JP6674778B2 - ゴルフクラブ用シャフト及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ゴルフクラブ用シャフトの軽量化を図るためには、ゴルフクラブ用シャフトの薄肉化又は小径化などを行う必要がある。しかしながら、従来のゴルフクラブ用シャフトの材料として用いられる鋼管の薄肉化又は小径化などを行うと、ゴルフクラブ用シャフトの折損強度及び破壊強度が低下してしまう。そのため、従来のゴルフクラブ用シャフトと同等の安全性を確保しつつ軽量化を図るためには、ゴルフクラブ用シャフトの強度及び靱性を向上させることが必要である。
従来、鋼組成と熱処理条件とを適正に選択することにより、ゴルフクラブ用シャフトの弾性、強度及び靱性などの特性を向上させ得ることが開示されている(例えば、特許文献1〜3)。
ゴルフクラブ用シャフトの強度を高めるためには、Cなどの成分の量を増加すること、又は焼戻し温度を低くすることが考えられる。しかしながら、Cなどの成分の量を増加すると、靱性が低下してしまう。また、焼戻し温度を低くすると、靱性が低下するか、又は靱性のバラツキが生じてしまうために信頼性が低下してしまう。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、強度及び靱性が高いと共に靱性のバラツキも少なく、軽量化が可能なゴルフクラブ用シャフト及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、0.4質量%〜0.65質量%のCと、0質量%超過0.80質量%以下のSiと、0.1質量%〜1.50質量%のMnと、0質量%超過0.30質量%未満のCrと、0.05質量%〜0.40質量%のV、0.03質量%〜0.15質量%のNb及び0.01質量%〜0.10質量%のTiからなる群から選択される少なくとも1種とを含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接鋼管をシャフト形状に成形加工した後、未溶解セメンタイトの面積率が0.5%以下となるように焼入れして焼戻すことを特徴とするゴルフクラブ用シャフトの製造方法である。
本発明のゴルフクラブ用シャフトは、Cと、Siと、Mnと、Crと、V、Nb及びTiからなる群から選択される少なくとも1種とを含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。また、本発明のゴルフクラブ用シャフトは、必要に応じて、P及びSからなる群から選択される少なくとも1種、Ni及びMoからなる群から選択される少なくとも1種、又はBをさらに含むことができる。
Cは、熱処理後の鋼材の強度、耐力及び弾性に影響を与える成分であり、C含有量に応じて焼入れ硬さ、強度などが変動する。十分な焼入れ硬さ、強度を得る観点から、C含有量は0.4質量%以上とする必要がある。一方、C含有量が高すぎると、熱処理後の鋼材の延性及び靱性が低下するため、C含有量は0.65質量%以下とする必要がある。C含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.41質量%〜0.64質量%、より好ましくは0.415質量%〜0.635質量%、さらに好ましくは0.42質量%〜0.63質量%である。
Siは、製鋼段階において溶鋼の脱酸剤として用いられる成分である。また、Siは、焼戻し軟化抵抗を高める作用を有する。Si含有量が高すぎると、鋼材(みがき帯鋼)が硬質になるため、ゴルフクラブ用シャフトの生産性が低下する。また、鋼材(みがき帯鋼)の製造過程(焼鈍過程)で粒界酸化が生じ、表面品質が低下する。そのため、Si含有量は0質量%超過0.80質量%以下とする必要がある。Si含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.01質量%〜0.78質量%、より好ましくは0.03質量%〜0.75質量%、さらに好ましくは0.04質量%〜0.73質量%である。
Mnは、焼入れ性を向上させる成分である。十分な焼入れ性を得る観点から、Mn含有量は0.1質量%以上とする必要がある。一方、Mn含有量が高すぎると、鋼材(みがき帯鋼)が硬質になるため、ゴルフクラブ用シャフトの生産性が低下する。また、熱処理後の鋼材の靱性も低下する。そのため、Mn含有量は1.50質量%以下とする必要がある。Mn含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.2質量%〜1.48質量%、より好ましくは0.3質量%〜1.46質量%、さらに好ましくは0.35質量%〜1.44質量%である。
Crは、Mnと同様に、焼入れ性を向上させる成分である。Cr含有量が高すぎると、熱処理時にセメンタイト(未溶解セメンタイト)の生成量が多くなる。セメンタイトは、破損時に亀裂の発生又は伝播を助長し、延性及び靱性の低下を招く原因となる。そのため、Cr含有量は、0質量%超過0.30質量%未満とする必要がある。Cr含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.01質量%〜0.295質量%、より好ましくは0.015質量%〜0.29質量%、さらに好ましくは0.02質量%〜0.285質量%である。
Vは、焼入れ処理時の結晶粒微細化に寄与し、靱性を向上させる成分である。靱性を十分に向上させる観点から、V含有量は0.05質量%以上とする必要がある。一方、V含有量が高すぎると、上記の効果が飽和するため、V含有量は0.40質量%以下とする必要がある。V含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.06質量%〜0.38質量%、より好ましくは0.065質量%〜0.36質量%、さらに好ましくは0.07質量%〜0.35質量%である。
Nbは、Vと同様に、焼入れ処理時の結晶粒微細化に寄与し、靱性を向上させる成分である。靱性を十分に向上させる観点から、Nb含有量は0.03質量%以上とする必要がある。一方、Nb含有量が高すぎると、上記の効果が飽和するため、Nb含有量は0.15質量%以下とする必要がある。Nb含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.035質量%〜0.14質量%、より好ましくは0.04質量%〜0.135質量%、さらに好ましくは0.045質量%〜0.13質量%である。
Tiは、V及びNbと同様に、焼入れ処理時の結晶粒微細化に寄与し、靱性を向上させる成分である。また、Tiは、Nとの結合力が強いため、Bと一緒に配合した場合にはBNの生成を抑制し、Bによる焼入れ性の向上効果を確保することができる。このような効果を十分に得る観点から、Ti含有量は0.01質量%以上とする必要がある。一方、Ti含有量が高すぎると、上記の効果が飽和し、また、靱性が低下することもあるため、Ti含有量は0.10質量%以下とする必要がある。Ti含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.012質量%〜0.095質量%、より好ましくは0.015質量%〜0.09質量%、さらに好ましくは0.018質量%〜0.085質量%である。
Pは、焼入れ処理時にオーステナイト粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、靱性を低下させる要因となる成分である。Pを含有する場合、靱性に対する影響を低減する観点から、P含有量は0.03質量%以下とする必要がある。Ti含有量は、上記の影響を安定して低減する観点から、好ましくは0.001質量%〜0.028質量%、より好ましくは0.003質量%〜0.026質量%、さらに好ましくは0.005質量%〜0.024質量%である。
Sは、鋼中で疲労破壊の起点となるMnSを形成し、靱性を低下させる要因となる成分である。Sを含有する場合、靱性に対する影響を低減する観点から、S含有量は0.02質量%以下とする必要がある。S含有量は、上記の影響を安定して低減する観点から、好ましくは0.001質量%〜0.0198質量%、より好ましくは0.0015質量%〜0.0195質量%、さらに好ましくは0.002質量%〜0.0192質量%である。
Niは、Mn及びCrと同様に、焼入れ性を向上させる成分である。Niは、Mn及びCrと異なり、比較的多量に含有させても靱性への影響が少ない。焼入れ性の向上効果を十分に得るためには、Ni含有量は0.10質量%以上とする必要がある。一方、Niは高価であり、過剰の添加は経済的に不利となるため、Ni含有量は2.00質量%以下とする必要がある。Ni含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.20質量%〜1.97質量%、より好ましくは0.3質量%〜1.93質量%、さらに好ましくは0.4質量%〜1.90質量である。
Moは、靱性の向上に有効な成分である。靱性の向上効果を十分に得るためには、Moの含有量は0.10質量%以上とする必要がある。一方、Mo含有量が高すぎると、上記の効果が飽和するため、Mo含有量は1.50質量%以下とする必要がある。Mo含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.105質量%〜1.48質量%、より好ましくは0.011質量%〜1.46質量%、さらに好ましくは0.0115質量%〜1.45質量%である。
Bは、Mn、Cr及びNiと同様に、焼入れ性を向上させる成分である。焼入れ性の向上効果を十分に得るためには、B含有量は0.0005質量%以上とする必要がある。一方、B含有量が高すぎると、上記の効果が飽和するため、B含有量は0.005質量%以下とする必要がある。B含有量は、上記の効果を安定して得る観点から、好ましくは0.001質量%〜0.0048質量%、より好ましくは0.0015質量%〜0.0045質量%、さらに好ましくは0.0018質量%〜0.0042質量%である。
上記の成分以外の残部は、Fe及び不可避的不純物である。ここで、不可避的不純物とは、O、Nなどの除去することが難しい成分のことを意味する。これらの成分は、鋼材を溶製する段階で不可避的に混入する。
ゴルフクラブ用シャフトを高強度化すると、靱性のバラツキが生じることがある。本発明では、この靱性のバラツキが、焼入れ時に残存するセメンタイト(未溶解セメンタイト)に起因することを見出し、金属組織中のセメンタイトの面積率を0.5%以下とすることにより、靱性のバラツキを防止している。ここで、セメンタイトの面積率とは、焼入れ後の鋼材(ゴルフクラブ用シャフト)の任意の断面全体に占めるセメンタイトの面積率のことを意味する。セメンタイトの面積率は、鋼材の断面に着色エッチングなどを施した後、光学顕微鏡などの公知の手段を用いて観察し、画像解析によって算出することができる。セメンタイトの面積率は、靱性のバラツキを安定して防止する観点から、好ましくは0.49%以下、より好ましくは0.01%〜0.48%、さらに好ましくは0.05%〜0.47%である。
本発明のゴルフクラブ用シャフトは、上記の鋼組成を有する溶接鋼管をシャフト形状に成形加工した後、所定の温度で焼入れ焼戻し処理を行うことによって製造される。
溶接鋼管は、上記の鋼組成に調整された鋼材を常法にしたがってみがき帯鋼とした後、TIG溶接、電縫溶接等の公知の溶接法によって造管することによって得ることができる。この造管工程の条件は、上記の鋼組成に調整された鋼材を用いることを除いて特に限定されない。
靭性のバラツキを防止するためには、未溶解セメンタイトの面積率が0.5%以下となるような加熱温度で焼入れする必要がある。加熱温度は、鋼組成に応じて適宜調整する必要があるが、金属組織を十分にオーステナイト化させると共に未溶解セメンタイトを低減する観点から、おおよそ800℃以上で行うことが好ましい。また、加熱温度は、オーステナイト結晶粒が粗大化することを防止する観点から、900℃以下であることが好ましい。未溶解セメンタイトの面積率を0.5%以下にするための加熱温度を決定する場合、例えば、次のような作業を行えばよい。上記の温度で焼入れ処理を行った後に未溶解セメンタイトの面積率を測定し、その値が0.5%を超えるようであれば、加熱温度を上げて焼入れ処理を行い、未溶解セメンタイトの面積率を測定する。この作業を未溶解セメンタイトの面積率が0.5%以下となるまで繰り返すことにより、加熱温度を決定することができる。
下記の表1に示す組成を有する熱延鋼帯を酸洗した後、焼鈍及び冷間圧延を繰り返して板厚0.7mmの冷延鋼帯(みがき帯鋼)を製造した。次に、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に引抜き加工した後、所定の温度で10分間加熱保持し、60℃の油中に焼入れを行う焼入れ処理を行った。次に、所定の温度で15分間加熱保持して空冷する焼戻し処理を行い、ゴルフクラブ用シャフトを得た。なお、焼入れ処理時の加熱温度(焼入れ温度)及び焼戻し処理時の加熱温度(焼戻し温度)は表2に示す。
<硬さ>
ビッカース硬度計を用いて硬さ(HV)を測定した。硬さは640HV〜660HVであることが好ましい。
<セメンタイト面積率>
試験片の断面にセメンタイトの着色エッチングを施し、光学顕微鏡によって観察し、画像解析によって算出した。なお、観察領域は、61μm×61μmの領域とした。
靱性を評価するために、板厚0.7mmのみがき帯鋼を用いて上記と同様の条件で試験片を作製した後、シャルピー衝撃試験機を用い、2mmUノッチ衝撃試験を室温にて行うことで衝撃値を測定した。このとき、各試験片あたりの測定ポイントを10とし、それらの平均値を衝撃値として表した。さらに、衝撃値のバラツキの指標であるA値(=100×標準偏差/平均値)を算出した。この評価において、衝撃値が46J/cm2以上、及びA値が10以下であれば、ゴルフクラブ用シャフトの靱性が十分であると言える。
上記の各評価結果を表2に示す。
これに対して、鋼種がNo.C、E又はIであっても未溶解セメンタイトの面積率が0.5%を超える試料No.4、7及び12(比較例)では、強度が高かったものの、靱性のバラツキ(A値)が大きく、靱性(衝撃値)が十分でないものもあった。
鋼種がNo.Jである試料No.14(比較例)では、鋼のC含有量が高すぎたため、セメンタイト面積率が大きくなり、靱性(衝撃値)が低く、靱性のバラツキ(A値)も大きくなった。また、鋼種がNo.Jである試料No.15(比較例)では、セメンタイト面積率を低くするために焼入れ温度を高くしてみたものの、靱性(衝撃値)が依然として低く、靱性のバラツキ(A)も十分ではなかった。
鋼種がNo.Kである試料No.16(比較例)では、鋼のC含有量が低すぎたため、十分な硬さが得られなかった。そのため、硬さ以外の評価については実施しなかった。
鋼種がNo.Lである試料No.17(比較例)では、鋼のMn含有量が高すぎたため、セメンタイト面積率が大きくなり、靱性(衝撃値)が低く、靱性のバラツキ(A値)も大きくなった。また、鋼種がNo.Lである試料No.18(比較例)では、セメンタイト面積率を低くするために焼入れ温度を高くしてみたものの、靱性(衝撃値)が依然として低かった。
鋼種がNo.Nである試料No.21(比較例)では、鋼のS含有量が高すぎたため、靱性(衝撃値)が低く、靱性のバラツキ(A値)も大きくなった。また、鋼種がNo.Nである試料No.22(比較例)では、焼入れ温度を高くしたところ、靱性のバラツキ(A値)は少なくなったものの、靱性(衝撃値)が十分に向上しなかった。
鋼種がNo.Oである試料No.23(比較例)では、V、Nb又はTiを含有していないため、靱性(衝撃値)が低く、靱性のバラツキ(A値)も大きくなった。また、鋼種がNo.Oである試料No.24(比較例)では、焼入れ温度を高くしたところ、靱性のバラツキ(A値)は少なくなったものの、靱性(衝撃値)が十分に向上しなかった。
Claims (9)
- 0.4質量%〜0.65質量%のCと、0質量%超過0.80質量%以下のSiと、0.1質量%〜1.50質量%のMnと、0質量%超過0.30質量%未満のCrと、0.05質量%〜0.40質量%のV、0.03質量%〜0.15質量%のNb及び0.01質量%〜0.10質量%のTiからなる群から選択される少なくとも1種とを含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、未溶解セメンタイトの面積率が0.5%以下の金属組織を有し、硬さが640〜660HVであり、衝撃値が46J/cm 2 以上であり、衝撃値のバラツキの指標であるA値(100×標準偏差/平均値)が10以下であることを特徴とするゴルフクラブ用シャフト。
- 0質量%超過0.03質量%以下のP及び0質量%超過0.02質量%以下のSからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のゴルフクラブ用シャフト。
- 0.10質量%〜2.00質量%のNi及び0.10質量%〜1.50質量%のMoからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のゴルフクラブ用シャフト。
- 0.0005質量%〜0.005質量%のBをさらに含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のゴルフクラブ用シャフト。
- 0.4質量%〜0.65質量%のCと、0質量%超過0.80質量%以下のSiと、0.1質量%〜1.50質量%のMnと、0質量%超過0.30質量%未満のCrと、0.05質量%〜0.40質量%のV、0.03質量%〜0.15質量%のNb及び0.01質量%〜0.10質量%のTiからなる群から選択される少なくとも1種とを含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接鋼管をシャフト形状に成形加工した後、未溶解セメンタイトの面積率が0.5%以下、硬さが640〜660HV、衝撃値が46J/cm 2 以上、衝撃値のバラツキの指標であるA値(100×標準偏差/平均値)が10以下となるように焼入れして焼戻すことを特徴とするゴルフクラブ用シャフトの製造方法。
- 前記溶接鋼管が、0質量%超過0.03質量%以下のP及び0質量%超過0.02質量%以下のSからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のゴルフクラブ用シャフトの製造方法。
- 前記溶接鋼管が、0.10質量%〜2.00質量%のNi及び0.10質量%〜1.50質量%のMoからなる群から選択される少なくとも1種をさらに含むことを特徴とする請求項5又は6に記載のゴルフクラブ用シャフトの製造方法。
- 前記溶接鋼管が、0.0005質量%〜0.005質量%のBをさらに含むことを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載のゴルフクラブ用シャフトの製造方法。
- 焼戻し温度が160℃〜400℃であることを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載のゴルフクラブ用シャフトの製造方法。
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