使用含鉍的鈦合金來製造高爾夫球頭的方法及高爾夫球頭的製作方法

2023-05-31 20:40:36 1

專利名稱：：使用含鉍的鈦合金來製造高爾夫球頭的方法及高爾夫球頭的製作方法
技術領域：
：本發明是關於一種使用鈦合金來製造高爾夫球頭的方法，尤其有關一種使用含鉍的鈦合金來製造高爾夫球頭的方法。繁漢不目前使用鈦合金來製造高爾夫球頭己經廣為業界所實行，其中包含以高周波熔煉爐(VIM)或真空電弧熔煉爐(VAR)通過離心方式來鑄造高爾夫球頭的座(crown)的步驟。鑄造時使用殼模。殼模的製造包含射蠟來形成蠟模，浸漿、乾燥、脫蠟及燒結，以形成不易與熔融鈦反應的氧化鋯或氧化釔的殼模。雖然已經以離心方式來改善鈦合金在殼模內的流動性，但高爾夫球頭鑄造缺陷仍常發生，包括金屬穿透、殼裂、砂孔、字崩、縮孔、未澆滿、結鐵粒及黑殼等。
發明內容本發明的一主要目的即在提供一種可減少高爾夫球頭鑄造缺陷發生的使用釹合金來製造高爾夫球頭的方法。本發明的另一目的即在提供一種高爾夫球頭，其至少一部份是由含鉍的鈦合金鑄造製成。依本發明所完成的一種使用鈦合金來製造高爾夫球頭的方法包含以一鈦合金鑄造高爾夫球頭的一部份，其特徵在於該鈦合金包含至少0.01%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。依本發明所完成的一種高爾夫球頭其至少一部份為含鉍的鈦合金所製成，該含鉍的鈦合金包含以該鈦合金全部的重量為基準至少0.01%的鉍。較佳的，該鈦合金包含0.110%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。更佳的，該鈦合金包含0.55%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。最佳的，該鈦合金包含13%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。較佳的，該鈦合金基本上由鉍及鈦所組成。較佳的，該鈦合金基本上由鉍、鈦及選自下列族群的至少一金屬所組成，該族群基本上是由Mo，Al，V，Sn，Cr，Zr，Fe，Nb，Ta，Si，Hf及Cu所組成。較佳的，本發明進一步包含將含鉍鈦合金的鑄造件進行修整(fmishing)，以使得修整後所得到的鑄造件具有一表面其平均粗糙度小於1pm，以小於O.ljam為更佳。較佳的，該高爾夫球頭以鈦合金鑄造的部份為球頭座(crown)。較佳的，該高爾夫球頭以鈦合金鑄造的部份為擊球面板(faceplate)。具體實施方式由於其高強度、低彈性模數、低密度及抗蝕性佳等特性，自1990年代以來Ti-6Al-4V已取代傳統的柿木及17-4PH鋼合金，廣泛的使用在高爾夫球頭上的座(crown)和打擊面(face),為了擴大甜蜜區、抑制總重量及增加MOI值，球頭大小從原本的200cc增大至450cc，座(crown)的部分也愈做愈薄，配重的設計也導致外型也愈來愈複雜。U.S.Pat.No.2003-0036442也將座(crown)的厚度降低至0.8mm以下，對於Ti-6A1-4V鑄造而言困難度相當高。根據U.S.Pat.No.4830823的結果，添加1.5至4wt。/。的鋁及1至3wtM的釩(典型的為Ti-3A1-2.5V)，明顯的增加了純鈦的鑄造性，然而強度卻只有Ti-6A1-4V的60%(Ti-3A1-2.5V為621MPa;Ti-6A1-4V為1100MPa),並不能滿足高爾夫球頭的使用。近年來一些知名品牌如Callaway,Taylormade等陸續的推出新的高爾夫球頭，許多部分已由卩鈦合金所構成，如Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo，Ti-15V-3Zr-3Al-3Sn等，原因是這些卩合金具有高強度、低彈性模數，最直接的好處除了提升反發係數之外，更提供設計者有更大的空間進行最佳的力學設計。然而這些合金由於高合金元素的添加，並不適合鑄造，因此開發新型高強度易鑄造的合金是刻不容緩的事。本案發明人近年來的研究中，在鑄造性方面近年來提出借著金屬鉍的添加大幅度的提升了純鈦及鈦合金的鑄造性，添加lwto/。的鉍相較於純鈦鑄造性增加了34.4%(已獲得美國專利，U.S.Pat.No.6409852，其內容以參考方式被併入本案)。鉍的添加也大幅度的提升了鈦合金的鑄造性，例如Ti-6Al-7Nb-lBi、Ti-6Al-4V-lBi、Ti-7.5Mo-lBi及Ti-15Mo-lBi鑄造性皆比目前正為高爾夫球頭鑄造使用的Ti-6A1-4V佳，這些結果可見本案發明人的美國專利申請案公開號2004-0136859(其內容以參考方式被併入本案)。另外本案發明人在鈦合金的合金設計方面也有最新的研究結果，近年來的研究中，發現具有a"相的Ti-Mo合金(典型成分為Ti-7.5Mo)展現極為優秀的強度、彈性模數及延性的組合，其強度/彈性模數的比值(為機械性質的主要指標之一)明顯高於傳統的Ti-6A1-4V及幾乎所有已開發的鈦合金，為一具開發潛力的最新型鈦合金(已獲得美國專利，U.S.Pat.No.6409852，其內容以參考方式被併入本案)。在P鈦合金方面Ti-15Mo-lBi除了具有高強度低彈性模數之外，具有優良的冷加工性，可直接冷加工約90%(美國專利申請中)。本發明揭示了利用鑄造性優良的含鉍鈦合金進行高爾夫球頭鑄造，並進行機械性質、反發係數及耐久性(durability)性質評估，以開發出更新型高強度易鑄造含鉍鈦合金一特別是高強度、低彈性模數鈦合金一以取代過去鑄造性不佳的傳統鈦合金。下表1列出美國專利申請案公開號2004-0136859所揭示的純鈦及多種鈦合金的鑄造性的測試結果表l.以摻入Bi對純鈦及多種鈦合金的鑄造性的改良(鑄件長度)結果Ti合金組成(wf1/。)鑄件長度(mm)鑄件長度的改良(％)Ti-7.5Mo11.5—Ti-7.5Mo-lBi15.433.9Ti-7.5Mo-3Bi13.618.3Ti-7.5Mo-5Bi12.04.3Ti-7.5Mo-lFe7.3—Ti-7.5Mo-lFe-lBi13.179.5Ti-7.5Mo-2Fe8.3—Ti-7.5Mo-2Fe-0.1Bi11.133.7Ti-7.5Mo-2Fe-0.5Bi12.753.0Ti-7.5Mo-2Fe-lBi13.562.7Ti-7.5Mo-3Fe6.9—tableseeoriginaldocumentpage8tableseeoriginaldocumentpage9從表1可知鉍的摻入可顯著改善純鈦及多種鈦合金的鑄造性。此外XRD及彎曲試驗測試中(結果如表2),也顯示添加1、3及5wt%鉍不會造成純鈦結構改變，反而使彎曲強度增加約30%，彈性模數(Bendingmodulus)則有些微的降低從105至97GPa。表2鉍對純鈦、Ti-6A1-4V及Ti-7.5Mo結構及機械性質影響tableseeoriginaldocumentpage10上述結果證明本發明率先使用含鉍鈦合金來鑄造高爾夫球頭將可克服已知技藝以鈦合金來鑄造高爾夫球頭的容易產生缺陷的問題，而且含鉍鈦合金所鑄造的高爾夫球頭仍保有鈦合金的高強度及低彈性模數的優良機械性質。本案發明人以Ti-15Mo-lBi(15重量。/。鉬和l重量y。鉍，其餘為鈦)合金進行冷軋及疲勞試驗。用商業純鈦(c.p.Ti)條、99.95%的鉬條和99.5%的鉍於一商業上電弧熔融真空壓力型使用鑄造系統(Castmatic，Iwatani公司，日本)製備該合金。熔融艙首先被抽氣及氬衝洗。在熔融期間保持1.8kgfcn^的氬壓力。將適當數量的c.p.Ti條，鉬和鉍用一個U型的銅爐心內的鎢電極熔融。熔錠被熔融三次以改進化學均勻性。使用一石墨模製備5.0mm厚度，13mm寬度和70mm長的Ti-15Mo-lBi樣品。從該模移出的樣品以水驟冷，並且在冷軋前進行表面修整。使用100噸輥壓機(VFPCAK-Pl,Toshiba公司，日本)在室溫下進行冷軋，其中該樣品通過兩輥輪之間的縫隙數次來進行輥壓，並藉助調整兩個輥輪之間的縫隙而具有不同變形量。當順序以厚度的減少1.5mm，0.9mm，0.9mm，0.3mm和0.3mm來進行該冷軋時(厚度的總減少為78%)，Ti-15Mo-lBi的所有樣品均能被冷軋至最終厚度總的減少78%的而沒有斷裂或者顯示在樣品表面或者邊上任何裂痕。但以Ti-15Mo合金進行冷軋時，則發現Ti-15Mo樣品的邊上有裂痕或表面上顯示的變形帶狀物，或者甚至冷軋時斷裂了。可見鉍的摻入能夠顯著的提升Ti-15Mo合金的冷軋的可工作性。將前述Ti-15Mo-lBi被冷軋至最終厚度總的減少78%的樣品進行900°C、l分鐘的熱處理。使用一個伺服-液壓型測驗機器(EHF-EG,Shimadzu公司，東京，日本)進行疲勞試驗，其中樣品為40mm長、5mm寬及1.5mm厚的平板。該平板於室溫及空氣中以正弦波、頻率4Hz及應變比R=0.1的條件進行彎曲疲勞試驗。有四種不同程度粗糙度的平板樣品被準備(l)使用60#沙紙得到面粗糙度，Ra=0.9l.l,(Ra值依ISO4287:2000方法測量得到)；(2)使用100(^沙紙得到面粗糙度，Ra-0.10.2拜；(3)使用1000#沙紙及依序以1,，0.3,和0.05,氧化鋁機械拋光得到面粗糙度，Ra〈0.1拜;和(4)使用1500#沙紙及接著以含5體積。/。HF，15體積％麗03和80體積％水的水溶液進行化學拋光得到面粗糙度，Ra<0.1,。從上述平板樣品的疲勞測驗結果，本案發明人發現疲勞壽命/抗疲勞性關鍵性的取決於樣品的表面粗糙度。前述(l)的面粗糙度Ra=0.91.1^tm的樣品，其疲勞壽命約4x103至104周期。前述(2)的面粗糙度尺3=0.10.2,的樣品，其疲勞壽命約104至6"04周期。很意外的前述(3)及(4)的面粗糙度Ra<0.1pm的樣品，具有戲劇性提升的疲勞壽命，其中受測的六個樣品有四個樣品在106周期後，仍未疲勞。易言之，面粗糙度RaX).l拜的Ti-15Mo-lBi樣品會冒著一金屬提早疲勞失敗的風險。權利要求1.一種使用鈦合金來製造高爾夫球頭的方法，包含以一鈦合金鑄造高爾夫球頭的一部份，其特徵在於該鈦合金包含至少0.01％的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。2.如權利要求l所述的方法，其中該鈦合金包含0.110%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。3.如權利要求2所述的方法，其中該鈦合金包含0.55%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。4.如權利要求3所述的方法，其中該鈦合金包含13%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。5.如權利要求1至4任一項所述的方法，其中該鈦合金基本上由鉍及鈦所組成。6.如權利要求1至4任一項所述的方法，其中該鈦合金基本上由鉍、鈦及選自下列族群的至少一金屬所組成，該族群基本上是由Mo，Al，V，Sn，Cr，Zr，Fe，Nb，Ta，Si，Hf及Cu所組成。7.如權利要求1至4任一項所述的方法，其進一步包含將所得到鑄造件進行修整，以使得修整後所得到的鑄造件具有一表面其平均粗糙度小於1Mm。8.如權利要求7所述的方法，其中該平均粗糙度小於O.l,。9.如權利要求5所述的方法，其進一步包含將所得到鑄造件進行修整，以使得修整後所得到的鑄造件具有一表面其平均粗糙度小於1Min。10.如權利要求9所述的方法，其中該平均粗糙度小於O.l)im。11.如權利要求6所述的方法，其進一步包含將所得到鑄造件進行修整，以使得修整後所得到的鑄造件具有一表面其平均粗糙度小於1,。12.如權利要求11所述的方法，其中該平均粗糙度小於0.1pm。13.如權利要求5所述的方法，其中該高爾夫球頭以鈦合金鑄造的部份為球頭座。14.如權利要求6所述的方法，其中該高爾夫球頭以鈦合金鑄造的部份為球頭座。15.如權利要求5所述的方法，其中該高爾夫球頭以鈦合金鑄造的部份為擊球面板。16.如權利要求6的方法，其中該高爾夫球頭以鈦合金鑄造的部份為擊球面板。17.—種高爾夫球頭，其中該高爾夫球頭的至少一部份為含鉍的鈦合金所製成，該含鉍的鈦合金包含以該鈦合金全部的重量為基準至少0.01%的鉍。18.如權利要求17所述的高爾夫球頭，其中該鈦合金包含0.110%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。19.如權利要求18所述的高爾夫球頭，其中該鈦合金包含0.55%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。20.如權利要求19所述的高爾夫球頭，其中該鈦合金包含13%的鉍，以該鈦合金全部的重量為基準。21.如權利要求17至20任一項所述的高爾夫球頭，其中該鈦合金基本上由鉍及鈦所組成。22.如權利要求17至20任一項所述的高爾夫球頭，其中該鈦合金基本上由鉍、鈦及選自下列族群的至少一金屬所組成，該族群基本上是由Mo，Al，V，Sn，Cr，Zr，Fe，Nb，Ta，Si，Hf及Cu所組成。23.如權利要求17至20任一項所述的高爾夫球頭，其中該高爾夫球頭以含鉍的鈦合金所製成的部份是鑄造的。24.如權利要求21所述的高爾夫球頭，其中該高爾夫球頭以含鉍的鈦合金所製成的部份是鑄造的。25.如權利要求22所述的高爾夫球頭，其中該高爾夫球頭以含鉍的鈦合金所製成的部份是鑄造的。26.如權利要求23所述的高爾夫球頭，其中該鑄造所得到鑄造件藉助修整而具有一表面其平均粗糙度小於1,。27.如權利要求24所述的高爾夫球頭，其中該鑄造所得到鑄造件藉助修整而具有一表面其平均粗糙度小於1pm。28.如權利要求25所述的高爾夫球頭，其中該鑄造所得到鑄造件藉助修整而具有一表面其平均粗糙度小於1,。29.如權利要求26所述的高爾夫球頭，其中該平均粗糙度小於O.lMm。30.如權利要求27所述的高爾夫球頭，其中該平均粗糙度小於0.1^im。31.如權利要求28所述的高爾夫球頭，其中該平均粗糙度小於0.1pm。32.如權利要求21所述的高爾夫球頭，其中該髙爾夫球頭以含鉍的鈦合金所製成的部份是球頭座。33.如權利要求22所述的高爾夫球頭，其中該高爾夫球頭以含鉍的鈦合金所製成的部份是球頭座。34.如權利要求21所述的高爾夫球頭，其中該高爾夫球頭以含鉍的鈦合金所製成的部份是擊球面板。35.如權利要求22所述的高爾夫球頭，其中該高爾夫球頭以含鉍的鈦合金所製成的部份是擊球面板。全文摘要本發明是關於一種使用鈦合金來製造高爾夫球頭的方法，尤其有關一種使用含鉍的鈦合金來製造高爾夫球頭的方法。本發明揭示了利用鑄造性優良的含鉍鈦合金進行高爾夫球頭鑄造，並進行機械性質的評估，開發出新型高強度易鑄造含鉍鈦合金—特別是高強度、低彈性模數鈦合金—的高爾夫球頭鑄造方法，以取代鑄造品良率不佳的傳統鈦合金高爾夫球頭鑄造方法。文檔編號B24B29/02GK101130839SQ20061011139公開日2008年2月27日申請日期2006年8月25日優先權日2006年8月25日發明者朱建平,李智銘,陳瑾惠申請人:陳瑾惠;朱建平