一种高尔夫球头材料及其制备工艺和球头打击面
阅读说明：本技术 一种高尔夫球头材料及其制备工艺和球头打击面 (Golf club head material, preparation process thereof and club head striking face ) 是由 朱明洲 游佳谦 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于高尔夫球头制备技术领域,具体涉及一种高尔夫球头材料及其制备工艺和球头打击面。所述高尔夫球头材料,由以下原料制备而成：钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉。具有较好的弹性性能和硬度性能,同时还具有良好的拉伸性能。(The invention belongs to the technical field of golf head preparation, and particularly relates to a golf head material, a preparation process thereof and a golf head striking surface. The golf head material is prepared from the following raw materials: vanadium powder, aluminum powder, chromium powder, nickel powder, manganese powder, iron powder and titanium powder. Has better elasticity and hardness performance and good tensile property.)
技术领域
本发明属于高尔夫球头制备技术领域，具体涉及一种高尔夫球头材料及其制备工艺和球头打击面。
背景技术
通常可以将高尔夫球具分为三大类：木杆头、铁杆头及推杆。而在比赛用高尔夫球具的设计使用上尺寸、形状、体积、特征时间、惯性力矩、恢复系数等均需要符合规范要求。随着功能要求不断提高，应用于高尔夫球头上的材质由最早期的山胡桃木、柿子木制作，渐渐演变成现在常用的钛合金、不锈钢及铁系材料。为配合市场的需求在材料选用上就相当重要。
球具材料发展过程中，早期柿木的实心杆头重量、强度较低，现今所使用的金属材料不但要求能使杆头强度越来越高，又要求可减轻重量并提高击球成功率。
现有技术中虽然存在诸多高尔夫球头材料的改进方法，但是并不能满足越来越高的市场需求。如中国专利申请CN 105950910 A公开了一种高尔夫球头用的耐疲劳钛合金材料，其化学组成以质量百分比计含有：5.3-5.7％的Al、3.11-3.95％的Sn、0.25-0.96％的Mo、0.23-0.69％的Nb、2.61-3.45％的Zr、0.16-0.45％Si、0.23-0.65％的Ta、0.13-0.25％的Pd、0.12-0.23％的Fe、0.03-0.07％的C、0.02-0.05％的N、0.008-0.011％的H、0.08-0.14％的O，余量为Ti。制备母合金所采用的金属原料均为纯度大于99.9％的纯金属单质元素，根据合金的化学组成配料，合金的熔炼设备采用高真空电弧熔炼炉，抽真空高于5×10- 3Pa，在氩气保护气氛下进行电弧熔炼，待母合金熔化后，控制C含量为0.03-0.07％、N含量为0.02-0.05％，H含量为0.008-0.011％，O含量为0.08-0.14％，然后，将熔融钛合金浇注高尔夫球头模壳。
中国专利申请CN 111304550 A公开一种高尔夫球具球捍头材料及其制备方法和应用，属于高尔夫球具材料技术领域。所述高尔夫球具球捍头材料，以质量百分含量计，包括以下元素：C0.18～0.5％，Mn0.1～2.0％，Si0.1～2.0％，Cr12.0～18.0％，Ni1.0～4.0％，Mo≤1.0％，N≤0.3％，Al≤0.2％，Nb≤1.0％，P≤0.045％，S≤0.03％，余量为Fe。将所得混合料依次进行熔炼、电渣重熔和浇铸，将浇铸所得铸锭依次进行锻造制胚、热轧、冷轧和退火处理，得到高尔夫球具球捍头材料。
为进一步提高高尔夫球头的在弹性及抗冲击性能方面，本发明旨在提供一种高尔夫球头及其打击面结构和制备工艺，以满足越来越高的市场需求。
发明内容
为克服以上技术问题，本发明提供了一种高尔夫球头材料及其制备工艺和球头打击面。具有较好的弹性性能和硬度性能，同时还具有良好的拉伸性能。
为实现以上目的，本发明提供的技术方案如下：一种高尔夫球头材料，由以下原料制备而成：钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉。
优选地，按照质量百分数计，所述高尔夫球头材料，由以下原料制备而成：钒粉1-5％、铝粉1-8％、铬粉5-10％、镍粉1-8％、锰粉0.1-1％、铁粉0.1-1.5％、其余为钛粉。
优选地，按照质量百分数计，所述高尔夫球头材料，由以下原料制备而成：钒粉1-3％、铝粉1-4％、铬粉8-10％、镍粉1-3％、锰粉0.1-0.5％、铁粉0.1-0.5％、其余为钛粉。
本发明的另一目的在于提供一种高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1将熔融蜡注入模具中，产生高尔夫球头的蜡模；
S2将蜡模用陶瓷材料涂敷，以形成陶瓷壳体，然后将蜡模熔化，留下陶瓷壳体；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，将液态原料注入陶瓷壳模具中，冷却即制得。
优选地，步骤S2中，所述陶瓷材料为耐温在2600℃以上的陶瓷材料，优选为碳化钽或碳化铪。
优选地，步骤S3中，所述熔炼的工艺为先按照20-25℃/min的速率加热到1000-1200℃，保温30-60min，再以1-5℃/min的速率加热到1600-1800℃，保温30-60min后，再以1-5℃/min的速率加热到2200-2500℃，保温10-20min后，得到液态原料。
优选地，步骤S3中，所述冷却的工艺为先按照5-8℃/min的速率降温到1200-1500℃，保温30-60min，再以1-5℃/min的速率降温到500-600℃，保温30-60min后，再以10-15℃/min的速率将温到室温即可。
本发明的目的还在于提供所述高尔夫球头材料在制备高尔夫球具球捍头打击面或壳体中的应用。
本发明的另一目的还在于提供一种高尔夫球头打击面的加工方法，包括以下步骤：
制备的高尔夫球头材料制成球头打击面，通过铣削处理球头打击面，使打击面平整；打击面铣削平整后，使用铣削打击面线沟的线沟造型加工刀具，四轴加工机床工作台旋转90°并带动高尔夫球球头旋转，高尔夫球球头的打击面的法线方向与线沟造型加工刀具的旋转轴相互垂直，线沟造型加工刀具按照高尔夫球球头打击面的线沟排布加工出线沟；其中，线沟造型加工刀具包括有安装于四轴加工机床主轴的刀柄，刀柄的下端部不可相对转动地装设有造型刀片3；线沟1与打击面2之间形成长方体形状的过渡面4，线沟1与过渡面4相切形成的曲率半径0.254≤R≤0.279。
线沟1与过渡面4相切形成的弧角为r，优选地，过渡面4与r角的内切圆的半径R1 ＝0.254；过渡面4与r角的外切圆的半径R2 ＝0.279。
优选地，所述过渡面4的宽w为0.1-1.5mm，过渡面4的深度s为0.01-0.06mm，所述过渡面4的长度比线沟1的长度短0-12mm。
本发明的另一目的在于提供所述高尔夫球头打击面的加工方法制备而成的高尔夫球头打击面。
与现有技术比，本发明的技术优势在于：
(1)本发明提供的高尔夫球头材料具有较好的弹性和硬度性能，能较好的满足高尔夫运动需求；其次，其制备方法简单，适用于工业推广应用。
(2)本发明中高尔夫球头材料制备过程中使用了钒粉和镍粉，能够有效提高球头的弹性，增强了冲击韧性，同时还能够提高高尔夫球的耐气、耐盐、耐水腐蚀的性能有效提高了高尔夫球头的使用寿命。
(3)本发明高尔夫球头材料中，原料种类少，杂质种类少，降低了加工复杂性和杂质，同时提高了材料的强度等性能。
(4)本发明改变了打击面线沟的加工方式并改变了线沟造型加工刀具的结构，本发明所述的高尔夫球铁杆打击面以及打击面线沟的加工方法与特定结构的线沟造型加工刀具相配。
(5)本发明提供的球头打击面加工方法可更加精確的管控加工深度，可让最大曲率半径成型更精准，r弧轮廓超出双圆外0.279mm，将会判定R弧轮廓与R2(0.279)产生的焦点需≤10度，如大于10度数量超出测量数50％则重新加工。
(6)现有产品的线沟，圆的两侧切点会落在纹路区与线沟侧壁，而本发明中刀具做出来的线沟可让圆的切点落都落在线沟刀做出来的造型上，同时，制成的球头打击面的线沟在打击面上形成过渡面，能够有效提高高尔夫球头打击面的打击性能，提高打击稳定性。
附图说明
图1：本发明刀片的结构示意图；
图2：本发明打击面线沟加工示意图；
图3：本发明的打击面线沟r弧角的内切圆和外切圆示意图；
图4：本发明的线沟剖面图；
图5：现有技术中的线沟剖面图；
附图中标记的具体含义如下：
1为线沟，2为打击面，3为刀片，4为线沟与打击面之间的过渡面；
r为打击面线沟与过渡面相切形成的弧角；R为线沟与过渡面相切形成的曲率半径；
R1代表过渡面与r角的内切圆的半径，R2代表过渡面与r角的外切圆的半径；
h代表线沟高度；w为线沟与打击面之间过渡面的宽度，s为线沟与打击面之间过渡面的深度。
现结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
基础实施例
一种高尔夫球头打击面的加工方法，包括以下步骤：
利用高尔夫球头材料制成球头打击面，通过铣削处理球头打击面，使打击面平整；打击面铣削平整后，使用铣削打击面线沟的线沟造型加工刀具，四轴加工机床工作台旋转90°并带动高尔夫球球头旋转，高尔夫球球头的打击面的法线方向与线沟造型加工刀具的旋转轴相互垂直，线沟造型加工刀具按照高尔夫球球头打击面的线沟排布加工出线沟；其中，线沟造型加工刀具包括有安装于四轴加工机床主轴的刀柄，刀柄的下端部不可相对转动地装设有造型刀片3；线沟1与打击面2之间形成长方体形状的过渡面4，线沟1与过渡面4相切形成的曲率半径0.254≤R≤0.279；线沟1与过渡面4相切形成的弧角为r，过渡面4与r角的内切圆的半径R1 ＝0.254；过渡面4与r角的外切圆的半径R2 ＝0.279；过渡面4的宽w为0.1-1.5mm，过渡面4的深度s为0.01-0.06mm，过渡面4的长度比线沟1的长度短0-12mm。
本发明刀片的结构示意图见图1，打击面线沟加工示意图见图2，打击面线沟r弧角的内切圆和外切圆示意图见图3，与现有技术中的线沟剖面(图5)相比，本发明中制成的打击面线沟1与打击面2表面之间有过渡面4(见图4)，其中过渡面4的宽w为0.1-1.5mm，深度s为0.01-0.06mm，过渡面4的长度比线沟1的长度短0-12mm。
实施例1
一种高尔夫球头材料，按照质量百分数计，由以下原料制备而成：钒粉3％、铝粉8％、铬粉8％、镍粉3％、锰粉0.5％、铁粉0.5％、其余为钛粉；
所述高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1将熔融蜡注入模具中，产生高尔夫球头的蜡模；
S2将蜡模用碳化钽陶瓷材料涂敷，以形成陶瓷壳体，然后将蜡模熔化，留下陶瓷壳体；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，先按照22℃/min的速率加热到1100℃，保温45min，再以2℃/min的速率加热到1700℃，保温40min后，再以3℃/min的速率加热到2300℃，保温15min后，得到液态原料，将液态原料注入陶瓷壳模具中，先按照7℃/min的速率降温到1300℃，保温50min，再以2℃/min的速率降温到550℃，保温40min后，再以12℃/min的速率将温到室温即可。
实施例2
一种高尔夫球头材料，按照质量百分数计，由以下原料制备而成：钒粉1％、铝粉4％、铬粉5％、镍粉8％、锰粉0.1％、铁粉1.5％、其余为钛粉。
所述高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1将熔融蜡注入模具中，产生高尔夫球头的蜡模；
S2将蜡模用碳化铪陶瓷材料涂敷，以形成陶瓷壳体，然后将蜡模熔化，留下陶瓷壳体；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，先按照20℃/min的速率加热到1000℃，保温30min，再以1℃/min的速率加热到1600℃，保温30min后，再以1℃/min的速率加热到2200℃，保温10min后，得到液态原料，将液态原料注入陶瓷壳模具中，先按照5℃/min的速率降温到1200℃，保温60min，再以5℃/min的速率降温到500℃，保温60min后，再以10℃/min的速率将温到室温即可。
实施例3
一种高尔夫球头材料，按照质量百分数计，由以下原料制备而成：钒粉5％、铝粉1％、铬粉10％、镍粉1％、锰粉1％、铁粉0.1％、其余为钛粉。
所述高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1将熔融蜡注入模具中，产生高尔夫球头的蜡模；
S2将蜡模用碳化钽陶瓷材料涂敷，以形成陶瓷壳体，然后将蜡模熔化，留下陶瓷壳体；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，先按照25℃/min的速率加热到1200℃，保温60min，再以5℃/min的速率加热到1800℃，保温60min后，再以5℃/min的速率加热到2500℃，保温20min后，得到液态原料，将液态原料注入陶瓷壳模具中，先按照8℃/min的速率降温到1500℃，保温30min，再以1℃/min的速率降温到600℃，保温30min后，再以15℃/min的速率将温到室温即可。
对比例1
与实施例1相比，区别仅在于原料不同，将铬粉替换为硅粉。
一种高尔夫球头材料，按照质量百分数计，由以下原料制备而成：钒粉3％、铝粉8％、硅粉8％、镍粉3％、锰粉0.5％、铁粉0.5％、其余为钛粉；
所述高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1将熔融蜡注入模具中，产生高尔夫球头的蜡模；
S2将蜡模用碳化钽陶瓷材料涂敷，以形成陶瓷壳体，然后将蜡模熔化，留下陶瓷壳体；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、硅粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，先按照22℃/min的速率加热到1100℃，保温45min，再以2℃/min的速率加热到1700℃，保温40min后，再以3℃/min的速率加热到2300℃，保温15min后，得到液态原料，将液态原料注入陶瓷壳模具中，先按照7℃/min的速率降温到1300℃，保温50min，再以2℃/min的速率降温到550℃，保温40min后，再以12℃/min的速率将温到室温即可。
对比例2
与实施例1相比，区别在于原料不同，将锰粉替换为钼粉。
一种高尔夫球头材料，按照质量百分数计，由以下原料制备而成：钒粉3％、铝粉8％、铬粉8％、镍粉3％、钼粉0.5％、铁粉0.5％、其余为钛粉；
所述高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1将熔融蜡注入模具中，产生高尔夫球头的蜡模；
S2将蜡模用碳化钽陶瓷材料涂敷，以形成陶瓷壳体，然后将蜡模熔化，留下陶瓷壳体；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、钼粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，先按照22℃/min的速率加热到1100℃，保温45min，再以2℃/min的速率加热到1700℃，保温40min后，再以3℃/min的速率加热到2700℃，保温15min后，得到液态原料，将液态原料注入陶瓷壳模具中，先按照7℃/min的速率降温到1300℃，保温50min，再以2℃/min的速率降温到550℃，保温40min后，再以12℃/min的速率将温到室温即可。
对比例3
与实施例1相比，区别仅在于制备过程不同。
一种高尔夫球头材料，原料同实施例1；
所述高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1-S2同实施例1；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，先按照10℃/min的速率加热到1100℃，保温45min，再以2℃/min的速率加热到1700℃，保温40min后，再以3℃/min的速率加热到2300℃，保温15min后，得到液态原料，将液态原料注入陶瓷壳模具中，先按照7℃/min的速率降温到1300℃，保温50min，再以2℃/min的速率降温到550℃，保温40min后，再以12℃/min的速率将温到室温即可。
对比例4
与实施例1相比，区别仅在于制备过程不同。
一种高尔夫球头材料，原料同实施例1；
与实施例1相比，区别仅在于制备过程不同。
一种高尔夫球头材料，原料同实施例1；
所述高尔夫球头材料的制备方法，包括以下步骤：
S1-S2同实施例1；
S3将陶瓷壳体烧结后，形成陶瓷壳模具，将钒粉、铝粉、铬粉、镍粉、锰粉、铁粉、钛粉依次冶炼炉中熔炼，先按照22℃/min的速率加热到1100℃，保温45min，再以2℃/min的速率加热到1700℃，保温40min后，再以3℃/min的速率加热到2300℃，保温15min后，得到液态原料，将液态原料注入陶瓷壳模具中，先按照15℃/min的速率降温到1300℃，保温50min，再以2℃/min的速率降温到550℃，保温40min后，再以12℃/min的速率将温到室温即可。
对比例5
一种应用于高尔夫球杆头的钛合金，按质量百分比由以下组分组成：钛粉：88.5％、铝粉：9％、铋粉：2％、铁粉：0.4％、钼粉：0.08％、铬粉：0.02％，上述组分质量百分比之和为100％；制备方法如下：
步骤1：按质量百分比分别称取：钛粉：88.5％、铝粉：9％、铋粉：2％、铁粉：0.4％、钼粉：0.08％、铬粉：0.02％，上述组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1中称取好的原料在温度为85℃的烘干室中烘干24h；
步骤3：将步骤2中烘干的原料装入混料器中以25转/分的转速，混合9min；
步骤4：将步骤3中混合好的原料冷却至室温；
步骤5：将步骤4中冷却好的原料装入冶炼炉中熔炼，即得到成品钛合金，具体的熔
炼工艺为：步骤5.1：从室温起，以10℃/min的速率加热到295℃，在295℃保温30分钟；步骤5.2：以10℃/min的速率加热到670℃，在670℃保温40min；
步骤5.3：以10℃/min的速率加热到1650℃，在1650℃保温60min；
步骤5.4：以10℃/min的速率加热到1860℃，在1860℃保温120min；
步骤5.5：以10℃/min的速率加热到2700℃，在2700℃保温240min，得到熔融的钛合金；
步骤5.6：将经步骤5.5处理得到的钛合金随炉冷却至室温，即得到成品钛合金。
性能评价
1.参照GB/T 3621-2007《钛及钛合金板材》中的方法，测试实施例1-3及对比例1-5的产品的抗拉强度、伸长率，并采用洛氏硬度计测定硬度值，结果见表1。
表1力学性能
试验组
抗拉强度(MPa)
伸长率(MPa)
硬度HRC
实施例1
1920
13.5
57
实施例2
1908
14.1
55
实施例3
1917
13.9
54
对比例1
1776
11.2
45
对比例2
1795
10.4
43
对比例3
1862
12.3
50
对比例4
1803
11.8
47
对比例5
1625
8.6
34
由此可见，本发明提供的高尔夫球头材料具有较好的力学性能。
2.将实施例1-3的产品按照基础实施例的方法加工成高尔夫球头(过渡面的宽w为1.0mm，深度s为0.03mm，长度比线沟每侧短6mm)，在炮击机上以50m/s的球速炮击5000次球头打击面，球头仍完好无损，说明该材料具有较好的力学性能。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。
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