專利名稱：用于高爾夫球桿頭的馬氏體不銹鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于具有良好耐腐蝕性、機械性能和耐磨性的、用于高爾夫球桿頭的高強度和高耐腐蝕性的馬氏體不銹鋼。
在此之前本發(fā)明人提交的韓國專利申請No 127955(專利公開No 1997-9523)中公開了一種高強度和高耐腐蝕性的馬氏體不銹鋼，這種鋼在有氯離子(Cl-)存在的腐蝕環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性和耐磨性。
上述專利中所公開的鋼具有良好的耐腐蝕性，同時，與現(xiàn)有的420J馬氏體不銹鋼相比具有類似或更高的強度和硬度。該鋼還有一個優(yōu)點是，它具有高于304不銹鋼的抗腐蝕性并具有與316不銹鋼類似的耐腐蝕性，同時它具有比已知具有良好耐腐蝕性的304或316不銹鋼更高的強度和硬度。
作為高爾夫球桿的材料，目前已經(jīng)使用的有碳鋼、鋁合金、18-8奧氏體不銹鋼(例如304不銹鋼或316不銹鋼)、431馬氏體不銹鋼、17-4沉淀硬化不銹鋼、馬氏體時效不銹鋼、純鈦、鈦合金以及銅-鈹合金，這些材料是以鑄造產(chǎn)品或鍛造產(chǎn)品的形式使用的。對于高爾夫球桿材料的質量要求有耐腐蝕性、耐磨性、高的表面硬度、機械性能、耐久性、外觀和擊球時的感覺。
但是，就上述材料而言，碳鋼類的高爾夫球桿材料由于耐腐蝕性較低，在球桿制成后需要鍍鉻以防止生銹。此外，由于這類材料對于高爾夫球桿用途來說其強度較低并且表面硬度也較低，因此它們的使用趨向于減少。
鋁合金類材料，由于其較低的強度和硬度，導致球桿需要制成較大的尺寸，因而很難用于高爾夫球桿。
18-8奧氏體不銹鋼如304不銹鋼或316不銹鋼，盡管具有良好的耐腐蝕性，但其缺點是具有較差的抗拉強度和屈服強度，并且硬度較低，耐磨性較差。
為了克服上述機械性能較差的缺點，近來人們開始使用431馬氏體不銹鋼和17-4沉淀硬化不銹鋼作為高爾夫球桿材料。
此外，由于馬氏體時效鋼具有高的強度和硬度，近來人們開始使用馬氏體時效鋼作為新的高爾夫球桿材料，以提高高爾夫球的飛行距離。
鈦合金由于具有足夠高的強度和硬度而得到廣泛的使用，但它價格較貴，因而很不經(jīng)濟。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于高爾夫球桿頭的馬氏體不銹鋼，它具有比431馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼或鈦合金高的抗拉強度和屈服強度，具有與馬氏體時效鋼相等的抗拉強度、屈服強度和硬度，具有比304不銹鋼高的耐腐蝕性，具有與316不銹鋼相當?shù)哪透g性，并且十分經(jīng)濟。
為了實現(xiàn)上述目的和優(yōu)點，本發(fā)明提供了一種用于高爾夫球桿頭的馬氏體不銹鋼，它含有(重量％)12-16％Cr、1．0-3．0％Ni、1．5-5．0％Mo、不超過0．5％的V、不超過2．0％Si、不超過2．0％Mn、0．1-0．6％C、0．1-0．3％N，余量是Fe和不可避免的雜質。
附圖的簡要說明本說明書中包含有一些附圖，這些附圖構成了本發(fā)明的一部分，用以說明本發(fā)明的實施方案，并且與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原則。
在附圖中圖1是表示本發(fā)明的合金1、2和3以及AISI 304、AISI 316和420J不銹鋼的陽極極化試驗結果的曲線圖；圖2是表示本發(fā)明的合金4和5以及AISI 304、AISI 316和420J不銹鋼的陽極極化試驗結果的曲線圖；圖3是表示按照本發(fā)明將合金在1050℃進行奧氏體化熱處理3小時，然后在各回火溫度進行熱處理1小時時合金的硬度變化的曲線圖；圖4是表示按照本發(fā)明將合金在1050℃進行奧氏體化熱處理3小時，然后在各回火溫度進行熱處理1小時時合金的抗拉強度和延伸率變化的曲線圖。
優(yōu)選實施方式的詳細說明下面詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并參照


實施例。
高爾夫球桿材料所要求具有的性能可以舉出耐腐蝕性、耐磨性、高的表面硬度、機械性能、耐久性、外觀以及擊球時的感覺。其中，對于制造高爾夫球桿來說，材料的硬度、強度和耐磨性被認為是非常重要的性能。
當高爾夫球手用高爾夫球桿擊打高爾夫球時，高爾夫球與球桿頭在很短的時間內彼此發(fā)生碰撞，在碰撞過程中球桿頭吸收能量。高爾夫球與球桿頭碰撞的時間越長，球桿頭所吸收的能量就越多，這將導致傳遞給高爾夫球的能量減少，因而推動高爾夫球的作用力減少，其飛行距離縮短。
因此，隨著高爾夫球桿表面的強度和硬度的提高，高爾夫球在球桿表面上停留的時間縮短，這樣更多的能量被傳遞給高爾夫球，增大了高爾夫球離開球桿時的速度，從而增大了高爾夫球的飛行距離。
此外，在鋼的顯微組織中存在的薄片狀馬氏體可以增強其減震能力，這樣高爾夫球手在擊球時有一種柔和的感覺。
取決于高爾夫球手的擊球速度和球桿的長度，施加于球桿頭的力量是不一樣的，粗略地估計，當高爾夫球手擊球時施加到球桿表面上的負荷大約有1噸。如果球桿的材料強度不夠高的話，這樣大的負荷足以使高爾夫球桿發(fā)生變形。
奧氏體不銹鋼例如304或316不銹鋼，由于其硬度、屈服強度和抗拉強度較低，因而在這樣大負荷下容易變形。此外，當高爾夫球手擊球時，由于草皮、泥土或沙子的作用，在球桿的表面上可能產(chǎn)生磨損，使球桿的外觀惡化。因此，對于高爾夫球桿頭來說，除了硬度和強度外，適當?shù)哪湍バ砸彩且粋€重要的因素。
上述本發(fā)明的高爾夫球桿頭材料的成分是根據(jù)以下理由確定的。
Cr12-16％(重量)添加Cr的主要目的是提高耐腐蝕性。對于不銹鋼來說，Cr是獲得良好耐腐蝕性必不可少的元素。Cr與氧結合，在鋼的表面上形成一層薄的氧化物鈍化膜，它起到了屏障的作用，抑制了材料與周圍環(huán)境之間的反應，通過防止氧化或腐蝕而提高材料的耐腐蝕性。
但是，如果馬氏體不銹鋼中的Cr過多，該合金組合物在高溫時就會從奧氏體單相區(qū)轉變成鐵索體相穩(wěn)定區(qū)，在室溫下不能得到馬氏體相，因而鋼不能硬化。此外，鐵素體相的產(chǎn)生引起耐腐蝕性、強度和硬度的惡化，因此Cr的含量被限定為12-16％(重量)，在這一含量水平上鐵索體相的產(chǎn)生可以得到最大的抑制。
Ni1．0-3．0％(重量)Ni的作用是穩(wěn)定奧氏體相和抑制鐵素體產(chǎn)生。Ni還可以提高耐腐蝕性和彎曲疲勞強度。不過，如果Ni添加過量，奧氏體相穩(wěn)定化，空冷或油冷時不能形成馬氏體，導致產(chǎn)生殘余奧氏體相，從而使得材料的強度和硬度降低。因此，對于高爾夫球桿頭用的馬氏體不銹鋼來說，Ni的含量被限制為不超過3．0％(重量)。Ni的添加量低于1．0％(重量)時，由于在高溫下γ-環(huán)(即奧氏體穩(wěn)定區(qū))不能充分擴大，因而不能進一步添加可以改善耐腐蝕性的Cr和Mo。
Mo1．5-5．0％(重量)在不銹鋼中添加Mo的目的是1)提高抗腐蝕性；2)改善高溫機械性能；及3)對于馬氏體不銹鋼而言，提高回火抗力和強度。
也就是說，通過添加Mo提高對于回火的抗力，產(chǎn)生二次硬化，從而可以獲得最佳的延展性、韌性和抗應力腐蝕開裂性能。
當與N同時存在時，由于Mo與N的協(xié)同作用可以顯著提高抗腐蝕性，優(yōu)選的是添加不少于1．5％(重量)的Mo。但是，Mo的添加量最好是不超過5％(重量)，這是因為，Mo的含量超過5％(重量)會引起鐵素體相形成，致使強度、硬度和抗腐蝕性惡化。
C0．1-0．6％(重量)碳的作用是穩(wěn)定奧氏體相并有助于提高強度和硬度。通過添加碳，奧氏體相區(qū)擴大，以實現(xiàn)添加Cr和Mo來提高耐腐蝕性，并抑制δ鐵素體的形成。隨著碳含量增加，硬度值增大。但如果碳含量小于0．1％(重量)，則不能獲得足夠的強度和硬度，并且不會發(fā)生馬氏體轉變。反之，如果碳含量超過0．6％(重量)，碳化物沉淀析出，導致抗晶界腐蝕性及延展性降低。因此，碳含量的適宜范圍是0．1-0．6％(重量)。
N0．1-0．3％(重量)與碳一樣，氮是擴大奧氏體相區(qū)的非常有效的合金元素。此外，氮以間隙原子的形式溶解于固溶體中，具有使鋼強化的作用。除了這種作用之外，添加氮的主要目的是改善抗腐蝕性。當?shù)c鉬同時存在時，通過協(xié)同作用可以顯著提高抗腐蝕性和抗晶界腐蝕性。具體地說，當?shù)c鉬同時存在時，它使氧化鉻明顯地富集在鋼表面上形成的鈍化膜中。但是，如果添加氮超過了其固溶度，鑄造時會產(chǎn)生氣泡，形成鑄造缺陷，因此氮的含量被限定為0．1-0．3％(重量)的范圍。
V～0．5％(重量)釩可以有效地抑制貧鉻層的產(chǎn)生，提高氮的固溶度，抑制反轉變的奧氏體的晶粒長大。但是，過量添加時會引起鋼的延展性降低，因此其含量被限定為不超過0．5％(重量)。
Si～2．0％(重量)Si是以Ca-Si的形式添加的，其目的是為了脫氧。當制造鑄造產(chǎn)品時，硅可以提高熔融金屬的流動性。但是，由于它促進δ鐵素體的形成并使熱加工性能惡化，因此硅的含量被限定為不超過2．0％(重量)。
Mn～2．0％(重量)作為一種奧氏體穩(wěn)定化元素，Mn擴大奧氏體相區(qū)。但是，由于它降低延展性并且在退火過程中產(chǎn)生氧化皮，損害鋼板的表面質量，因而Mn的上限不超過2．0％(重量)。
對于本發(fā)明的含有上述合金元素的鋼而言，為了保持高的強度和高的抗腐蝕性，必須在適當?shù)臏囟认聦ζ溥M行適當時間的固溶處理和奧氏體化熱處理，否則，本發(fā)明的鋼的綜合性能就可能降低。
優(yōu)選實施方式的說明下面說明本發(fā)明鋼的一個實例的制造方法及其機械性能和抗腐蝕性評價試驗。
制備試樣使用高頻感應電爐，在氧化鋁坩堝中及大氣氛圍中熔煉本發(fā)明鋼的試樣，該試樣的原料包括工業(yè)純的電解鐵(純度99．9％)、鉻(純度99．2％)、鉬(純度99．9％)、Fe-Si、Fe-Cr-N。將上述材料按純鐵(它是高熔點金屬)、Mo、Cr、Ni和Fe-Cr-N的順序裝爐。熔融金屬的出爐溫度設定為約1600℃，將熔融的金屬注入經(jīng)過預熱的矩形鑄模，制成鑄錠。將制成的錠磨削或加工成適當?shù)某叽?。所得鑄錠在1100℃下均熱1小時，然后熱軋并空冷。
經(jīng)過熱軋的鋼在950-1050℃下進行奧氏體化熱處理3小時，然后進行回火熱處理。通過下述試驗評價所得到的鋼的機械性能和抗腐蝕性。表1中示出本發(fā)明的合金、比較合金和常規(guī)鋼的化學成分以供比較。表1本發(fā)明鋼、對比鋼和常規(guī)鋼的化學成分(重量％)
抗腐蝕性的試驗結果采用陽極極化試驗方法來評價抗腐蝕性，該方法是采用電化學方式評價抗腐蝕性。在35℃的溫度下，在3．5％(重量)NaCl試驗溶液中，使用穩(wěn)壓器在陽極方向上從腐蝕電位開始施加電位，測定電位-電流密度曲線。根據(jù)臨界電流密度、鈍態(tài)電流密度和點腐蝕電位評價抗腐蝕性。即，臨界電流密度和鈍態(tài)電流密度越低，抗腐蝕性越強，產(chǎn)生點腐蝕電位越高，抗腐蝕性越高。
圖1和圖2是表示本發(fā)明合金、對比鋼和常規(guī)鋼的陽極極化試驗結果的曲線圖。根據(jù)這一試驗結果，本發(fā)明的所有鋼的點腐蝕電位都高于304不銹鋼，本發(fā)明鋼的鈍態(tài)電流密度均低于304不銹鋼，并且本發(fā)明鋼的點腐蝕電位與316不銹鋼大體相同或更高。
總而言之，本發(fā)明鋼的抗腐蝕性優(yōu)于304不銹鋼，與316不銹鋼的抗腐蝕性相當或更高。
機械性能的評價為了評價機械性能，進行拉伸試驗、硬度試驗和減震性能試驗。用于拉伸試驗的試樣被加工成ASTM標準規(guī)定的尺寸，其標距部分用最高達#600號SiC砂紙打磨，然后以10mm／分的速度進行拉伸試驗，測定抗拉強度和延伸率。使用洛氏硬度試驗機，施加150kg載荷，按C標度測定硬度值。
表2中示出本發(fā)明的合金和對比鋼的硬度試驗結果。圖3和圖4是表示本發(fā)明合金1的硬度和拉伸試驗結果的曲線圖，本發(fā)明的合金1是本發(fā)明中最適合用作高爾夫球桿的材料，它是在1050℃下熱處理3小時，然后在各溫度下回火熱處理1小時。
本發(fā)明的合金都顯示出高于HRC50的良好硬度值。此外，觀察到隨著回火溫度而產(chǎn)生的硬度變化，在低于550℃的回火溫度下，這些合金具有高于HRC50的硬度。這些合金的抗拉強度是180kg／mm2，這表明，當它們在550℃以下溫度回火時，得到幾乎恒定的強度。表2本發(fā)明的鋼、比較鋼和常規(guī)鋼的抗腐蝕性和機械性能
為了達到可用于高爾夫球桿的鋼所要求的適當?shù)膹姸群涂垢g性，通過改變對比鋼和本發(fā)明鋼的化學成分來觀察每一種合金元素的影響。
通過本發(fā)明鋼1和2確定碳的影響，通過本發(fā)明鋼1、5和6以及對比鋼5確定Mo的影響。通過本發(fā)明鋼1、對比鋼1、2和4確定N的影響。通過本發(fā)明鋼1和對比鋼6確定Ni的影響。通過本發(fā)明鋼1和對比鋼6確定組合添加N和Mo的影響。
獲得具高于HRC50硬度值和優(yōu)于304不銹鋼的耐腐蝕性的合金成分為Cr12～16％(重量)、Ni1．0-3．0％(重量)、Mo11．5％(重量)、V～0．5％(重量)、Si～2．0％(重量)、Mn～2．0％(重量)、C0．1～0．6％(重量)、N0．1～0．3％(重量)，余量為Fe和不可避免的雜質。
高爾夫球桿頭的實施方式圖3表示目前所使用的高爾夫球桿材料和本發(fā)明的合金1的屈服強度、抗拉強度和硬度之間比較的曲線圖。表3本發(fā)明合金與常規(guī)鋼的機械性能的比較
與目前用來作用高爾夫材料的304不銹鋼、316不銹鋼、431馬氏體不銹鋼、17-4沉淀硬化不銹鋼和鈦合金相比，本發(fā)明的鋼具有優(yōu)越的屈服強度、抗拉強度的硬度，同時具有與馬氏體時效鋼相類似的機械性能。
因此，采用本發(fā)明的鋼作為高爾夫球桿材料時，由于它具有高的強度和硬度，因而可以減少高爾夫球與球桿表面接觸的時間，可以把更多的能量傳遞給高爾夫球，這樣高爾夫球就可以以更大的速度飛行。也就是說，由于推動力增大，高爾夫球的飛行距離可以明顯增大。
此外，由于具有高的表面硬度，耐磨性良好，因而，高爾夫球手進行比賽和訓練時，草皮、泥土或砂子不容易對球桿頭的表面造成磨損，因而球桿表面可以保持光滑，具有良好的外觀。
表4表示本發(fā)明的鋼和對比鋼的減振性能。本發(fā)明的鋼由于其顯微組織中具有一些薄片狀的馬氏體，減震性良好。因此，擊球時不會產(chǎn)生很大的聲音和振動，高爾夫球手擊球時有一種輕松和柔和的感覺。表4本發(fā)明的合金和常規(guī)鋼的減震性比較
高爾夫球桿材料的外觀與抗腐蝕性和耐磨性密切相關。碳鋼類的高爾夫球桿材料由于具有較低的耐腐蝕性，因而在球桿制成后需要在其上面電鍍Cr以防止生銹。材料表面上的鍍Cr層厚度為幾十微米，因此，如果在打球時高爾夫球桿容易劃傷或者容易產(chǎn)生磨損，它就會被腐蝕。隨著球桿使用次數(shù)增加，其外觀逐漸惡化。
因此，需要使用一種本身具有良好耐腐蝕性因而不需要任何特殊表面處理的材料。眾所周知，431馬氏體不銹鋼和17-4沉淀硬度不銹鋼的耐腐蝕性低于304不銹鋼和316不銹鋼。此外，據(jù)報導，431馬氏體不銹鋼和17-4沉淀硬化不銹鋼被用來作為高爾夫球桿材料時，不容易產(chǎn)生銹蝕。
由于本發(fā)明的鋼具有高于304不銹鋼的耐腐蝕性以及與316不銹鋼大體相同的耐腐蝕性，因而適合用于高爾夫球桿材料，不會產(chǎn)生銹蝕。
此外，本發(fā)明的鋼還有一個優(yōu)點，即它容易焊接。在通過鑄造來制造高爾夫球桿頭的情況下，常常需要修補焊接。由于承受大的負荷而需要高的硬度和強度的高爾夫球桿頭通常是將2片或3片鋼板焊接而制成的，因而高爾夫球桿材料的焊接性能十分重要。一般地說，當馬氏體不銹鋼被焊接時，為了抑制焊接裂紋的形成，需要在200-400℃的溫度下預熱。裂紋的形成是由于可以擴散的氫以及凝固過程中發(fā)生的馬氏體轉變而引起的。由于Ms點較高，大部分馬氏體不銹鋼在冷卻過程中容易發(fā)生馬氏體轉變。
但是，對于本發(fā)明的鋼來說，其Ms點約為80℃，比其它馬氏體不銹鋼低100-150℃，因而馬氏體轉變是在室溫下進行，裂紋的形成受到抑制。也就是說，本發(fā)明的不銹鋼可以很容易焊接，不需要經(jīng)過預熱。
綜上所述，本發(fā)明的馬氏體不銹鋼具有高的強度和高的耐腐蝕性，其強度和耐腐蝕性優(yōu)于常規(guī)的高爾夫球桿材料，例如碳鋼、18-8奧氏體不銹鋼、431馬氏體不銹鋼和17-4沉淀硬化不銹鋼。此外，本發(fā)明的不銹鋼具有相當于馬氏體時效鋼的機械性能并且具有良好的耐腐蝕性。
因此，本發(fā)明的不銹鋼被用來作為高爾夫球桿頭材料時可以獲得下列效果。即，由于本發(fā)明的鋼具有高于常規(guī)高爾夫球桿材料的強度和硬度，因而，當高爾夫球手擊球時，高爾夫球由于較大的推動力其飛行距離增大。由于它具有良好的減震性，高爾夫球手擊球的感覺很好。另外，它具有良好的耐磨性的抗腐蝕性，球桿不容易生銹，可以保持潔凈的外觀。此外，由于它可以以低于某些常規(guī)高爾夫球桿材料的成本制造，因而其生產(chǎn)成本較低。
由于本發(fā)明可以以幾種不同的具體方式實現(xiàn)而不會偏離其精神或基本特征，不言而喻，除非另有說明，上述實施方式不受上述具體說明的限制，本發(fā)明的精神和范圍在所附的權利要求中得到解釋，因此，落入權利要求所述的條件和界限的所有變化和改型或者這些條件和界限的等同物都包括在所述的權利要求范圍內。
權利要求
1．用于高爾夫球桿頭的馬氏體不銹鋼，其特征是，含有(重量％)12-16％Cr、1．0-3．0％Ni、1．5-5．0％Mo、不超過0．5％的V、不超過2．0％Si、不超過2．0％Mn、0．1-0．6％C、0．1-0．3％N，余量是Fe和不可避免的雜質。
全文摘要
本發(fā)明的用于高爾夫球桿頭的馬氏體不銹鋼具有高于431馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼或鈦合金的抗拉強度和屈服強度,具有與馬氏體時效鋼相等的抗拉強度、屈服強度和硬度,具有高于304不銹鋼的耐腐蝕性,具有與316不銹鋼相當?shù)牧己媚透g性,并且經(jīng)濟性很好。該不銹鋼含有(重量%):12—16%Cr、1.0—3.0%Ni、1.5—5.0%Mo、不超過0.5%V、不超過2.0%Si、不超過2.0%Mn、0.1—0.6%C、0.1—0.3%N,余量是Fe和不可避免的雜質。
文檔編號C22C38/46GK1293262SQ0013168
公開日2001年5月2日 申請日期2000年8月16日 優(yōu)先權日1999年8月16日
發(fā)明者樸庸秀, 金淳太, 樸熙詳, 全俞鐸 申請人:樸庸秀