JP2006320673A - ゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合の強度、接合の品質と組立の信頼性を高めることができるゴルフクラブヘッドの異種金属部材の接合方法を提供する。
【解決手段】異質金属により製成された少なくとも二個のヘッド部材に対応するように少なくとも一層のバリヤー層をめっきし、少なくとも二個のヘッド部材の間に充填合金を放置し、そして少なくとも二個のヘッド部材の間の充填合金を加熱し熔解して接点を形成することにより、少なくとも二個のヘッド部材をゴルフクラブヘッドに組み立てて結合するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法に関するもので、特に少なくとも一層のバリヤー層を利用して少なくとも二種の異質金属のヘッド部材を結合することにより、ゴルフクラブヘッドを組み立てて結合する接合方法に係るものである。

現在、ゴルフクラブヘッドの発展の傾向として複数個の異質金属のヘッド部材によりゴルフクラブヘッドを組成することにある。しかし、異質金属のヘッド部材によってゴルフクラブヘッドを組成するのは、通常、異質金属の熔接相容性の低落により制限されているため、熔接の方式を利用して直接結合を行うことができない。上述した原因に基づき、業界では、通常、機械的嵌入式、粘着剤接合と硬ろう付けなどの従来の接合方式しか異質金属のヘッド部材を接合することができない。

硬ろう付けの接合工程を選んで異質金属のヘッド部材による接合を行う場合、予め充填合金（Filler Metals）を接合しようとするヘッド部材の結合面または表面に置かなければならない。それから、ヘッド部材を加熱炉の中に置き入れ、炉の中で長時間を掛けて充填合金を加熱して熔融することにより、ヘッド部材の結合面を充分に湿潤（Wetting）する。そして熔融された充填合金が室温まで冷却された後、ヘッド部材の接合が完成される。このような硬ろう付けの製造工程では比較的よい接合の便利性を有しているが、その過程において持続された高温により接合しようとする接合部材と充填合金との間には広汎的な冶金反応が生じ易くなる。上記広汎的な冶金反応により部分的な硬ろう付けの充填合金が基材の中に熔け込んだり、或いは基材の中の元素が拡散の作用により充填合金の中に進入したりすることにより、合金の成分を改変し、充填合金の流動性、湿潤性に影響を及ぼしてしまい、さらに接合の強度に変化が生じてしまい、これを合金化作用（alloying effect）と称する。この他に、充填合金と母材との界面上において脆性を有する金属間化合物が生じてしまうかもしれない。もし母材と充填合金との間に形成された界面層が厚過ぎるように成長すると、接合する場所の機械強度が低くなったり、または衝撃に耐える能力が悪くなったりする。また、硬ろう付けの製造工程でステンレスとチタン合金を接合する例として挙げると、ステンレスの界面において連続的に硬脆するフェロチタンの金属間反応層が生じ易いため、接合作業の接点の強度に影響を及ぼしてしまう。上述した原因に基づき、現在異質金屬のヘッド部材の間にはやはり機械的嵌入式または粘着剤接合方式を主な接合方式として採用している。

もう一方、中華民国公告番号第Ｉ２２０１１６号においては、赤外線快速接合製造工程を使用して異質金属のヘッド部材の接合を行っており、上記赤外線接合（infrared joining）の製造工程は石英ランプから生じた赤外線を熱源として快速に接合しようとする物件を加熱するもので、接合時において融点が比較的低い充填合金の薄片を二個の融点が比較的高い基材の間に放置し、充填合金が熱を受けて熔解した後、毛細現象により両端の基材の表面に湿潤して浸み込むことができるため、接合の効果が現れる。赤外線は炉体中の石英保護管を貫穿することができ、そして加熱しようとする物件に反射して集まるように形成されることにより、接合過程において物件ゾーンにしか熱が生じず、そして炉体のその他の部位は殆ど熱を受けないため、赤外線加熱法は快速昇温（エネルギー効率が高く）と快速冷却（放熱が速く）の特性を有するように形成され、そのために全体の接合工程の時間を大幅に短縮することができる。その他に、赤外線の光波による反射の特性を利用することにより、幾何鏡面の方法を使用して集中することができるため、赤外線のエネルギーの密度を増やし、さらに加熱の速度を高めることができる。このように、作業時間またはエネルギーの観点から言えば、赤外線快速加熱法は経済的で実用的な高効率の加熱方式である（例えば、特許文献１を参照）。
中華民国公告番号第Ｉ２２０１１６号

赤外線接合の製造工程は上述した利点を具備しており、不良な界面反応層の過度な成長を抑制することができるが、赤外線の接合製造工程によれば、界面反応層の存在を完全に除去することができない。その原因は、赤外線の接合製造工程は基材の熔解と充填材の凝固などの冶金反応によって接点を形成することにあり、その関連する固、液相の間の冶金反応（例えば、熔解と凝固）は極めて快速である。また、仮に赤外線の接合製造工程が使用する温度または時間を低く抑えることにより、接合の界面反応層の生成を完全に抑制することができるが、過度に基材の熔解または反応を抑制すると、反って有効な接点を形成することができないため、低落した組立の品質しか有しないように形成される。

上述した従来の硬ろう付けの製造工程から衍生した問題点を如何に克服するべく、さらに異質金属のヘッド部材の間の接合がよりよい衝撃に対抗する性能を有させるべく、それは各ゴルフクラブヘッドのメーカーが努力する目標である。この目標を達成するため、硬ろう付けの製造工程を設計する段階において、合金化の発生または硬脆の金属間化合物が硬ろう付けの界面に生成するのをできるだけ避けなければならず、それによって接点の信頼性を増やすことができる。

本発明はこのような問題点に鑑みて発明したものであって、上述した異質金属が接合の界面において脆性の金属間化合物が生成する問題点を改善するべく、本発明においては少なくとも一個のヘッド部材の接合表面において少なくとも一層のバリヤー層（barrier layer）をめっきし、赤外線などの接合製造工程を行う時、上記バリヤー層により溶融した合金の充填材の金属元素がいかなるヘッド部材の基材といかなる界面の反応が生じるのを有効に阻隔することができ、さらに接合の強度、接合の品質と組立の信頼性を大幅に高めることができるゴルフクラブヘッドの異種金属部材の接合方法を提供しようとするものである。

本発明の第一の目的は、少なくとも一個のヘッド部材の接合表面において少なくとも一層のバリヤー層をめっきすることにより、溶融した合金の充填材とヘッド部材との間に界面の反応が生じるのを有効に阻隔することができるため、接合の強度、接合の品質と組立の信頼性を高めることができるゴルフクラブヘッドの異種金属部材の接合方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明によるゴルフクラブヘッドの異種金属部材の接合方法は、下記のようになるものである。すなわち、
異質金属により製成された少なくとも二個のヘッド部材に対応するように少なくとも一層のバリヤー層をめっきし、少なくとも二個のヘッド部材の間に充填合金を放置し、そして少なくとも二個のヘッド部材の間の充填合金を加熱し熔解して接点を形成することにより、少なくとも二個のヘッド部材をゴルフクラブヘッドに組み立てて結合する。

本発明によるゴルフクラブヘッドの異種金属部材の接合方法は、少なくとも二個のヘッド部材は重り、フェース板、本体、ホーゼル、蓋板から選択することもできる。また、少なくとも二個のヘッド部材の材質はチタン合金、鉄基合金、ニッケル基合金、銅基合金の内の一種から選択することもできる。また、上記バリヤー層の材質はクロム基、ニッケル基およびバナジウム基により組成されたグループの少なくとも一種から選択することもできる。また、上記バリヤー層の製作方式は電解めっき、無電解めっき、物理的蒸着法、化学的蒸着法、被覆および塗布から選択することもできる。また、上記バリヤー層の厚さの範囲は0.1μmから500μmの間に介在するように形成されることもできる。また、充填合金は銀基、銅基、チタン基およびニッケル基の充填材により組成されたグループの少なくとも一種から選択することもできる。

本発明のゴルフクラブヘッドの異種金属部材の接合方法によれば、少なくとも一個のヘッド部材の接合表面において少なくとも一層のバリヤー層をめっきすることにより、溶融した合金の充填材とヘッド部材との間に界面の反応が生じるのを有効に阻隔することができるため、接合の強度、接合の品質と組立の信頼性を高めることができるという利点がある。

本発明の実施の形態について、以下、図面を参照して説明する。

本発明において適用する硬ろう付け（brazing）方法には炉式の硬ろう付けまたは赤外線を熱源とする硬ろう付けの方式などが含まれる。赤外線の硬ろう付けを例に挙げると、その装置は石英ランプと収束反射曲面により組成され、最高の工作温度は約５００℃から１５００℃まで達することができ、入力パワー（rating）は5.0KWから25.0KWである。この快速加熱装置により流動のアルゴンが保護する大気で赤外線快速接合の製造工程を行うことができる。

図１は赤外線快速接合の製造工程を利用してゴルフクラブヘッドを製造する分解状態の説明図である。ゴルフクラブヘッドには二個のヘッド部材と一個の充填合金が含まれ、例えばヘッド本体１、フェース板２と充填合金３などの三部分が含まれる。ヘッド本体１とフェース板２を結合する前、先ずヘッド本体１の外に一層の１〜100μm厚さのバリヤー層（図示せず）をめっきした後、再び充填合金３をヘッド本体１とフェース板２の間に放置し、それから赤外線などの高いエネルギー加熱装置を利用して充填合金３を加熱して溶融させ、そして充填合金３が冷却した後、ヘッド本体１とフェース板２はゴルフクラブヘッドを結合する。ヘッド本体１は好ましくは17‐4PHステンレスから取材し、そしてフェース板２は好ましくはTi‐6Al‐4V合金から取材し、さらに充填合金３は72Ag‐28Cu（wt％）の充填材を使用したり、或いはその他の銀基、ニッケル基、銅基またはチタン基の充填材を使用したりする。

図２はもう一つの赤外線快速接合の製造工程を利用してゴルフクラブヘッドを接合する分解状態の説明図である。ゴルフクラブヘッドにはヘッド本体１０、重り２０と充填合金３０が含まれる。ヘッド本体１０の材料は好ましくは鉄基合金またはニッケル基合金などからなり、そして重り２０は比重がヘッド本体１０より相対的に大きい金属または合金からなり、例えばタングステン、タングステン合金、銅合金、鉛合金などからなる。合金化の発生または接合する界面において金属間化合物の発生を避けるべく、ヘッド本体１０と重り２０を結合する前、好ましくはヘッド本体１０の外に一層の１〜100μm厚さのバリヤー層（図示せず）をめっきした後、再び充填合金３０をヘッド本体１０と重り２０の間に放置し、それから赤外線などの高いエネルギー加熱装置を利用して充填合金３０を加熱して溶融させ、そして充填合金３０が冷却した後、ヘッド本体１０とフェース板２０はゴルフクラブヘッドを結合する。

それから、本発明においてはTi‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレスを例に挙げてバリヤー層のめっき層なし（従来の対照組）とバリヤー層のめっき層有り（本発明の試験組）との接合の性質の差異について叙述する。表一はTi‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層なし、従来の対照組）の剪断応力試験のデータである。表一から分かるように、試験片の接合強度は保持温度または時間の増加に従って増加せず、反って降下する傾向がある。接合強度が降下する原因として主に界面において連続した金属間のフェーズの生成または成長によるものである。比較的高い製造工程の温度または時間の下で、原子は比較的に拡散および反応し易いため、界面において比較的厚い連続した金属間の反応層が生じ易く、さらに脆性の金属間反応層の破裂が生じてしまう。

接合する試験片の確実な破壊の径路を知るべく、研究中においては破壊された試験片の横断面を切断してから象嵌し、それから標準研磨、金属組織ハブ研磨処理の段階に基づいて再びSEM観察の補助を経て確実な破壊径路を獲得する。図３ａから図３ｄはTi‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレス（バリアー層のめっき層なし）の接合界面における破壊径路図である。各図中において下側は破断面で、上側はTi‐6Al‐4V基材である。図３ａから図３ｄを観察して分かるように、破断径路は主に17‐4ステンレスと充填材との間の反応層に沿って発生するものである。図中から発見できるように、同じ温度で保持温度の時間の増加に従って破断側の硬脆の金属間フェーズはますます厚くなり、その結果は前述した剪断応力の強度が低くなる推論とは一致になる。

破壊表面の観察は、破壊発生時に遺留された破損の特徴は最も直接な証拠である。上述した破断面の観察およびEDS化学成分の分析結果から示されるように、破断面の化学成分の組成は主にTi、Fe、Cuの三元素である。その中に、Ti原子が破断面における原子の成分の比率は大体４３at％を維持し、CuとFe原子が破断面における原子の成分の比率の総和は４３〜４５at％ぐらいを維持する。故に破断面は主にTi‐CuとTi‐Feの金属間化合物により組成することを推論する。この他に、硬ろう付けの温度が比較的高くおよび保持温度の時間が比較的長い条件で、比較的脆性劈裂（cleavage）の特徴を発見し易いのは、主に上述した条件で比較的厚い硬脆の金属間反応層を生成することができるため、比較的明らかな脆性劈裂の特徴を発見することができる。

上述した従来の対照組の実施例から分かるように、Ti‐6Al‐4Vと17‐4PHステンレスを接合する時、最大な問題はTi‐6Al‐4V基板中のTi元素に発生する。製造工程で加熱の過程中において、Ti元素は溶解（dissolution）を経て熔融の銀基の充填材内に進入し、さらにTi原子が熔融の銀基の充填材内において17‐4PHステンレスの接合の界面上まで拡散するのを利用し、上記Ti原子は17‐4PHステンレスと反応し、そして17‐4PHステンレスの接合の界面上においてTi‐Fe（または Ti‐Cu）を主とした金属間化合物を形成する。上記金属間化合物は脆性を有すると共に、連続した層状の形態で接合の界面上に存在するため、上記界面反応層は全体の接点として最も弱い一環である。そのため、上記接点の最大な強度は上記反応層の抵抗の能力に制限される。もし、さらにTi‐6Al‐4Vと17‐4PHステンレスの接合強度を高めるためには、Ti‐Feを主とした反応層の生成を克服しなければならない。

上述した原因に基づき、本発明においてはさらにバリヤー層（barrier layer）の方式を使用することにより、Ti原子と17‐4PHステンレスが反応を生じるのを避けることができ、そして17‐4PHステンレスの接合の界面上においてTi‐Feを主とした連続の界面反応層を形成する。上記バリヤー層の化学の組成は好ましくはクロム基、ニッケル基およびバナジウム基合金からなる。そしてバリヤー層の製作方式は好ましくは電解めっき、無電解めっき、物理的蒸着法（ＰＶＤ）、化学的蒸着法（ＣＶＤ）、被覆および塗布などから選択する。異なるバリヤー層の効果を比較するべく、本実験においてはそれぞれ選択的に17‐4PHステンレスの表面において無電解めっきの方式で一層の１０または４０μｍの厚さのクロム（chromium）をめっきしたり、または17‐4PHステンレスの表面において物理的蒸着法で一層の0.5μｍの厚さのクロム（chromium）をめっきしたりし、それから電解めっきの方式で一層の0.5μｍの厚さのニッケル（nickel）をめっきする。最後に、同じ72Ag‐28Cuの充填材を使用して赤外線接合の製造工程を行い、その製造工程の温度と時間は先の実験とは類似する。

表二はTi‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層有り、本発明試験組）の剪断応力試験のデータである。表一の従来対照組と表二の本発明実験組を比較して分かるように、17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層有り）の接点の強度は殆ど上述した従来の17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層なし）の接点の強度より明らかに優れている。上記試験のデータから推論できるように、17‐4PHステンレスとTi‐6Al‐4Vとの接点の中に適当なバリヤー層を使用することにより、接点の強度を有効に高めることができるため、ゴルフクラブヘッドの接合部材の品質のアップに役立つことができる。

上述の如く、ゴルフクラブヘッドの異種金属部材の接合方法によれば、少なくとも一個のヘッド部材の接合表面において少なくとも一層のバリヤー層をめっきし、赤外線などの接合製造工程を行う時、上記バリヤー層により溶融した合金の充填材の金属元素がいかなるヘッド部材の基材といかなる界面の反応が生じるのを有効に阻隔することができ、さらに接合の強度、接合の品質と組立の信頼性を大幅に高めることができる。

本発明は、その精神及び必須の特徴事項から逸脱することなく他のやり方で実施することができる。従って、本明細書に記載した好ましい実施例は例示的なものであり、限定的なものではない。

本発明の実施例１における赤外線快速接合の製造工程を利用してゴルフクラブヘッドを製造する分解状態を示す説明図である。 本発明の実施例２における赤外線快速接合の製造工程を利用してゴルフクラブヘッドを製造する分解状態を示す説明図である。 Ti‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層なし）の接合界面の破壊径路図（各図の下側は破断面で、上側はTi‐6Al‐4V基材である）。 Ti‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層なし）の接合界面の破壊径路図（各図の下側は破断面で、上側はTi‐6Al‐4V基材である）。 Ti‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層なし）の接合界面の破壊径路図（各図の下側は破断面で、上側はTi‐6Al‐4V基材である）。 Ti‐6Al‐4V／72Ag‐28Cu／17‐4PHステンレス（バリヤー層のめっき層なし）の接合界面の破壊径路図（各図の下側は破断面で、上側はTi‐6Al‐4V基材である）。

符号の説明

１ ヘッド本体 ２ フェース板
３ 充填合金 １０ ヘッド本体
２０ 重り ３０ 充填合金

Claims (7)

1. 異質金属により製成された少なくとも二個のヘッド部材（１、２）に対応するように少なくとも一層のバリヤー層をめっきし、少なくとも二個のヘッド部材（１、２）の間に充填合金（３）を放置し、そして少なくとも二個のヘッド部材（１、２）の間の充填合金（３）を加熱し熔解して接点を形成することにより、少なくとも二個のヘッド部材（１、２）をゴルフクラブヘッドに組み立てて結合することを特徴とするゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法。
2. 少なくとも二個のヘッド部材（１、２）は重り、フェース板、本体、ホーゼル、蓋板から選択することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法。
3. 少なくとも二個のヘッド部材（１、２）の材質はチタン合金、鉄基合金、ニッケル基合金、銅基合金の内の一種から選択することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法。
4. 上記バリヤー層の材質はクロム基、ニッケル基およびバナジウム基により組成されたグループの少なくとも一種から選択することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法。
5. 上記バリヤー層の製作方式は電解めっき、無電解めっき、物理的蒸着法、化学的蒸着法、被覆および塗布から選択することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法。
6. 上記バリヤー層の厚さの範囲は0.1μmから500μmの間に介在するように形成されることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法。
7. 充填合金（３）は銀基、銅基、チタン基およびニッケル基の充填材により組成されたグループの少なくとも一種から選択することを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブヘッドの異質金属部材の接合方法。