EP1062990A1 - Golfschläger mit spannungsspezifischer Schlagfläche und Verfahren zur Herstellung der Beschichtung - Google Patents

Golfschläger mit spannungsspezifischer Schlagfläche und Verfahren zur Herstellung der Beschichtung Download PDF

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EP1062990A1
EP1062990A1 EP00112807A EP00112807A EP1062990A1 EP 1062990 A1 EP1062990 A1 EP 1062990A1 EP 00112807 A EP00112807 A EP 00112807A EP 00112807 A EP00112807 A EP 00112807A EP 1062990 A1 EP1062990 A1 EP 1062990A1
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golf club
spraying
club according
speed flame
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Heinrich Prof. Dr. Kreye
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Definitions

  • Thermal spray processes are essentially characterized in that they enable uniformly applied coatings of high quality and quality. Coatings applied by thermal spraying can be varied the spray materials and / or the process parameters to different Requirements are adjusted.
  • the spray materials can basically in Form of wires, rods or can be processed as a powder. There can also be one Aftertreatment should be provided.
  • thermal spraying as a coating process are as process variants basically autogenous flame spraying or high-speed flame spraying, arc spraying, plasma spraying, detonation spraying and known as laser spraying.
  • the high-speed flame spraying of the third is therefore suitable for the invention Generation with medium spray particle speeds over 500 m / s.
  • Systems of third generation of high-speed flame spraying, with which the required Speeds can be achieved are, for example, under the names JP 5000, DJ 2600, DJ 2700, Top Gun K and OSU Carbid Jet System known. Cold gas spraying is also advantageous for some applications.
  • cermets metal-bonded carbides such as WC-Co, WC-CoCr, Cr 3 C 2 -NiCr and the like
  • oxides in particular Al 2 O 3 and / or or TiO 2
  • Hard metals and / or cermets are preferably used.
  • powders with particle sizes from 1 ⁇ m to 1 mm, particularly preferably with 5 to 100 ⁇ m.
  • the coating is advantageous at medium spray particle speeds over 550 m / s, preferably over 600 m / s, particularly preferably applied between 600 and 700 m / s.
  • the coating has compressive stresses between 0 and 600 MPa, preferably between 50 and 550 MPa. Compressive stresses in the named Areas can be covered with the systems of the third generation of high-speed flame spraying devices easily manufacture.
  • the coatings have a hardness above 1250 HV 0.3, preferably above 1300 HV 0.3. This increased hardness can be achieved that third generation systems of high speed flame spraying to be used. Because coatings made with third generation systems usually have a hardness of about 1300 to 1400 HV 0.3. With Coatings produced by third generation systems are therefore harder than by means of the second or first generation of high speed flame spraying or as layers produced by means of plasma spraying, which are around 200 HV have lower hardness.
  • Coatings produced have lower pore proportions and thus one another advantage. Because this means a higher modulus of elasticity. When hitting the golf club therefore absorbs less energy in the head of the golf club.
  • the coating has an amorphous and / or nanocrystalline atomic structure. This is particularly beneficial for large ones Blow distances.
  • the spray particles are cooled on impact from the melt when coating by means of high-speed flame spraying while melting the spray particles at a cooling speed of between 10 4 K / s and 10 5 K / s.
  • coatings are recommended for which Energy is absorbed in the racket.
  • Metallic coatings are suitable for this, which are not hardened in the spraying process by oxide formation. An oxide formation and an associated hardening of the coating should therefore be avoided.
  • Such coatings can be applied by means of high-speed flame spraying Melting the spray particles or using cold gas spraying.
  • the thermally sprayed coating can be applied to the usual base materials for heads of golf clubs on base materials made of aluminum or aluminum alloys, from plastics, in particular from carbon fiber reinforced plastics, and / or made of graphite.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Golfschläger mit einer Schlagfläche zum Schlagen von Golfbällen und ferner ein Verfahren zum Beschichten eines Golfschlägers zumindest im Bereich der Schlagfläche mittels eines thermischen Spritzverfahrens. Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Standzeiten vorgeschlagen, daß der Golfschläger im Bereich der Schlagfläche zumindest teilweise eine Beschichtung umfaßt, die entweder spannungsneutral ausgebildet ist oder Druckspannungen aufweist. Die Beschichtung wird mittels eines thermischen Spritzverfahrens mit mitteleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 500 m/s aufgebracht. Die Beschichtung weist bevorzugt Druckspannungen zwischen 0 und 600 MPa auf. Als Spritzpartikel eignen sich insbeondere Hartmetalle, Cermets und/oder Oxide.

Description

Die Erfindung betrifft einen Golfschläger mit einer Schlagfläche zum Schlagen von Golfbällen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beschichten eines Golfschlägers zumindest im Bereich der Schlagfläche mittels eines thermischen Spritzverfahrens.
Aus der WO 97/20961 ist die Beschichtung von Schlagflächen von Golfschlägern nach vorangegangener Strukturierung mittels Flammspritzens oder mittels Plasmaspritzens bekannt. Die Beschichtung kann aus metallgebundenen Karbiden (Cermets) oder Oxiden (keramische Verbindungen) bestehen. Die Beschichtung wird dort als hart, homogen aufgebaut, verschleißfest und mit rauher Oberfläche versehen charakterisiert. Bei den so hergestellten Beschichtungen kann es jedoch zu Rißbildungen kommen, was die Standzeiten bzw. die Lebensdauer der beschichteten Schlagfläche begrenzt.
Die US-5 272 802 beschreibt eine konstruktive Änderung von herkömmlichen Golfschlägern, wobei das thermische Spritzen als eine Methode genannt wird, um Gewichtselemente auf der Rückseite des Golfschlägers einzubringen. Die Gewichtselemente verändern lediglich das Trägheitsmoment des Golfschlägers. Eine thermisch gespritzte Funktionsschicht als Schlagfläche ist nicht beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Golfschläger und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, durch welche ermöglicht wird, die Standzeiten und die Einsatzdauer der Beschichtungen auf Schlagflächen von Golfschlägern zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Golfschläger im Bereich der Schlagfläche zumindest teilweise eine Beschichtung umfaßt, die entweder spannungsneutral ausgebildet ist oder Druckspannungen aufweist.
Es wurde festgestellt, daß die aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen für Schlagflächen von Golfschlägern Zugeigenspannungen aufweisen, welche sich für die Einsatzdauer und die Standzeiten ungünstig auswirken. Erfindungsgemäß werden daher Zugeigenspannungen in der Beschichtung der Schlagfläche vermieden. Vielmehr wird Spannungsneutralität oder bevorzugt Druckspannungen in der Beschichtung vorgeschlagen. Druckspannungen bedeuten, daß die Kohäsion der Partikel in der Schicht verbessert ist und das Material bei sich wechselnder Belastung nicht so schnell zur Rißbildung neigt.
Spannungsneutrale Beschichtungen oder Beschichtungen mit Druckspannungen lassen sich dadurch erzeugen, daß die Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens mit mitteleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 500 m/s aufgebracht wird.
Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen von hoher Qualität und Güte ermöglichen. Durch thermische Spritzverfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien und/oder der Verfahrensparameter an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei grundsätzlich in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Es kann zusätzlich eine Nachbehandlung vorgesehen sein.
Beim thermischen Spritzen als Beschichtungsverfahren sind als Verfahrensvarianten grundsätzlich das autogene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogenspritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen bekannt.
In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren entwickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Einsatz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl geschmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Zusatzwerkstoffpulverpartikel (EP 0 484 533 B1). Im Kaltgasspritzverfahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber in der Regel lediglich auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes. Beim Kaltgasspritzen können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden.
Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder auch HVOF-Spritzen (High Veloctiy Oxygen Fuel) werden verschiedene Verfahrensgenerationen unterschieden: Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der ersten Generation und das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der zweiten Generation mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten zwischen 400 und 450 m/s und seit 1992 bzw. 1994 das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der dritten Generation mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 500 m/s.
Für die Erfindung eignet sich also das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der dritten Generation mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 500 m/s. Systeme der dritten Generation des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens, mit denen die geforderten Geschwindigkeiten erreicht werden können, sind beispielsweise unter den Bezeichnungen JP 5000, DJ 2600, DJ 2700, Top Gun K und OSU Carbid Jet System bekannt. Für einige Anwendungen ist auch das Kaltgasspritzen vorteilhaft.
Für die Beschichtung der Golfschläger mittels thermischen Spritzens können als Spritzmaterialien im Rahmen der Erfindung insbesondere Hartmetalle, Cermets (metallgebundene Karbide wie WC-Co, WC-CoCr, Cr3C2-NiCr und dergleichen), Oxide (insbesondere Al2O3 und/oder TiO2) oder Mischungen der vorgenannten Stoffe verwendet werden. Bevorzugt finden Hartmetalle und/oder Cermets Verwendung.
Zur Herstellung der Golfschläger mittels der thermischen Spritzverfahren eignen sich insbesondere Pulver mit Partikelgrößen von 1 µm bis 1 mm, besonders bevorzugt mit 5 bis 100 µm.
Erfindungsgemäß werden ― wie oben ausgeführt ― zur Beschichtung der Golfschläger mittels thermischen Spritzens mittlere Spritzpartikelgeschwindigkeiten von zumindest 500 m/s beim Aufprall der Partikel vorgeschlagen. Vorteilhafterweise wird die Beschichtung bei mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 550 m/s, bevorzugt über 600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 600 und 700 m/s aufgebracht. Durch die erfindungsgemäß höheren Partikelgeschwindigkeiten wird gewährleistet, daß das mit dem Erstarren des Materials auf dem Substrat verbundene Schrumpfen und die daraus resultierenden Zugspannungen durch den Strahleffekt der mit hoher genetischer Energie aufprallenden Partikeln überkompensiert wird.
Erfindungsgemaß weist die Beschichtung Druckspannungen zwischen 0 und 600 MPa, vorzugsweise zwischen 50 und 550 MPa auf. Druckspannungen in den genannten Bereichen lassen sich mit den Systemen der dritten Generation der Hochgeschwindigkeits-Flammspritzgeräte ohne weiteres herstellen.
In Ausgestaltung der Erfindung weisen die Beschichtungen eine Härte über 1250 HV 0,3, vorzugsweise über 1300 HV 0,3 auf. Diese erhöhte Härte kann dadurch erreicht werden, daß Systeme der dritten Generation des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens benutzt werden. Denn mit Systemen der dritten Generation hergestellte Beschichtungen weisen in der Regel eine Härte von etwa 1300 bis 1400 HV 0,3 auf. Mit Systemen der dritten Generation hergestellte Beschichtungen sind damit härter als mittels der zweiten oder ersten Generation des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens oder als mittels Plasmaspritzens hergestellte Schichten, welche eine um etwa 200 HV geringere Härte besitzen.
Die erfindungsgemäßen mit höheren mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten hergestellten Beschichtungen besitzen geringere Porenanteile und damit einen weiteren Vorteil. Denn dies bedeutet einen höheren Elastizitätsmodul. Beim Schlagen mit dem Golfschläger wird daher weniger Energie im Kopf des Golfschlägers absorbiert.
Als Gase für das thermische Spritzen kommen alle für dieses Verfahren bekannten Gase in Betracht.
In Weiterbildung der Erfindung besitzt die Beschichtung einen amorphen und/oder nanokristallinen atomaren Aufbau. Dies ist insbesonder von Vorteil für große Schlagweiten.
Um einen amorphen Zustand in einem Material zu erreichen, muß dieses extrem rasch aus der Schmelze abgekühlt werden. Erfindungsgemäß werden die Spritzpartikel beim Aufprall aus der Schmelze beim Beschichten mittels Hochgeschwindigkeits-Flamm spritzens unter Aufschmelzen der Spritzpartikel mit einer Kühlgeschwindigkeit zwischen 104 K/s und 105 K/s abgekühlt.
Die rasche Abkühlung wird insbesondere in Verbindung mit einer eine Legierung aus Übergangsmetallen (wie Fe, Ni, Co, Mn ...) und Metalloiden (B, C, Si, P ...) umfassenden Beschichtung empfohlen. Vorzugsweise umfaßt dabei die Beschichtung 70 bis 90 Atom-% Übergangsmetalle und 30 bis 10 Atom-% Metalloide. Ein diese Vorgaben erfüllender Werkstoff stellt die selbstfließende Nickellegierung vom Typ 60 (Rockwellhärte 60 HRC) mit folgender Zusammensetzung (Richtanalyse in Gewichtsprozent) dar:
Cr
13,5 bis 17,5 %,
Si
4,25 bis 4,5 %,
B
3,0 bis 3,5 %,
Fe
4,0 bis 4,75 %,
C
0,1 bis 1,0 % und
Ni
Rest.
Der sich bei rascher Abkühlung einstellende amorphe Zustand ist aber nur bis zu einer Temperatur von 300 bis 400 °C thermodynamisch stabil. Beim Spritzen sollte daher eine zu starke Erwärmung der Schichtoberfläche durch die Flamme und eine damit einhergehende Kristallisation vermieden werden. Im Zusammenhang mit der genannten NiCrBSi-Legierung und dem Herstellen einer amorphen Schicht mittels des Hochgeschwindigkeits-Flammspntzens wird auf den Aufsatz von H. Kreye über "High Velocity Flame Spraying ― Process and Coating Characteristics", veröffentlicht in den Proceedings zum 2nd Plasma-Technik-Syposium, Luzern 1991, Vol. 1, Seite 39-47, hingewiesen.
Für die Ausführung weicher Schläge werden Beschichtungen empfohlen, bei denen Energie im Schläger absorbiert wird. Hierzu eignen sich metallische Beschichtungen, die im Spritzprozeß nicht durch Oxidbildung aufgehärtet werden. Eine Oxidbildung und ein damit verbundenes Aufhärten der Beschichtung sollte daher vermieden werden. Derartige Beschichtungen können mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens unter Aufschmelzen der Spritzpartikel oder mittels Kaltgasspritzens hergestellt werden.
Umgekehrt kann im Hinblick auf harte Schläge insbesondere beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter Aufschmelzen der Spritzpartikel die Beschichtung durch Oxidbildung aufgehärtet werden.
Die thermisch gespritzte Beschichtung kann außer auf die üblichen Grundmaterialien für Köpfe von Golfschlägern auch auf Grundmaterialien aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, aus Kunststoffen, insbesondere aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen, und/oder aus Graphit aufgebracht werden.
Mit der Erfindung können spezielle Eigenschaften durch Variation der Parameter der Beschichtung bzw. des thermischen Spritzverfahrens erzielt werden. Dies können beispielsweise sein:
  • Erhöhung des Reibfaktors auf der Schlagfläche, beispielsweise um dem Golfball einen effizienteren Drall zu geben. Zusätzlich ist auch eine Minimierung der Streuung der Schläge möglich. Es eignen sich insbesondere Karbidbeschichtungen.
  • Die Schlagenergie kann optimal auf den Ball übertragen werden. Beispielsweise unterstützt dies materialseitig das bei Golfschlägern häufig verwendete Titan.
  • Eine gefühlvolle Einleitung des Schlages auf den Ball ― z.B. beim Einputten ― kann erreicht werden. Dabei ist weiches Material sinnvoll.
  • Die Verschleißbeständigkeit des Golfschlägers kann erhöht werden, beispielsweise beim Benützen des Sandwetches aus dem Bunker.

Claims (16)

  1. Golfschläger mit einer Schlagfläche zum Schlagen von Golfbällen, dadurch gekennzeichnet, daß der Golfschläger im Bereich der Schlagfläche zumindest teilweise eine Beschichtung umfaßt, die spannungsneutral ausgebildet ist oder Druckspannnungen aufweist.
  2. Golfschläger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine mittels eines thermischen Spritzverfahrens mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 500 m/s aufgebrachte Beschichtung ist.
  3. Golfschläger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung Hartmetalle, Cermets und/oder Oxide umfaßt.
  4. Golfschläger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung Druckspannungen zwischen 0 und 600 MPa, vorzugsweise zwischen 50 und 550 MPa aufweist.
  5. Golfschläger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Härte über 1250 HV 0,3, vorzugsweise über 1300 HV 0,3 aufweist.
  6. Golfschläger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung einen amorphen und/oder nanokristallinen atomaren Aufbau besitzt.
  7. Golfschläger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Legierung aus Übergangsmetallen und Metalloiden umfaßt.
  8. Golfschläger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung 70 bis 90 Atom-% Übergangsmetalle und 30 bis 10 Atom-% Metalloide umfaßt.
  9. Golfschläger nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Golfschläger eine metallische durch Oxidbildung aufgehärtete Beschichtung oder eine metallische unter Vermeiden einer Aufhärtung durch Oxidbildung aufgebrachte Beschichtung aufweist.
  10. Golfschläger nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch gespritzte Beschichtung auf Grundmaterialien aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, aus Kunststoffen, insbesondere aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen, und/oder aus Graphit aufgebracht ist.
  11. Verfahren zum Beschichten eines Golfschlägers zumindest im Bereich der Schlagfläche mittels eines thermischen Spritzverfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß eine spannungsneutral ausgebildete oder Druckspannnungen aufweisende Beschichtung mittels eines Spritzverfahrens mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 500 m/s aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung bei mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 550 m/s, bevorzugt über 600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 600 und 700 m/s aufgebracht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Spritzverfahren das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter Aufschmelzen der Spritzpartikel oder das Kaltgasspritzen eingesetzt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Beschichten mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens unter Aufschmelzen der Spritzpartikel die Spritzpartikel beim Aufprall aus der Schmelze mit einer Kühlgeschwindigkeit zwischen 104 K/s und 105 K/s abgekühlt werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim thermischen Spritzen mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens unter Aufschmelzen der Spritzpartikel oder mittels Kaltgasspritzens eine Oxidbildung und ein damit verbundenes Aufhärten der Beschichtung vermieden wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim thermischen Spritzen mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens unter Aufschmelzen der Spritzpartikel die Beschichtung durch Oxidbildung aufgehärtet wird.
EP00112807A 1999-06-24 2000-06-16 Golfschläger mit spannungsspezifischer Schlagfläche und Verfahren zur Herstellung der Beschichtung Withdrawn EP1062990A1 (de)

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