JP2006115958A

JP2006115958A - 低弾性チタン合金を用いたゴルフクラブヘッド

Info

Publication number: JP2006115958A
Application number: JP2004304992A
Authority: JP
Inventors: Xinmin Wang; 新敏王; Takeo Soda; 武夫雙田
Original assignee: Maruman Co Ltd
Current assignee: Maruman Co Ltd
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】弾性率の非常に低いチタン合金を使って低剛性化し、反発性を向上しつつ、強度、特に疲労強度を向上したゴルフクラブヘッドを低コストで提供する。
【解決手段】主添加元素として12重量%以上30重量％未満のNbを含み、実質的にV、Zrを含まないTi合金に加工率５０%以上の冷間加工を加えた後、これを少なくともフェース部の一部に用い、フェース部の該Ti合金からなる部分の背面にピーニング処理を施したことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【選択図】なし

Description

本発明はゴルフクラブヘッドに関する。

従来、ヘッドを適度な低剛性にすると飛距離が伸びると言われており、これと打撃による変形の防止を両立すべく、少なくともフェースの一部に平均ヤング率が７５GPa以下で且つ引張弾性限強度が７００MPa以上のチタン合金を使ったゴルフクラブヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１によれば、３０〜６０質量%のバナジウム（V）の他、ニオブ（Nb）、タンタル（Ta）といったVa族（バナジウム族）元素を含有し、残部が実質的にチタンからなるものがかかる条件を満たすチタン合金とされ、Va族元素の含有量が３０質量％未満では所望の低ヤング率を得ることができないとされている。また、加工率５０%以上の冷間加工を加えると低ヤング率と高強度を高い次元で両立できる旨も記載されており、これを確実にするため、部材の成形加工工程ではなく、素材用冷間加工工程で該冷間加工を行っておくことが望ましいことも記載されている。また、低ヤング率のチタン合金において更に強い加工率９０%の冷間加工を加えることも知られている（例えば、非特許文献１参照）。

なお、本明細書、請求の範囲、図面及び要約に言う加工率は以下の通りである。
加工率＝（S0−S）／S0 ×１００（%）
但し S0：加工前の断面積、S：加工後の断面積
特開2001-246029号公報日本機会学会誌 2003.11 Vol.106 No.1020 899頁

しかしながら、一般にVa族等の元素はチタンに比べ高価であり、これを大量に使ったチタン合金は高額なものにならざるを得ず、ゴルフクラブの製造コストを増大させる。更に、従来の低ヤング率チタン合金について本発明者らが調べたところによれば、強度が十分ではなく、特に疲労強度が不足することが判明した。これは、繰り返し打撃を行うゴルフクラブヘッドにおいては致命的な問題である。

本発明は、斯かる実情に鑑み、材料の低ヤング率化によって低剛性化され、且つ強度、特に疲労強度を向上したゴルフクラブヘッドを低コストで提供しようとするものである。

本発明は、
・主添加元素として12重量%以上30重量％未満のNbを含み、実質的にV、Zrを含まないTi合金であって、加工率５０%以上の冷間加工を加えた材料を、少なくともフェース部の一部に用い、フェース部の該Ti合金からなる部分の背面にピーニング処理を施したことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
または
・組成がTi_100-x-y−Nb_x−M2_y1−M3_y2−M4_y3で示され、
構成元素はそれぞれ
M2が｛Al、Mo｝、
M3が｛Co、Cr、Ni、Fe｝、
M4が｛Sn、Si、In、Ge｝、
から選ばれる1種類の元素であり、
各元素の構成比は
12重量％<x<30重量％、
1重量％<y1< 5重量％、
1重量％<y2< 6重量％、
1重量％<y3< 6重量％
（y=y1+y2+y3）
であるTi合金を少なくともフェース部の一部に用い、
該Ti合金は加工率５０%以上の冷間加工を加えられたものであり、
更に該フェース部の背面にピーニング処理を施したことを特徴とするゴルフクラブヘッドにかかるものである。

本発明に用いるTi合金の低ヤング率という特性は、主に主添加元素によってもたらされるので、これの選択がまず重要である。特にNbが好ましい。純Tiは常温でα層単層であって硬く脆い特性を有するが、Nbを添加することによりβ層単層の固溶体を形成し、ヤング率が低下すると共にのびも向上して塑性加工が容易になる。これによって、加工率５０％以上といった強加工が常温（冷間）でも可能になる。但し、Nbが１２重量%未満の場合は、一部にα層が析出してしまい、のびが失われて強加工は困難になる。

また主添加元素は合金表面に緻密な酸化皮膜を形成するので、耐食性を向上させる。特にNbはフッ化水素酸以外の酸には溶けず、アルカリ水溶液にも溶けない特性から、耐食性、耐酸性の向上に極めて効果がある。更に、Zr、Nbは人体親和性も優れ、製造者、使用者にとって安全である。

一方、Nbは比重が8.5以上と大きいので、余り大量に添加すると合金の比重も大きくなってしまう。大型化による慣性モーメントの増大が図られているゴルフクラブヘッドは低比重材料のほうが有利であるから、必要以上に添加すべきではない。本発明者らの試験によれば１８重量%程度でかなりの効果が得られており、この程度が適当と思われるが、３０重量%以上にしても耐食性の向上が見られなくなることから、多くても３０重量%未満にとどめるべきと考えられる。

なお、詳細は後述するが、Vを添加するとヤング率は大きくなる傾向があるので、製造上の不純物などとしてやむを得ず含まれる分を除き、添加すべきでない。

加工率５０%以上の冷間加工とピーニングを加えることで、強度が確保される。本発明で用いるTi合金は、低ヤング率の割に高強度ではあるが、ゴルフクラブヘッドに用いるにはやや強度不足であるので、その分を補うものである。

加工率５０%以上という強加工を加えることで、合金内部に多量の転位が発生し、金属組織が互いに絡まり合って主に破断強度が向上する。また、組織が小さくなることによる強度向上も考えられる。

打撃時に引張応力の発生するフェース部背面に、ピーニングを加えて圧縮応力を残留させることにより、打撃による発生応力と残留応力が打ち消しあうこととなり、強度が向上する。本発明は前述のとおり冷間での強加工を行うが、その方法として圧延などを行うと表面に微細な筋状の傷が残ることが多く、これは疲労破壊の発端となりかねない。ピーニングには、この傷を消す作用もあり、この作用により疲労強度を増す効果もある。

また、強さの異なるピーニングを２回行うと、より効果的である。本発明者らの研究によれば、ゴルフクラブヘッドの場合、ある程度強いピーニングが必要であることがわかっている。しかし、強いピーニングの場合、応力残留が得られるのは、表面より僅かに内部に入った位置になってしまい、本当の表面には余り応力が残留しない。打撃時における断面方向の応力分布は表面に近いほど大きいものであるから、これでは効果的に応力を打ち消すことができない。そこで、一度ピーニングを行った後、これより弱いピーニング処理を施し、表面にも十分な応力を残留させるものである。初回の強いピーニングは、表面に疲労破壊の発端となる傷を作る可能性もあるので、２回目のピーニングはこれを消す効果も期待できる。なお、ピーニングの強弱は一般にアークハイト値で表現され、アークハイト値が大きいほど強いピーニングである。

Al、Mo、Co、Cr、Ni、Fe、Sn、Si、In、Geといった副添加成分は、主に合金内で微細な析出物を作り、強度を向上する効果をもたらし、一般的に１〜６重量%程度が添加される。析出物が金属組織の転位を妨げ、強度の向上をもたらすものと考えられるので、少なすぎても多すぎても問題がある。本発明者らの研究によれば、本発明においては特にSnが効果的である。析出を積極的に利用するには時効処理を行うことが考えられるが、ヤング率を増大する効果もあわせ持つので注意が必要である。

本発明の請求項１〜５記載のゴルフクラブヘッドによれば、フェース部に低ヤング率の材料を使用することで同部を低剛性化し、これによる反発性の向上を達成することができる一方、低ヤング率材を採用した場合に発生しがちな塑性変形、破断、疲労破壊を防止し、更に耐食性、耐酸性を向上し、実用的で耐久性に優れ、飛距離性能を維持しつつ、長期間の使用に耐えうるゴルフクラブヘッドを得ることができる。

まず、本発明に使用するTi合金について説明する。本発明は、ピーニングにより疲労強度を向上させるが、それ以前にまず材料自体が低ヤング率とある程度の高強度を両立していなければならない。そこで、本発明に用いるTi合金、従来から知られる低ヤング率のTi合金とゴルフクラブヘッドにおいて一般的なTi合金の板材を作成し、その特性を確認した結果を表１に示す。

比較例１〜３は、ゴルフクラブヘッドで一般的に使用されるTi合金であり、比較例４は従来から知られる低ヤング率のTi合金である。

従来の低ヤング率材である比較例４は、NbとZrを大量に含んでおり、前述の通り高価な材料となるのみならず、固溶後の強度が一般的ゴルフクラブヘッド材（比較例１〜３）に比べて小さいため、時効処理を行うか、あるいはある程度肉厚を大きくする設計をせざるを得ない。剛性はヤング率と構造で決まるが、特に肉厚の影響が大きいことからすれば、肉厚を大きくした設計は低ヤング率のメリットを阻却し、高剛性化してしまう。よって、従来の低ヤング率材を使用するには実質的に時効処理が必須と言え、この点でも製造コストの増大は免れない。

対し、本発明のTi合金（実施例１、２）は、従来の低ヤング率材より少々ヤング率は大きいものの、一般的ゴルフクラブヘッド材に比べれば十分低ヤング率であるのみならず、強度もほぼ一般的ゴルフクラブヘッド材同等である。時効処理を行った場合は、むしろ一般的ゴルフクラブヘッド材より大きい。一般的ゴルフクラブヘッド材を用いてゴルフクラブヘッドを製造する場合、時効処理を行わないものも存在することからすれば、本発明のTi合金も時効処理せずとも使用できる可能性がある。その場合、より低ヤング率を実現できるメリットがある。

表２に表１の実施例１として記載したTi-18Nb-2Al-4Cr-4Snをフェース部材同等の寸法とした板材を作成し、これにゴルフボールを繰り返し衝突させ、破壊までの衝突回数を調べた。時効処理とピーニングを行わない場合は１０００回、ピーニングのみ行った場合は２８５８回、時効処理のみを行った場合は８２７回であった。なお、冷間での強加工は同様に施してある。この結果より、耐久性は冷間加工後、時効処理はせず、ピーニング処理のみを行った場合が最も大きいことが分かる。また、表１の結果と合わせて考えると、時効処理を行った場合、引張強度は向上するものの疲労強度は低下してしまうことも分かる。以上より、本発明における加工、処理は、強度の冷間加工とピーニング処理のみとすることが最適と考えられる。

次に上記材料からフェース部材を作成し、一般的ゴルフクラブヘッド材にて作成した本体に接合して、ゴルフクラブヘッドを製造する場合の一例について説明する。

まずアーク溶解でインゴットを作り、２５mmのブロックとした後、1100℃24時間の条件で焼鈍し、均一化した。次に1回あたり肉厚が０.５ mm減るように圧延して肉厚２５mmを３mmまでにしたので、肉厚の減少率は８８%（＝(25-3)/25）である。極めて強い加工により材料の幅寸法が圧延によって変化しているので、肉厚減少率は加工率と完全には一致しないが、加工率５０%以上の極めて強い加工であることは間違いない。

図１に加工率と材料の機械的特性の関係を示す。昨今フェース材に使われることの多いTi-15V-3Al-3Cr-3SnやTi-15Mo-5Zr-3Alの時効処理無しの場合の引張強度が８００〜８５０MPaなので、これを同等な引張強度が必要と考えられ、それには加工率５０%以上とすべきことが分かる。加工率の増大による引張強度の向上が小さくなる加工率７０%以上がより好適と考えられる。上限は、本材料の圧延性が余りに良く、十分確かめられていない。加工率が大きくなるほど、材料ののびは小さくなり、その後の加工が難しくなるので、一応目安としては上限は９５%程度ではないかと推測されるが、これに限定されるものではない。

圧延の後、適当に切断した板材を必要に応じ冷間加工して所定の形状に加工する。ウッドヘッドの場合、フェース部はフェースラウンドと呼ばれる曲面形状にすることが必須である。ほか、ウッドヘッド、アイアンヘッドに関わらず、上面部、下面の一方あるいは両方の一部を含むフェース部材で構成するゴルフクラブヘッドを製造する場合は、該上面部等を折り曲げる加工が必要である。

フェース部材の成形後、後方に開口部を設けたヘッド本体とフェース部材をレーザー溶接にて接合した。本発明のTi合金は熱によって金属組織が変化し、強度が低下する可能性が有るので、接合時の熱には注意すべきである。本発明はTi合金を冷間で強加工するこで、金属組織が微細化され、薄い層状の組織が絡まりあう構造となることが、強度の向上をもたらす作用の一つである。これが、再結晶化温度等を超えた場合、組織が変化し、強度も損なわれる可能性がある。本発明者らは、溶接を行う際、同時に冷却した不活性ガスをフェース部に吹き付けて冷却を行った。

その後、ヘッド本体の開口部を通じてフェース部の背面にピーニング処理を行った。具体的には、ショットピーニング法により、１回目はアークハイト値０．６６mmA、２回目は同値０．２０mmAの処理を行った。２回のピーニングよりフェース部背面には表面からある程度の深さまでしっかり応力が残留することとなり、これがボールを打撃した際に生じる応力とキャンセルしあって、打撃時の最大応力を低下させ、疲労を防止する。

ピーニング処理を行うための開口部は、蓋をするのが好適である。本発明においては、熱が悪影響を与えるおそれが有ることを先に述べたが、その観点より、蓋は接着とするのが最適であり、接着性、強度を考慮すれば蓋材はFRPが最適である。

尚、本発明のゴルフクラブヘッドは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明は、飛距離性能、耐久性に優れたゴルフクラブを低コストで製造することを可能とするものである。

冷間加工の強さ（断面減少率）と材料の機械的特性の関係を表すグラフ

Claims

主添加元素として12重量%以上30重量％未満のNbを含み、実質的にV、Zrを含まないTi合金であって、加工率５０%以上の冷間加工を加えた材料を、少なくともフェース部の一部に用い、フェース部の該Ti合金からなる部分の背面にピーニング処理を施したことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
１〜６重量%のSnを含むことを特徴とする請求項１に記載のゴルフクラブヘッド。
組成がTi_100-x-y−Nb_x−M2_y1−M3_y2−M4_y3で示され、
構成元素はそれぞれ
M2が｛Al、Mo｝、
M3が｛Co、Cr、Ni、Fe｝、
M4が｛Sn、Si、In、Ge｝
から選ばれる1種類の元素であり、
各元素の構成比は
12重量％<x<30重量％、
1重量％<y1< 5重量％、
1重量％<y2< 6重量％、
1重量％<y3< 6重量％
（y=y1+y2+y3）
であるTi合金を少なくともフェース部の一部に用い、
該Ti合金は加工率５０%以上の冷間加工を加えられたものであり、
更に該フェース部の背面にピーニング処理を施したことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
M3がCr、M4がSnであることを特徴とする請求項３のゴルフクラブヘッド。
ピーニング処理が２回施されており、先の処理の方がアークハイト値が大きいことを特徴とする請求項１乃至４のゴルフクラブヘッド。