JP2005034517A - ゴルフクラブ用スチールシャフト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 薄肉化（軽量化）しても十分な強度，耐久性を維持するゴルフクラブ用スチールシャフトを提供する。
【構成】 Ｃ：0.40〜0.70％，Ｓｉ：0.60％以下，Ｍｎ：0.60〜1.20％，Ｐ：0.020％以下，Ｓ：0.015％以下，Ａｌ：0.050％以下，Ｃｒ：0.30〜1.00％を含み、必要に応じＮｉ：0.30〜1.20％，Ｍｏ：0.10〜0.50％，Ｖ：0.05〜0.40％，Ｎｂ：0.03〜0.15％，Ｔｉ：0.05〜0.50％，Ｃｕ：0.30％以下，Ｃａ：0,01％以下の１種又は２種以上を含む組成の溶接鋼管から作製され、焼入れ後のサブゼロ処理で完全マルテンサイト組織に調質されたゴルフクラブ用スチールシャフトである。成形加工した溶接鋼管を焼き入れた後、-80℃以下のサブゼロ処理を施し、次いで200〜350℃に焼き戻すことにより製造される。
【選択図】 なし

Description

本発明は、薄肉化しても十分な強度，靭性が維持される軽量なゴルフクラブ用スチールシャフト及びその製造方法に関する。

ゴルフクラブは、ゴルフボールの飛距離，直進性を向上させるため種々の改良が形状や構造に加えられており、飛距離アップにシャフトの軽量化が重視されている。シャフトの軽量化に薄肉化が採用されているが、単に薄肉化しただけではシャフトが変形，折損する危険が高くなるので、シャフト材質の高強度化，強靭化が重要となる。たとえば、シャフト用鋼材の成分に加えて成形加工後の熱処理条件を調整するとき、強度，靭性を向上させたスチールシャフトが得られる（特許文献１）。
特公平３−４４１２６号公報 最近の傾向として、シャフトの軽量化が一層強く求められており、従来の高強度化，強靭化では十分に応えることができない。

薄肉化（軽量化）を前提としたシャフトの変形を防止する上では、構造による特性改善だけでは限界があり、シャフト用素材の耐力，強度，靱性を高める必要がある。変形防止にはシャフトが塑性変形するまでの応力を高める（換言すれば、高弾性化）ことが要求され、折損防止にはシャフトが破断するまでの応力を高める高強度化や破壊に至るまでの吸収エネルギーを高める強靭化が要求される。また、鋼材から溶接鋼管を経てシャフト形状に成形加工されるスチールシャフトでは溶接性，成型加工性は勿論、疵，欠陥のない美麗な表面性状も重要な要件である。

本発明は、このようなスチールシャフトの要求特性に応えるべく案出されたものであり、高強度化，強靭化に適した合金設計を採用し、サブゼロ処理で完全マルテンサイト組織に調質することにより強度を一層高め、サブゼロ処理後の焼戻しで靱性を付与したスチールシャフトを提供することを目的とする。
なお、本件明細書で言う「完全マルテンサイト組織」は、マルテンサイト１００％の組織に限らず、技術的意味で実質的に完全マルテンサイトとして扱われるものをいう。具体的には、残留オーステナイトが微量存在していても、マルテンサイト９５％以上であれば「完全マルテンサイト組織」として扱われる。

本発明のゴルフクラブ用スチールシャフトは、その目的を達成するため、Ｃ：０.４０〜０.７０質量％，Ｓｉ：０.６０質量％以下，Ｍｎ：０.６０〜１.２０質量％，Ｐ：０.０２０質量％以下，Ｓ：０.０１５質量％以下，Ａｌ：０.０５０質量％以下，Ｃｒ：０.３０〜１.００質量％を含む組成の溶接鋼管から作製され、焼入れ後のサブゼロ処理で完全マルテンサイト組織に調質されていることを特徴とする。

シャフト用素材に使用される溶接鋼管は、更にＮｉ：０.３０〜１.２０質量％，Ｍｏ：０.１０〜０.５０質量％，Ｖ：０.０５〜０.４０質量％，Ｎｂ：０.０３〜０.１５質量％，Ｔｉ：０.０５〜０.５０質量％，Ｃｕ：０.３０質量％以下，Ｃａ：０.０１質量％以下の１種又は２種以上を含むことができる。
このゴルフクラブ用スチールシャフトは、所定組成に調整された鋼材から造管された溶接鋼管をシャフト形状に成形加工した後、８００〜９００℃の温度域に好ましくは３〜３０分保持して焼き入れ、−８０℃以下のサブゼロ処理を施し、次いで２００〜３５０℃に焼き戻すことにより製造される。

ゴルフクラブ用スチールシャフトの弾性，強度，靭性は、シャフト用素材である鋼材自体の弾性，強度，靭性に大きく影響される。そこで、中炭素鋼をべースに種々の合金元素を添加し、熱処理処理条件を変化させて材料特性を調査した。一般に、焼戻し温度の低下が耐力，強度の向上に有効であるが、低い温度に焼き戻された鋼材は靭性に劣る。なかでも、通常の熱処理では残留オーステナイトを含む金属組織になる合金設計を採用した系の場合、３５０℃以下の焼戻し温度では残留オーステナイトのために耐力，強度の大幅な向上が期待できない。

そこで、本発明においては、シャフト形状に成形加工した溶接鋼管を焼き入れた後でサブゼロ処理を施すことにより、焼戻し後の残留オーステナイトをマルテンサイト変態させている。サブゼロ処理された金属組織は焼戻し状態でも実質的に完全なマルテンサイト組織に維持されるため、同じ焼戻し温度でもサブゼロ処理していない材質に比較して耐力，引張強さが向上する。靱性はサブゼロ処理で若干低下するが、焼戻し温度を適正管理することによりスチールシャフトの要求レベルに靭性を収めることが可能となる。

以下、本発明で規定した要件を個別に説明する。
〔Ｃ：０.４０〜０.７０質量％〕
熱処理された鋼材の強度，耐力，弾性に影響を及ぼす合金成分であり、Ｃ含有量に応じ焼入れ硬さ，強度が大きく変動する。十分な焼入れ硬さ，強度を得る上で０.４０質量％以上のＣが必要である。しかし、０.７０質量％を超える過剰量のＣが含まれると、靱性，溶接性が低下しやすい。
〔Ｓｉ：０.６０質量％以下〕
製鋼段階で脱酸剤として添加される合金成分であるが、０.６０質量％を超えるＳｉが含まれると鋼板製造過程でスケール疵が鋼板表面に発生しやすくなり、シャフトの表面品質を低下させる。

〔Ｍｎ：０.６０〜１.２０質量％〕
焼入れ性を向上させ、強靭化にも有効な合金成分である。十分な焼入れ性を得るために、Ｍｎ含有量を０.６０質量％以上に設定する。しかし、１.２０質量％を超える過剰量のＭｎを含ませると、パーライトバンド組織の成長や偏析が促進される結果として靭性が却って低下しやすい。
〔Ｐ：０.０２０質量％以下〕
低温焼戻し脆化の原因となる成分であるが、０.０２０質量％以下に規制することによりＰ起因の悪影響を抑制できる。
〔Ｓ：０.０１５質量％以下〕
介在物となって鋼中に存在し、靭性を劣化させる成分である。０.０１５質量％を超える量のＳを含む鋼材では、造管溶接時に溶接部のメタルフローに沿って介在物起因の割れが発生しやすくなる。

〔Ａｌ：０.０５０質量％以下〕
Ｓｉと同様に製鋼段階で脱酸剤として添加される成分であるが、鋼中の全Ａｌ量が多くなると鋼材の清浄度が損なわれて表面疵が発生しやすくなるので、Ａｌ含有量の上限を０.０５０質量％に規制した。
〔Ｃｒ：０.３０〜１.００質量％〕
焼入れ性の向上に有効で、特に焼入れ・焼戻し処理後の強度，靭性を確保する上で必要な合金成分である。このような効果は、０.３０質量％以上のＣｒ添加でみられる。しかし、過剰量のＣｒを添加すると、増量に見合った強度の上昇が熱処理後に得られず、却って造管時の溶接性が低下するので、Ｃｒ含有量の上限を１.００質量％に規制した。

〔Ｎｉ：０.３０〜１.２０質量％〕
必要に応じて添加される合金成分であり、焼入れ性の改善に有効で、熱処理後の強度，靭性を向上させる作用を呈する。強度，靭性の向上効果は、０.３０質量％以上のＮｉ添加でみられる。しかし、高価な合金元素であるので、１.２０質量％以下にＮｉ含有量を規制して鋼材コストの上昇を抑える。
〔Ｍｏ：０.１０〜０.５０質量％〕
必要に応じて添加される合金成分であり、Ｃｒと同様に焼入れ性を改善し、焼入れ・焼戻し処理後の強度，靭性を向上させる。このような効果は、０.１０質量％以上のＭｏ添加でみられるが、０.５０質量％を超えるＭｏの過剰添加は素材の成形性，造管性に悪影響を及ぼす。

〔Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ〕
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、焼入れ・焼戻し処理時にオーステナイト結晶粒を細粒化し、焼戻し後の耐力，靭性を向上させる作用を呈する。細粒化の効果は、Ｖ：０.０５質量％以上，Ｎｂ：０.０３質量％以上，Ｔｉ：０.０５質量％以上でみられるが、Ｖ：０.４０質量％，Ｎｂ：０.１５質量％，Ｔｉ：０.５０質量％で飽和する。
〔Ｃｕ：０.３０質量％以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、熱間圧延中に生成する酸化スケールの剥離性を向上させ、鋼材，ひいてはシャフトの表面性状を改善する作用を呈する。しかし、過剰に含まれると溶融金属脆化に起因する微細クラックが鋼板表面に生じやすくなるので、Ｃｕを添加する場合には上限を０.３０質量％に規制する。

〔Ｃａ：０.０１質量％以下〕
必要に応じて添加される合金成分であり、ＭｎＳ系介在物を効果的に形態制御する。すなわち、通常のＭｎＳ系介在物は細長い形状の粒子としてマトリックスに分散し、造管後の成形加工時にミクロボイドの起点となり造管性を劣化させ、シャフトの靭性にも悪影響を及ぼす。Ｃａ添加は、このようなＭｎＳ系介在物を球状のＭｎ，Ｓ，Ｃａ複合介在物に変えてミクロボイドの発生を抑え、造管性，靭性を向上させる。しかし、過剰添加すると介在物が粗大化して成型加工性が低下するので、Ｃａを添加する場合には上限を０.０１質量％に規制する。

所定組成に調整された鋼材を常法に従ってみがき帯鋼とした後、ＴＩＧ溶接，電縫溶接等で造管し、得られた溶接鋼管を引抜き加工等でシャフト形状に成形加工する。
〔成形加工後の熱処理〕
シャフト形状に成形された溶接鋼管は、焼き入れ後のサブゼロ処理，焼戻しによって実質的に完全マルテンサイト組織に調質される。サブゼロ処理，焼戻しの組合せにより、引張強さ：２０００Ｎ／ｍｍ²以上，０.０３％耐力：１７００Ｎ／ｍｍ²以上と高強度でありながら、強度，靭性が高位にバランスしたスチールシャフトが得られる。

サブゼロ処理に先立ち、成形加工した溶接鋼管を好ましくは８００〜９００℃に３〜３０分間加熱保持する。この加熱保持により組織が十分にオーステナイト化し、後続する油焼入れで残留オーステナイトを含むマルテンサイト組織が得られる。
次いで、−８０℃以下の温度でサブゼロ処理すると、焼き入れ後の残留オーステナイトがマルテンサイト変態し、焼戻し後にも強度低下をきたす残留オーステナイトが実質的にない完全マルテンサイト組織となる。オーステナイト→マルテンサイトの変態は、−８０℃以下の低温に溶接鋼管を過冷するサブゼロ処理によってほぼ完全に進行する。

サブゼロ処理後の焼戻しにより靭性が回復する。効果的な靭性の回復は、２００℃以上の焼戻し温度でみられるが、３５０℃を超える高温に焼き戻すとサブゼロ処理による強度向上効果が損なわれやすい。
このようにして、サブゼロ処理で高強度化された状態を維持しながら、焼戻しによって靭性が向上する。その結果、高靭性を活用した薄肉化が可能となり、軽量で高強度のスチールシャフトが得られる。作製されたスチールシャフトは、強度，靭性のバランスが良く、反発力が高いため飛距離アップにつながり、ボールの直進性も向上する。

表１の組成をもつ熱延鋼帯を酸洗した後、焼鈍，冷間圧延を繰り返し板厚０.７ｍｍの冷延鋼帯を製造した。

各冷延鋼帯を幅６０ｍｍの鋼片に裁断し、ロール成形法でオープンパイプに成形した後、幅方向両端部を電縫溶接することにより直径１９ｍｍの溶接鋼管を製造した。得られた溶接鋼管をシャフト形状（一定間隔で段付けされ、両端の肉厚，径が異なる形状）に引抜き加工した後、８３０〜９００℃×５分に加熱保持し、６０℃の油中に焼き入れた。焼入れされた一部の溶接鋼管に、室温から−８０℃まで冷却するサブゼロ処理を施した。油中焼入れ又はサブゼロ処理した溶接鋼管を種々の温度に７０分加熱保持し、空冷した（焼戻し）。なお、過剰量のＣを含む鋼材Ｂ２を用いた試験Ｎo.２では、造管時の溶接部に割れが発生したので、シャフトを作製できなかった。

焼戻し処理で調質された鋼板から切り出された試験片の金属組織を観察すると共に、引張試験，シャルピー衝撃試験で機械的強度，靭性を調査した。引張試験では、JIS５号試験片を引っ張り、耐力，引張強さを測定した。耐力に関しては、塑性変形するまでの応力が高いことが要求されるスチールシャフトを考慮し、歪み０.０３％での応力値（０.０３％耐力）を指標とした。シャルピー衝撃試験では、JIS４号サブサイズ試験片を用い衝撃吸収エネルギーを測定した。併せて、シャフト製造時の造管性や表面性状も調査した。

表２の調査結果にみられるように、本発明に従った合金設計で完全マルテンサイト組織に調質した試験片は、何れも強度，靭性共に優れた特性を示し、造管性，表面性状も良好であった。なかでも、Ｃｕを添加した鋼材Ａ8を用いた試験Ｎo.１５は，表面欠陥皆無の美麗な表面であった。
他方、Ｃ含有量が不足する鋼材Ｂ１を用いた試験Ｎo.１では、引張強さが目標値２０００Ｎ／ｍｍ²に達せず、０.０３％耐力も低い値を示した。成分・組成が本発明で規定する条件を満足する鋼材を用いた場合でも、サブゼロ処理していない試験Ｎos.４，８，１３は、０.０３％耐力が目標値１７００Ｎ／ｍｍ²に達しない低い値であった。焼戻し温度が低すぎる試験Ｎo.５では、靭性の回復が十分でないため衝撃値が低く目標値２５Ｊ／ｃｍ²に達しなかった。

次いで、ゴルフクラブ用シャフトとしての適正を評価するため、表２に掲げたＮos.３，４，７，８，１２，１３のシャフトの耐変形性，靭性，耐久性を次の試験で調査した。
変形試験では、シャフトのヘッド側５０ｍｍを固定し、支点から５００ｍｍの位置に１１ｋｇの荷重を加え、１分後に荷重を取り除き、シャフトの変形量（永久歪）を測定した。この試験条件下では、目標値を変形量３.０ｍｍ以下に設定した。

靭性試験では、アイゾット衝撃テストを採用し、シャフトから切り出した長さ１００ｍｍの試験片をハンマーの激突により衝撃破壊した。試験片が破壊したときの衝撃エネルギーを算出した。
耐久試験では、両端を固定したシャフトの中心部に３ｋｇの荷重をストローク５０ｍｍで繰返し加え、シャフトが破断するまでのサイクル数で疲労強度を調査した。この試験条件下では、１０万回以上のサイクル数で荷重を繰返し加えても破断しないシャフトが合格と評価される。

表３の試験結果にみられるように、本発明に従ったＮos.３，７，１２のシャフトは、永久歪み，靭性，耐久性の何れにおいても満足する特性をもっていた。他方、サブゼロ処理していないＮos.４，８，１３のシャフトは、靭性は満足するものの、永久歪が大きく耐変形性に劣っていた。

以上に説明したように、高強度化，強靭化に適した合金設計の鋼材から製造された溶接鋼管をシャフトに成形加工した後でサブゼロ処理によりマルテンサイト変態を促進させ、焼戻し処理で靭性を回復させるとき、高強度化に有効な完全マルテンサイト組織でありながらも靭性に優れ、薄肉化しても十分な強度，耐久性をもつゴルフクラブ用シャフトが得られる。反発力，弾性にも優れているため、飛距離アップにつながり、ボールの直進性も良い軽量スチールシャフトとして重宝される。

Claims (4)

1. Ｃ：０.４０〜０.７０質量％，Ｓｉ：０.６０質量％以下，Ｍｎ：０.６０〜１.２０質量％，Ｐ：０.０２０質量％以下，Ｓ：０.０１５質量％以下，Ａｌ：０.０５０質量％以下，Ｃｒ：０.３０〜１.００質量％を含む組成の溶接鋼管から作製され、焼入れ後のサブゼロ処理で完全マルテンサイト組織に調質されていることを特徴とするゴルフクラブ用スチールシャフト。
2. 更にＮｉ：０.３０〜１.２０質量％，Ｍｏ：０.１０〜０.５０質量％，Ｖ：０.０５〜０.４０質量％，Ｎｂ：０.０３〜０.１５質量％，Ｔｉ：０.０５〜０.５０質量％の１種又は２種以上を含む溶接鋼管から作製された請求項１記載のゴルフクラブ用スチールシャフト。
3. 更にＣｕ：０.３０質量％以下，Ｃａ：０.０１質量％以下の１種又は２種を含む溶接鋼管から作製された請求項１又は２記載のゴルフクラブ用スチールシャフト。
4. Ｃ：０.４０〜０.７０質量％，Ｓｉ：０.６０質量％以下，Ｍｎ：０.６０〜１.２０質量％，Ｐ：０.０２０質量％以下，Ｓ：０.０１５質量％以下，Ａｌ：０.０５０質量％以下，Ｃｒ：０.３０〜１.００質量％を含む組成の鋼板から溶接鋼管を製造し、該溶接鋼管をシャフト形状に成形加工した後、８００〜９００℃の温度域から焼き入れ、−８０℃以下のサブゼロ処理を施し、次いで２００〜３５０℃に焼き戻すことを特徴とするゴルフクラブ用スチールシャフトの製造方法。