JP2001170867A - 金属成型体の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属成型体の表面の残留応力などを緩和しか
つその表面粗さを最適にコントロールする。 【解決手段】 金属成型体Ｍの表面に砥粒を衝突させる
ことにより、該金属成型体Ｍの表面を処理する金属成型
体の表面処理方法である。前記砥粒は、平均粒径ｄ１が
大きい第１の砥粒５と、平均粒径ｄ２が前記第１の砥粒
５の平均粒径ｄ１よりも小さい第２の砥粒６とを少なく
とも含み、かつこれらを混合した混合砥粒７から構成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非晶質合金などの
金属成型体に適した表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属成型体は所望する形状を得るために
主にプレス法、鋳造法、鋳造法等によって成型される。
しかしながら、これらの製法のほとんどは、その工程中
に熱が発生し、金属の組成が変化しようとする。これを
解決するために焼き入れや焼き鈍し等の熱処理が行われ
ることが多い。この技術は、一般に使われている鉄、ア
ルミ、チタンやその合金等多くの金属成型体に広く使用
されている。しかし、熱を加えることにより、特に肉厚
の大なる金属成型体や、複雑形状を有する金属成型体で
は、金属表面と内部との温度差により内部応力が残存し
易く、また金属原材料に含まれる不純物、冷却速度など
を始めとする種々の製造要素の影響に加え、製造上避け
られない不純物の混入により、金属成型体の表面に酸化
物層や不純物などの結晶による結晶層等が形成されるこ
とがある。またこのような表面層は、内部と物性が異な
り十分な強度、靭性を具えてはいない。

【０００３】上述のような酸化物層ないし結晶層につい
ては、表面研磨により除去することが考えられる。しか
し、表面研磨では非常に手間がかかり、また形状が複雑
な場合には処理し得ない場合がある。また、表面を研磨
によって除去すると、成型品の厚さや形状等が変化して
しまう等の不具合があり、換言すれば形状を確定する精
密な研磨作業までもが要求される。

【０００４】またエッチング等により、表面層などを腐
食させることも考えられるが前記同様に手間がかかり、
また研磨と同様に成型品の形状変化が大きいものとなる
他、酸などのエッチング液の取り扱いにも注意が必要と
なる。また鋼やその合金、その他の金属の残留応力を除
去する方法として、一般に種々の熱処理が知られている
が、例えば実質的に結晶構造を持たない非晶質合金成型
体に熱処理を行うと、非晶質層の結晶化が起こることが
あるため採用できない。このため、例えば遠心力等を利
用して加速されたスチールショット、スチールグリッド
等の砥粒を金属成型体表面に衝突させてその表面に変質
層を形成し、残留応力を緩和し、また加工硬化させる砥
粒噴射処理などが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の砥粒
噴射処理には、通常、粒径を略一定とした１種類の砥粒
を用いて行われている。しかしながら、砥粒の粒径が大
きいと、前記変質層の形成には効果的にであるが金属成
型体の表面粗さが大きくなる（粗くなる）傾向がある。
金属成型体の表面粗さが大きくなると、その表面の粗さ
が切り欠き（ノッチ）効果を招き、該表面にて応力集中
が生じて強度が低下しやすい。また大きな砥粒では、金
属成型体の表面との衝突時に発生する大きな熱により、
金属成型体、とりわけ非晶質合金成型体の表面が黒く変
色する場合がある。逆に砥粒の粒径が小さいと、金属成
型体の表面粗さは小さくできるが、該金属成型体の表面
に加工硬化層などを形成することが困難になる。

【０００６】本発明は、以上のような問題点に鑑み案出
なされたもので、金属成型体の表面に衝突させる砥粒
を、平均粒径ｄ１が大きい第１の砥粒と、平均粒径ｄ２
が前記第１の砥粒の平均粒径ｄ１よりも小さい第２の砥
粒とを少なくとも含みかつこれらを混合した混合砥粒と
することを基本として、金属成型体の表面の残留応力を
緩和させ、また加工硬化を生じさせることに加え、変色
を防ぎ、且つ表面粗さを最適にコントロールすることが
可能な金属成型体の表面処理方法を提供することを目的
としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のうち請求項１記
載の発明は、金属成型体の表面に砥粒を衝突させること
により、該金属成型体の表面を処理する金属成型体の表
面処理方法であって、前記砥粒は、平均粒径ｄ１が大き
い第１の砥粒と、平均粒径ｄ２が前記第１の砥粒の平均
粒径ｄ１よりも小さい第２の砥粒とを少なくとも含みか
つこれらを混合した混合砥粒からなることを特徴として
いる。

【０００８】また請求項２記載の発明は、前記第１の砥
粒の平均粒径ｄ１は、１００〜１０００μであり、かつ
前記第２の砥粒の平均粒径ｄ２が前記第１の砥粒の平均
粒径ｄ１の１〜８０％であることを特徴とする請求項１
記載の金属成型体の表面処理方法である。

【０００９】また請求項３記載の発明は、前記混合砥粒
は、前記第１の砥粒と前記第２の砥粒とからなり、かつ
前記第１の砥粒を第２の砥粒とのかさ容積比が１：９〜
９：１であることを特徴とする請求項１又は２記載の金
属成型体の表面処理方法である。

【００１０】また請求項４記載の発明は、前記金属成型
体は、非晶質合金成型体からなるゴルフクラブヘッドの
フェース板であり、かつ前記混合砥粒の衝突によりこの
フェース板の表面に残留応力緩和層または加工硬化層の
少なくとも一つの層を含む表面変質層を形成することを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の金属成
型体の表面処理方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の一形態を、金
属成型体としてゴルフクラブヘッドのフェース板を例に
挙げ図面に基づき説明する。図１はゴルフクラブヘッド
の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図を示している。図
に示すように、本実施形態のゴルフクラブヘッド（以
下、単に「ヘッド」ということがある。）１は、本例で
はヘッド本体２と、このヘッド本体２の前面に配されか
つボールを打撃する面であるフェース面Ｆを形成するフ
ェース板３とから構成される。このフェース板３は、例
えば接着剤、かしめなどにより前記ヘッド本体２に固着
されている。

【００１２】本例のフェース板３は、例えば非晶質合金
成型体Ｍから構成される。非晶質合金成型体Ｍは、高強
度、高硬度、低ヤング率を同時に具えるため、特に高強
度、高硬度といった特性は、強度を維持しつつフェース
板３を薄くでき、しかも低ヤング率であるためフェース
を撓みやすく構成できボールの反発特性を高め、飛距離
の増大に役立つ点で好ましい。またこのような非晶質合
金成型体Ｍからなるフェース板３は、例えば真空中又は
不活性ガス雰囲気中において、上下一対の水冷金型で液
体状に溶融された合金材料を押圧するとともに、結晶核
が生成及び成長しないよう臨界冷却速度以上の速度で急
速に冷却するいわゆる溶湯鍛造法等を用いることにより
非晶質組成を有するバルク材として一体に成形すること
が可能である。ただし、非晶質合金成型体Ｍであれば、
どのようにして製造されたかは問わない。

【００１３】また図３に示すごとく、フェース板３は、
その表面３ａに砥粒５、６を衝突させることにより該表
面３ａが処理され、本例では少なくともフェース面Ｆに
このような処理を行っている。前記砥粒は、本実施形態
では、平均粒径ｄ１が大きい第１の砥粒５と、平均粒径
ｄ２が前記第１の砥粒５の平均粒径ｄ１よりも小さい第
２の砥粒６とを含みかつこれらを混合した混合砥粒７で
構成されている。なお砥粒の平均粒径とは、粒径が厳密
に同一ではないが近似する多数の粒体で構成される粒子
群を代表する粒径である。

【００１４】このような混合砥粒７は、第１、第２の砥
粒５、６がフェース板３の表面３ａに同時に衝突し、主
として平均粒径ｄ１が大きい第１の砥粒５により、フェ
ース板３の表面３ａに残留応力を緩和した残留応力緩和
層又は該表面が加工硬化した加工硬化層の少なくとも一
つを含む表面変質層を形成し、また主として平均粒径ｄ
２が小さい第２の砥粒６により、第１の砥粒５で比較的
大きく粗されたフェース板３の表面３ａを均して表面粗
さをコントロールすることが同時に行える。また第２の
砥粒６は、第１の砥粒５がフェース板３の表面に付着す
るのを防ぐクリ−ニング効果を奏し得る他、フェース板
３との衝突時のエネルギが小さいため熱の発生も小にな
りかつ表面３ａの変色が防止される。

【００１５】なお加工硬化は、材料を冷間で塑性変形さ
せ塑性歪を増加させることによる転位密度の上昇と、こ
れらの転位間の相互作用により、転位が互いに動きにく
くなって変形に対する抵抗性が増すものであり、一般
に、非晶質合金成型体Ｍについてはこのような加工硬化
が生じないものとして知られている。しかしながら本実
施形態では、非晶質合金成型体Ｍの表面に形成されうる
残留応力層、結晶層又は酸化物層といった結晶質の表面
層に着目し、この表面層を研磨等で除去せずに改質する
ことで非晶質合金成型体Ｍの強度を向上させている。

【００１６】ここで、前記第１の砥粒５の平均粒径ｄ１
が小さすぎると、フェース板３の表面に加工硬化層など
を形成する効果が相対的に低下する傾向があり、逆に大
きすぎるとフェース板３の表面粗さが大きくなりすぎて
切り欠き効果によって強度低下を引き起こすことがあ
る。このような観点より、前記第１の砥粒５の平均粒径
ｄ１は、例えば１００〜１０００μ、より好ましくは３
００〜８００μｍ、さらに好ましくは４００〜６００μ
ｍとするのが望ましい。

【００１７】また第２の砥粒６の平均粒径ｄ２が小さす
ぎると、第１の砥粒５によって粗されたフェース板３の
表面を均して切り欠き効果による応力集中を減じる効果
が低下し、逆に大きすぎるとフェース板３の表面粗さが
大となる不具合がある、このような観点より、第２の砥
粒６の平均粒径ｄ２は、例えば第１の砥粒５の平均粒径
ｄ１の１〜８０％、より好ましくは２０〜７０％とする
ことが良い。第２の砥粒６の平均粒径は、一例を挙げる
と１〜８００μｍ、より好ましくは６〜５６０μｍ、さ
らに好ましくは４０〜３６０μｍとすることが望まし
い。

【００１８】なお金属成型体が本例の如くヘッド１のフ
ェース板３である場合、その表面粗さは、ＪＩＳ−Ｂ０
６０１で規定される十点平均粗さで２５．０μｍ以下、
より好ましくは２２．０μｍ以下、さらに好ましくは２
０．０μｍ以下とすることにより、表面粗さに基づく切
り欠き効果をより効果的に防止しうる点で好ましい。

【００１９】また混合砥粒７は、本例では前記第１の砥
粒５と前記第２の砥粒６との２種類の砥粒から構成され
たものを例示している。ここで、第１の砥粒５と第２の
砥粒６との混合割合において、第１の砥粒５の割合が過
小であると、フェース板３の表面３ａの残留応力の緩和
や加工硬化を図ることが困難となる傾向があり、逆に第
１の砥粒５の割合が過大であると、表面粗さが粗くなり
また表面３ａの変色等が生じかねない。このような観点
より、フェース板３の表面３ａに衝突させる混合砥粒７
は、前記第１の砥粒５と第２の砥粒６とのかさ容積比が
１：９〜９：１、より好ましくは３：７〜７：３程度で
あることが望ましい。なお本例では混合砥粒７が第１の
砥粒５、第１の砥粒６の２種類で構成されたものを例示
するが、例えば混合砥粒７は平均粒径が異なる３種類以
上の砥粒で構成することもできる。なお砥粒７には、平
均粒径が１μｍ未満又は１０００μｍよりも大の砥粒を
含ませることもできるが、このような砥粒の割合は、砥
粒全体のかさ容積の５０％以下、より好ましくは２０％
以下、さらに好ましくは１０％以下とすることが望まし
い。

【００２０】また前記混合砥粒７をフェース板３の表面
３ａに衝突させる処理方法としては、例えばサンドブラ
スト、ショットピーニング、グリットブラスト、液体ホ
ーニング等、種々のものが知られているが、本発明では
これら方法のいずれかを用いて行うことができる。また
前記混合砥粒７は、フェース板３の表面３ａに前記表面
変質層を形成しまた表面粗さをコントロールしうるもの
あれば、その材料、形状などは問わないが、例えばスチ
ールショット（小鉄球）、スチールグリッド（鋳鋼破砕
粒）、ワイヤカット、ガラスビーズ、有機物、その他各
種合金からなる粒体、球体、セラミックス、その他の無
機物など種々の研掃材の１種又は２種以上を用いるのが
好適である。このとき、第１の砥粒５と第２の砥粒６と
に、それぞれ異なる材料からなる砥粒、より具体的には
粒径の大きな第１の砥粒５にはスチールショットを、ま
た粒径の小さな第２の砥粒にはスチールグリッドを用い
ることができる。

【００２１】また混合砥粒７は、気体、液体又は遠心力
などあらゆる手段を用いて加速させてフェース板３の表
面３ａに衝突させることができる。一例を挙げると、高
圧空気を用いて砥粒を加速する例えば直圧式ブラスト機
では、例えば１００〜１０００ｋＰａ、さらに好ましく
は３００〜６００ｋＰａ程度の空気圧に設定し、例えば
１０〜３００秒、さらに好ましくは６０〜１２０秒間衝
突させることにより、フェース板３の表面３ａに圧縮応
力を付与することができ、これにより、その表面に残留
応力緩和層又は／および加工硬化層を含む表面変質層を
形成でき、主として引っ張り側で生じるクラックの進行
などをさらに効果的に抑制するのに役立つ。

【００２２】このようにして表面処理され表面変質層を
フェース面Ｆとしたヘッド１は、特性にばらつきがな
く、高強度、高靭性などの強度特性に非常に優れ、かつ
表面に結晶層が形成された非晶質合金成型体Ｍを利用す
ることができるため、歩留りが著しく向上し製造コスト
が削減される。以上本発明の実施形態について詳述した
が、本発明の処理方法は、非晶質合金成型体Ｍ以外にも
使用でき、またゴルフクラブのフェース板３以外にも、
各種の工業部品などに適用しうるのは言うまでもない。

【００２３】

【実施例】次に本発明のより具体的な実施例について説
明する。Ｚｒ₅₅Ａl₁₀ Ｎｉ₅ Ｃｕ₃₀（数値は原子％）か
らなり前記鍛造溶湯法により製造された非晶質合金成型
体（幅２０mm×長さ５０mm×厚さ３mm、成型時の十点平
均粗さＲｚ：１．０μｍ、破壊応力２．２ＧＰａ）に、
直圧式ショットブラスト機を使用して砥粒を噴射、衝突
させて処理を行った後、非晶質合金成型体の変色の有
無、十点平均粗さ、破壊応力を測定した。砥粒の噴射条
件は、エアー圧０．５９ＭＰａで６０〜１２０秒とし
た。また砥粒の種類は、スチールショット、スチールグ
リッド、セラミックス粒を使用しその粒径、混合割合な
どは表１〜表３の通りである。

【００２４】また砥粒の衝突後の試料の変色の有無は目
視により行い、また十点平均粗さはＪＩＳ−Ｂ０６０１
に準拠して測定した。また非晶質合金成型体の破壊応力
は、図４に示すように、３０mmの間隔を隔てて配された
一対の支持台ｊ、ｊの上に試料Ｓを載置するとともに、
この試料のほぼ中央部に押さえ治具ｋによって上方から
垂直荷重Ｆを負荷する曲げ荷重負荷試験により行い、試
料Ｓが破壊したときの荷重を試料Ｓの横断面積で除し求
めた。この破壊応力が大きいほど、非晶質合金成型体の
表面が効果的に加工硬化され、或いは残留応力が除去さ
れていることを示す。テストの結果を表１、表２に示
す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】テストの結果、実施例の処理方法では、混
合砥粒を用いたことにより非晶質合金成型体の表面の変
色を防止でき、また表面粗さをコントロールしつつ非晶
質合金成型体の破壊応力を増大し強度の向上を図ってい
ることが確認できる。

【００２９】

【発明の効果】上述したように、本発明では金属成型体
の表面に衝突させる砥粒を、平均粒径ｄ１が大きい第１
の砥粒と、平均粒径ｄ２が前記第１の砥粒の平均粒径ｄ
１よりも小さい第２の砥粒とを少なくとも含みかつこれ
らを混合した混合砥粒とすることにより、金属成型体の
表面の残留応力を緩和しまた加工硬化を生じさせるとと
もに、変色を防ぎつつ表面粗さを最適にコントロールす
ることが可能となる。

【００３０】特に請求項２ないし３に記載したように、
第１の砥粒、第２の砥粒の平均粒径や混合比率などを限
定したときには、より確実に前記効果を奏しうる。また
請求項に記載したように、この表面処理方法を非晶質合
金成型体に用いることにより、非晶質合金成型体の表面
の結晶化のさらなる生成を防止しつつ該表面に形成され
ている酸化物層ないし結晶層を含む表面層を、加工硬化
等させることができるから、非晶質合金成型体の強度を
さらに向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ウッド型ゴルフクラブヘッドを示す正面図であ
る。

【図２】そのＡ−Ａ断面図である。

【図３】砥粒噴射工程を例示する断面図である。

【図４】曲げ荷重負荷試験の説明斜視図である。

【符号の説明】

１ ゴルフクラブヘッド ２ ヘッド本体 ３ フェース板 ５ 第１の砥粒 ６ 第２の砥粒 ７ 混合砥粒 Ｍ 非晶質合金成型体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属成型体の表面に砥粒を衝突させること
   により、該金属成型体の表面を処理する金属成型体の表
   面処理方法であって、 前記砥粒は、平均粒径ｄ１が大きい第１の砥粒と、平均
   粒径ｄ２が前記第１の砥粒の平均粒径ｄ１よりも小さい
   第２の砥粒とを少なくとも含みかつこれらを混合した混
   合砥粒からなることを特徴とする金属成型体の表面処理
   方法。
2. 【請求項２】前記第１の砥粒の平均粒径ｄ１は、１００
   〜１０００μであり、かつ前記第２の砥粒の平均粒径ｄ
   ２が前記第１の砥粒の平均粒径ｄ１の１〜８０％である
   ことを特徴とする請求項１記載の金属成型体の表面処理
   方法。
3. 【請求項３】前記混合砥粒は、前記第１の砥粒と前記第
   ２の砥粒とからなり、かつ前記第１の砥粒と第２の砥粒
   とのかさ容積比が１：９〜９：１であることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の金属成型体の表面処理方法。
4. 【請求項４】前記金属成型体は、非晶質合金成型体から
   なるゴルフクラブヘッドのフェース板であり、かつ前記
   混合砥粒の衝突によりこのフェース板の表面に残留応力
   緩和層または加工硬化層の少なくとも一つの層を含む表
   面変質層を形成することを特徴とする請求項１乃至３の
   いずれか１に記載の金属成型体の表面処理方法。