CN1233514A - 超弹性记忆合金高尔夫球头及其制作方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种将镍钛基形状记忆合金经加工及热处理制成具有优异的超弹性记忆合金高尔夫球头及其制作方法和设备,利用记忆合金的形状记忆特性,击球面板镶嵌于球头的沟槽内,该记忆合金组份为镍钛及适量的铜、矾、铁、铬、钴等元素,经熔铸、热轧、冷轧及热处理、冲剪、镶嵌而制成高尔夫球头。其特点是具有超弹性,可增加击球的飞行距离,增大球头的甜蜜圈、缩小飞球的散落区域,减震性能好。

Description

超弹性记忆合金高尔夫球头及其制作方法和设备

本发明系与高尔夫球的球头制作技术有关，更详而言之，尤指一种将镍钛基形状记忆合金藉由特殊的加工及热机处理制程，使具有优异的超弹性记忆合金高尔夫球头及其制作方法和设备。

随着科技的进步，各种新的材料与科技都相继投入运动器材的制作，以增进运动者的科技发挥及乐趣。而高尔夫球运动是兼具休闲与强身的运动之一，其运动人口与日俱增，因而科学化的器材产品总是琳琅满目，吸引着广大的消费族群；若以高尔夫球杆球头构造为例，多少近代的尖端材料，甚至于应用于国防科技、航太工业如铝合金、不锈钢、钛合金、超合金……等等的高科技材料，皆相继投入高尔夫球头的设计及应用上，其主要的目的在于有：

(1)增加球头的刚性及弹性，使其在相同挥杆使力的力道下，能使高尔夫球飞得更远；

(2)减少高尔夫球杆球头的相对结构重量与阻力，使挥杆者能以最小的挥杆力道，可得到最有效的控球精度；

(3)增加加工的制程，使其生产快速，达到高产量的目的。

因此，基于上述的理由，运动球具的设计者必须在高尔夫球头特殊材料的选择、结构外形与空气力学上寻求最佳化的搭配，至于经济因素反而成为次要的问题了。

形状记忆合金是一种极特殊的功能材料(Functional Materials)，可随着温度的改变而产生热弹性麻田散体的***(Thermal-elasticMartensitic Transformation)，此种相***(Phase Transformation)的过程为可逆的，当形状记忆合金从高温渐渐冷至麻田散体开始***的温度(Martensite Start Temperature,Ms)时，则材料由高温相组织开始***为低温麻田散体相组织，这两种相组织间保持着特定的方位关系(Orietation Relationships)；若低温麻田散体相受到外力作用时将产生应变(Strains)，此种应变与一般材料的受力产生晶格滑移(Slipping)和滋生差排(Dislocations)的应变有所不同，而是低温麻田散体相内众兄弟晶(Variants)之间顺着外力自行调适(Self-accommondation)的结果，彼此间仍旧存在着特定的方位关系；接着合金加热回到AF温度(Finish ofReverse Tansformation of Martensite)时，则低温麻田散体完全逆***回原来的高温相，即亦恢复到原来的形状。因此，从材料的整体外形观之，像是外形对温度有记忆效应，故称之形状记忆合金。Ni-Ti形状记忆合金在1963年首创于美国海军兵器实验室Nitinol(NiTi Naval OrdnanceLab.)，直至今日，在众多系列的形状记忆合金当中，镍钛基之形状记忆合金仍是具有最稳定的特性及化性，为性能最好的形状记忆合金。

本发明的主要目的系在于提供一种超弹性记忆合金高尔夫球头及其制作方法和设备，其系由形状记忆合金为本发明的主体，以特殊的加工及热机处理的制程，设计并生产一种具有超弹性的镍钛基之的形状记忆合金板，同时将超弹性及记忆性设计应用在高尔夫球头的击球面上，使一方面产生了超弹性的击球面，可使击出的球飞得更远并缩小飞球的散落范围，并扩大球头本身的甜蜜圈；另一方面则利用记忆性产生强力紧箍固牢的免焊镶嵌结构，进一步强化了击球面的超弹性效果，同时简化了球头的制程，是既经济且有效的应用设计。

所有的形状记忆合金欲达到其预定的特性与目的，包括超弹性、记忆性、高制震性……等等，皆必须掌握二个基本原则：

(1)精确的配方

以镍钛基的形状记忆合金为例，从Ms***点温度的高低，即可判定该合金绝大部份的性质，然，Ms温度深受成份的影响，例如0.1at％Ni的成份变动，造成约10℃的上下偏移，又或添加少量过度金属元素或受微量气、碳等非金属元素污染，则影响更甚。

(2)标准的热机处理(Thermal-mechanical Process)

热机处理条件包括合金塑性变形时的温度、变形量及热处理的温度、时间、冷却加热速率……等。所有的形状记忆合金，其记忆性与超弹性是不相容的，超弹性佳者必无记忆性，记忆性强时则并不具备超弹性。因此，精准的热处理条件是必须掌握的，方能达到预其的性能与效果。

下面结合本发明的实施及其附图作进一步说明。

图1是本发明镍钛基超弹性合金于抗拉或抗折试验中，施力时由高温相***成麻田散体相与释力时由麻田散体相逆***成高温相之超弹性应力应变曲线变化示意图。

图2是本发明Super-E超弹性合金板沿辊轧方向之全相组织。

图3是本发明镍钛基超弹性合金之Super-E及Ni-Ti在抗拉试验中所显现之应力、应变曲线图。

图4是本发明凹压试验之装置示意图。

图5-1是不锈钢17-4PH板材之凹压试验特性曲线。

图5-2是钛合金Ti-6AL-4V板材之凹压试验特性曲线。

图5-3是超弹性合金Ni-Ti板材之凹压试验特性曲线。

图5-4是超弹性合金Super-E板材之凹压试验特曲线。

图6-1是本发明超弹性合金板于压型及冲剪下料加工前之工作示意图。

图6-2是本发明超弹性合金板之上、下模组同时或任一朝内运动，将超弹性合金板压铸成一预型弧状之示意图。

图6-3是本发明超弹性合金板保持上、下模固定并夹紧且上冲剪向下运动而下承座同步向下运动，将超弹性合金板剪断下料后及上、下模组归位后侧可拿出超弹性合金板完成下料及预型之击球面板之示意图。

图6-4是本发明超弹性合金板于刚下料后及预型之击球面板，尚处于低温状态时所呈之状态。

图6-5是本发明超弹性合金缺少击球面板之高尔夫球头示意图。

图6-6是本发明超弹性合金将击球面板与高尔夫球头组合，而击球面处于低温状态时之示意图。

图6-7是本发明超弹性合金之击球面板回复至常温而恢复其原来所呈现之平直状，紧箍固牢在球头上之示意图。

图7是本发明Super-E超弹性合金于凹压试中，与模座是否作0.4毫米干涉量之超弹性曲线。

图8-1是本发明超弹性击球面板之下料外形尺寸。

图8-2是本发明高尔夫球头经铣削加工之沟槽尺寸图。

图1所示的为本发明超弹性记忆合金高尔夫球头及其制作方法和设备之一较佳实施例镍钛基超弹性合金板之应力应变曲线，其制作方法如下：

(1)镍钛二元形状记忆合金之组成为含镍49.0-52.0原子百分比，将高纯度之镍(≥99.8％)与钛(≥99.9％)依需求设计调配成份，以控制其Ms***温度之高低，例如需求常温超弹性合金时，则其Ms***温度设计在冰点以下，或Af点在0℃左右。采用真空电弧熔解(Vacuum Arc Melting)或真空电弧重熔(Vacuum Arc Remelting)技术熔铸成锭。在镍钛二元合金中若添加其他合金元素时，将改变合金的***温度、材料强度及变形能力，在此以加添适量的钒、钴、铜、铁……等，例如：高强度超弹性合金成份为：Ni(51-a)Ti(49-a)X2a,X=V,Co,Cr…,a=0-3，并配合热机处理，可得到超弹性强度700Mpa之超弹性合金，若添加适量的钢、铬、铁……等，例如：Ni(45-b-c)Ti(50-c)Cu(5+b)X2c,X=Cr,Co,Fe…b=0-5,c=0-1，可得到超弹性强度低于200Mpa之合金，端视需求而定。

故，兹将上述所添加其他合金元素，稍作说明如后：

①V(钒)：主司合金强化，稍损合金成形性。

②Cu(铜)：软化合金之麻田散体相，强化高温母相，对合金之***点影响不大。

③Co、Cr、Fe：添加量对合金***点影响很大，故添加之目的为调节***点。

(2)将上述合金铸锭在800℃左右热轧至设计厚度，复行冷轧及热处理，此时合金在沿辊轧方向之金显微组织如图2所示，晶粒(Grains)呈狭长直状分布，而在抗拉试验之应力应变曲线已呈现明显的超弹性，如图3所示，Ni-Ti及Ni-Ti-V-Co合金之超弹性强度各为400及700Mpa。

请参阅图4，系为本发明之镍钛基超弹性合金圆板片之凹压测试。

(1)为模拟高尔夫球头击球面与高尔夫球相碰撞的情形，我们采取一凹压试验，此项试验的压头20外径恰等于高尔夫球的大小。将17-4PH不锈钢、Ti-6Al-4V钛合金及Ni-Ti与Ni-Ti-V-Co超弹性合金……等四种材料加工成厚2.7mm外径55mm之图试片201，再在室温下以每分钟1mm之压头速率进行凹压试验。

(2)图5-1至图5-4系为前述四种材料做作凹压试验之特性曲线，不锈钢之凹压曲线的降伏转折点，当凹压量超过0.5mm时即有明显的永久变形量；从钛合金之凹压曲线可发现此合金稍具拟弹性，但当凹压量超过0.5mm时亦存在永久的变形量；Ni-Ti与Ni-Ti-V-Co两超弹性合金之凹压量达1.5mm后，仍无永久变形量发生(于凹压试验中，因压头与试片之接触面积随凹压量之增加而增大，故超弹性曲线未若图3之完美)。从上述的比较，很显然地，镍钛基超弹性合金为极理想高尔夫球头击球面板之候选材料。

请参阅图6-1至图6-7，系为高尔夫球超弹性击球面板11之紧箍镶嵌。

(1)镍钛基超弹性合金板，其加工硬化率很高，且韧性、弹性、钢性均甚强，根本难以机械切削方式直接下料，可用电弧线切割方式进行，但甚不经济与不切实际。若将超弹性板冷至Ms温度以下(约-50℃)时，则形成麻田散体相组织，合金已呈非弹性状态，此时合金之强度最低，可似铜合金一样地容易加工或切割。

(2)将常温超弹性合金板10冷至Ms温度附近，依顺序压型与冲剪，冲剪后呈凹凸弧形之击球面板11，其大小适可置入经铣削加工过的球头沟槽内101，待温度升至室温后，击球面板11因形状记忆效应而恢复其原来平直状，如此恰可镶嵌在球头上。若设计有适度的镶嵌量，则击球面板11因球头之束缚而产生了紧箍力，此紧箍力可将加强击球面板11之超弹性及强度。

图7为厚度2.7mm外径55mm之Ni-Ti-V-Co合金圆板片，其中SKD-11钢模作0.4mm之干涉量组装，如此在凹压试验中，其弹性强度约增加了10％。

(3)图8-1至图8-2系击球面板之下料外形尺寸与球头之镶嵌角度，其预估计算式如下：

(1)将平板型压成球形弧面，其内外壳面之变形量分别为：(R2-R1)/(R1+R2)及(R1-R2)/(R1+R2)。对镍钛基形状记忆合金而言，其可完全恢复之应变量通常不超过7％。

(2)下料的外形尺寸：

A=(R1+R2)sin-1(D/2R2)

B=(R1+R2)sin-1(D/2R1)

(3)镶嵌角α=tan-1[2(R1-R2)/(A-B)]

上述三实例，系分别为“镍钛基超弹性合金板之制作”、“镍钛基超弹性合金圆板片之凹压测试”、“高尔夫球超弹性击球面板之紧箍镶嵌”之详细说明；

本发明之优点如下所列：

(1)可增加飞行的距离

根据牛顿第二运动定律，在打击或冲撞的场合中里，物体所受到的力和受力时间的乘积等于物体所获得的动量(Momentum)，此动量恰为实质与速度的乘积。用相同的力道击球时，超弹性击球面板与球碰触的瞬间，所产生的超弹性凹受面将会较大，亦可拉长与球接触的时间，如此球所活获得的动量将较大，因而可增加击球的飞行距离。

(2)可增加球头本身的甜蜜圈及缩小飞球的散落范围

只要击球面板的便变形量超过某程度时，其弹性强度几呈定值，此意味谓着击球时，球与击球面间的相对击球角度或方向稍有变异时，球头超弹性凹受面的局部净变形量虽稍有差异，但无甚改变球体之周遭受力状况，所以球的飞行轨道会相当一致，此节结果非但坷可增大球头本身的甜蜜圈，可缩小飞球的散落区域。

(3)用相同的击球力道可有不同的击球距离

以相同的力道击球，若改便变击球面板的超弹性强度，可产生不同的击球效果，即球所获得的动量不等，故产生不同的击球距离。

(4)高阻尼效应(High Damping Effect,HDE)钛镍基形状记忆合金是属于双晶型防震合金，其减震因子为热弹性麻田散体之高密度双晶界面及其可移动性的***界面，这些减震因子之密度高达每平方厘米数百万个，故当震波传至这些界面时，将发生能量之不完全传递，因而造成强烈的减震效果。

Claims (3)

1．一种高尔夫球头，其超弹性击球面板系由形状记忆合金所制成，并利用记忆合金本身的形状记忆特性，将击球面板紧箍镶嵌在球头上，其特征在于：

(1)该超弹性击球面板具有增加飞行距离、缩小飞球的散落范围，并增加球头本身的甜蜜圈，此种超弹性击球面板的应用，可扩及任何运动器材或设备的击球棒、板或元件；

(2)其击球面板与球头之间的免焊预力镶嵌结构，可为击球面板和球头两者皆或任其一采用形状记忆合金的设计；

(3)此超弹性球头可为整体形状记忆合金材质，或仅仅是击球面板的设计。

2．一种权利要求1所述的高尔夫球头制作方法，本方法具有以下特征：

(1)超弹性击球面板系由镍钛形状记忆合金经特殊加工与热机处理所制成，必要时再添加适量的合金元素以加强或调整其超弹性及形状记忆性，例如高强度超弹性合金成份为：Ni(51-a)Ti(49-a)X2a,X=V,Co,Cr…,a=0-3，而低强度超弹性合金成份为：Ni(45-b-c)Ti(50-c)Cu(5+b)X2c,X=Co,Fe…b=0-5,c=0-1；

(2)将镍钛基形状记忆合金铸锭在800℃左右进行热轧至设计厚度，再行冷轧及热机处理，如此板材即具有超弹性；

(3)将此超弹性合金板冷至Ms温度附近，以特殊设计的冲模进行冲剪下料，用此法下料的击球面板呈凹凸弧形状，其外形尺寸及镶嵌角度可事先估算出；

(4)趁着击球面板尚处于低温时，将其置入事先经铣削加工过的球头沟槽内，待温度升至室温后，击球面板不但恢复了超弹性，更因形状记忆特性而恢复了原来的平直状或弧面，如此恰可镶嵌在球头上，为一完全免焊过程，若同时再设计有适度组装的干涉量，则击球面板因球头的束缚而产生了紧箍力，此紧箍力可加强击球面板的超弹性及强度。

3．一种权利要求1所述的高尔夫球头成型冲压机械，其冲模经特殊设计，可同时进行超弹性击球面板的下料及预型，以达成高尔夫球头免焊固牢镶嵌制程的绝佳装置。

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