DE10225877B4

DE10225877B4 - Verfahren zur Herstellung eines Golfschlägerkopfes

Info

Publication number: DE10225877B4
Application number: DE10225877A
Authority: DE
Inventors: John C. Glendale Bliss; Gregory C. Marysville Sayler
Original assignee: Karsten Manufacturing Corp
Current assignee: Karsten Manufacturing Corp
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: KR100790921B1; AU2002300614B2; CA2398334C; JP4021727B2; GB0212863D0; KR20030015840A; FR2828650B1; US20030034142A1; GB2378662A; JP2003111875A; FR2828650A1; CA2398334A1; GB2378662B; DE10225877A1; US6604568B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Golfschlägerkopfes, enthaltend die folgenden Verfahrensschritte:
– Ausbilden eines Golfschlägerblattes durch Vergießen eines geschmolzenen Materials aus einer Titan und Titanlegierungen enthaltenden Gruppe in eine Gußform sowie Erstarrenlassen des geschmolzenen Materials, wobei das Golfschlägerblatt nach dem Erstarren einen Hohlkörper bildet, der einen Stirnbereich, eine Deckwand, eine Seitenwand und einen zur Aufnahme eines Golfschlägerschaftes ausgebildeten Ansatz aufweist, wobei der Stirnbereich eine vordere und eine hintere Fläche besitzt und aus α-Phase sowie einem darunter liegenden Basismaterial besteht;
– Anbringen einer Sohlenplatte am Golfschlägerblatt derart, daß der so montierte Schläger einen hohlen Golfschlägerkopf mit einer äußeren und einer inneren Oberfläche aufweist, wobei die Sohlenplatte ein an der inneren Oberfläche der Sohlenplatte angeordnetes Gewichtselement umfasst, dessen Schwerpunkt unterhalb des Schwerpunkts des Golfschlägerblattes liegt;
– Entfernen der α-Phase vom Golfschlägerblatt durch formtreues Plasma-Ätzen, wobei die α-Phase so weit vom Stirnbereich entfernt wird, dass das darunter liegende Basismaterial freigelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Golfschlägerkopfes.

Allgemein als „Hölzer" bezeichnete Golfschläger weisen in der Vergangenheit meist einen aus Holz, etwa Ahorn oder Persimone gefertigten Schlägerkopf auf. Derartige aus Holz bestehende Schlägerköpfe sind üblicherweise massiv ausgebildet und dabei zur Erzielung einer maximalen Leistung so gestaltet, daß ihr Gewicht gleichmäßig um den Schwerpunkt verteilt ist. Seit einiger Zeit gibt es auch sogenannte Metall-Hölzer aus Stahl, Aluminium oder Titan. Sie besitzen üblicherweise eine hohle Hülle mit relativ dünnen Wänden. Um die Leistung derartiger Metall-Hölzer zu steigern, wurden die Schlägerköpfe immer größer bemessen, wobei zur Beibehaltung eines günstigen Schwunggewichts die Wände des Schlägerkopfes immer dünner gestaltet wurden. Um die Lage des Schwerpunktes optimal einzustellen, ist es bekannt, beispielsweise im Bereich der Sohlenplatte des Schlägerkopfes Gewichtselemente anzubringen (US-A 5 273 283).

Für Höchstleistungs-Metall-Hölzer wird heute meistens Titan verwendet. Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen ist im allgemeinen kleiner als der von Stahl, aber viel höher als der von Aluminium oder Magnesium. Im Vergleich zu Aluminium- und Stahllegierungen besitzen Titanlegierungen ein um wenigstens 30% höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Titan läßt sich allerdings nicht so leicht herstellen und verarbeiten wie Stahl oder Aluminium. Es ist hierbei notwendig, Hochtemperaturprozesse, wie Gießen, Schmieden oder Wärmebehandlungen, so durchzuführen, dass eine Versprödung des Materials verhindert wird. Die meisten Titanlegierungen sind ferner kerbschlagempfindlich, so dass es bei einer entlang einer spitzen inneren Ecke einwirkenden Zugspannung schnell zum Auftreten eines Sprungs kommen kann.

Reines Titan tritt in zwei Formen auf: Bei Zimmertemperatur liegt ein Werkstück aus reinem Titan in der α-Phase vor, in der alle Atome in einer hexagonalen, dicht gepackten Kristallstruktur angeordnet sind. Wird die α-Phase des Titans auf über 1.620°F erwärmt, so werden die Atome aus dem hexagonalen Prisma in ein kubisches Muster, die sogenannte β-Phase, umgeordnet.

Wird Titan (beispielsweise während des Gießens oder Schweißens) erwärmt, so kann Sauerstoff in das Titan übergehen, wodurch an der Oberfläche des Golfschlägerkopfes eine dichte, stabile α-Phase entsteht. Sie ist fest und außergewöhnlich hart, jedoch auch sehr spröde. Bei den bisher bekannten Schlägerköpfen aus Titan wurde die bei der Herstellung an der Oberfläche des Schlägerkopfes entstehende α-Phase im Ausgangszustand belassen. Aus der US-A 6 010 635 ist es jedoch bekannt, dass die Sauerstoff enthaltende Oberfläche von für den Flugzeugbau bestimmten Bauteilen aus Titanlegierungen mittels Plasma-Ätzen abgetragen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu entwickeln, das die Herstellung eines Titan-Golfschlägerkopfes ermöglicht, der sich durch eine vergrößerte Haltbarkeit und eine günstigere Lage seines Schwerpunkts auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

– Ausbilden eines Golfschlägerblattes durch Vergießen eines geschmolzenen Materials aus einer Titan und Titanlegierungen enthaltenden Gruppe in eine Gußform sowie Erstarrenlassen des geschmolzenen Materials, wobei das Golfschlägerblatt nach dem Erstarren einen Hohlkörper bildet, der einen Stirnbereich, eine Deckwand, eine Seitenwand und einen zur Aufnahme eines Golfschlägerschaftes ausgebildeten Ansatz aufweist, wobei der Stirnbereich eine vordere und eine hintere Fläche besitzt und aus α-Phase sowie einem darunter liegenden Basismaterial besteht;
– Anbringen einer Sohlenplatte am Golfschlägerblatt derart, dass der so montierte Schläger einen hohlen Golfschlägerkopf mit einer äußeren und einer inneren Oberfläche aufweist, wobei die Sohlenplatte ein an der inneren Oberfläche der Sohlenplatte angeordnetes Gewichtselement umfasst, dessen Schwerpunkt unterhalb des Schwerpunkts des Golfschlägerblattes liegt;
– formtreues Entfernen der α-Phase vom Golfschlägerblatt durch chemisches Ätzen oder Plasma-Ätzen, wobei die α-Phase so weit vom Stirnbereich entfernt wird, dass das darunter liegende Basismaterial freigelegt wird.

Bei den der Erfindung zu Grunde liegenden Versuchen wurde festgestellt, dass sich bei der Herstellung eines Golfschlägerkopfs mit einer Titan-Schlagfläche die Festigkeit des Golfschlägerkkopfes durch ein Entfernen der α-Phase erhöhen läßt, obwohl hierdurch die Wandstärke der Schlagfläche kleiner wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass die dünnere Schlagfläche biegsamer ist und weniger zur Ausbildung von Sprüngen neigt. Zudem wurde festgestellt, daß durch Entfernung der α-Phase so viel Gewicht eingespart wird, dass dafür ein gesondertes Gewichtselement an der Sohlenplatte des fertigen Schlägers angebracht und auf diese Weise eine Feinabstimmung der Lage des Schwerpunktes vorgenommen werden kann.

Das formtreue Entfernen der α-Phase kann durch chemisches Ätzen in der Weise erfolgen, dass der Schlägerkopf in eine wässrige Lösung aus Fluorwasserstoffsäure (HF), Fluorwasserstoff-säure/Scheidewasser (HF-HNO₃); Fluorwasserstoffsäure/Chromsäure (HF-CrO₃) oder in eine ähnliche Säurelösung eingetaucht wird. Dabei wird die α-Phase gleichförmig über die gesamte Oberfläche des Bauteils hinweg entfernt, so dass man formtreu einen dünneren Wandquerschnitt erhält.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die α-Phase durch Plasma-Ätzen in der Weise entfernt, dass der Schlägerkopf im Hochvakuum bei erhöhter Temperatur einem Gas, beispielsweise Kohlenstofftetrafluorid (CF₄), Schwefelhexafluorid (SF₆) oder einem anderen Halogengas ausgesetzt wird. Das Plasma-Ätzen bietet den weiteren Vorteil, dass es allein die durch Sauerstoff spröde gewordene α-Phase angreift, nicht jedoch das reine Titanlegierungssubstrat, wobei auch keine Versprödung dieses Substrats erfolgt, sofern die gasförmige Mischung keinen Wasserstoff enthält.

Die durch die Entfernung der α-Phase erzielte Gewichtsreduzierung des Bauteils ermöglicht die Verwendung eines zusätzlichen Gewichtselements, das sich an der Sohlenplatte des Schlägers befestigen läßt, oder eines als integraler Bestandteil der Sohlenplatte ausgebildeten Gußstückes, wodurch der Schwerpunkt des Schlägers nach unten verlagert wird. Das Gewichtselement kann zudem so positioniert werden, dass eine Feinabstimmung der Lage des Schlägerschwerpunkts ermöglicht wird.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 eine Teilexplosionsansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Golfschlägerkopfes;
2 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine Aufsicht auf den Golfschlägerkopf gemäß 1; und
4 ein Querschnitt durch den Golfschlägerkopf gemäß 3 entlang der Linie 4-4.
Der Golfschlägerkopf 10 gemäß 1 enthält ein Schlägerblatt 12 aus Titan mit einer oberen Wand 14, einer Seitenwand 16 und einer vorderen Wand 18, die eine variable Wandstärke aufweist. Der Golfschlägerkopf 10 umfaßt zudem eine Sohlenplatte 20, die am Schlägerblatt 12 (beispielsweise durch Schweißen) angebracht ist und so die untere Oberfläche des Golfschlägerkopfes 10 bildet. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, umfaßt die Sohlenplatte 10 ein Gewichtselement 22, das (z.B. durch Schweißen) an der inneren Oberfläche 24 der Sohlenplatte 20 befestigt werden kann. Stattdessen kann das Gewichtselement 22 jedoch auch als einstückig mit der Sohlenplatte 20 hergestelltes Gußstück ausgebildet sein.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Schlägerblatt 12 aus einer Titan-Gußlegierung und besitzt im gegossenen Zustand ein Gewicht von etwa 165 g. Seine Vorderseite 18 weist an ihrer dünnsten Stelle eine Dicke von etwa 0,075 Inches und an ihrer dicksten Stelle eine Dicke von etwa 0,180 Inches auf. Beim Gießen kommt es zur Ausbildung von α-Phase, deren Dicke – abhängig von dem zur Herstellung des Schlägerblatts 12 eingesetzten Verfahren – zwischen 0,001 und 0,010 Inches liegt. Die harte, spröde α-Phase wird nun vom Schlägerblatt 12 formtreu durch chemisches Ätzen oder durch Plasma-Ätzen entfernt.
Beispielsweise wird das Schlägerblatt 12 mechanisch oder chemisch vorbehandelt, um Verkrustungen (d.h. amorphes Oxid) zu entfernen, und sodann in eine Säurelösung eingetaucht, die 10 bis 30 (Vol.-)% einer siebzigprozentigen Scheidewasserlösung und 1 bis 3 (Vol.-)% einer sechzigprozentigen Fluorwasserstoffsäure enthält und eine geringfügig erhöhte Temperatur aufweist. Die Geschwindigkeit, mit der die α-Phase von der Oberfläche des Schlägerblatts 12 entfernt wird, hängt von der Säurekonzentration, der Temperatur des Säurebades und anderen Faktoren ab. In der Scheidewasser/Fluorwasserstoffsäure-Lösung sollte das Verhältnis des Scheidewassers zur Fluorwasserstoffsäure exakt bei 10 zu 1 gehalten werden, um eine durch Wasserstoff hervorgerufene Versprödung des Titanlegierungssubstrats bei der Entfernung der α-Phase zu minimieren. Verfahren zum Entkrusten und Reinigen von Titan sind in ASTM B600-91 detailliert beschrieben.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Fertiggewicht des Schlägerblatts 12 nach Entfernen der α-Phase 140 g (plus/minus 2 g). Somit wird durch die Entfernung der α-Phase das Gewicht des Schlägerblatts 12 um etwa 15% reduziert.
Durch diese Gewichtsreduzierung von 15% (d.h. von etwa 25 g) ist es möglich, ein 25 g schweres Gewichtselement 22 anzubringen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt ein Plasma-Ätzen, wie es in der US-A 6 010 635 beschrieben ist. Hierbei wird die Oberfläche des Schlägerblatts 12 unter Einsatz herkömmlicher Verfahren gereinigt, um Schmutz und Verunreinigungen zu entfernen. Das Schlägerblatt 12 wird sodann in eine Plasmakammer gebracht, die auf ein hohes Vakuum von etwa 0,1 bis 0,3 mTorr entleert wird. Das Quellengas, aus dem das Plasma hergestellt wird (z.B. CF₄, SF₆, NF₃, oder ein anderes halogenhaltiges Gas) wird in die Kammer mit einer ausreichenden Fließrate eingebracht, um eine angemessene Konzentration an Plasma-Ätzionen zu erzeugen. Das Schlägerblatt 12 wird auf etwa 300°C erwärmt und dabei einer Hochfrequenzentladung von etwa einem Watt pro cm ausgesetzt, bis die gesamte α-Phase entfernt ist. Wie beim chemischen Ätzen, so weist auch beim Plasma-Ätzen das fertigbehandelte Schlägerblatt 12 ein Gewicht von 140 g (plus/minus 2 g) auf, so daß die durch die Entfernung der α-Phase eingesparten 25 g die Anbringung eines entsprechenden Gewichtselements 22 ermöglichen, mit dem das polare Trägheitsmoments des Schlägers 10 erhöht und die Schwerpunktlage des Golfschlägerkopfes 10 optimiert werden kann.
Wie sich den 3 und 4 entnehmen läßt, können die durch die Entfernung der α-Phase vom Schlägerblatt 12 eingesparten 25 g (sowie eine etwaige Gewichtseinsparung durch Entfernung der α-Phase von der Sohlenplatte 20) in Form des Gewichtselements 22 neu verteilt werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Gewichtselement 22 durch ein Parallelepiped gebildet, das (bei Betrachtung von der Vorderseite des Golfschlägerkopfes 10 aus) einen quadratischen, „C"-förmigen Querschnitt aufweist. Das Gewichtselement 22 kann aus Wolfram, Zirkon oder einem anderen spezifisch schweren Material bestehen und wird an der inneren Oberfläche 24 der Sohlenplatte 20 befestigt, beispielsweise angeschweißt. Die Sohlenplatte 20 selbst kann aus Titan oder vorzugsweise aus Zirkon geformt sein; Zirkon ist spezifisch schwerer als Titan und verlagert somit den Schwerpunkt des zusammengesetzten Schlägerkopfes 10 noch weiter nach unten. Das Gewichtselement 22 kann zudem je nach der gewünschten Lage des Schwerpunkts des fertigen Golfschlägerkopfes 10 entweder nahe der Vorderkante 26 oder nahe der Hinterkante 28 der Sohlenplatte 20 oder an einer geeigneten Stelle dazwischen angeordnet sein. Durch Anbringung des Gewichtselements 22 näher an der Vorderkante 26 verlagert sich der Schwerpunkt des Golfschlägers nach vorn, d.h. näher zur Stirnseite 18 des Golfschlägerkopfes 10. In entsprechender Weise wird der Schwerpunkt nach hinten verlagert, wenn das Gewichtselement 22 näher an der Hinterkante 28 angebracht wird. Durch entsprechende Anbringung des Gewichtselements 22 auf der Sohlenplatte 20 lassen sich somit die Schwungeigenschaften des Schlägerkopfes beeinflussen. Durch den „C"-förmigen Querschnitt des Gewichtselements 22, bei dem die Massenkonzentrationen 30 und 32 mit Abstand zueinander angeordnet sind, wird ferner ein höheres polares Trägheitsmoment um die Y-Achse (4) als bei einem rechteckigen Parallelepiped gleichförmiger Dicke erreicht. Die Erhöhung des polaren Trägheitsmoments bewirkt einen erhöhten Widerstand gegen ein Verdrehen des Golfschlägerkopfes bei außermittigem Auftreffen des Schlägerblattes auf den Golfball.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein aus Wolfram bestehendes Gewichtselement 22 verwendet. Stattdessen können jedoch im Rahmen der Erfindung auch andere Materialien Verwendung finden, wie etwa Zirkon, das sich an die innere Oberfläche 24 der Sohlenplatte 20 anschweißen lässt. Es können auch unterschiedliche Sohlenplatten 20 (zur alternativen Verwendung) vorgesehen werden, die jeweils mit einem als integrales Gußstück ausgeformten Gewichtselement 22 in unterschiedlicher Position zwischen der Vorderkante 26 und der Hinterkante 28 der Sohlenplatte 20 versehen sind. Statt eines Parallelepipeds mit C-förmigem Querschnitt können auch anders geformte Massen eingesetzt werden. Eine Erhöhung des polaren Trägheitsmoments um die Y-Achse des Golfschlägerkopfes 10 kann auch durch zwei getrennte Massenkonzentrationen 30 und 32 oder durch eine beim Gießen erhöhte Wanddicke an der Ferse 36 und der Spitze 38 des Schlägerblatts 12 erzielt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Golfschlägerkopfes, enthaltend die folgenden Verfahrensschritte: – Ausbilden eines Golfschlägerblattes durch Vergießen eines geschmolzenen Materials aus einer Titan und Titanlegierungen enthaltenden Gruppe in eine Gußform sowie Erstarrenlassen des geschmolzenen Materials, wobei das Golfschlägerblatt nach dem Erstarren einen Hohlkörper bildet, der einen Stirnbereich, eine Deckwand, eine Seitenwand und einen zur Aufnahme eines Golfschlägerschaftes ausgebildeten Ansatz aufweist, wobei der Stirnbereich eine vordere und eine hintere Fläche besitzt und aus α-Phase sowie einem darunter liegenden Basismaterial besteht; – Anbringen einer Sohlenplatte am Golfschlägerblatt derart, daß der so montierte Schläger einen hohlen Golfschlägerkopf mit einer äußeren und einer inneren Oberfläche aufweist, wobei die Sohlenplatte ein an der inneren Oberfläche der Sohlenplatte angeordnetes Gewichtselement umfasst, dessen Schwerpunkt unterhalb des Schwerpunkts des Golfschlägerblattes liegt; – Entfernen der α-Phase vom Golfschlägerblatt durch formtreues Plasma-Ätzen, wobei die α-Phase so weit vom Stirnbereich entfernt wird, dass das darunter liegende Basismaterial freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gewichtselement derart geformt ist, dass sein Gewichts-Trägheitsmoment relativ zur Längsachse des Golfschlägerschaftes größer ist als das Gewichts-Trägheitsmoment eines kreisförmigen Zylinders.
Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin enthaltend die folgenden Verfahrensschritte: – Auswahl eines Gewichtselements und – Anbringen des Gewichtselements an der inneren Oberfläche der Sohlenplatte an einer von mehreren möglichen Stellen, wobei der Schwerpunkt des montierten Schlägers je nach Positionierung des Gewichtselements relativ zur Sohlenplatte zur Stirnseite des montierten Schlägers hin oder von dieser weg verschoben werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin enthaltend den folgenden Verfahrensschritt: – Auswahl einer von mehreren Sohlenplatten, die jeweils ein integral ausgebildetes Gewichtselement umfassen, das an einer von mehreren möglichen Stellen entlang der inneren Oberfläche der Sohlenplatte angeordnet ist, wodurch der Schwerpunkt des montierten Schlägers je nach Positionierung des integral ausgebildeten Gewichtselementes relativ zur Sohlenplatte zur Stirnseite des montierten Schlägers hin oder von dieser weg verschoben werden kann.