JP5464214B2 - 超高強度ステンレス合金ストリップ、同ストリップの製造方法及びゴルフクラブヘッドを製造するために同ストリップを利用する方法 - Google Patents

超高強度ステンレス合金ストリップ、同ストリップの製造方法及びゴルフクラブヘッドを製造するために同ストリップを利用する方法 Download PDF

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Description

本発明は、ステンレス鋼ストリップ材に関し、特に、非常に高い引張強さを有するステンレス鋼ストリップ製品、同製品を製造する方法及びゴルフクラブヘッドを製造するために同ストリップ製品を利用する方法に関するものである。
ゴルフクラブの製造業者は、高強度フェースプレート材（ｆａｃｅｐｌａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を常に追求している。非常に高い強度は、フェースプレート部を、より薄くさせることを可能にし、従って、より軽量にすることを可能にさせ、そのことが、ゴルフクラブヘッドの設計において設計者にゆとりを与えることとなっている。加えて、耐食性材料は、使用中に除去されてしまうような表面コーティング又はメッキを必要としないので、非ステンレス材料よりも好ましい。
この問題に対する現在の解決策は、ＣＵＳＴＯＭ ４５５合金のような標準的なＰＨステンレス鋼合金やＣＵＳＴＯＭ ４６５合金及びＣＵＳＴＯＭ ４７５合金のような新たに設計されたステンレス合金を使用することである。然しながら、ＣＵＳＴＯＭ ４５５合金及びＣＵＳＴＯＭ ４６５合金は、新たなゴルフクラブの設計において要望されているような強度レベルを発揮しない。ＣＵＳＴＯＭ ４７５合金は、非常に高い強度を発揮するが、高度に合金化されて、ゴルフクラブの製造プロセスにおいて許容できなることに加えて、ゴルフクラブの製造業者にとって高価になる。
更に、多くのゴルフクラブヘッドは、一般的に、フェースプレートを備えたキャストボディ（ｃａｓｔ ｂｏｄｙ）を用いて製造されている。キャストボディ材は、一般的に、１７−４ ＰＨステンレス鋼又は１５−５ ＰＨステンレス鋼のような析出硬化型ステンレス鋼から作られている。ゴルフクラブヘッドは、一般的に、フェースプレートをキャストボディに溶接してから、最終的な特性を発揮させるためにフェースプレートとキャストボディとの組立体全体を熱処理することにより作られている。ゴルフクラブヘッドのキャストボディ用に一般的に用いられる合金は約１９００°Ｆ（１０３８℃）の溶解温度を有しているのに対し、公知のフェースプレート材料は１５５０°Ｆ〜１８００°Ｆ（８４３℃〜９８２℃）の範囲の溶解温度を有している。熱処理温度に関するこのミスマッチによって、クラブボディ又はフェースプレート又はそれら双方が、ゴルフクラブヘッドの組立後の熱処理された状態において、最適な特性を決して発揮しないという結果を齎す。加えて、ＣＵＳＴＯＭ ４７５合金はゴルフクラブヘッドの組立後に再溶解させることができないので、該合金は全体的に異なった製造プロセスを屡々必要とする。
公知の材料の上述した不都合な点は、本発明によるステンレス鋼ストリップ製品によってかなりの程度解消される。
本発明の一側面によれば、重量パーセントにして、
Ｃ 最大０．０３
Ｍｎ 最大１．０
Ｓｉ 最大０．７５
Ｐ 最大０．０４０
Ｓ 最大０．０２０
Ｃｒ １０．９〜１１．１
Ｎｉ １０．９〜１１．１
Ｍｏ ０．９〜１．１
Ｔｉ １．５〜１．６
Ａｌ 最大０．２５
Ｎｂ ０．７〜０．８
Ｃｕ 最大１
Ｂ 最大０．０１０
Ｎ 最大０．０３０
を含有し且つ残部が鉄と通常の不純物である耐食性合金から作られたステンレス鋼ストリップ製品が得られる。この細長く薄いストリップ製品は、固溶化熱処理及び時効硬化された状態において、少なくとも約２８０ｋｓｉ（１９３０．５ＭＰａ）の室温引張強さを発揮する。
本発明の別の側面によれば、薄いストリップ製品を製造するための方法が得られる。この方法は、上述した重量パーセント組成を有する耐食性合金を鋳造してインゴットを作る工程を含んでいる。そのインゴットを熱間加工して細長いストリップ材を形成する。次に、そのストリップ材を、室温で少なくとも約２８０ｋｓｉ（１９３０．５ＭＰａ）の終局引張強さを発揮させるための時間と温度の条件下で熱処理する。
本発明の更に別の側面によれば、ゴルフクラブヘッドを製造するための方法が得られる。この方法は、上述した重量パーセント組成を有する耐食性合金を鋳造してインゴットを作る工程を含んでいる。そのインゴットを熱間加工して細長いストリップ材を形成し、次に、そのストリップ材を、該ストリップ材の切削性と処理可能性（ｐｒｏｃｅｓｓａｂｉｌｉｔｙ）とを利する時間と温度の条件下で熱処理する。次に、ストリップ材を機械加工して、ゴルフクラブヘッド用のフェースプレートを形成する。この方法は、耐食性・析出硬化型鋼合金からゴルフクラブヘッドボディを形成する工程を更に含んでいる。フェースプレートをゴルフクラブボディに接合させる。次に、フェースプレートとゴルフクラブボディとの組立体を、ゴルフクラブヘッドボディにおいて所望レベルの硬度と強度とを発揮させ、且つ、フェースプレートにおいて室温で少なくとも約２８０ｋｓｉ（１９３０．５ＭＰａ）の終局引張強さを発揮させるのに十分な時間と温度の条件下で熱処理する。
図１は、時効温度による作用としての引張強度のグラフを示した図である。
本発明の好ましい実施形態としては、重量パーセントで以下の組成を有する細長いストリップ製品を挙げることができる。
Ｃ 最大０．０３
Ｍｎ 最大１．０
Ｓｉ 最大０．７５
Ｐ 最大０．０４０
Ｓ 最大０．０２０
Ｃｒ １０．９〜１１．１
Ｎｉ １０．９〜１１．１
Ｍｏ ０．９〜１．１
Ｔｉ １．５〜１．６
Ａｌ 最大０．２５
Ｎｂ ０．７〜０．８
Ｃｕ 最大１
Ｂ 最大０．０１０
Ｎ 最大０．０３０
残部が、鉄と通常の不純物。
この合金組成物は、好ましくは、真空誘導溶解法（ＶＩＭ）を用いて溶解させる。その鋼を一つ又はそれ以上のインゴットモールドに鋳造する。付加的な清浄のために、この合金をＶＩＭ工程後に真空アーク再溶解（ＶＡＲ）させる。凝固後に、インゴットを中間プレスしてビレットを形成してから、該ビレットを熱間圧延して細長いストリップを形成することにより、合金をストリップに形成する。これに代えて、約１９００°Ｆ〜２２５０°Ｆ（１０３８℃〜１２３２℃）の出発温度からインゴットを熱間圧延することによりストリップ材を形成することができる。そのストリップは、約１１００°Ｆ〜１３５０°Ｆ（５９３℃〜７３２℃）で約２〜８時間加熱してから、空冷することにより、過時効された状態で提供することができる。これに代えて、より良好な切削性と処理可能性とを確保するために、ストリップ材を約１９００°Ｆ〜１９５０°Ｆ（１０３８℃〜１０６５℃）で約１時間加熱し、空冷し、約−１００°Ｆ（−７３．３℃）で約８時間冷やして合金中の何らかのオーステナイトをマルテンサイトへ略完全に変態させ、次に、空気中で室温まで温める。好ましくは、ストリップ材を、熱処理前に冷間圧延して最終厚み又は最終厚みに近い厚みにさせる。本発明によるストリップ材は、状況に応じて調整された回数と温度で、連続炉内で固溶化熱処理することができる。ゴルフクラブに適用する場合には、そのストリップ材は、約０．０２〜０．１６インチ（０．５〜４ｍｍ）、好ましくは、約０．１０〜０．１２インチ（２．５〜３．０ｍｍ）の厚さに処理される。
ＣＵＳＴＯＭ ４７５ステンレス合金のような公知の高強度ステンレス鋼合金と相違して、本発明による合金ストリップは、著しい特性損失、特に強度の損失を伴うことなく、二重に固溶化熱処理を施すことができる。換言すると、本発明のステンレス鋼ストリップ材は、固溶化熱処理＋冷却された状態で提供することができ、処理して部品にされて、その後、再溶解され、再冷却され、ゴルフクラブヘッドに組み立てられた後に時効硬化されて、所望の高い強度と硬度とを発揮する。
本発明による細長いストリップ製品の一例として、小さいヒートを溶融して処理した。４００ｌｂ（１８１．４ｋｇ）のヒートを、ＶＩＭ＋ＶＡＲによって溶融させて、８インチ（２０．３ｃｍ）直径のインゴットとして鋳造した。そのＶＡＲインゴットの重量パーセント組成を下掲表１に示した。この合金の残部は、鉄と通常の不純物であった。
そのインゴットを、約２３００°Ｆ（１２６０℃）で１６時間均質化させてから、約２０００°Ｆ（１０９３℃）の出発温度からプレスして４インチ×８インチ（１０ｃｍ×２０．３ｃｍ）のビレットにした。そのビレットを、約２２５０°Ｆ（１２３２℃）の出発温度から熱間圧延して幅７．５インチ×厚さ０．１５インチ（幅１９ｃｍ×厚さ３．８ｍｍ）のストリップにした。次に、そのストリップを研磨して０．１３５インチ（３．４ｍｍ）の厚みにしてから、冷間圧延して０．１１０３インチ（２．８ｍｍ）の厚みにした。そのストリップを５．５時間約１１４６°Ｆ（６１９℃）で加熱することにより過時効処理を施した。室温まで冷却した後に、ストリップ材を研磨して０．１０８３インチ（２．７５ｍｍ）の最終厚みにした。
複数の標準的ストリップ引張ブランクを、過時効されたストリップから縦方位及び横方位で大雑把に切り取った。これらブランクのグループを、夫々、１８５０°Ｆ（１０１０℃）、１９００°Ｆ（１０３８℃）、１９５０°Ｆ（１０６５℃）、２０００°Ｆ（１０９３℃）で１時間固溶化熱処理して、空冷した。これら固溶化熱処理されたブランクを、−１００°Ｆ（−７３．３℃）で８時間深冷してから、空気中で室温まで温めた。次に、幅約１／２インチ×長さ約２インチ（幅１．２７ｃｍ×長さ５．０８ｃｍ）のゲージ部（ｇａｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ）を提供するべく、これらブランクを荒く機械加工した。各固溶化熱処理からのこれら荒く機械加工したブランクのグループを、約９００°Ｆ（４８２℃）〜約９７５°Ｆ（５２４℃）の温度範囲で４時間時効させてから、空冷した。その試験試料を、時効後に仕上げ機械加工して、室温で試験した。
室温での引張及び硬度試験の結果については、下掲表２〜４に示した。それら表には、°Ｆ（℃）で示した固溶化熱処理温度（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｔｅｍｐ．）と時効温度（Ａｇｅ Ｔｅｍｐ．）と、ｋｓｉ（ＭＰａ）で示した０．２％オフセット降伏強さ（Ｙ．Ｓ．）と終局引張強さ（Ｕ．Ｔ．Ｓ．）と、ＨＲＣとしてのロックウエルＣ−スケール硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）が記載されている。
＊これらサンプルに関する強度データは紛失してしまった。然しながら、試験者は、Ｈ９００サンプルに関するＵ．Ｔ．Ｓ．が２８０ｋｓｉ（１９３０．５ＭＰａ）より以上であり、Ｈ９５０サンプルに関するＵ．Ｔ．Ｓ．が２８０ｋｓｉ（１９３０．５ＭＰａ）を若干下回っていたことを記憶している。
試験試料を金属組織学的に分析した結果は、１８５０°Ｆ（１０１０℃）と１９００°Ｆ（１０３８℃）で固溶化熱処理した材料が約ＡＳＴＭ８の結晶粒度を有していることを示した。１９５０°Ｆ（１０６５℃）で固溶化熱処理した材料は約ＡＳＴＭ７〜８の結晶粒度を有していた。２０００°Ｆ（１０９３℃）で固溶化熱処理した材料は約ＡＳＴＭ２〜３の結晶粒度を有していた。この明細書全体を通して、ＡＳＴＭ結晶粒度とは、ＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｅ−１１２に従って決定される平均結晶粒度を意味する。
表２〜４に示されている結果は、好ましい溶解温度が約１９００°Ｆ（１０３８℃）〜約１９５０°Ｆ（１０６５℃）であることを示している。同様に、好ましい時効温度は、材料が所望の２８０ｋｓｉ（１９３０．５ＭＰａ）のＵ．Ｔ．Ｓ．を発揮するためには、約９００°Ｆ〜９２５°Ｆ（４８２℃〜４９６℃）である。Ｕ．Ｔ．Ｓ．対溶解温度と時効温度との組合せのグラフが図１に示されている。
それら表に示したデータは、この明細書中に記載した合金組成物から作られたストリップ製品が２８０ｋｓｉ（１９３０．５ＭＰａ）以上のＵ．Ｔ．Ｓ．を発揮することができることを示している。そのストリップ材料は、上記レベルの強度を発揮することができる他のステンレス組成物よりも重合金化されず、その結果、低合金コストを達成することができる。加えて、本発明によるストリップ材料は、強度特性又は靭性特性を犠牲にすることなく、一回以上固溶化熱処理を施すことができる。本発明によるストリップ材料は、この組成物から成るゴルフクラブフェースプレートを、ゴルフクラブヘッドのボディ用に頻繁に使われる析出硬化型ステンレスキャスティング合金のための固溶化熱処理温度と完全に両立させることの可能な約１９００°Ｆ〜１９５０°Ｆ（１０３８℃〜１０６５℃）の範囲の温度で固溶化熱処理するのが好ましい。従って、フェースプレートとクラブヘッドボディとは、クラブヘッドのボディにおいてみならずゴルフボールと接触するフェースプレートにおいても最大の硬度と強度とを発揮させるために、組立状態において、固溶化熱処理及び時効硬化させることができる。
本発明の要旨を逸脱しない範囲内で上記実施形態に対して変更又は修正を加えることができることは当業者によって認識されるであろう。従って、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨内で加えられる修正及び変更の全てを含むものであることが理解される。

Claims (16)

  1. 重量パーセントにして、
    Ｃ 最大０．０３
    Ｍｎ 最大１．０
    Ｓｉ 最大０．７５
    Ｐ 最大０．０４０
    Ｓ 最大０．０２０
    Ｃｒ １０．９〜１１．１
    Ｎｉ １０．９〜１１．１
    Ｍｏ ０．９〜１．１
    Ｔｉ １．５〜１．６
    Ａｌ 最大０．２５
    Ｎｂ ０．７〜０．８
    Ｃｕ 最大１
    Ｂ 最大０．０１０
    Ｎ 最大０．０３０
    を含有し且つ残部が鉄と通常の不純物である耐食性合金から作られた細長く薄いストリップ製品であって、固溶化熱処理及び時効硬化状態において、少なくとも１９３０．５ＭＰａの室温引張強さを有する細長く薄いストリップ製品。
  2. 前記ストリップ製品が、０．５〜４ｍｍの厚さを有している、請求項１に記載の細長く薄いストリップ製品。
  3. 前記合金が、ＡＳＴＭ ７〜８以下である平均結晶粒度を有している、請求項１又は２に記載の細長く薄いストリップ製品。
  4. ５３〜５４ＨＲＣの硬度を有している、請求項１〜３の何れかに記載の細長く薄いストリップ製品。
  5. 請求項１に記載の細長く薄いストリップ製品を製造する方法であって、
    前記耐食性合金を鋳造してインゴットを作る工程と、
    前記インゴットを機械的に加工して細長いストリップ材を形成する工程と、
    その後に、室温で少なくとも１９３０．５ＭＰａの終局引張強さを発揮させるための時間と温度の条件下で、前記細長いストリップ材を熱処理する工程を含み、
    前記細長いストリップ材を熱処理する前記工程が、１０３８〜１０９３℃の温度で前記 細長いストリップ材を加熱し、前記合金を−７３．３℃まで迅速に冷却し、前記合金を、 前記合金中の何らかのオーステナイトをマルテンサイトへ略完全に変態させるのに有効な 時間、−７３．３℃に維持させ、次に、４８２℃〜５１０℃の温度で前記細長いストリッ プ材を加熱することを含んでいる、細長く薄いストリップ製品を製造する方法。
  6. インゴットを機械的に加工する前記工程が、前記インゴットをプレスしてビレットを形成してから、該ビレットを熱間圧延して前記細長いストリップ材を形成することを含んでいる、請求項５に記載の方法。
  7. インゴットを機械的に加工する前記工程が、前記インゴットを熱間圧延して前記細長いストリップ材を形成することを含んでいる、請求項５に記載の方法。
  8. 前記熱間圧延工程が、前記ビレットを１０３８℃〜１２３２℃まで加熱することを含んでいる、請求項６に記載の方法。
  9. 請求項１に記載の細長いストリップ製品からゴルフクラブヘッドを作るための方法であって、
    前記耐食性合金を鋳造してインゴットを形成する工程と、
    前記インゴットを機械的に加工して細長いストリップ材を形成する工程と、
    前記細長いストリップ材の切削性と処理可能性とを向上させるための時間と温度の条件下で、前記細長いストリップ材を熱処理する工程と、
    前記細長いストリップ材をカットしてゴルフクラブヘッド用のフェースプレートを形成する工程と、
    耐食性析出硬化型鋼合金からゴルフクラブヘッドボディを作る工程と、
    前記フェースプレートを前記ゴルフクラブヘッドボディに接合させて、ゴルフクラブヘッド組立体を形成する工程と、
    前記ゴルフクラブヘッド組立体における硬度及び強度と、前記フェースプレートにおいて室温で少なくとも１９３０．５ＭＰａの終局引張強さを発揮させるための時間と温度の条件下で、前記ゴルフクラブヘッド組立体を熱処理する工程を含み、
    前記ゴルフクラブヘッド組立体を熱処理する前記工程が、１０３８〜１０９３℃の温度で前記細長いストリップ材を加熱し、前記ストリップ製品の前記合金を−７３．３℃まで迅速に冷却し、前記ストリップ製品の前記合金を、当該合金中の何らかのオーステナイトをマルテンサイトへ略完全に変態させるのに有効な時間、−７３．３℃に維持させ、次に、４８２℃〜５１０℃の温度で前記細長いストリップ材を加熱することを含んでいる、ゴルフクラブヘッドを作るための方法。
  10. インゴットを機械的に加工する前記工程が、前記インゴットをプレスしてビレットを形成してから、該ビレットを熱間圧延して前記細長いストリップ材を形成することを含んでいる、請求項９に記載の方法。
  11. インゴットを機械的に加工する前記工程が、前記インゴットを熱間圧延して前記細長いストリップ材を形成することを含んでいる、請求項９に記載の方法。
  12. 前記熱間圧延工程が、前記インゴット又はビレットを１０３８℃〜１２３２℃まで加熱することを含んでいる、請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 細長いストリップ材を熱処理する前記工程が、前記細長いストリップ材を５９３℃〜７３２℃で過時効させることを含んでいる、請求項９に記載の方法。
  14. インゴットを機械的に加工する前記工程が、前記インゴットをプレスしてビレットを形成し、該ビレットを熱間圧延して前記細長いストリップ材を形成してから、前記細長いストリップ材を冷間圧延して該細長いストリップ材の厚みを低減させて、最終的な寸法又は最終的な寸法に近い寸法にさせることを含んでいる、請求項９に記載の方法。
  15. インゴットを機械的に加工する前記工程が、前記インゴットを熱間圧延して細長いストリップ材を形成してから、前記細長いストリップ材を冷間圧延して該細長いストリップ材の厚みを低減させ、最終的な寸法又は最終的な寸法に近い寸法にさせることを含んでいる、請求項９に記載の方法。
  16. 前記熱間圧延工程が、前記インゴット又はビレットを１０３８℃〜１２３２℃まで加熱することを含んでいる、請求項１４又は１５に記載の方法。
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