JP5287062B2 - 低比重チタン合金、ゴルフクラブヘッド、及び、低比重チタン合金製部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低比重チタン合金、ゴルフクラブヘッド、及び、低比重チタン合金製部品の製造方法に関し、さらに詳しくは、比強度が高くかつ熱間加工性に優れた低比重チタン合金、このような低比重チタン合金を用いたゴルフクラブヘッド、及び、このような低比重チタン合金を用いた低比重チタン合金製部品の製造方法に関する。

実用チタン合金は、
（１）最密六方晶のα相（低温相）からなるα型合金、
（２）体心立方晶のβ相（高温相）からなるβ型合金、
（３）α相とβ相の混合組織を持つα＋β型合金、
に大別される。これらの内、α＋β型合金は、強度、比強度、熱処理性、加工性、耐食性などに優れたバランスの良い材料であり、従来は、主に宇宙航空機材料として用いられてきた。また、自動車用材料、機械構造部品用材料、一般民需用材料等としても使用されてきている。特に、α＋β型合金の中でもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、汎用高力チタン合金として広く用いられており、Ｔｉ合金使用量の約８０％を占めている。

しかしながら、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、高価なＶを含んでいるために高コストである。また、Ｔｉ合金は、一般に比強度が高いが、ある種の用途（例えば、ゴルフクラブヘッド）においては、さらなる低廉化と高比強度化が求められている。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、質量でＡｌ：５．５〜７．０％、Ｆｅ：０．５〜４．０％、Ｏ：０．５％以下、残部Ｔｉ及び不可避的不純物からなるα＋β型Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｖに代えてＦｅを用い、これを所定比率で含有させると、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の機械的性質を付与することができる点、及び、
（２）Ｆｅは、Ｖに比べて安価であるため、Ｔｉ合金を工業的に安価に製造できる点、
が記載されている。

また、特許文献２には、質量％で、Ａｌ:５．００から７．００％、Ｖ：１．００〜３．５％、Ｆｅ：０．４０超え〜１．００％、Ｏ：０．２０〜０．５０％、Ｃ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下を含有し、Ｖ当量（＝Ｖ％＋４．２Ｆｅ％）が３．００〜５．５０％であり、残部が実質的にＴｉからなる高強度Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶのＶの一部をＦｅで置換し、Ｖ当量を所定の範囲とすると、Ｔｉ−６−Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の強度を得ることができる点、及び、
（２）不純物としてＦｅを含有する安価なスポンジチタンを原料に用いることができるので、高強度のＴｉ合金を安価に製造することができる点、
が記載されている。

さらに、特許文献３には、質量％で、Ａｌ：５．５〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％、及びＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物からなる高強度Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のＶをＦｅに置換し、Ｎを適量含有させることにより、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の強度が得られる点、及び、
（２）不純物としてＦｅを含有する安価なスポンジチタンを原料に用いることができるので、高強度のＴｉ合金を安価に製造することができる点、
が記載されている。

特許第３３０６８７８号公報 特開２００１−１１５２２１号公報 特開２００４−１０９６３号公報

近年、ゴルフメーカーからゴルフクラブヘッドのさらなる低比重化の要望が強くなっている。そのため、ゴルフクラブヘッドには、低比重チタン合金としてＴｉ−６Ａｌ−１Ｆｅ合金が使用され始めている。しかしながら、代表的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と比較して、低比重化の効果は小さい。
一方、低比重化のためには、軽元素であるＡｌの含有量を増加させることが有効である。しかしながら、Ａｌ含有量の単なる増加は、熱間加工性の低下を招く。

本発明が解決しようとする課題は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも比強度が高く、熱間加工性に優れ、しかも低コストな低比重チタン合金、このような低比重チタン合金を用いたゴルフクラブヘッド、及び、このような低比重チタン合金を用いた低比重チタン合金製部品の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る低比重チタン合金は、
８．７≦Ａｌ≦１０．０ｍａｓｓ％、
０．５≦Ｆｅ≦３．０ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％、
Ｎ≦０．５ｍａｓｓ％、及び
Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。
また、本発明に係るゴルフクラブヘッドは、本発明に係る低比重チタン合金を用いたことを要旨とする。
さらに、本発明に係る低比重チタン合金製部品の製造方法は、
本発明に係る低比重チタン合金となるように原料を配合し、溶解及び鋳造することにより得られた鋳塊をβトランザス以上１２００℃以下の温度に加熱した後、鍛造又は圧延する粗加工工程を備えていることを要旨とする。

α＋β型の低比重チタン合金において、Ａｌ含有量を増加させると、合金を低比重化することができる。
一方、Ａｌ含有量の増加は、一般に熱間加工性の低下を招く。しかしながら、Ａｌ含有量を増加させることに加えて、Ｆｅ含有量及びＯ含有量を最適化し、あるいはこれらに加えてさらにＶを微量添加すると、低比重を確保しながら、熱間加工性を向上させることができる。
さらに、Ｆｅを主要添加元素として含むので、安価な原料を使用することができ、高価なＶの使用量を減らすことができるので、低コスト化することができる。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 低比重チタン合金］
本発明に係る低比重チタン合金は、以下のような元素を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。

（１） ７．１≦Ａｌ≦１０．０ｍａｓｓ％。
Ａｌは、合金のα相を固溶強化する元素である。また、Ａｌは、Ｔｉよりも軽いので、合金を低比重化（すなわち、高比強度化）させる元素である。このような効果を得るためには、Ａｌ含有量は、７．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ａｌ含有量が過剰になると、金属間化合物Ｔｉ₃Ａｌが析出し、合金を脆化させる。従って、Ａｌ含有量は、１０．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。

（２） ０．１≦Ｆｅ≦３．０ｍａｓｓ％。
Ｆｅは、β相を安定化させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｆｅ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｆｅ含有量の増加に伴い、強度は上昇するが、Ｆｅ含有量が過剰になると、硬さも増す。従って、Ｆｅ含有量は、３．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。

（３） ０．０１≦Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％。
Ｏは、主としてα相に固溶して、α相を強化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｏ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｏ含有量が過剰になると、硬さが増加して、延性を低下させる。従って、Ｏ含有量は、０．３ｍａｓｓ％以下が好ましい。

（４） Ｎ≦０．５ｍａｓｓ％。
Ｎは、Ｏと同様にα相に固溶して、α相を強化させる効果がある。一方、Ｎ含有量が過剰になると、ＴｉＮのような介在物を作り、低密度介在物として疲労破壊の起点となり、疲労強度を低下させる。従って、Ｎ含有量は、０．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。

（５） Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％。
Ｃは、Ｏ及びＮと同様にα相に固溶して、α相を強化させる効果がある。一方、Ｃ含有量が過剰になると、炭化物を形成し、熱間加工性を低下させる。従って、Ｃ含有量は、０．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。

本発明に係る低比重チタン合金は、上述した元素に加えて、さらに以下のいずれか１種以上の元素をさらに含んでいても良い。
（６） ０．０１≦Ｖ≦２．０ｍａｓｓ％。
Ｖは、Ｆｅと同様に、β相を安定化させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｖ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｖ含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｖ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、合金製造時において、Ｖ源には、純金属を用いても良く、あるいは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金スクラップを用いても良い。

（７） （Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ）≦２．０ｍａｓｓ％。
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏは、いずれもβ相を安定させる効果がある。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＭｏは、それぞれ単独で又は総量で２．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。

（８） ０．０１≦Ｂ≦０．３ｍａｓｓ％。
（９） ０．０１≦Ｓｉ≦０．３ｍａｓｓ％。
Ｂ及びＳｉは、いずれも結晶粒を微細化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｂ含有量及びＳｉ含有量は、それぞれ、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大なホウ化物やシリサイドが析出し、疲労強度を低下させる。従って、Ｂ含有量及びＳｉ含有量は、それぞれ、０．３ｍａｓｓ％以下が好ましい。なお、Ｂ及びＳｉは、いずれか一方のみを添加しても良く、あるいは、双方を同時に添加しても良い。

［２． 低比重チタン合金の作用］
α＋β型の低比重チタン合金において、Ａｌ含有量を増加させると、合金を低比重化することができる。
一方、Ａｌ含有量の増加は、一般に熱間加工性の低下を招く。しかしながら、Ａｌ含有量を増加させることに加えて、Ｆｅ含有量及びＯ含有量を最適化し、あるいはこれらに加えてさらにＶを微量添加することによって、低比重を確保しながら、熱間加工性を向上させることができる。
そのため、添加元素の含有量を最適化することによって、
（１） 比強度が２０５以上である低比重チタン合金、
（２） １０００℃における絞りが４０％以上である低比重チタン合金、及び／又は、
（３） １０００℃における変形抵抗が２００ＭＰａ以下である低比重チタン合金、
が得られる。

また、本発明に係る低比重チタン合金は、Ｆｅを主要添加元素として含むので、不純物としてＦｅを含む安価なスポンジチタンを原料として使用することができる。また、Ｆｅを添加することによって、高価なＶの使用量を減らすことができる。そのため、低比重チタン合金を低コスト化することができる。
さらに、本発明に係る低比重チタン合金は、比強度が高く、かつ、熱間加工性に優れているので、これを例えばゴルフクラブヘッドに適用すれば、安価、軽量、かつ、高反発力のゴルフクラブヘッドが得られる。

［３． 低比重チタン合金製部品の製造方法］
本発明に係る低比重チタン合金製部品の製造方法は、溶解・鋳造工程と、粗加工工程と、仕上げ加工工程と、焼鈍工程とを備えている。

［３．１． 溶解・鋳造工程］
溶解・鋳造工程は、本発明に係る低比重チタン合金となるように原料を配合し、溶解及び鋳造する工程である。
本発明に係る低比重チタン合金は、必須の元素としてＦｅを含んでいるので、Ｔｉ源には、高純度のスポンジチタンだけでなく、０．１〜２．０ｍａｓｓ％のＦｅを含む低純度のスポンジチタンや、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金スクラップを用いることができる。そのため、チタン合金製部品を低コスト化することができる。
配合された原料の溶解・鋳造方法は、特に限定されるものではなく、周知の方法を用いることができる。

［３．２． 粗加工工程］
粗加工工程は、本発明に係る低比重チタン合金となるように原料を配合し、溶解及び鋳造することにより得られた鋳塊をβトランザス（β変態点）以上１２００℃以下の温度に加熱した後、鍛造又は圧延する工程である。
加工温度が低すぎると、α相が残存し、割れ、しわ等の原因となる。従って、粗加工時の加工温度は、β相単相となるβトランザス以上が好ましい。
一方、加工温度が高すぎると、結晶粒が粗大化しやすくなる。従って、粗加工時の加工温度は、１２００℃以下が好ましい。

［３．３． 仕上げ加工工程］
仕上げ加工工程は、粗加工工程において鍛造又は圧延された低比重チタン合金を、６００℃以上βトランザス未満の温度に加熱した後、仕上げ鍛造又は圧延する工程である。仕上げ加工は、必要に応じて行う。
仕上げ加工を相対的に低温で行うと、結晶粒が微細化され、高強度を得ることができる。しかしながら、加工温度が低すぎると、変形抵抗が高く、加工が困難となる。従って、仕上げ加工時の加工温度は、６００℃以上が好ましい。
一方、加工温度が高すぎると、再結晶によって結晶粒が粗大化しやすい。従って、仕上げ加工時の加工温度は、βトランザス未満が好ましい。

［３．４． 焼鈍工程］
焼鈍工程は、仕上げ加工工程において鍛造又は圧延された低比重チタン合金を焼鈍する工程である。焼鈍工程は、必要に応じて行う。
焼鈍は、仕上げ加工後に歪を除去するために行われる。焼鈍条件は、特に限定されるものではなく、合金組成に応じて最適な条件を選択すればよい。

（参考例１〜１９、実施例２０〜２１、参考例２２〜４０、比較例１〜５）
［１． 試料の作製］
所定の組成となるように原料を秤量し、プラズマスカル炉を用いて、質量６ｋｇ、直径１００ｍｍのチタン合金インゴットを溶製した。表１に、得られたインゴットの化学組成を示す。
得られたインゴットから、高温高速引張試験片を切り出した。
また、インゴットを１０００℃に加熱し、熱間鍛造によって直径２０ｍｍの丸棒とした。さらに、７５０℃×２ｈ×ＡＣの熱処理を加えた。熱処理後の丸棒から、機械加工によって、ＡＳＴＭ Ｅ８に規定される３号引張試験片（直径６．３５ｍｍ、評点距離２５ｍｍ）を作製した。

［２． 試験方法］
［２．１． 高温高速引張試験］
１０００℃において、高温高速引張試験を行い、１０００℃における変形抵抗及び絞りを測定した。
［２．２． 引張試験］
引張試験は、インストロン型引張試験機を用いて、クロスヘッド速度５×１０^-5ｍ／ｓで行い、引張強さを測定した。
［２．３． 比強度］
水浸法により、引張試験片の比重を測定した。得られた比重と引張強度から、比強度を算出した。
［２．４． 製造性］
製造性は、１０００℃における絞りで評価した。１０００℃における絞りが４０％以上であるものを「○」、４０％未満であるものを「×」とした。

［３． 結果］
表２に、試験結果を示す。比較例１〜３は、Ａｌ含有量が高いため、製造性が極めて悪い。特に、Ａｌ含有量が１１ｍａｓｓ％を超えている比較例２、３は、変形抵抗及び絞りを測定することができなかった。また、Ｆｅ含有量が３．０ｍａｓｓ％を超えている比較例４は、引張強さ及び比強度は高いが、製造性が悪い。さらに、比較例５（Ｔｉ−４Ａｌ−６Ｖ合金）は、製造性は良好であるが、引張強さ及び比強度が低い。
これに対し、参考例１〜１９、実施例２０〜２１、参考例２２〜４０は、いずれも、適量のＡｌを含んでいるので、引張強さ及び比強度が高い。また、Ａｌ含有量を相対的に多くすることに加えて、Ｆｅ含有量及びＯ含有量を調整し、あるいはこれらに加えてさらにＶを微量添加しているので、熱間加工性も良好である。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら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で種々の改変が可能である。

本発明に係る低比重チタン合金は、ゴルフクラブヘッド、化学工業装置、電気機器、宇宙機器、航空機、船舶、車両、医療器、復水器、熱交換器、海水淡水化装置などに用いられる各種構造用部品、耐食用部品等に用いることができる。

Claims (12)

1. ８．７≦Ａｌ≦１０．０ｍａｓｓ％、
   ０．５≦Ｆｅ≦３．０ｍａｓｓ％、
   ０．０１≦Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％、
   Ｎ≦０．５ｍａｓｓ％、及び
   Ｃ≦０．５ｍａｓｓ％、
   を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる低比重チタン合金。
2. ０．０１≦Ｖ≦２．０ｍａｓｓ％
   をさらに含む請求項１に記載の低比重チタン合金。
3. Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｍｏ≦２．０ｍａｓｓ％
   をさらに含む請求項１又は２に記載の低比重チタン合金。
4. ０．０１≦Ｂ≦０．３ｍａｓｓ％、及び／又は、
   ０．０１≦Ｓｉ≦０．３ｍａｓｓ％
   をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載の低比重チタン合金。
5. 比強度が２０５以上である請求項１から４までのいずれかに記載の低比重チタン合金。
6. １０００℃における絞りが４０％以上である請求項１から５までのいずれかに記載の低比重チタン合金。
7. １０００℃における変形抵抗が２００ＭＰａ以下である請求項１から６までのいずれかに記載の低比重チタン合金。
8. 請求項１から７までのいずれかに記載の低比重チタン合金を用いたゴルフクラブヘッド。
9. 請求項１から４までのいずれかに記載の低比重チタン合金となるように原料を配合し、溶解及び鋳造することにより得られた鋳塊をβトランザス以上１２００℃以下の温度に加熱した後、鍛造又は圧延する粗加工工程を備えた低比重チタン合金製部品の製造方法。
10. 前記鋳塊は、前記原料として、０．１〜２．０ｍａｓｓ％のＦｅを含むスポンジチタン、及び／又は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金スクラップを用いて溶解及び鋳造することにより得られたものからなる請求項９に記載の低比重チタン合金製部品の製造方法。
11. 前記粗加工工程において鍛造又は圧延された前記低比重チタン合金を、６００℃以上βトランザス未満の温度に加熱した後、仕上げ鍛造又は圧延する仕上げ加工工程をさらに備えた請求項９又は１０に記載の低比重チタン合金部品の製造方法。
12. 前記仕上げ加工工程において鍛造又は圧延された前記低比重チタン合金を焼鈍する焼鈍工程をさらに備えた請求項１１に記載の低比重チタン合金部品の製造方法。