JP2003129154A

JP2003129154A - ゴルフクラブヘッド

Info

Publication number: JP2003129154A
Application number: JP2001321445A
Authority: JP
Inventors: Kei Matsumoto; 啓松本; Nozomi Ariyasu; 望有安; Wataru Takahashi; 渉高橋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; O Ta Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; O Ta Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-05-08
Also published as: US20030092501A1

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた冷間加工性、時効硬化性および反発性能
を兼ね備えたフェースを有するゴルフクラブヘッドの提
供。【解決手段】少なくともフェースが、質量％で、V：15
〜25％およびAl：2.5〜5％、ならびにSn：0.25〜2.0％
およびZr：0.5〜4.0％のうちの一方または両方を含有
し、残部Tiおよび不純物からなるチタン合金で作られて
いることを特徴とするゴルフクラブヘッド。なお、上記
の不純物中の水素は、0.05％以下であるが望ましい。ま
た、本発明のゴルフクラブヘッドは、そのフェースの板
厚を1〜3.0mm、そのヘッドの体積を200〜500cm^３、ヘッ
ドの質量を170〜220gとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ti-Al-V-Sn系βチ
タン合金を用いたゴルフクラブヘッド（以下、単に「ヘ
ッド」という）に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ヘッドとして、金属製の中空ヘッ
ドが注目されている。金属製ヘッドの材料としては、特
に、チタン合金が一般的である。これは、チタン合金が
ヘッドの材料に求められる高強度で、かつ比重が軽いと
いう性質を有するからである。

【０００３】図１は、ウッド型ヘッドを示す斜視図であ
る。同図に示すように、ウッド型ヘッド１は、主とし
て、フェース２とヘッド本体３とからなる。なお、ヘッ
ド本体は、主としてクラウン部とよばれる上部構造、サ
イド部およびソール部で構成されている。ウッド型ヘッ
ドを構成する部品の内でも、特に、フェース２は、直接
ボールの衝撃を受けるため、ヘッド本体３と比べて高い
強度が要求される。

【０００４】しかし、フェースの強度を確保するために
フェースの板厚をあまりに厚くすると、ヘッド全体の質
量を適正な範囲内に抑えるためには、ヘッド本体の質量
を低減する必要が生じ、ヘッドの重心位置のコントロー
ルが困難となったり、ヘッドを大型化することができな
くなる。また、ボールの反発性能の観点からは、フェー
スの板厚が薄い方がよい。従って、フェースに使用する
材料には、高い引張強度を有するとともに、低比重のも
のが求められる。

【０００５】ヘッド用材料として一般に使用されるチタ
ン合金は、Ti-6Al-4V合金およびTi-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合
金である。しかし、これらのチタン合金はいずれも、α
＋β系合金であり、低温域での変形抵抗が大きい。特
に、ウッド型ヘッドのフェースは、単なる平板ではな
く、わずかな曲率を持つ曲面であり、その加工は困難で
ある。

【０００６】フェースの加工方法としては、鋳造または
鍛造により成形する方法、板状材料を加熱してプレス成
形する方法がある。しかし、鋳造成形の場合は、鍛造成
形や板材プレス成形に比べて、若干引張強度が低下する
上に、鋳造欠陥が発生することがある。従って、フェー
スとして十分な強度を確保するためには、その板厚を厚
くする必要が生じる。また、鍛造成型または板材のプレ
ス成形の場合でも、所定の形状に成形するには高温域で
の加工が必要となるが、チタン合金は高温に加熱すると
酸化し易いという欠点がある。

【０００７】特開平6-240390号公報には、10質量％以上
25質量％未満のＶを基本成分として、2〜5質量％のAl、
2〜5質量％のCrおよび２〜4質量％のSnのうちから選択
される１種または２種以上を含むゴルフドライバーヘッ
ド用材料の発明が開示されている。この合金は、一般に
Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn合金と呼ばれ、β型チタン合金の一
種である。β型チタン合金がヘッドの材料として有用で
ある理由は、塑性加工ができ、さらに時効処理により引
張強度を向上できるので、薄肉化が容易であり、またヤ
ング率がチタン合金中でも低いためボールの反発性が大
きいからである。

【０００８】上記の特開平6-240390号公報には、Alを含
有させる理由として、Alが時効を促進すること、原料の
価格がAl-Ｖの方が安価であることをあげている。ま
た、Crを含有させるのは、冷間プレス性を向上させるた
めであり、Snを含有させるのは、時効処理時に析出する
脆いω相の生成を抑制するためである旨記載されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の特開平6-240390
号公報に記載されるチタン合金は、Snが含まれる場合の
含有量が2質量％以上と高いため、ヤング率が高くな
り、ボールの反発性能が低下し、また、冷間圧延時にエ
ッジ部に割れが発生し易くなるなど冷間加工性が十分で
はない。

【００１０】本発明の目的は、ヘッドのフェースに求め
られる性能、即ち、優れた冷間加工性、時効硬化性およ
び反発性能を兼ね備えたチタン合金をフェースとするヘ
ッドを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記のヘッド
を要旨とする。なお、成分の含有率に関する％は「質量
％」である。

【００１２】少なくともフェースが、V：15〜25％、A
l：2.5〜5％、ならびにSn：0.25〜2.0％およびZr：0.5
〜4.0％のうちの一方または両方を含有し、残部がTiお
よび不純物からなるチタン合金で作られていることを特
徴とするヘッド。

【００１３】フェースを構成するチタン合金の不純物の
中で、水素は0.05％以下であるが望ましい。また、本発
明のヘッドは、そのフェースの板厚を1〜3.0mm、そのヘ
ッドの体積を200〜500cm^３且つヘッドの質量を170〜220
gとすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のヘッドを構成する
チタン合金の各成分の作用効果および含有量の限定理由
を説明する。

【００１５】(a) V：15〜25％ Vは、チタン合金素地に固溶して、その組織を室温でβ
相単相とするので、冷間加工を容易にするのに有効な元
素である。しかし、Vの含有量が15％未満の場合、溶体
化処理をおこなっても、その組織をβ単相にすることが
できず、マルテンサイト組織が生成し、冷間加工性を劣
化させる。また、溶体化処理をおこなっても、α相が多
く存在するため、ヤング率が大きくなり、反発性能が低
下する。一方、Ｖの含有量が25％を超えると、その組織
はβ相となるが、冷間加工における変形抵抗が大きくな
るとともに、時効硬化性が劣化するので、時効時間を長
くする必要があり、製造コストの上昇を招く。また、Ｖ
は、高価な元素であるため、原料費を抑える観点からも
過剰に含有させるのは望ましくない。従って、Ｖの含有
量を15〜25％とした。

【００１６】なお、β相安定化元素としては、Mo、Cr、
Fe、Mn等が知られているが、これらを含むチタン合金の
中で、溶体化状態で強度が低く、成分偏析がおこりにく
く、且つ、冷間加工性（冷間圧延性、冷間鍛造性）が良
好なのはVを含む合金である。

【００１７】(b) Al：2.5〜5％ Alは、α相を強化するのに最も効果的な合金元素であ
る。本発明のヘッドに使用するチタン合金は、溶体化の
状態で準安定β相単相であり、これを時効処理した時、
β相中にα相が析出して強度が向上する。α相の析出に
より高強度を得るには、微細なα相を分散析出させるだ
けでなく、析出したα相自体の強化が有効である。ま
た、Alは、合金を脆化させるω相の析出を抑制し、α相
の析出を促進するという利点もある。上記の効果を得る
ためには、その含有量を2.5％以上とする必要がある。
一方、Alの含有量が5％を超えると、溶体化処理状態で
の硬度が高くなり、延性が低下して、冷間加工性も低下
する。また、ヤング率も大きくなって反発性能も低下す
る。従って、Alの含有量を2.5〜5％とした。

【００１８】(c) Sn：0.25〜2.0％およびZr：0.5〜4.0
％ SnおよびZrは、その一方または両方を含有させる。これ
らは、チタン合金の冷間加工性を大幅に向上させるのに
有効な元素である。また、これらの元素は、α相の時効
析出を促進安定化し、ω相の生成を抑えるため、適正な
時効処理温度の範囲を広くできる効果があり、時効処理
後の硬度を向上させるのに有効である。さらに、Snおよ
びZrは、Alと比較して合金素地を硬化させないので、Al
の一部をSnやZrに置き換えることによって、変形抵抗の
増大を抑えつつ、冷間加工性を向上させることができ
る。このような効果を得るためには、Snの含有量は0.25
％以上とし、Zrの含有量は0.5％以上とする必要があ
る。しかし、SnまたはZrの含有量が過剰な場合には、溶
体化状態でのβ単相の素地を硬化させ、冷間加工性が低
下する。さらに、ヤング率も大きくなって、反発性能が
低下する。このような影響は、ZrよりSnの方が大きいの
で、Snの含有量の上限は2.0％とし、Zrの含有量の上限
は4.0％とした。好ましい上限は、Snは1.8％であり、Zn
は3.0％である。

【００１９】本発明のヘッドに用いる合金は、上記の化
学成分を含有し、残部はTiおよび不純物からなる。ここ
で、不純物中に含まれる水素は、0.05％以下であるのが
望ましい。その理由は下記のとおりである。

【００２０】(d) 水素：0.05％以下水素は、β相安定化元素であり、その含有量が過剰な場
合には、時効析出を遅らせるので、できるだけ少ない方
がよい。従って、水素の含有量を0.05％以下に制限する
ことが望ましい。

【００２１】なお、本発明で規定されるチタン合金にお
いては、不純物である酸素は、冷間加工性、特に冷間プ
レス加工性を確保するためには低いことが望ましく、そ
の含有量は0.25％以下が好ましい。また、Feは、β相安
定化元素であるが、溶体化処理後の硬度を過度に高くす
るので、その含有量は0.3％以下でできるだけ少ない方
が望ましい。

【００２２】本発明のヘッドは、少なくともフェースが
上記のチタン合金で作られたものである。換言すれば、
フェース以外の本体部分については、本発明で規定され
るチタン合金を用いても良いし、例えば、Ti-6Al-4V合
金といった一般的なチタン合金を用いてもよい。これ
は、ボールが直接に触れるフェースが主にゴルフクラブ
の性能を左右するので、少なくとも、この部分に上述の
チタン合金を使用すればよいからである。

【００２３】なお、フェース以外の本体部分に上述のチ
タン合金以外の合金を使用する場合、接合に使用する溶
接材料は、フェースに使用する上述のチタン合金または
フェース以外の本体部分に使用されるチタン合金のいず
れかと同じ組成のものでもよいし、これらの中間的な組
成のものでもよい。

【００２４】ヘッドの反発性能を高めるためには、フェ
ースの板厚をできるだけ薄くするのが有効であるが、従
来のチタン合金を用いてフェースを作製し、その板厚を
薄くすると強度を確保するのが困難となる。しかし、本
発明のヘッドであれば、そのフェースの板厚を3.0mm以
下、更には2.8mm以下と非常に薄くしても、所定の強度
を確保することができる。なお、フェースの板厚の下限
は強度の観点から1mmとする。

【００２５】使用時のボールの飛距離および方向安定性
を向上させるには、ヘッドの体積を200cm^３以上とする
のが望ましい。一方で、ヘッド自体の強度を確保する必
要がある。ヘッドの材料として従来のチタン合金を用い
る場合には、強度を確保するためにはヘッドを厚肉化す
る必要がある。従って、ヘッドを大型化すると質量が増
えて例えば220gを超え、ゴルフクラブとして快適な使用
ができない重さとなる。これに対応すべく、ヘッドの質
量を低く抑えつつその体積を増加させるには、ヘッド
（特に、質量の大きなフェース）を薄肉化する必要があ
るが、従来のチタン合金では、ヘッドに要求される強度
を確保できない。

【００２６】しかし、本発明で規定されるチタン合金を
用いれば、高い強度を維持しつつ、フェースを薄肉化で
きるので、ヘッド全体の質量を220g以下に抑えつつ、ヘ
ッドの体積を200cm^３以上とすることができる。なお、
ヘッドの体積は、適正な質量と強度のバランスを確保す
る必要があるので、その上限を500cm^３とした。また、
ヘッドの質量は、小さすぎると十分な慣性モーメントが
得られず、ボールの飛距離が低下するので、その下限値
を170gとした。

【００２７】なお、ヘッドとは、前記の図１に示すフェ
ース、ヘッド本体およびシャフトとの接合に使用される
ホーゼル部をも含む。

【００２８】本発明のヘッドは、例えば、下記の方法に
よって製造できる。

【００２９】まず、化学成分を調整した原料をVAR（真
空アーク再溶解）法による溶解でインゴットとし、これ
を熱間圧延した板に溶体化処理（例えば、930℃×5分）
を行い、その後、冷間圧延して、フェース用の厚さ1〜3
mmの板を作製する。続いて、この冷間圧延板の歪みを維
持した状態で、冷間または温間プレスにより所定の形状
のフェースを作製して、これらをその他の部品と溶接
し、その後、時効処理を施す。

【００３０】なお、時効処理は、溶接組立前に行っても
良い。特殊な構造を有するヘッドを作製する場合には、
冷間または温間プレスによりフェース形状を作製した後
に、再度、溶体化処理を行ってから時効処理を施すのが
望ましい。これは、再度の溶体化処理を行わずに作製し
たヘッドより高い延性が得られるからである。

【００３１】上記のインゴットを鍛造して棒材とし、溶
体化処理の後、熱間鍛造または冷間鍛造により所定の形
状のフェースを作製してもよい。この部材を使用して本
発明のヘッドを作製する場合にも、鍛造後または溶接組
立後に時効処理を行うとよい。また、冷間鍛造によって
フェースを作製する場合には、冷間圧延によって作製す
る場合と同様に、時効処理の直前に、別途溶体化処理を
施すのがよい。

【００３２】

【実施例】以下に実施例によって、本発明を説明する。

【００３３】（実施例１）VAR法を用いて、表１に示す
組成のチタン合金を溶解し、ついで、これらのインゴッ
トに通常の条件で熱間鍛造および熱間圧延を施した後、
溶体化処理（930℃×5分）、スケール除去(フッ硝酸酸
洗）をして、最終的に厚さ2.7mmまで冷間圧延した。こ
こで、スケール除去時にフッ酸に浸漬することにより各
合金中の酸素量を調整した。これらの板をフェース形状
に打ち抜いた後、所定の曲面に加工し、別途作製したク
ラウン部、サイド部およびソール部と溶接により接合し
てウッド型ヘッドを作製した。さらに、これらのヘッド
に500℃×5時間の時効処理を施した後、表面を研磨して
フェースの板厚を2.6mmにしたものを供試材とした。作
製したヘッドの体積は400cm^３、質量は185gであった。

【００３４】

【表１】なお、表中の「冷間加工性」は、厚さ5.0mmの熱間圧延
板を厚さ2.7mmの板に冷間圧延した際のエッジおよび表
層の割れを確認した結果を示す。また、「耐久テスト」
は、それぞれのヘッドにシャフトを取り付け、ヘッドス
ピード50m/sでフェース中央部をボールに衝突させ続け
たテストの結果である。その評価基準は、上記のテスト
を3000回繰り返した後のフェース表面に凹みおよび割れ
のいずれも発生しなかったものを合格とし、凹みおよび
／または割れが発生したものを不合格とした。

【００３５】表１に示すように、No.1は、Ｖの含有量が
本発明で規定される範囲を下回るため、その組織がα＋
β組織となり、冷間圧延でエッジおよび表層に割れが発
生し、耐久テストでも割れが発生した。Vの含有量が本
発明で規定される範囲を超えるNo.5、Al含有量が本発明
で規定される範囲を下回るNo.6、ならびにSnおよびZrの
いずれも含有しないNo.12は、時効しても強度が向上せ
ず、耐久テストで凹みが発生した。

【００３６】SnおよびZrを含有させる代わりにAl含有量
を増加させたNo.19、ならびに、Al含有量が本発明で規
定される範囲を超えるNo.9は、冷間圧延でエッジ'およ
び表層で割れが発生し、さらに耐久テストも割れが発生
した。SnまたはZrの含有量が本発明で規定される範囲を
超えるNo.15および18は、冷間圧延でエッジに割れが発
生した。

【００３７】一方、化学組成が本発明で規定される範囲
内にあるNo.2〜4、7、8、10、11、13、14、16、17およ
び20はいずれも、冷間加工性および耐久性に優れてい
た。なお、チタン合金中の水素の含有量が0.055％であ
ったNo.11では、若干の凹みが発生したが、使用上問題
とならないレベルであった。以上のとおり、本発明で規
定される化学組成を有するチタン合金を用いれば、その
フェースを薄肉化することができるので、ヘッドに優れ
た反発性能を持たせることができる。

【００３８】（実施例２）VAR法を用いて、表１のNo.3
に示す組成のチタン合金を溶解し、ついで、これらのイ
ンゴットに通常の条件で熱間鍛造および熱間圧延を施し
た後、溶体化処理（930℃×5分）、スケール除去(フッ
硝酸酸洗）をし、その後、冷間圧延して厚さ3.1ｍｍ、
2.9ｍｍおよび2.7ｍｍの３種類の板とした。これを必要
な大きさに切り出し、所定の曲面に加工し、別途作製し
たヘッド本体と溶接により接合してウッド型ヘッドを作
製した。さらに、これらのヘッドに500℃×5時間の時効
を施した後、表面を研磨してフェースの板厚が3.0mm、
2.8mm、2.6mmの３種類を供試材とした。また、市販のTi
-6%Al-4%Vの丸棒を熱間鍛造して、上記と同様の方法で
フェースの板厚が3.0mm、2.8mmおよび2.6mmの３種類の
ウッド型ヘッドを作製し、これを供試材とした。これら
の供試材に上記の耐久テストを実施した結果を表２に示
す。

【００３９】

【表２】化学組成が本発明で規定される範囲内にある合金で作製
したヘッドは、どの厚さのフェースでも耐久テストに合
格したが、Ti-6Al-4V合金を使用したヘッドは、フェー
スの板厚が2.8mmのものが2500回目で、フェースの板厚
が2.6mmのものに至ってはわずか500回目で割れが発生し
た。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、高い強度と優れた反発
性能を兼ね備えたヘッドを製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ウッド型ヘッドを示す斜視図である。

【符号の説明】

１．ウッド型ヘッド、２．フェース、３．ヘッド本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者有安望大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者高橋渉大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内Ｆターム(参考） 2C002 AA02 CH01 MM04 PP02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともフェースが、質量％で、V：15
〜25％、Al：2.5〜5％、ならびにSn：0.25〜2.0％およ
びZr：0.5〜4.0％の一方または両方を含有し、残部がTi
および不純物からなるチタン合金で作られていることを
特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項２】少なくともフェースが、質量％で、V：15
〜25％、Al：2.5〜5％、ならびにSn：0.25〜2.0％およ
びZr：0.5〜4.0％の一方または両方を含有し、残部がTi
および不純物からなり、不純物としての水素が0.05％以
下のチタン合金で作られていることを特徴とするゴルフ
クラブヘッド。
【請求項３】体積が200〜500cm^３、質量が170〜220g
で、かつフェースの板厚が1〜3.0mmであることを特徴と
する請求項１または２のいずれかに記載のゴルフクラブ
ヘッド。