一种高尔夫球具用热成形钛合金的制造方法
阅读说明：本技术 一种高尔夫球具用热成形钛合金的制造方法 (Method for manufacturing hot-forming titanium alloy for golf tool ) 是由 夏长安 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高尔夫球具用热成形钛合金的制造方法,其特征在于,采取多元素复合强化钛合金方法,该合金为近α型相组织的钛合金,成品钛合金铸锭主成分范围,即重量百分比：Al 3.0-5.0％、Fe 1.0-3.0％、Cr 0.2-1.0％、Zr 0.5-1.5％、B+RE 0.01-0.09％,成品钛合金铸锭中杂质的控制范围及杂质含量：O＜0.08％、N＜0.010％、H＜0.008％、C＜0.03％,该方法采取自己设计和生产二种中间合金：铝-铁-铬三元中间合金和钛-铝-稀土三元中间合金与海绵锆、海绵钛为原料,采用真空自耗电弧炉经过二次真空熔炼成钛合金铸锭,本发明的钛合金中合金化元素选用铝,铁,锆,铬为主,同时加入微量细化晶粒提高机械性能的稀土金属,提高了钛合金的强度,塑性,韧性更,能保证高尔夫杆头的使用性能。(The invention provides a method for manufacturing a hot-forming titanium alloy for golf tools, which is characterized in that a multi-element composite strengthening method is adopted for the titanium alloy, the alloy is a titanium alloy with a nearly alpha-type phase structure, and the main component range of a finished product titanium alloy ingot is as follows, namely the weight percentage: 3.0-5.0% of Al, 1.0-3.0% of Fe, 0.2-1.0% of Cr, 0.5-1.5% of Zr and 0.01-0.09% of B + RE, wherein the control range and the impurity content of impurities in the finished titanium alloy ingot are as follows: o is less than 0.08%, N is less than 0.010%, H is less than 0.008%, C is less than 0.03%, and the method adopts self design and production of two kinds of intermediate alloy: the titanium alloy is prepared by using aluminum, iron, zirconium and chromium as main alloying elements and adding rare earth metal with micro-refined crystal grains to improve the mechanical property, thereby improving the strength, plasticity and toughness of the titanium alloy and ensuring the use performance of the golf club head.)
技术领域
本发明主要涉及钛合金制造的技术领域，具体为一种高尔夫球具用热成形钛合金的制造方法。
背景技术
钛合金以其比重轻，比强度高，耐腐蚀等优异的性能在运动器材领域得到广泛应用。运动用自行车，登山器具，滑雪，滑冰器具，网球，羽毛球拍等运动方面钛合金材料使用量越来越大，特别是高尔夫球具，一号木杆杆头90％以上是钛合金制造的。中国是高尔夫球具制造大国，全世界90％以上品牌的高尔夫球具都是在中国生产加工制造的。
高尔夫球具生产使用的钛合金牌号最多的是综合性能比较好的Ti-6Al-4V(中国标准TC4),Gr4(美国标准)等，但是这些牌号的钛合金都是为其它领域应用而研发的，国内外目前尚没有专门为高尔夫球具制造而研发的钛合金。
高尔夫球具用钛合金有其特殊性，这是因为作为木杆杆头的钛合金材料，不但需要有比较高的强度和塑性，还要有比较高的冲击韧性和抗冲击的疲劳性能，也要求有比较低的裂纹敏感性和良好的焊性性能。Ti-6Al-4V等钛合金虽然综合性能较好，但韧性和裂纹敏感性一般，因此会有高尔夫球杆杆头在打球时裂纹和变形情况发生。需设计一种钛合金的强度，塑性，韧性更高才能保证杆头的使用性能。
发明内容
本发明主要提供了一种高尔夫球具用热成形钛合金的制造方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种高尔夫球具用热成形钛合金的制造方法，采取多元素复合强化钛合金方法，该合金为近α型相组织的钛合金，成品钛合金铸锭主成分范围，即重量百分比：Al 3.0-5.0％、Fe 1.0-3.0％、Cr 0.2-1.0％、Zr 0.5-1.5％、B+RE 0.01-0.09％，成品钛合金铸锭中杂质的控制范围及杂质含量：O＜0.08％、N＜0.010％、H＜0.008％、C＜0.03％，该方法采取自己设计和生产二种中间合金：铝-铁-铬三元中间合金和钛-铝-稀土三元中间合金，其制造方法如下：
S1：制造Al-Fe-Cr三元中间合金：以纯铝、纯铁、金属铬为原料，用真空电子束熔炼炉熔炼制造；
S2：制造Ti-Al-RE三元中间合金：以海绵钛，纯铝和纯稀土金属为原料，用真空电子束熔炼炉熔炼制造；
S3：以海绵钛、海绵锆、Al-Fe-Cr三元中间合金、Ti-Al-RE三元中间合金为原料，采用真空自耗电弧炉经过二次真空熔炼成钛合金铸锭；
S4：钛合金铸锭经过锻造开坯、热轧、冷轧、热处理工艺过程制造成钛合金板材；
S5：钛合金板材经过冷加工冲压、热模锻、超塑性热成形、焊接、热处理、表面处理工艺过程制造成钛合金高尔夫杆头。
本发明中优选的，所述纯铝中铝含量为Al＞99.90％，所述纯铁中的铁含量Fe＞99.90％，所述金属铬中的铬含量Cr＞99.85％，所述Al-Fe-Cr三元中间合金成分范围，即重量百分比：Fe30-40％、Cr 25-35％、Al余量，所述Al-Fe-Cr三元中间合金杂质成分控制范围：O＜0.06％、N＜0.009％、H＜0.007％。
本发明中优选的，所述Ti-Al-RE中间合金成分范围，即重量百分比：Al 40-50％、RE0.2-1.0％、Ti余量；Ti-Al-RE中间合金杂质控制范围：O＜0.06％、N＜0.009％、H＜0.007％。
本发明中优选的，所述海绵钛采用0级小颗粒优质海绵钛，其控制指标为：O＜0.06％、N＜0.008％、H＜0.007％、C＜0.030。
本发明中优选的，所述钛合金板材加工工艺参数：锻造开坯温度：900-1150℃；热轧温度：810-1050℃；热处理退火温度：800-950℃；固溶温度：880-980℃；时效温度：480-680℃；α+β→β相变温度850-930℃，其机械性能范围如下：
σb：700-850MPa；
σ0.2：680-780MPa；
δ：10-25％；
ψ：30-45％；
αk：600-750kj/m2。
本发明中优选的，所述钛合金高尔夫杆头制造工艺过程中，热成型温度750-800℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的钛合金中合金化元素选用铝，铁，锆，铬为主，同时加入微量细化晶粒提高机械性能的稀土金属，有良好的热塑性；
(2)本发明兼顾钛合金材料的成本和实用性，生产制造工艺控制难度和稳定性。
(3)本发明的钛合金的强度，塑性，韧性更高，保证杆头的使用性能。
以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。
附图说明
图1为本发明的钛合金熔炼生产工艺流程图；
图2为本发明的钛合金板材加工工艺流程图；
图3为本发明的钛合金高尔夫杆头生产工艺流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
本发明采取多元素复合强化钛合金方法，该合金为近α型相组织的钛合金。
(一)成品钛合金铸锭成分控制范围
1、成品钛合金铸锭主成分范围(重量百分比)：
Al：3.0-5.0％；
Fe：1.0-3.0％；
Cr：0.2-1.0％；
Zr：0.5-1.5％；
B+RE：0.01-0.09％。
2、成品钛合金铸锭中杂质的控制范围
钛合金中杂质含量对其机械性能影响很大，特别是间隙杂质含量对其冲击韧性有决定性影响。必须严格控制，本发明的钛合金必须是低间隙杂质含量：
O＜0.08％；
N＜0.010％；
H＜0.008％；
C＜0.03％。
(二)中间合金制备及熔炼原料控制
钛合金合金元素的加入要充分考虑到元素的熔点，烧损，偏析倾向。一般要是以中间合金的形式加入。而铝热法生产的中间合金一般杂质成分比较高，特别是间隙杂质含量很难控制，均匀性和稳定性差。本发明钛合金中，铁、铬元素在钛合金熔炼过程中易偏析，稀土易烧损，因此采取自己设计和生产二种中间合金：铝-铁-铬三元中间合金和钛-铝-稀土三元中间合金。
2.1、Al-Fe-Cr三元中间合金
本发明的Al-Fe-Cr三元中间合金以Al＞99.90％的纯铝、Fe＞99.90％纯铁和Cr＞99.85％的金属铬为原料，用真空电子束熔炼炉熔炼。
Al-Fe-Cr三元中间合金成分范围(重量百分比)：
Fe：30-40％；
Cr：25-35％；
Al余量。
Al-Fe-Cr三元中间合金杂质成分控制范围：
Q＜0.06％；
N＜0.009％；
H＜0.007％。
2.2、Ti-Al-RE三元中间合金
Ti-Al-RE三元中间合金主要是为了精准控制钛合金中铝含量和防止稀土元素烧损大，利用真空电子束炉真空度高可以防止杂质元素进入的特点，也采用真空电子束炉熔炼。用0级优质海绵钛，纯铝和纯稀土金属为原料熔炼制造。
Ti-Al-RE中间合金成分范围(重量百分比)：
Al 40-50％；
RE0.2-1.0％；
Ti余量。
Ti-Al-RE中间合金杂质控制范围与Al-Fe-Cr三元中间合金相同。
2.3、海绵钛原料
本发明采用0级小颗粒优质海绵钛为原料，低发气量和低镁残留，控制指标为：
O＜0.06％；
N＜0.008％；
H＜0.007％；
C＜0.030。
2.4、锆以海绵锆形式加入，品级控制工业级一级。
(三)钛合金铸锭生产工艺及控制
钛合金铸锭是以海绵钛，Al-Fe-Cr三元中间合金，Ti-Al-RE三元中间合金为原料，采用真空自耗电弧炉经过二次真空熔炼而成。其中熔炼过程中的真空度控制对低间隙杂质含量的钛合金生产非常重要。采取大抽气率真空熔炼，熔炼过程中真空度要始终达到自耗炉的极限真空度，熔炼生产工艺过程，请着重参照附图1。
(四)钛合金板材生产工艺参数
高尔夫球具生产用钛合金加工材主要是用板材为原料，特别是锻造法生产的高尔夫钛合金杆头的上盖和下底，厚度在0.8-1.2mm范围内属于薄板范围，铸锭经过锻造开坯，热轧，冷轧，热处理工艺过程制造成成品，请着重参照附图2。
4.1、热加工工艺参数：锻造开坯温度：900-1150℃；热轧温度：810-1050℃；热处理退火温度：800-950℃；固溶温度：880-980℃；时效温度：480-680℃；α+β→β相变温度850-930℃；
4.2、机械性能范围：
σb：700-850MPa；
σ0.2：680-780MPa；
δ：10-25％；
ψ：30-45％；
αk：600-750kj/m2。
(五)高尔夫杆头的生产工艺过程
请着重参照附图3，高尔夫钛合金杆头一般需要经过的工艺过程：冷加工冲压，热模锻，超塑性热成形，焊接，热处理，表面处理。
5.1、成品杆头质量检查需经过模拟人工打球过程，用高尔夫球进行炮击2000次以上检验，打击面要无变形，开裂，凹凸变化即为合格。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。