低密度钛合金、高尔夫球头以及制造低密度钛合金部件的方法.pdf

本发明涉及一种低密度钛合金、使用该合金的高尔夫球头以及利用该合金来制造低密度钛合金的方法，其中所述低密度钛合金含有：7.1质量％-10.0质量％的Al；0.1质量％-3.0质量％的Fe；0.01质量％-0.3质量％的O；0.5质量％或更低的N；0.5质量％或更低的C，余量为Ti以及不可避免的杂质。本发明的合金进一步还可以含有0.01质量％-2.0质量％的V。与Ti-6Al-4V相比，本发明的合金具有较高的比强度、具有优异的热加工性并且其成本得到降低。

权利要求书
1.  一种低密度钛合金，其包含：

7.  1质量％-10.0质量％的Al；
1质量％-3.0质量％的Fe；
01质量％-0.3质量％的O；
5质量％或更低的N；
5质量％或更低的C，并且
余量为Ti以及不可避免的杂质。

2.  根据权利要求1所述的低密度钛合金，其还包含：
01质量％-2.0质量％的V。

3.  根据权利要求1所述的低密度钛合金，其还包含：

2.  0质量％或更低的选自Cr、Ni和Mo中的至少一种元素。

4.  根据权利要求2所述的低密度钛合金，其还包含：

2.  0质量％或更低的选自Cr、Ni和Mo中的至少一种元素。

5.  根据权利要求1所述的低密度钛合金，其还包含：
01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。

6.  根据权利要求2所述的低密度钛合金，其还包含：
01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。

7.  根据权利要求3所述的低密度钛合金，其还包含：
01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。

8.  根据权利要求4所述的低密度钛合金，其还包含：
01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。

9.  根据权利要求1所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

10.  根据权利要求2所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

11.  根据权利要求3所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

12.  根据权利要求4所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

13.  根据权利要求5所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

14.  根据权利要求6所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

15.  根据权利要求7所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

16.  根据权利要求8所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。

17.  根据权利要求1所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

18.  根据权利要求2所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

19.  根据权利要求3所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

20.  根据权利要求4所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

21.  根据权利要求5所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

22.  根据权利要求6所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

23.  根据权利要求7所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

24.  根据权利要求8所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

25.  根据权利要求9所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

26.  根据权利要求10所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

27.  根据权利要求11所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

28.  根据权利要求12所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

29.  根据权利要求13所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

30.  根据权利要求14所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

31.  根据权利要求15所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

32.  根据权利要求16所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。

说明书低密度钛合金、高尔夫球头以及制造低密度钛合金部件的方法
技术领域
本发明涉及低密度钛合金、高尔夫球头以及制造低密度钛合金部件的方法，更具体的说，本发明涉及具有高的比强度和优异的热加工性的低密度钛合金、使用这种低密度钛合金的高尔夫球头以及利用这种低密度钛合金来制造低密度钛合金部件的方法。
背景技术
实际应用中的钛合金在广义上可分为：
(1)α型合金，其由六角紧密堆积晶格的α相(低温相)形成；
(2)β型合金，其由体心立方结晶的β相(高温相)形成；以及
(3)α+β型合金，其具有由α相和β相构成的混合结构。
在上述钛合金中，α+β型合金是一种均衡的材料，其具有优异的强度、比强度、热加工性、可加工性、耐腐蚀性等，因此α+β型合金迄今主要用作航天材料。此外，α+β型合金迄今还被用作汽车材料、机械结构部件材料、常规的民用产品材料等。特别是，α+β型合金中的Ti-6Al-4V合金已被广泛地用作通用型高张力合金，并且Ti-6Al-4V合金的消耗量占Ti合金总消耗量的约80％。
但是，由于Ti-6Al-4V合金含有价格昂贵的V，因此其成本较高。此外，尽管Ti合金的比强度通常较高，但对于某些应用(如高尔夫球头)而言，还需要进一步降低其成本，并且需要进一步提高其比强度。
为了解决上述问题，人们迄今已经提出多种提案。
例如，专利文献1公开了这样一种α+β型Ti合金，其含有5.5质量％-7.0质量％的Al、0.5质量％-4.0质量％的Fe、0.5质量％或更低的O，余量为Ti和不可避免的杂质。
专利文献1披露了如下内容：
(1)通过用Fe代替V，并将Fe按照预定的比值进行混合，可获得与常规Ti-6Al-4V合金相当或更好的机械性能，并且
(2)由于Fe比V便宜，因此可以以工业上较低的成本来生产Ti合金。
专利文献2公开了这样一种高强度Ti合金，其含有5.00质量％-7.00质量％的Al、1.00质量％-3.50质量％的V、大于0.40质量％而小于或等于1.00质量％的Fe、0.20质量％-0.50质量％的O、0.05质量％或更低的C、0.05质量％或更低的N、余量基本上为Ti，其中V的当量(V％+4.2Fe％)为3.00％至5.50％。
专利文献2披露了如下内容：
(1)通过用Fe代替Ti-6Al-4V中的一部分V，并将V的当量保持在预定范围内，可获得与Ti-6Al-4V合金相当或更高的强度，并且
(2)由于可使用含有Fe(其为杂质)的廉价海绵钛作为原料，因此可以以较低的成本来生产高强度Ti合金。
此外，专利文献3公开了这样一种高强度Ti合金，其含有5.50质量％-7.00质量％的Al、0.50质量％-4.00质量％的Fe、0.02质量％-0.10质量％的N、0.05质量％-0.40质量％的O，余量为Ti和不可避免的杂质。
专利文献3披露了如下内容：
(1)通过用Fe代替Ti-6Al-4V中的V，并加入适量的N，可获得与Ti-6Al-4V合金相当或更高的强度，并且
(2)由于可使用含有Fe(其为杂质)的廉价海绵钛作为原料，因此可以以较低的成本来生产高强度Ti合金。
专利文献1：日本专利No.3306878
专利文献2：JP-A-2001-115221
专利文献3：JP-A-2004-10963
发明内容
近年来，高尔夫器材制造商越来越需要获得具有较低密度的高尔夫球头。因此，Ti-6Al-1Fe合金作为低密度钛合金而用于高尔夫球头。但是，在获得低密度效果方面Ti-6Al-1Fe合金不及作为代表性钛合金的Ti-6Al-4V合金。
增加作为轻元素的Al的含量可有效地获得较低的密度。但是简单地增加Al的含量会使热加工性降低。
本发明的目的是提供一种低密度钛合金、使用这种低密度钛合金的高尔夫球头以及使用这种低密度钛合金的低密度钛合金部件，其中所述低密度钛合金具有比Ti-6Al-4V合金高的比强度，并且具有优异的热加工性和低的成本。
为了达到上述目的，本发明涉及以下各项1至32。
1.一种低密度钛合金，其包含：
7.1质量％-10.0质量％的Al；
0.1质量％-3.0质量％的Fe；
0.01质量％-0.3质量％的O；
0.5质量％或更低的N；
0.5质量％或更低的C，并且
余量为Ti以及不可避免的杂质。
2.根据项1所述的低密度钛合金，其还包含：
0.01质量％-2.0质量％的V。
3.根据项1所述的低密度钛合金，其还包含：
2.0质量％或更低的选自Cr、Ni和Mo中的至少一种元素。
4.根据项2所述的低密度钛合金，其还包含：
2.0质量％或更低的选自Cr、Ni和Mo中的至少一种元素。
5.根据项1所述的低密度钛合金，其还包含：
0.01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。
6.根据项2所述的低密度钛合金，其还包含：
0.01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。
7.根据项3所述的低密度钛合金，其还包含：
0.01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。
8.根据项4所述的低密度钛合金，其还包含：
0.01质量％-0.3质量％的B和0.01质量％-0.3质量％的Si中的至少一种。
9.根据项1所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
10.根据项2所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
11.根据项3所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
12.根据项4所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
13.根据项5所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
14.根据项6所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
15.根据项7所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
16.根据项8所述的低密度钛合金，其比强度为205或更高。
17.根据项1所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
18.根据项2所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
19.根据项3所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
20.根据项4所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
21.根据项5所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
22.根据项6所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
23.根据项7所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
24.根据项8所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
25.根据项9所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
26.根据项10所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
27.根据项11所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
28.根据项12所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
29.根据项13所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
30.根据项14所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
31.根据项15所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
32.根据项16所述的低密度钛合金，其在1000℃时的断面收缩率为40％或更高并且在1000℃时的流变应力为200MPa或更低。
另外，本发明还涉及包含上述低密度钛合金的高尔夫球头。
此外，本发明还涉及一种制造低密度钛合金部件的方法，该方法包括：将原料混合，以获得上述低密度钛合金，随后将原料熔融和铸造，从而获得铸锭；以及将所述铸锭加热至高于或等于β转变温度且低于或等于1200℃的温度，随后将所述铸锭进行锻造或轧制，从而完成粗加工步骤。
在α+β型低密度钛合金中，可通过增加A1的含量来降低合金的密度。
另一方面，Al含量的增加通常会使得热加工性劣化。但是，可通过优化Fe含量和O含量、并且可任选地还加入极少量的V、以及增加Al的含量，在确保低密度的同时来提高热加工性。
此外，由于合金中所含的Fe为主要的添加元素，因此可通过使用廉价原料、并降低贵重的V的含量，来降低成本。
本发明的低密度钛合金可用于多种结构部件、耐腐蚀性部件等，这些部件被用于高尔夫球头、化学工业设备、电器、航空设备、飞机、船舶、有轮子的车辆、医疗仪器、冷凝器、热交换器、海水淡化装置等。
本发明的最佳实施方式
在下文中，将对本发明的一个实施方案进行详细地描述。
此处，在本说明书中，所有以质量进行限定的百分比均与以重量进行限定的百分比相同。
1.低密度钛合金
本发明的低密度钛合金含有如下的元素，余量为Ti和不可避免的杂质。所添加的元素的种类、其组成比例以及限定原因如下所述。
(1)7.1质量％≤Al≤10.0质量％
Al是可实现合金α相的固溶硬化的元素。此外，由于Al比Ti轻，因此Al起到降低合金密度的作用(即，获得高的比强度)。为了获得这种效果，Al含量可优选为7.1质量％或更高。
另一方面，当Al含量过高时，会析出金属间化合物Ti3Al，从而造成合金的脆化。因此，Al含量可优选为10.0质量％或更低。
(2)0.1质量％≤Fe≤3.0质量％
Fe具有稳定β相的作用。为了获得这种效果，Fe含量可优选为0.1质量％或更高。
另一方面，虽然强度会随着Fe含量的增加而升高，但是当Fe含量过高时，刚度也会增加。因此，Fe含量可优选为3.0质量％或更低。
(3)0.01质量％≤O≤0.3质量％
由于O溶解在α相中所以具有强化α相的作用。为了获得这种效果，O含量可优选为0.01质量％或更高。
另一方面，当O含量过高时，会使刚性增加，从而使延展性劣化。因此，O含量可优选为0.3质量％或更低。
(4)N≤0.5质量％
与O类似，N由于溶解在α相中而具有强化α相的作用。另一方面，当N含量过高时，会形成诸如TiN之类的夹杂物，并且低密度夹杂物会造成疲劳断裂，从而使疲劳强度降低。因此，N含量可优选为0.5质量％或更低。
(5)C≤0.5质量％
与O和N类似，C由于溶解在α相中而具有强化α相的作用。另一方面，当C含量过高时，会形成碳化物，造成热加工性劣化。因此，C含量可优选为0.5质量％或更低。
本发明的低密度钛合金还可含有如下所述的一种或多种元素。
(6)0.01质量％≤V≤2.0质量％
与Fe类似，V也具有稳定β相的作用。为了获得这种效果，V含量可优选为0.01质量％或更高。
另一方面，当V含量过高时，比重会增加。因此V含量可优选为2.0质量％或更低。
在该方面，在制造合金时可将纯金属V或Ti-6Al-4V合金废料用作V的来源。
(7)Cr、Ni和Mo中的至少一种，其含量≤2.0质量％
Cr、Ni和Mo均具有稳定β相的作用。另一方面，当这些元素的含量过高时，比重会增加。因此，选自Cr、Ni和Mo中的至少一种元素的单独含量或总含量可优选为2.0质量％或更低。
(8)0.01质量％≤B≤0.3质量％
(9)0.01质量％≤Si≤0.3质量％
B和Si均具有使晶粒微细化的作用。为了获得这种效果，B和Si的含量均可优选为0.01质量％或更高。
另一方面，当这些元素的含量增加时，会有粗的硼化物和硅化物析出来，从而使疲劳强度劣化。因此，B含量和Si含量均可优选为0.3质量％或更低。在这方面，可以单独添加B和Si，或者可以同时添加这二者。
2.低密度钛合金的行为
在α+β型低密度钛合金中，通过增加Al含量，可降低合金的密度。
另一方面，Al含量的增加通常造成热加工性的劣化。然而，通过优化Fe含量和O含量、并且可任选地还加入极少量的V、以及增加Al含量，可在确保低密度的同时，提高热加工性。
因此，通过优化所添加的元素的含量，可获得：
(1)比强度为205或更高的低密度钛合金；
(2)在1000℃时的断面收缩率为40％或更高的低密度钛合金；
和/或
(3)在1000℃时的流变应力为200MPa或更低的低密度钛合金。
由于本发明的低密度钛合金含有Fe作为主要添加元素，因此可以使用含有Fe作为杂质的廉价的海绵钛作为原料。此外，通过加入Fe，可以降低贵重的金属V的使用量。因此，可降低低密度钛合金的成本。
此外，由于本发明的低密度钛合金具有高的比强度以及优异的热加工性，因此通过使用这种低密度钛合金可获得(例如)便宜、轻便、且反弹力强的高尔夫球头。
3.制造低密度钛合金部件的方法
制造本发明的低密度合金部件的方法包括：熔融/铸造步骤、粗加工步骤、精加工步骤以及退火步骤。
3.1熔融/铸造步骤
熔融/铸造步骤是这样的步骤：将原料混合以获得本发明的低密度钛合金，随后将原料进行熔融和铸造。
由于本发明的低密度钛合金含有Fe作为主要元素，因此不仅可使用高纯度海绵钛作为Ti源，还可以使用含有0.1质量％至2.0质量％的Fe的低纯度海绵钛或Ti-6Al-4V合金废料作为Ti源。因此可降低钛合金部件的成本。
对混合材料的熔融/铸造没有特别的限定，可利用常规方法进行。
3.2粗加工步骤
粗加工步骤为这样的步骤：将铸锭加热至等于或大于β转变温度(β转化温度)且小于或等于1200℃的温度，随后将所述铸锭进行锻造或轧制，其中所述铸锭是通过将原料进行混合以获得本发明的低密度钛合金，并随后将该原料进行熔融和铸造而获得的。
当加工温度过低时，残留的α相会造成裂缝和折痕。因此，粗加工中的加工温度可优选为β转变温度或更高的温度，在该温度下，仅有β相存在。
另一方面，当加工温度过高时，晶粒容易粗化。因此，粗加工中的加工温度可优选为1200℃或更低。
3.3精加工步骤
精加工步骤为这样的步骤：将粗加工中已经经过锻造或轧制的低密度钛合金加热至大于或等于600℃且小于β转变温度的温度，然后对该合金进行精锻或精轧。根据需要来进行精加工步骤。
当在相对较低的温度下进行精加工步骤时，会使晶粒微细化，从而获得高强度。但是，当加工温度过低时，流变应力增加，从而使加工变得困难。因此，精加工步骤中的加工温度可优选为600℃或更高。
另一方面，当加工温度过高时，晶粒由于发生重结晶而容易发生粗化。因此精加工步骤中的加工温度可优选为低于β转变温度。
3.4退火步骤
退火步骤为将在精加工步骤中经过锻造或轧制的低密度钛合金进行退火的步骤。根据需要来进行退火步骤。
进行退火步骤是为了除去精加工步骤之后的应变。对退火条件没有特别的限定，可根据合金的组成来选择最佳的退火条件。例子
实施例1至40以及对比例1至5
1.样品的制备
将原料秤重，以获得预定的组成，通过利用等离子凝壳炉进行熔融，从而获得质量为6kg、直径为100mm的钛合金铸锭。表1中所示的为以上获得的铸锭的化学组成。
从各个铸锭上切下用于高温高速拉伸试验的试片。
此外，将各铸锭加热至1000℃，并通过热锻而获得直径为20mm的圆棒。此外，在空气冷却(AC)下，于750℃下进行热处理2小时。由经过热处理的圆棒来制备ASTM E8中所定义的No.3拉伸试片(直径：6.35mm，评价距离：25mm)。
表1


2.试验方法
2.1高温高速拉伸试验
在1000℃下进行高温高速拉伸试验，以测量在1000℃时的流变应力和断面收缩率。
2.2拉伸试验
采用英斯特朗拉伸试验方法，在十字头速度(crosshead rate)为5×10-5m/秒的条件下进行拉伸测试，以测量拉伸强度。
2.3比强度
利用水浸渍法来测量各拉伸试片的比重。由所测的比重和拉伸强度来计算比强度。
2.4可制造性
通过1000℃时的断面收缩率来评价可制造性。将1000℃时的断面收缩率为40％或更高的试片评价为“良好”，将1000℃时的断面收缩率低于40％的试片评价为“较差”。
3.结果
表2示出试验结果。比较例1至比较例3由于Al含量较高，因此其可制造性非常差。特别是，不能测量比较例2和比较例3(它们的Al含量均超过11质量％)的流变应力和断面收缩率。比较例4(其Fe含量超过3.0质量％)虽然具有高拉伸强度和比强度，但其可制造性较差。比较例5(Ti-4Al-6V合金)具有良好的可制造性，但其拉伸强度和比强度较低。
与此形成对比的是，实施例1至实施例40由于具有合适的Al含量，因此均具有高的拉伸强度和比强度。此外，由于对实施例1至实施例40中的Fe含量和O含量进行了调整、并且可任选地加入少量的V、以及相对增加Al含量，因此还具有良好的热加工性。
表2


虽然参照本发明的具体实施方案详细描述了本发明，但对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明精神和范围的条件下可进行各种改变和调整。
本专利申请基于2007年9月14日提交的日本专利申请No.2007-239713和2008年9月10日提交的日本专利申请No.2008-231619，其内容以引用的方式并入本文。