低密度鈦合金、高爾夫球頭以及製造低密度鈦合金部件的方法

2024-01-28 07:03:15 1

專利名稱：：低密度鈦合金、高爾夫球頭以及製造低密度鈦合金部件的方法
技術領域：
：本發明涉及低密度鈦合金、高爾夫球頭以及製造低密度鈦合金部件的方法，更具體的說，本發明涉及具有高的比強度和優異的熱加工性的低密度鈦合金、使用這種低密度鈦合金的高爾夫球頭以及利用這種低密度鈦合金來製造低密度鈦合金部件的方法。
背景技術：
：實際應用中的鈦合金在廣義上可分為(1)a型合金，其由六角緊密堆積晶格的a相(低溫相)形成；(2)P型合金，其由體心立方結晶的(3相(高溫相)形成；以及(3)a+p型合金，其具有由a相和(3相構成的混合結構。在上述鈦合金中，a+P型合金是一種均衡的材料，其具有優異的強度、比強度、熱加工性、可加工性、耐腐蝕性等，因此a+(3型合金迄今主要用作航天材料。此外，a+卩型合金迄今還被用作汽車材料、機械結構部件材料、常規的民用產品材料等。特別是，a+(5型合金中的Ti-6Al-4V合金己被廣泛地用作通用型高張力合金，並且Ti-6Al-4V合金的消耗量佔Ti合金總消耗量的約80%。但是，由於Ti-6A1-4V合金含有價格昂貴的V，因此其成本較高。此外，儘管Ti合金的比強度通常較高，但對於某些應用(如高爾夫球頭)而言，還需要進一步降低其成本，並且需要進一步提高其比強度。為了解決上述問題，人們迄今已經提出多種提案。例如，專利文獻1公開了這樣一種a+(3型Ti合金，其含有5.5質量％-7.0質量％的Al、0.5質量％-4.0質量％的Fe、0.5質量％或更低的O，餘量為Ti和不可避免的雜質。專利文獻1披露了如下內容(1)通過用Fe代替V，並將Fe按照預定的比值進行混合，可獲得與常規Ti-6A1-4V合金相當或更好的機械性能，並且(2)由於Fe比V便宜，因此可以以工業上較低的成本來生產Ti合金。專利文獻2公開了這樣一種高強度Ti合金，其含有5.00質量%-7.00質量％的Al、1.00質量％-3.50質量％的V、大於0.40質量％而小於或等於1.00質量％的Fe、0.20質量％-0.50質量％的O、0.05質量。/。或更低的C、0.05質量％或更低的N、餘量基本上為Ti，其中V的當量(V%+4.2Fe%)為3.00%至5.50%。專利文獻2披露了如下內容(1)通過用Fe代替Ti-6A1-4V中的一部分V，並將V的當量保持在預定範圍內，可獲得與Ti-6A1-4V合金相當或更高的強度，並且(2)由於可使用含有Fe(其為雜質)的廉價海綿鈦作為原料，因此可以以較低的成本來生產高強度Ti合金。此外，專利文獻3公開了這樣一種高強度Ti合金，其含有5.50質量％-7.00質量％的Al、0.50質量％-4.00質量％的Fe、0.02質量％-0.10質量％的N、0.05質量％-0.40質量％的O，餘量為Ti和不可避免的雜質。專利文獻3披露了如下內容(1)通過用Fe代替Ti-6A1-4V中的V，並加入適量的N，可獲得與Ti-6A1-4V合金相當或更高的強度，並且(2)由於可使用含有Fe(其為雜質)的廉價海綿鈦作為原料，因此可以以較低的成本來生產高強度Ti合金。專利文獻1:日本專利No.3306878專利文獻2:JP-A-2001-115221專利文獻3:JP-A-2004-1096
發明內容近年來，高爾夫器材製造商越來越需要獲得具有較低密度的高爾夫球頭。因此，Ti-6Al-lFe合金作為低密度鈦合金而用於高爾夫球頭。但是，在獲得低密度效果方面Ti-6Ai-lFe合金不及作為代表性鈦合金的Ti-6A1-4V合金。增加作為輕元素的Al的含量可有效地獲得較低的密度。但是簡單地增加Al的含量會使熱加工性降低。本發明的目的是提供一種低密度鈦合金、使用這種低密度鈦合金的高爾夫球頭以及使用這種低密度鈦合金的低密度鈦合金部件，其中所述低密度鈦合金具有比Ti-6A1-4V合金高的比強度，並且具有優異的熱加工性和低的成本。為了達到上述目的，本發明涉及以下各項1至32。1.一種低密度鈦合金，其包含7.1質量％-10.0質量％的Al;0.1質量％-3.0質量％的Fe;0.01質量％-0.3質量％的O;0.5質量％或更低的N;0.5質量％或更低的C，並且餘量為Ti以及不可避免的雜質。2.根據項1所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-2.0質量％的V。3.根據項1所述的低密度鈦合金，其還包含2.0質量％或更低的選自Cr、Ni和Mo中的至少一種元素。4.根據項2所述的低密度鈦合金，其還包含2.0質量％或更低的選自Cr、Ni和Mo中的至少一種元素。5.根據項1所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。6.根據項2所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。7.根據項3所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。8.根據項4所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。9.根據項1所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。10.根據項2所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。其比強度為205或更高。其比強度為205或更高。其比強度為205或更高。其比強度為205或更高。其比強度為205或更高。其比強度為205或更高。11.根據項3所述的低密度鈦合金12.根據項4所述的低密度鈦合金13.根據項5所述的低密度鈦合金14.根據項6所述的低密度鈦合金，15.根據項7所述的低密度鈦合金16.根據項8所述的低密度鈦合金17.根據項1所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。18.根據項2所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。19.根據項3所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。20.根據項4所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。21.根據項5所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。22.根據項6所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40。/。或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。23.根據項7所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在1000'C時的流變應力為200MPa或更低。24.根據項8所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。25.根據項9所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在1000'C時的流變應力為200MPa或更低。26.根據項IO所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在1000'C時的流變應力為200MPa或更低。27.根據項11所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。28.根據項12所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40。/。或更高並且在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低。29.根據項13所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低。30.根據項14所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低。31.根據項15所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低。32.根據項16所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40。/。或更高並且在IOOO'C時的流變應力為200MPa或更低。另外，本發明還涉及包含上述低密度鈦合金的高爾夫球頭。此外，本發明還涉及一種製造低密度鈦合金部件的方法，該方法包括將原料混合，以獲得上述低密度鈦合金，隨後將原料熔融和鑄造，從而獲得鑄錠；以及將所述鑄錠加熱至高於或等於卩轉變溫度且低於或等於120(TC的溫度，隨後將所述鑄錠進行鍛造或軋制，從而完成粗加工步驟。在a+(3型低密度鈦合金中，可通過增加Al的含量來降低合金的密度。另一方面，Al含量的增加通常會使得熱加工性劣化。但是，可通過優化Fe含量和O含量、並且可任選地還加入極少量的V、以及增加Al的含量，在確保低密度的同時來提高熱加工性。此外，由於合金中所含的Fe為主要的添加元素，因此可通過使用廉價原料、並降低貴重的V的含量，來降低成本。本發明的低密度鈦合金可用於多種結構部件、耐腐蝕性部件等，這些部件被用於高爾夫球頭、化學工業設備、電器、航空設備、飛機、船舶、有輪子的車輛、醫療儀器、冷凝器、熱交換器、海水淡化裝置等。本發明的最佳實施方式在下文中，將對本發明的一個實施方案進行詳細地描述。此處，在本說明書中，所有以質量進行限定的百分比均與以重量進行限定的百分比相同。l.低密度鈦合金本發明的低密度鈦合金含有如下的元素，餘量為Ti和不可避免的雜質。所添加的元素的種類、其組成比例以及限定原因如下所述。(1)7.1質量o/c^A匕10.0質量％Al是可實現合金a相的固溶硬化的元素。此外，由於Al比Ti輕，因此Al起到降低合金密度的作用(即，獲得高的比強度)。為了獲得這種效果，Al含量可優選為7.1質量％或更高。另一方面，當A1含量過高時，會析出金屬間化合物Ti3Al，從而造成合金的脆化。因此，Al含量可優選為10.0質量％或更低。(2)0.1質量。/c^Fe^3.0質量％Fe具有穩定卩相的作用。為了獲得這種效果，Fe含量可優選為0.1質量％或更高。另一方面，雖然強度會隨著Fe含量的增加而升高，但是當Fe含量過高時，剛度也會增加。因此，Fe含量可優選為3.0質量％或更低。(3)0.01質量％^0^).3質量％由於O溶解在oc相中所以具有強化oc相的作用。為了獲得這種效果，O含量可優選為0.01質量％或更高。另一方面，當O含量過髙時，會使剛性增加，從而使延展性劣化。因此，O含量可優選為0.3質量％或更低。(4)NS0.5質量％與O類似，N由於溶解在a相中而具有強化a相的作用。另一方面，當N含量過高時，會形成諸如TiN之類的夾雜物，並且低密度夾雜物會造成疲勞斷裂，從而使疲勞強度降低。因此，N含量可優選為0.5質量％或更低。(5)質量％與O和N類似，C由於溶解在ot相中而具有強化oc相的作用。另一方面，當C含量過高時，會形成碳化物，造成熱加工性劣化。因此，C含量可優選為0.5質量％或更低。本發明的低密度鈦合金還可含有如下所述的一種或多種元素。(6)0.01質量。/c^VS2.0質量％與Fe類似，V也具有穩定卩相的作用。為了獲得這種效果，V含量可優選為0.01質量％或更高。另一方面，當V含量過高時，比重會增加。因此V含量可優選為2.0質量°/。或更低。在該方面，在製造合金時可將純金屬V或Ti-6A1-4V合金廢料用作V的來源。(7)Cr、Ni和Mo中的至少一種，其含量^2.0質量％Cr、Ni和Mo均具有穩定p相的作用。另一方面，當這些元素的含量過高時，比重會增加。因此，選自Cr、Ni和Mo中的至少一種元素的單獨含量或總含量可優選為2.0質量％或更低。(8)0.01質量％焦0.3質量％(9)0.01質量。/(^Si^).3質量％B和Si均具有使晶粒微細化的作用。為了獲得這種效果，B和Si的含量均可優選為0.01質量％或更高。另一方面，當這些元素的含量增加時，會有粗的硼化物和矽化物析出來，從而使疲勞強度劣化。因此，B含量和Si含量均可優選為0.3質量％或更低。在這方面，可以單獨添加B和Si，或者可以同時添加這二者。2.低密度鈦合金的行為在a+p型低密度鈦合金中，通過增加A1含量，可降低合金的密度。另一方面，Al含量的增加通常造成熱加工性的劣化。然而，通過優化Fe含量和O含量、並且可任選地還加入極少量的V、以及增加A1含量，可在確保低密度的同時，提高熱加工性。因此，通過優化所添加的元素的含量，可獲得(1)比強度為205或更高的低密度鈦合金；(2)在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高的低密度鈦合金；禾口/或(3)在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低的低密度鈦合金。由於本發明的低密度鈦合金含有Fe作為主要添加元素，因此可以使用含有Fe作為雜質的廉價的海綿鈦作為原料。此外，通過加入Fe，可以降低貴重的金屬V的使用量。因此，可降低低密度鈦合金的成本。此外，由於本發明的低密度鈦合金具有高的比強度以及優異的熱加工性，因此通過使用這種低密度鈦合金可獲得(例如)便宜、輕便、且反彈力強的高爾夫球頭。3.製造低密度鈦合金部件的方法製造本發明的低密度合金部件的方法包括熔融/鑄造步驟、粗加工步驟、精加工步驟以及退火步驟。3.1熔融/鑄造步驟熔融/鑄造步驟是這樣的步驟將原料混合以獲得本發明的低密度鈦合金，隨後將原料進行熔融和鑄造。由於本發明的低密度鈦合金含有Fe作為主要元素，因此不僅可使用高純度海綿鈦作為Ti源，還可以使用含有0.1質量％至2.0質量%的Fe的低純度海綿鈦或Ti-6A1-4V合金廢料作為Ti源。因此可降低鈦合金部件的成本。對混合材料的熔融/鑄造沒有特別的限定，可利用常規方法進行。3.2粗加工步驟粗加工步驟為這樣的步驟將鑄錠加熱至等於或大於P轉變溫度(卩轉化溫度)且小於或等於120(TC的溫度，隨後將所述鑄錠進行鍛造或軋制，其中所述鑄錠是通過將原料進行混合以獲得本發明的低密度鈦合金，並隨後將該原料進行熔融和鑄造而獲得的。當加工溫度過低時，殘留的a相會造成裂縫和摺痕。因此，粗加工中的加工溫度可優選為(3轉變溫度或更高的溫度，在該溫度下，僅有(3相存在。另一方面，當加工溫度過高時，晶粒容易粗化。因此，粗加工中的加工溫度可優選為120(TC或更低。3.3精加工步驟精加工步驟為這樣的步驟將粗加工中已經經過鍛造或軋制的低密度鈦合金加熱至大於或等於60(TC且小於p轉變溫度的溫度，然後對該合金進行精鍛或精軋。根據需要來進行精加工步驟。當在相對較低的溫度下進行精加工步驟時，會使晶粒微細化，從而獲得高強度。但是，當加工溫度過低時，流變應力增加，從而使加工變得困難。因此，精加工步驟中的加工溫度可優選為60(TC或更高。另一方面，當加工溫度過高時，晶粒由於發生重結晶而容易發生粗化。因此精加工步驟中的加工溫度可優選為低於(3轉變溫度。3.4退火步驟退火步驟為將在精加工步驟中經過鍛造或軋制的低密度鈦合金進行退火的步驟。根據需要來進行退火步驟。進行退火步驟是為了除去精加工步驟之後的應變。對退火條件沒有特別的限定，可根據合金的組成來選擇最佳的退火條件。例子實施例1至40以及對比例1至5l.樣品的製備將原料秤重，以獲得預定的組成，通過利用等離子凝殼爐進行熔融，從而獲得質量為6kg、直徑為100mm的鈦合金鑄錠。表1中所示的為以上獲得的鑄錠的化學組成。從各個鑄錠上切下用於高溫高速拉伸試驗的試片。此外，將各鑄錠加熱至IOO(TC，並通過熱鍛而獲得直徑為20mm的圓棒。此外，在空氣冷卻(AC)下，於75(TC下進行熱處理2小時。由經過熱處理的圓棒來製備ASTME8中所定義的No.3拉伸試片(直徑6.35mm，評價距離25mm)。tableseeoriginaldocumentpage15tableseeoriginaldocumentpage162.試驗方法2.1高溫高速拉伸試驗在100(TC下進行高溫高速拉伸試驗，以測量在IOO(TC時的流變應力和斷面收縮率。2.2拉伸試驗採用英斯特朗拉伸試驗方法，在十字頭速度(crossheadrate)為5"0—5111/秒的條件下進行拉伸測試，以測量拉伸強度。2.3比強度利用水浸漬法來測量各拉伸試片的比重。由所測的比重和拉伸強度來計算比強度。2.4可製造性通過100(TC時的斷面收縮率來評價可製造性。將IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高的試片評價為"良好"，將IOOO'C時的斷面收縮率低於40%的試片評價為"較差"。3.結果表2示出試驗結果。比較例1至比較例3由於Al含量較高，因此其可製造性非常差。特別是，不能測量比較例2和比較例3(它們的Al含量均超過11質量％)的流變應力和斷面收縮率。比較例4(其Fe含量超過3.0質量。/。)雖然具有高拉伸強度和比強度，但其可製造性較差。比較例5(Ti-4A1-6V合金)具有良好的可製造性，但其拉伸強度和比強度較低。與此形成對比的是，實施例1至實施例40由於具有合適的Al含量，因此均具有高的拉伸強度和比強度。此外，由於對實施例1至實施例40中的Fe含量和0含量進行了調整、並且可任選地加入少量的V、以及相對增加A1含量，因此還具有良好的熱加工性。表2tableseeoriginaldocumentpage17270良好實tableseeoriginaldocumentpage18雖然參照本發明的具體實施方案詳細描述了本發明，但對本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明精神和範圍的條件下可進行各種改變和調整。本專利申請基於2007年9月14日提交的日本專利申請No.2007-239713和2008年9月10日提交的日本專利申請No.2008-231619，其內容以引用的方式併入本文。權利要求1.一種低密度鈦合金，其包含7.1質量％-10.0質量％的Al；0.1質量％-3.0質量％的Fe；0.01質量％-0.3質量％的O；0.5質量％或更低的N；0.5質量％或更低的C，並且餘量為Ti以及不可避免的雜質。2.根據權利要求1所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-2.0質量％的V。3.根據權利要求1所述的低密度鈦合金，其還包含2.0質量％或更低的選自Cr、Ni和Mo中的至少一種元素。4.根據權利要求2所述的低密度鈦合金，其還包含2.0質量％或更低的選自Cr、Ni和Mo中的至少一種元素。5.根據權利要求1所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。6.根據權利要求2所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。7.根據權利要求3所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。8.根據權利要求4所述的低密度鈦合金，其還包含0.01質量％-0.3質量％的B和0.01質量％-0.3質量％的Si中的至少一種。9.根據權利要求1所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高o10.根據權利要求2所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。11.根據權利要求3所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高°12.根據權利要求4所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。13.根據權利要求5所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。14.根據權利要求6所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。15.根據權利要求7所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。16.根據權利要求8所述的低密度鈦合金，其比強度為205或更高。17.根據權利要求1所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。18.根據權利要求2所述的低密度鈦合金，其在1000'C時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。19.根據權利要求3所述的低密度鈦合金，其在IOOO'C時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。20.根據權利要求4所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在1000。C時的流變應力為200MPa或更低。21.根據權利要求5所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低。22.根據權利要求6所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOOO'C時的流變應力為200MPa或更低。23.根據權利要求7所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOOO'C時的流變應力為200MPa或更低。24.根據權利要求8所述的低密度鈦合金，其在IOO(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低。25.根據權利要求9所述的低密度鈦合金，其在1000'C時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。26.根據權利要求IO所述的低密度鈦合金，其在IOOO'C時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。27.根據權利要求ll所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。28.根據權利要求12所述的低密度鈦合金，其在IOOO'C時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。29.根據權利要求13所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在1000"C時的流變應力為200MPa或更低。30.根據權利要求14所述的低密度鈦合金，其在IOOO'C時的斷面收縮率為40%或更高並且在IOO(TC時的流變應力為200MPa或更低。31.根據權利要求15所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更高並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。32.根據權利要求16所述的低密度鈦合金，其在100(TC時的斷面收縮率為40%或更髙並且在100(TC時的流變應力為200MPa或更低。全文摘要本發明涉及一種低密度鈦合金、使用該合金的高爾夫球頭以及利用該合金來製造低密度鈦合金的方法，其中所述低密度鈦合金含有7.1質量％-10.0質量％的Al；0.1質量％-3.0質量％的Fe；0.01質量％-0.3質量％的O；0.5質量％或更低的N；0.5質量％或更低的C，餘量為Ti以及不可避免的雜質。本發明的合金進一步還可以含有0.01質量％-2.0質量％的V。與Ti-6Al-4V相比，本發明的合金具有較高的比強度、具有優異的熱加工性並且其成本得到降低。文檔編號A63B53/04GK101386932SQ20081014880公開日2009年3月18日申請日期2008年9月12日優先權日2007年9月14日發明者小川道治,野田俊治申請人:大同特殊鋼株式會社