉强度大于或等于1600mpa，屈服强度大于或等于1375mpa，及延伸率大于或等于11％。
13.为达成本发明的前述目的，本发明另一实施例提供一种高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法，包含步骤：提供多个原料，所述多个原料包含0.08至0.12重量份的碳；0.8至1.5重量份的硅；0.8至1.5重量份的锰；13.0至15.0重量份的铬；3.7至5.1重量份的镍；2.0至3.4重量份的钼；0.5至1.2重量份的铜；0.25至0.40重量份的铌；0.1至0.3重量份的钛；0.08至0.18重量份的氮；以及71.3至78.69重量份的铁；对所述多个原料进行一熔炼铸造步骤以形成一合金胚；对所述合金胚进行一固溶处理步骤，其中所述固溶处理步骤的固溶温度介于1000至1050℃之间，以及固溶时间介于1至4小时之间；对经所述固溶处理步骤的合金胚进行一深冷处理步骤，其中所述深冷处理步骤的深冷温度介于-40至-80℃之间，以及深冷时间介于2至8小时之间；以及对经所述深冷处理步骤的合金胚进行一析出处理步骤，以形成所述高尔夫铁杆头的组成合金，其中所述析出处理步骤的析出温度介于450至510℃之间，以及析出时间介于2至6小时之间。
14.在本发明的一实施例中，所述高尔夫铁杆头的组成合金的组织结构包含90～97％的马氏体与3～10％奥氏体。
15.在本发明的一实施例中，所述马氏体中还包含tic的颗粒状析出物。
16.在本发明的一实施例中，所述奥氏体中还包含(cr,mo)
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c6的纳米碳化物。
17.在本发明的一实施例中，所述高尔夫铁杆头的组成合金的抗拉强度大于或等于1600mpa，屈服强度大于或等于1375mpa，及延伸率大于或等于11％。
18.与现有技术相比较，本发明的高尔夫铁杆头的组成合金及其制造方法使用具有特定比例的特定组成，并且可选地在制作过程中搭配特定的热处理步骤及其对应的参数(例如固溶处理步骤、深冷处理步骤及/或析出处理步骤)，以使高尔夫铁杆头的组成合金具有优于现有高尔夫铁杆头的机械性质。
19.为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
20.图1是本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法的流程示意图。
21.图2是本发明实施例5的高尔夫铁杆头的组成合金的扫描式电镜图(约200倍)。
22.图3是本发明实施例5的高尔夫铁杆头的组成合金的扫描式电镜图(约1000倍)。
23.图4是本发明实施例5的高尔夫铁杆头的组成合金的一区域的穿透式电镜图。
24.图5是本发明实施例5的高尔夫铁杆头的组成合金的另一区域的穿透式电镜图以及析出物分析图的结合示意。
25.图6是本发明实施例5的高尔夫铁杆头的组成合金的又一区域的穿透式电镜图以及绕射点图的结合示意。
26.图7是图6的部分区域放大图以及tem-rds成分分析图的结合示意。
具体实施方式
27.以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施
例。再者，本发明所提到的方向用语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
28.本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金包含：0.08至0.12重量份的碳；0.8至1.5重量份的硅；0.8至1.5重量份的锰；13.0至15.0重量份的铬；3.7至5.1重量份的镍；2.0至3.4重量份的钼；0.5至1.2重量份的铜；0.25至0.40重量份的铌；0.1至0.3重量份的钛；0.08至0.18重量份的氮；以及71.3至78.69重量份的铁。在一实施例中，高尔夫铁杆头的组成合金还可包含不可避免的杂质。要提到的是，本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金是使用特定比例的特定组成，以得到优于现有技术的机械性质。
29.在一实施例中，本发明的高尔夫铁杆头的组成合金的组织结构可包含90～97％的马氏体与3～10％奥氏体，其中马氏体例如主要是高密度错位(dislocation)结构。在一范例中，所述马氏体中还包含tic的颗粒状析出物，可达到析出强化效果。在另一范例中，所述奥氏体中还包含(cr,mo)
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c6的纳米碳化物。要提到的是，本发明的高尔夫铁杆头的组成合金中具有少量奥氏体存在，且于奥氏体组织基地内，可观察到纳米级(cr,mo)
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c6的碳化物析出，可达到析出强化效果，增加铁杆头的强度。
30.在一实施例中，本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的机械性质总体上优于现有技术，例如所述高尔夫铁杆头的组成合金的抗拉强度大于或等于1600mpa，屈服强度大于或等于1375mpa，及延伸率大于或等于11％。
31.以下说明各个成分的大致效果如下：
32.碳(c)：碳元素基本上为一般钢铁材料不可或缺的元素，为达到碳化物析出，以及过大的固相与液相共存的温度范围，以避免铸造特性改变。因此，本发明的组成合金限定碳元素在亚包晶区域，严格设定为0.08-0.12wt％之间(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。
33.锰(mn)与硅(si)：在本发明的组成合金内添加硅时，有利于防止气孔形成、增进收缩作用，及增加钢液流动性，而能增加合金铸件的铸造性；锰容易与铁共存，且易与硫结合，可作为脱硫剂，改善合金热脆性，再者锰亦能去除合金中的氧化物；因此，本发明的组成合金锰与硅含量控制于0.8～1.5wt％(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)，将有助于改善合金铸件的铸造性。
34.铬(cr)：本发明考量不生锈特征与马氏体结构基地，于合金中添加铬元素，且为控制少量(3～10％)奥氏沃斯田铁(γ)的存在。因此，本发明合金铬含量控制在13.0～15.0wt％之间(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。因铬含量低于13.0wt％不利于抗蚀性的特征，而铬含量高于15wt％，则会存在部分铁素体，不利于机械性质的特征。
35.镍(ni)：本发明的合金添加镍，主要为控制镍元素使其结构具备3～10％奥氏体比例，而使其延伸率不因强度提升，而下降。因此，本发明的组成合金的镍含量，为达少量奥氏体的存在，严格控制在3.7～5.1wt％之间(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。
36.铜(cu)：为增加强度，考量富铜相(fe,cu)析出，且避免形成完全的马氏体组织结构形成。因此，本发明的组成合金限定铜元素，严格设定为0.5-1.2wt％之间(例如以高尔夫
铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。
37.钼(cu)：钼元素的设计，为考量(mo,cr)
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c6或mo6c析出，以增加强度。因此，钼元素设定为2.0-3.4wt％之间(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。
38.铌(nb)：铌元素的设计，为考量nbc析出，以增加强度。因此，铌元素设定为0.25-0.4wt％之间(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。
39.钛(ti)：钛元素的设计，为考量tic、tini、tin的析出，以增加强度；且避免延伸率下降。钛元素设定为0.1-0.3wt％之间(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。
40.氮(n)：为考量tin的析出或氮元素的固溶强化，以增加强度；且避免气孔形成。氮元素设定为0.08-0.18wt％之间(例如以高尔夫铁杆头的组成合金的总重为100wt％计)。
41.这边要提到的是，本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金至少是通过使用特定重量范围的碳(0.08至0.12重量份)、硅(0.8至1.5重量份)、锰(0.8至1.5重量份)、铬(13.0至15.0重量份)、镍(3.7至5.1重量份)、钼(2.0至3.4重量份)、铜(0.5至1.2重量份)、铌(0.25至0.40重量份)、钛(0.1至0.3重量份)、氮(0.08至0.18重量份)以及铁(71.3至78.69重量份)，以使所制得的高尔夫铁杆头的组成合金的机械性质总体上优于现有技术，例如所述高尔夫铁杆头的组成合金的抗拉强度大于或等于1600mpa(例如介于1600至1670mpa之间)，屈服强度大于或等于1375mpa(例如介于1375至1435mpa之间)，及延伸率大于或等于11％(例如介于11.0至15.0％之间)。据推测，这应当至少是因为合金中的析出物所导致的，例如是因为形成tic的颗粒状析出物及/或(cr,mo)
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c6的纳米碳化物(纳米级高铬与高钼碳化物)。
42.请参照图1，本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法10，包含步骤11至15：提供多个原料，所述多个原料包含0.08至0.12重量份的碳；0.8至1.5重量份的硅；0.8至1.5重量份的锰；13.0至15.0重量份的铬；3.7至5.1重量份的镍；2.0至3.4重量份的钼；0.5至1.2重量份的铜；0.25至0.40重量份的铌；0.1至0.3重量份的钛；0.08至0.18重量份的氮；以及71.3至78.69重量份的铁(步骤11)；对所述多个原料进行一熔炼铸造步骤以形成一合金胚(步骤12)；对所述合金胚进行一固溶处理步骤，其中所述固溶处理步骤的固溶温度介于1000至1050℃之间，以及固溶时间介于1至4小时之间(步骤13)；对经所述固溶处理步骤的合金胚进行一深冷处理步骤，其中所述深冷处理步骤的深冷温度介于-40至-80℃之间，以及深冷时间介于2至8小时之间(步骤14)；以及对经所述深冷处理步骤的合金胚进行一析出处理步骤，以形成所述高尔夫铁杆头的组成合金，其中所述析出处理步骤的析出温度介于450至510℃之间，以及析出时间介于2至6小时之间(步骤15)。
43.本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法10首先是步骤11：提供多个原料，所述多个原料包含0.08至0.12重量份的碳；0.8至1.5重量份的硅；0.8至1.5重量份的锰；13.0至15.0重量份的铬；3.7至5.1重量份的镍；2.0至3.4重量份的钼；0.5至1.2重量份的铜；0.25至0.40重量份的铌；0.1至0.3重量份的钛；0.08至0.18重量份的氮；以及71.3至78.69重量份的铁。在本步骤11中，原瞭中例如可包含不可避免的杂质。
44.本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法10接着是步骤12：对所述多个原料进行一熔炼铸造步骤以形成一合金胚。在本步骤12中，例如可使用市售的熔炼炉加热所述多个原料，进而形成所述液态合金。在一实施例中，所述熔炼铸造步骤的一熔炼温
度例如介于1550至1700℃之间。在另一实施例中，所述熔炼铸造步骤的一熔炼时间例如介于20至60分钟之间，以使所述多个原料形成均质的液态合金。
45.本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法10接着是步骤13：对所述合金胚进行一固溶处理步骤，其中所述固溶处理步骤的固溶温度介于1000至1050℃之间，以及固溶时间介于1至4小时之间。在本步骤13中，固溶温度例如可以是1010、1020、1030或1040℃，固溶时间例如可以是1.5、2、2.5、3或3.5小时。
46.本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法10接着是步骤14：对经所述固溶处理步骤的合金胚进行一深冷处理步骤，其中所述深冷处理步骤的深冷温度介于-40至-80℃之间，以及深冷时间介于2至8小时之间。在本步骤14中，深冷温度例如可以是-45、-50、-60或-70℃，深冷时间例如可以是3、4、5、6或7小时。
47.本发明一实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法10最后是步骤15：对经所述深冷处理步骤的合金胚进行一析出处理步骤，以形成所述高尔夫铁杆头的组成合金，其中所述析出处理步骤的析出温度介于450至510℃之间，以及析出时间介于2至6小时之间。在本步骤15中，析出温度例如可以是460、470、480、490或500℃，深冷时间例如可以是3、4或5小时。
48.在一实施例中，本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法10可用来制作本发明上述实施例的高尔夫铁杆头的组成合金。相关的描述可参考上面段落，故在此不再赘述。
49.由上可知，本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法使用具有特定比例的特定组成的原料，并且在制作过程中搭配特定的热处理步骤及其对应的参数(例如固溶处理步骤、深冷处理步骤及/或析出处理步骤)，以使高尔夫铁杆头的组成合金具有优于现有高尔夫铁杆头的机械性质。
50.以下提出数个实施例与比较例，以具体说明本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金或者本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法所制得的高尔夫铁杆头的组成合金确实具有优于现有高尔夫铁杆头的机械性质。
51.实施例1-6：
52.首先，提供各实施例的各种原料，详细的组成范围请参考下表一，其中fe作为平衡材料，故不列入表中。之后，将各个原料以约1655℃的熔炼温度进行一熔炼铸造步骤直到形成一合金胚。之后，对合金胚进行固溶处理步骤，其中所述固溶处理步骤的固溶温度介于1000至1050℃之间(例如约1040℃)，以及固溶时间介于1至4小时之间(例如约2小时)。然后，对经所述固溶处理步骤的合金胚进行一深冷处理步骤，其中所述深冷处理步骤的深冷温度介于-40至-80℃之间(例如约-60℃)，以及深冷时间介于2至8小时之间(例如约4小时)。之后，对经所述深冷处理步骤的合金胚进行一析出处理步骤，以形成所述高尔夫铁杆头的组成合金，其中所述析出处理步骤的析出温度介于450至510℃之间(例如约480℃)，以及析出时间介于2至6小时之间(例如约4小时)。之后，对各实施例进行机械性质的分析，其结果如下表二。
53.表一：
[0054][0055]
表二：
[0056][0057][0058]
比较例1至7：
[0059]
比较例1至7的成份比例请参照上表1，其中n/a表示不包含、无法测得此种成份、或者产品本身未提供各成分的比例。具体的，比较例1至7实际上是采用现有的产品或技术来获得的，其中比较例1是根据美国专利号us2799602所制得、比较例2是根据中国台湾专利号tw i699266b所制得、比较例3是传统以不锈钢为铸造的高尔夫球头(a115)、比较例4是传统以不锈钢为铸造的高尔夫球头(15-5ss)、比较例5是传统以不锈钢为铸造的高尔夫球头(17-4ph)、比较例6是传统以不锈钢为铸造的高尔夫球头(a168)、以及比较例7是传统以不锈钢为铸造的高尔夫球头(431ss)。
[0060]
从表1与2可知，比较例1至7的高尔夫球头的抗拉强度介于738～1310mpa、屈服强
度介于648～1207mpa、延伸率介于10.0～18.0％。反观，本发明实施例1至6的高尔夫铁杆头的组成合金的抗拉强度大于或等于1600mpa(例如介于1600至1670mpa之间)，屈服强度大于或等于1375mpa(例如介于1375至1435mpa之间)，及延伸率大于或等于11％(例如介于11.0至15.0％之间)。由此可见，本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金的制造方法所制得的高尔夫铁杆头的组成合金确实优于传统的高尔夫球头。
[0061]
接着，对实施例5进行进一步分析。首先，进行扫描式电镜(sem)观察，显示：可获致(例如约96.0％)马氏体组织，以及约4.0％奥氏体组织，如图2(低倍率)与图3(高倍率)所示，其中马氏体组织与奥氏体组织例如是通过软体(例如imagej与java软体(imagej bundled with 64-bit java 1.8.0_172))分析sem照片中来取得。从图3显示：马氏体组织m、奥氏体组织a、颗粒析出物p1以及微量气孔h的存在。
[0062]
之后，以穿透式电镜(tem)观察一区域，如图4所示：马氏体组织主要为高密度错位(dislocation)结构d。另外，同样以穿透式电镜(tem)观察另一区域，如图5所示，于马氏体组织的基地内，可观察到颗粒状析出物，并且图5亦显示：此颗粒析出物(即对应图3的颗粒析出物p1)，具高钛元素含量，为典型的tic碳化物。要提到的是，这有别于目前商用不生锈之铸造型高尔夫铁杆头，即目前商用不生锈之铸造型高尔夫铁杆头不具有此种tic碳化物。换言之，本发明的至少一特征在于，具有tic碳化物的颗粒状析出物，可达到析出强化效果，增加高尔夫铁杆头的强度。
[0063]
此外，同样以穿透式电镜(tem)观察又一区域，如图6所示，于奥氏体组织a的基地内，可观察到纳米级析出物，此将增加合金材料之强度，亦可避免因奥氏体组织a形成，而降低合金材料之整体强度。在图6的左上角的小图是针对于析出物区域的绕射图，其显示：面心立方(fcc)结构的(111)轴之绕射点图形(位于六角型顶点的位置b)，显示此区域确实为奥氏体组织a；另外，图中亦存在m
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c6的(100)轴之绕射点图形(位于非六角型顶点的位置c)，显示纳米级颗粒p2属于m
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c6析出物。此外，根据tem-rds成分分析，如图7所示，显示纳米级m
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c6析出物具有高铬与高钼元素含量，为典型的(cr,mo)
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c6碳化物。换言之，本发明的至少一特征在于，合金材质具有少量奥氏体存在，且于奥氏体组织a的基地内，可观察到纳米级(cr,mo)
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c6碳化物析出，可达到析出强化效果，增加铁杆头之强度。
[0064]
值得一提的是，本发明实施例1至6也通过了盐雾实验，因此具备不生锈的特性。
[0065]
由上可知，本发明实施例的高尔夫铁杆头的组成合金使用具有特定比例的特定组成，并且可选地在制作过程中搭配特定的热处理步骤及其对应的参数(例如固溶处理步骤、深冷处理步骤及/或析出处理步骤)，以使高尔夫铁杆头的组成合金具有优于现有高尔夫铁杆头的机械性质。
[0066]
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。