JPH11106853A - チタン合金及びその製品 - Google Patents

チタン合金及びその製品

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JPH11106853A
JPH11106853A JP10220086A JP22008698A JPH11106853A JP H11106853 A JPH11106853 A JP H11106853A JP 10220086 A JP10220086 A JP 10220086A JP 22008698 A JP22008698 A JP 22008698A JP H11106853 A JPH11106853 A JP H11106853A
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aluminum
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ブリストー ブライアン
Nordland Chris
ノードランド クリス
Steven H Reichman
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    • Y10T428/12806—Refractory [Group IVB, VB, or VIB] metal-base component

Abstract

(57)【要約】 【課題】溶接可能で、鋳造可能なチタン合金及びその製
造法を提供する。 【解決手段】チタンを、約０．７５重量％の鉄と約８重
量％のアルミニウムとで合金化する。１．４７×１０6
ｋｇ／ｃｍ2 （２１×１０6 ｐｓｉ）以上の弾性率を持
つ合金が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チタン合金及びチ
タン合金から造られる製品に関し、特に、鋳造可能で、
溶接が可能な、高弾性率チタン合金及び関連製品に関す
る。本発明の一実施態様は、特に、ゴルフクラブヘッド
を製造するのに有用である。
【従来の技術】チタン合金は、宇宙用部品から自転車部
品に至る広い範囲の製品に使用されている。チタン部品
は、幾つかの異なる方法、例えば、鋳造、鍛造、圧延、
又は粉末冶金方法を使用して製造する事ができる。最適
な合金組成は、目的とする製品及び製造方法に依存す
る。例えば、柔軟性は、ロール方法で造られる圧延製品
にとって重要な性質である一方、溶融流動性は、鋳造製
品を製造する時に一層重要であるかも知れない。鋳造チ
タン合金部品に対する溶接の様な多重型の製造方法は、
合金組成を更に制約する。この場合、合金は、良好な溶
接特性を有すると同時に、良好な鋳造特性も有さなけれ
ばならない。更に、この合金から造られる部品の目的用
途に依って、合金の材料パラメーター、例えば、弾性
率、硬度、強度、又は靭性を改善する事が望ましいかも
知れない。
【０００２】或る場合には、使用目的に対して良好な材
料パラメーターを示す合金は、製造方法と両立しないか
も知れない。例えば、ゴルフクラブヘッドは、高弾性率
を有し、その結果スイングされたゴルフクラブのエネル
ギーは、ゴルフボールを打った時に、ゴルフボールに効
率よく移動されるのが望ましい。８重量％のアルミニウ
ムと１重量％のバナジウム及び１重量％のモリブデンを
含むチタン合金（Ｔｉ８−１−１）は、ゴルフクラブヘ
ッドとしての使用に適当な１．１９×１０6 ｋｇ／ｃｍ
2 ( 約１７×１０6 ｐｓｉ）の弾性率を有する。然しな
がら、ゴルフクラブヘッドが鋳造されると、Ｔｉ８−１
−１は、良好な鋳造特性を示さない。６重量％のアルミ
ニウムと４重量％のバナジウムを含むチタン合金（Ｔｉ
６−４）は、良好な鋳造特性を有するが、弾性率が低く
（１．１６×１０6 ｋｇ／ｃｍ2( １６．５×１０6 ｐ
ｓｉ））、ゴルフクラブヘッドの使用材料としての魅力
に乏しい。
【０００３】更に、バナジウムは高価な合金元素であ
り、現在の市場価格では、Ｔｉ６−４合金の材料コスト
の約１０％を占め、この合金をして、ゴルフクラブヘッ
ドの様な娯楽製品での多量使用を制限している。
【発明が解決しようとする課題】従って、Ｔｉ８−１−
１の弾性率と、Ｔｉ６−４の鋳造性を持つチタン合金が
望まれるのである。更に、この合金は、現在の合金より
も安価な合金成分を含む事が望まれる。又、その様な合
金は、良好な溶接性を示す事が望まれる。
【課題を解決するための手段】本発明は、改良された高
弾性率、低コスト、鋳造可能で、溶接可能な合金、その
合金の製造方法及びその合金から造られる部品を提供す
るものである。特定の実施態様では、チタンは、０．７
５重量％の鉄と８重量％のアルミニウムと合金化され
て、１．４７×１０6 ｋｇ／ｃｍ2 ( ２１×１０6 ｐｓ
ｉ）を超える弾性率を持つ合金が得られる。
【０００４】
【発明の実施の態様】本発明の他の実施態様では、上記
合金からゴルフクラブヘッド本体を鋳造して、その鋳造
ゴルフクラブヘッド本体に底板を溶接する事によってゴ
ルフクラブヘッドが製造される。これは、ゴルフボール
を打つ為の優れたエネルギー移動特性を持つゴルフクラ
ブヘッドが得られる事となる。本発明のこれら及びその
他の実施態様及びその利点並びに特徴は、以下の説明及
び添付図面によって更に詳細に述べられる。本発明の一
実施態様によるチタン合金は、良好な鋳造性及び溶接性
を維持しながら、予想以上のより優れた弾性率を有する
事が示される。この弾性率は、相対的に高価な合金元素
のモリブデン及びバナジウムの代りに、合金成分として
鉄を置き換える事によって得られた。この合金は、ゴル
フクラブヘッドの様な娯楽用製品に対して魅力ある材料
である。
【０００５】
【実施例】
Ｉ．合金組成及び性質 上述の通り、８重量％のアルミニウムと、１重量％のバ
ナジウム及び１重量％のモリブデンを含む市販のチタン
合金は、文献によれば１．１９×１０6 ｋｇ／ｃｍ2 (
１７×１０6 ｐｓｉ）の弾性率を有する。この弾性率
は、表１で示される通り、市販の純粋チタン（ＣＰ）を
含めて、幾つかのその他の製造合金よりも高く、従っ
て、高弾性率を要求される用途に望ましいものである。
【０００６】
【表１】 表１ 合金（重量％） 弾性率 （１×１０6 kg/cm2） （１×１０6 ｐｓｉ） 市販純粋Ｔｉ １．０４ （１４．９） Ti-5Al-2.5Sn １．１１ （１５．９） Ti-8Al-1Mo-1V １．１９ （１７．０） Ti-6Al-4V １．１６ （１６．５） Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo １．１６ （１６．５） Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo １．１６ （１６．５） Ti-3Al-2.5V ０．０６ （１３．２） Ti-6Al-7Nb １．０６ （１５．２） Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr １．１１ （１５．９）
【０００７】モリブデン当量式は、同じ弾性率の合金を
造る為に、モリブデン及びバナジウム合金元素を置き換
えるのに使用する鉄の適当量を予測するのに使用しても
良い。モリブデン当量式は、以下で与えられる： ［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖａ］／１．５＋２．５［Ｆ
ｅ］ Ｔｉ８−１−１（０．１重量％の鉄を含む）に適用した
この式は、１．９２のモリブデン当量となり、モリブデ
ン及びバナジウムに対して０．６５重量％の鉄の置換
（０．７５重量％の全鉄濃度に対して）が、１．１９×
１０6 ｋｇ／ｃｍ 2 ( 約１７×１０6 ｐｓｉ）の弾性率
となる事を予測させる。８重量％のアルミニウムと、
０．７５重量％の鉄を含むチタン合金のインゴットは、
以下に記述の方法で製造された。このインゴットは、引
張り試験及びシャルピー衝撃試験の為の棒を切り出して
試験された。９つの引張り試験片を試験し、０．７６の
標準偏差で、この合金に対して平均弾性率が１．５０×
１０6 ｋｇ／ｃｍ2 ( ２１．３４×１０6 ｐｓｉ）とい
う驚くべき結果を得た。この弾性率は、予測或いは期待
したものよりも遥かに高い。この合金の機械的性質を纏
めて以下の表２に示す。
【０００８】
【表２】 表２ 合金 弾性率 降伏点 強度 1 ×106 kg/cm2 1 ×103 kg/cm2 (1 ×106 psi) (Ksi) Ti8Al-0.75Fe 1.50 8.1 (21.43) (115.3) 表２（続き） 最終引張り 伸び 面積の 溶接 シャルピー 強度 減少 試験 衝撃強度 1 ×103 kg/cm2 kg-cm (Ksi) ％ ％ ％UTS (ft-lb) 9.1 6.3 13.4 76 242.7 (129.6) (17.7)
【０００９】上記試料での鉄置換から得られる予期せぬ
高弾性率を研究する為に、追加の合金組成物を調製し
た。鉄置換に対するチタン合金組成物の弾性率の感度を
決定する為に、そしてどの程度まで高い弾性率が得られ
るかを見る為に、マトリックス実験を設計した。このマ
トリックス試験の結果を表３に纏めた。
【００１０】
【表３】 表３ チタン合金の為の弾性率試験マトリックス （１×１０6 ｋｇ／ｃｍ2 ） （１×１０6 ｐｓｉ） Ｆｅ（重量％） 0.60 0.07 0.80 0.90 1.00 Ａｌ（重量％） 7.25 1.36 1.43 1.49 1.35 N/A (19.4) (20.4) (21.3) (19.3) 7.40 1.41 1.58 1.37 1.43 N/A (20.1) (22.5) (19.5) (20.4) 7.65 1.39 1.60 1.51 1.44 1.49 (19.4) (20.4) (21.3) (19.3) (21.2) 7.90 1.42 1.32 1.38 1.57 1.34 (19.4) (20.4) (21.3) (19.3) (19.1) 8.15 N/A N/A 1.49 1.37 1.37 (21.2) (19.6) (19.6)
【００１１】これらの結果から分かる様に、Ｔｉ８−１
−１に優る弾性率が、少なくとも７．２５〜８．１５重
量％のアルミニウムと０．６〜１重量％の鉄を含有する
チタン合金の範囲にわたって得られる。アルミニウムの
添加は、合金の比重を軽くし、置換によって合金を硬く
する。アルミニウム濃度は、少なくとも８．５０重量％
まで増加する事ができるが、その点の後では脆性相が生
成し得るので、衝撃に耐えなければならない製品での使
用には一般に望ましくない。同様に、アルミニウム濃度
は、少なくとも７重量％まで減少する事ができるが、そ
の点の後では、チタン合金は、アルミニウム添加の有利
な硬度特性の幾つかを失う。更に、合金の間隙位置を占
める酸素の添加は、０．１０〜０．３５重量％の量で、
好ましくは約０．２０重量％で、合金の強度を改善する
事が確認された。約０．１０重量％以下の酸素では、合
金は弱くなり、一方、約０．３５重量％以上の酸素で
は、合金が脆くなる。
【００１２】この合金類の１つの考えられる用途とし
て、ゴルフクラブ、例えば、所謂金属ウッドの製造での
使用がある。図１は、ゴルフクラブヘッド３０１と底板
３０２を持つゴルフクラブ３００としての、本発明の一
実施態様を示す。底板は、溶接部３０３で鋳造ゴルフク
ラブヘッドに溶接され、他の手段、例えば、リベットを
使用して鋳造ゴルフクラブヘッドに取り付けられる。底
板は、同じ合金でも、或いはゴルフヘッドとは異なる合
金でも良い。例えば、高硬度及び耐磨耗性を有する合
金、例えば、１５重量％のバナジウムと３重量％のアル
ミニウムと３重量％の錫及び３重量％のクロムを含むチ
タン合金の外側に底板を造っても良いし、或いは、市販
の純粋チタン（ＣＰ）の外側に底板を造っても良い。従
って、鋳造ゴルフクラブヘッドの溶接性が重要であり、
溶接試験を、本発明の合金について行った。合金の試料
を作製し、引張り試験機で破壊試験を行った。破壊した
引張り試験試料は一緒に溶融溶接され（即ち、充填金属
は使用しなかった）、引張り試験機で再試験された。こ
れは、一般に、元の試料よりも低い最終引張り強度（Ｕ
ＴＳ）で破壊する引張り試料となった。溶接性は、溶接
した試料のＵＴＳを、元の鋳造試料のＵＴＳの割合で比
較して評価した。８重量％のアルミニウムと０．７５重
量％の鉄を含むチタン合金は、元の鋳造試料のＵＴＳの
７１％の溶接強度を示し、６重量％のアルミニウムと４
重量％のバナジウムを含む市販の鋳造チタン合金（Ｔｉ
６−４）に比肩し得るものであった。
【００１３】底板と鋳造ヘッドとの間の溶接結合部の外
観は、異なる合金溶接棒を使用して評価した。チタン合
金は、空気中で加熱すると酸化する。従って、溶接環境
を空気を排除する様に調節する事が重要である。これ
は、例えば、電子ビームでもって真空で溶接するか、又
は、タングステン−不活性ガス（ＴＩＧ）溶接法でもっ
て、非反応性ガスブランケットの下で溶接する事によっ
て行う事ができる。市販の純粋チタン溶接ロッドは、底
板を鋳造ヘッドに取付ける為にＴＩＧ溶接法で使用され
た際に、溶接結合部上に鋳造ヘッド中の影３０４を残し
た。これは、溶接パドルが溶接結合部の鋳造合金部分か
ら優先的にアルミニウムを溶解して、この領域でのアル
ミニウムの鋳造合金を使い尽す為と考えられる。アルミ
ニウムは、チタン合金の外観を明るくするのに役立つ。
従って、アルミニウムの鋳造合金溶接帯での消尽が、こ
の領域を暗くした。Ｔｉ６−４溶接ロッドは、通常、現
鋳造合金類と同じアルミニウム含有量を有し、底板と鋳
造ヘッドとの間に影の無い溶接を造るのに適するもので
ある事が分かった。
【００１４】ＩＩ．合金インゴットを製造する為の実施
方法 チタン合金の製造で良く知られた方法の一つは、真空ア
ーク再溶融方法である。この方法では、チタン素材、例
えば、スポンジ或いは機械切削屑を合金成分、例えば、
アルミニウム又は鉄粉と混合する。若し所望ならば、二
酸化チタンを混合物に添加して、硬化剤として使用され
る酸素源としても良い。チタン素材と合金成分の混合物
は、「ブロック」として知られる圧縮体に加圧される。
各ブロックは、例えば、重量が４５〜９０ｋｇ（１００
−２００ポンド）であっても良い。加圧されたブロック
は、固体金属の様な外観を呈し、一緒に溶接されて、数
百キロ（数千ポンド）までの重量の消耗電極に成形され
る。この電極は、水冷式銅坩堝の上の真空炉中に懸垂さ
れる。消耗電極は坩堝中に降ろされてアークを発生し、
このアークが、アークの位置で、消耗電極をその融点に
まで加熱する。これは、溶融金属を水冷式坩堝中でパド
ルとし、そこで固化する。消耗電極は、一般に、自動装
置で引上げられ、適当なアーク長さと、坩堝中の固化合
金の頂部の上にある溶融パドルを維持する。このパドル
は蓄積して、複合電極の組成を有するチタン合金インゴ
ットが坩堝を充すまで固化する。インゴットは坩堝から
取除かれ、再度、消耗インゴットとして使用されても良
く、或いは更に、合金成分を混合し真空アーク再溶融方
法で不純物を除去する為に再溶融されても良い。最終的
に、インゴットは、鋳造電極に加工されるか、或いは、
成分製造方法に適したその他の原料素材に加工される。
例えば、通常９１．４ｃｍ（３６インチ）径のインゴッ
トは、通常、１５．２ｃｍ（６インチ）又は２０．３ｃ
ｍ（８インチ）の鋳造電極に鍛造される。
【００１５】適当なチタン合金を製造するのに使用でき
る別の方法は、冷炉床精練（ｃｏｌｄ ｈｅａｒｔｈ
ｒｅｆｉｎｉｎｇ）である。冷炉床精練では、原料の、
未精製チタン源、例えば、チタンスクラップ、チタンス
ポンジ、或いは、その他のチタン含有材料が炉中に導入
される。一般に、炉は真空又は調節された不活性雰囲気
で操作する。次いで、チタンは、例えば、電子ビームガ
ン又はプラズマトーチの様なエネルギー源を使用して溶
融される。溶融チタンが炉を通過する際に、幾らかの望
ましくない不純物が蒸発又は昇華するので、真空ポンプ
又は排出システムで除去し、一方、その他の不純物は沈
めて、溶融体を精製する。冷炉床精練は、冷炉床の使用
の故にその様に呼ばれている。即ち、炉の操業中、炉床
は冷却され、炉床と接触しているチタンを固化する。固
化したチタンは、炉床と溶融体との間に層を形成し、本
質的に、溶融体と同じ組成の炉床ライニングを形成し、
炉床からの溶融体の汚染を減少して、炉床を溶融体から
保護する。この炉床ライニングは、スカル（ｓｋｕｌ
ｌ）として普通知られている。チタン合金の製造の為に
使用される一般的な冷炉床炉では、炉の炉床は銅で作ら
れている。銅炉床は、銅を冷却する為の水を運ぶ為の溝
を内側に持っていて、銅の溶融を防いでいる。その上部
表面からの溶融体の加熱は、熱を、溶融体の中心から炉
床へと流し、適当なスカルの更なる形成を支持する温度
勾配を創り出す。
【００１６】この炉では、チタン素材は、炉の一端で、
ホッパー又はコンベヤーから添加され、溶融され、炉の
一端から炉の他端へと一般に流れる。合金成分は、チタ
ン素材と一緒に添加しても良く、或いは別々のホッパー
から添加しても良い。溶融体の流れは、合金成分とチタ
ンとを混合するのに役立つ。次いで、十分に混合された
溶融体は、炉の底部の開口部を通して流し、ここで、様
々な構成の、例えば、インゴット或いは鋳造電極の１つ
以上の型を使用して所望の形状に鋳造される。
【００１７】ＩＩＩ．鋳造部品を製造する為の実施方法 部品は、鋳造電極素材として供給された合金から、その
電極の適当な部分を、真空中の電気アークで以って溶融
する事によって、例えば、「注入口」（ｐｏｕｒ）を形
成しても良い。各電極は、数十キロ（数百ポンド）の重
量であっても良い。［注入口」のサイズは、その「注入
口」から鋳造される部品の数によって選ばれる。例え
ば、０．４５ｋｇ（１ポンド）の電極素材が、各鋳造部
品の製造に必要であれば、３０の部品から成る製造操作
では、「注入口」形成の為には、溶融される電極素材は
１３．５ｋｇ（３０ポンド）を必要とする。溶融された
電極素材は、３０の鋳造型に注入され、そこで、鋳造部
品に冷却する。埋め込み鋳造（ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ
ｃａｓｔｉｎｇ）は、他の鋳造方法に比べて、良好な表
面仕上げ、良好な寸法調節及び低スクラップを用意する
ので、或種の部品、例えば、ゴルフクラブヘッドを形成
する為の鋳造法として好ましい。上記説明は、本発明の
特定の実施態様の完全な記述であるが、様々な変更、変
形及び選択が採用可能である。例えば、製品は、本発明
の合金から鍛造、或いは機械加工されるか、或いは、他
の方法、例えば、コープアンドドラッグキャスティング
（ｃｏｐｅ−ａｎｄ−ｄｒａｇ ｃａｓｔｉｎｇ）を使
用して鋳造する事もできる。その他の変更も、当業者に
とっては明らかであろう。これらの均等物及び代替物
は、本発明の範囲内に含まれるものである。従って、本
発明の範囲は、開示された実施態様に限定されるべきも
のではなく、それに代わる、次のクレームによって定義
されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施態様によるゴルフクラブ
の一部の簡単な斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリス ノードランド アメリカ合衆国 オレゴン州 97306 セ イラム イーストレイク ドライヴ サウ スイースト 2838 (72)発明者 スティーヴン エイチ ライクマン アメリカ合衆国 オレゴン州 97204 ポ ートランド サウスウェスト ファースト アベニュー 122

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】約７．００〜約８．５０重量％のアルミニ
    ウムと、約０．６０〜約１．００重量％の鉄とを含み、
    残部が本質的にチタンと付随的不純物である事を特徴と
    するチタン合金。
  2. 【請求項２】前記アルミニウムが、前記チタン合金の約
    ７．６〜約７．９重量％であり、前記鉄が、約０．６５
    〜約０．７５重量％である、請求項１記載の合金。
  3. 【請求項３】前記チタン合金が、１．１９×１０6 ｋｇ
    ／ｃｍ2 ( 約１７×１０ 6 ｐｓｉ）以上の弾性率を有す
    る、請求項１記載の合金。
  4. 【請求項４】前記チタン合金が、１．３２×１０6 ｋｇ
    ／ｃｍ2 ( 約１８．８×１０6 ｐｓｉ）以上の弾性率を
    有する、請求項１記載の合金。
  5. 【請求項５】約０．１０〜約０．３５重量％の酸素を更
    に含む、請求項１記載の合金。
  6. 【請求項６】約０．２０重量％の酸素を含む、請求項５
    記載の合金。
  7. 【請求項７】鋳造可能なモリブデン置換チタン合金の製
    造方法であって、（１）チタンを溶融する為の手段を用
    意し、（２）チタンを溶融する為の前記手段で、チタン
    合金素材を溶融し、（３）約７．２５〜約８．１５重量
    ％のアルミニウムを前記チタン合金素材に添加し、及
    び、（４）約０．６０〜約１．０重量％の鉄を前記チタ
    ン合金素材に添加する、事を特徴とする方法。
  8. 【請求項８】チタンを溶融する為の前記手段が、真空ア
    ーク再溶融炉である、請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】チタンを溶融する為の前記手段が、冷炉床
    炉である、請求項７記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記工程（２）、（３）及び（４）が、
    実質的に同時に行われる、請求項７記載の方法。
  11. 【請求項１１】アルミニウム−鉄−変性チタン合金の高
    弾性率鋳造体であって、前記チタン合金が、約７．２５
    〜約８．１５重量％のアルミニウムと、約０．６０〜約
    １．０重量％の鉄を含み、残部が、本質的にチタンと付
    随的不純物である事を特徴とする鋳造体。
  12. 【請求項１２】第二のボディーを更に含み、前記第二の
    ボディーが、鋳造体に溶接されて複合体を形成してい
    る、請求項１１記載の鋳造体。
  13. 【請求項１３】複合体が、約６重量％〜約８重量％のア
    ルミニウムを含む溶接材を使用して前記第二のボディー
    が鋳造体に溶接されている、請求項１１記載の鋳造体。
  14. 【請求項１４】鋳造体が、ゴルフクラブのヘッドであ
    る、請求項１１記載の鋳造体。
JP10220086A 1997-08-04 1998-08-04 チタン合金及びその製品 Pending JPH11106853A (ja)

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