JPWO2004042097A1 - Low rigidity and high strength titanium alloy with excellent cold workability, glasses frame and golf club head - Google Patents
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Abstract
質量%で、Nb:25%以下、V:15%以下の1種又は2種(但し、Nb+V≧0.5%、Nb、Vの複合添加時のVは10%未満)、Mo:3〜20%、Zr:7.1〜30%、O:0.30%以下を含有し、残部がTi及び不可避的不純物元素からなる。さらに、上記Tiの一部に代えて、必要に応じてAl、Sn、Ta、Wのうち1種又は2種以上を含有させることができ、その含有量は、質量%で、これら全体で25%以下であり、かつAlとSnの合計が5%以下、TaとWの合計が20%以下である。% By mass, Nb: 25% or less, V: 15% or less (Nb + V ≧ 0.5%, V in combined addition of Nb and V is less than 10%), Mo: 3 It contains 20%, Zr: 7.1 to 30%, O: 0.30% or less, and the balance consists of Ti and inevitable impurity elements. Furthermore, in place of a part of the Ti, one or more of Al, Sn, Ta, and W can be contained as necessary, and the content is 25% by mass. %, And the total of Al and Sn is 5% or less, and the total of Ta and W is 20% or less.
Description
本発明は、高強度かつ低剛性が要求される医療分野やめがねフレーム等に利用され、低コストな製造方法である溶製法による製造を前提とするチタン合金、並びにその合金により成形されるめがねフレーム及びゴルフクラブヘッドに関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used in medical fields and eyeglass frames where high strength and low rigidity are required, and is based on a titanium alloy premised on manufacturing by a melting method, which is a low-cost manufacturing method, and an eyeglass frame formed from the alloy. And a golf club head.
鉄に比べ軽量かつ高強度で、耐食性や生体適合性に優れるという特徴を有するチタン合金は、その特徴を活かして人工骨や人工関節等の医療分野及びめがねフレームや腕時計等の装身具に広く利用されてきている。このような用途に利用する際には、人体への適合性が最重要の要求項目となるが、人体に対するニッケルアレルギーの問題が明らかになって以来、これらの分野にチタン合金を適用するに際し、より厳しい評価がされるようになり、各特性の要求水準が高くなってきている。特にこのような医療分野や装身具等の用途に使用される場合、人体組織に対する適合性だけでなく装着性の問題も大きな検討項目となることから、外力を加え変形させるのは容易だが、除荷すると元の形状に戻り、永久変形がしにくく、かつ軽量化が可能な材料、すなわち低剛性かつ高強度の特性を有する合金の開発が強く要求されるようになった。
この要求に対し、従来のチタン合金を改良した新規合金が特許文献において公開されている。例えば、特許文献1には、重量%で10〜20%あるいは35〜50%のニオブと重量で20%以下のジルコニウムを含有するチタン合金が開示されている(特許文献1参照)。また、特許文献2には30〜60質量%のバナジウム族元素を含有するチタン合金、及び該合金にジルコニウム、ハフニウム、スカンジウムからなる金属元素中の1種以上の元素を合計で20質量%以下含有する合金あるいはさらにこれらのチタン合金に0.08〜0.6質量%の酸素を含有する合金が開示されている(特許文献2参照)。
また、チタン合金は比重が鉄に比べ低く、耐食性に優れ、比強度が高いという理由から、ゴルフクラブヘッドに広く利用されており、特に飛距離に影響が大きいフェース部には、Ti合金の中でも強度に優れた合金である15−3−3−3合金(15%V−3%Al−3%Cr−3%Sn−76%Ti)、15−5−3合金(15%Mo−5%Zr−3%Al−77%Ti)等のβ型チタン合金が使用されている。さらに前記特許文献2に記載の合金は、比ヤング率が優れゴルフクラブ用(フェース部及びシャフト)に適しているという理由から装飾品だけでなくゴルフクラブにも適用できるとする発明が開示されている(特許文献3参照)。
[特許文献1] 特開平6−73475号公報
[特許文献2] 特開2001−247924号公報
[特許文献3] 特開2001−246029号公報
しかしながら、前記公報に記載の合金には次の問題がある。
特許文献1には、エージング処理により高強度化できる低剛性のチタン合金について記載されているが、この文献に記載の実施例を参照すると、得られる引張強度はエージング処理後においても、1000MPa未満である。また、冷間加工を行うことにより1000MPaを超える高強度を確保できることが記載されているが、冷間加工する場合でもエージング処理を実施した場合に可能な強度であって、熱処理なしに1000MPaを超える強度は達成できていない。また、特許文献1の実施例の記載からも明らかなようにエージング処理すると強度は向上するが、同時にヤング率も上昇してしまい、折角の得られていた低剛性という特徴が失われてしまうという問題がある。さらにエージング処理を必要とするということは工程が増えるということであり、工程が複雑になるという問題がある。
また、アルミニウムや酸素等の元素を添加すると高強度化することが可能であるが、これらの元素を特許文献1の合金に単純に添加すると、冷間加工性が低下し、細径の線材を製造することが難しくなったり、ヤング率が上昇してめがねフレームとして使用する際に装着性が低下するという問題があった。
また、特許文献2及びゴルフクラブ用Ti合金について記載されている特許文献3には、強度については一部の発明合金において1000MPa以上の引張弾性限強度を有する合金の記載がされているが、この文献に記載の発明は、請求の範囲に明確な記載はないものの、実施例の記載から明らかなように、実質的に焼結による製造を前提とする発明となっている。この文献の実施例には30%以上のNbを含有する合金が多数記載されているが、本発明者等が実験により確認した結果、そのような多量Nb含有合金を溶製法で製造した場合には、成分が均一なインゴットを製造することが難しく、強度等の特性が均一な特性を有する材料を溶製法で製造することが困難であることが判明した。焼結法に限定された場合、溶製法による製造に比べコストが大幅に高くなり、低コスト化が困難になるという問題がある。Titanium alloys, which are lighter and stronger than iron and have excellent corrosion resistance and biocompatibility, are widely used in medical fields such as artificial bones and joints, and accessories such as eyeglass frames and watches. It is coming. When used for such applications, compatibility with the human body is the most important requirement, but since the problem of nickel allergy to the human body became apparent, in applying titanium alloys in these fields, More rigorous evaluations have been made, and the required level of each characteristic has increased. In particular, when used in applications such as the medical field and accessories, not only the compatibility with human tissues but also the problem of wearability is a major consideration. As a result, there has been a strong demand for the development of a material that returns to its original shape, is difficult to be permanently deformed, and can be reduced in weight, that is, an alloy having low rigidity and high strength.
In response to this requirement, a novel alloy obtained by improving a conventional titanium alloy is disclosed in the patent literature. For example, Patent Document 1 discloses a titanium alloy containing 10 to 20% or 35 to 50% niobium by weight and 20% or less zirconium by weight (see Patent Document 1).
Titanium alloys are widely used for golf club heads because of their low specific gravity compared to iron, excellent corrosion resistance, and high specific strength. 15-3-3-3 alloy (15% V-3% Al-3% Cr-3% Sn-76% Ti), 15-5-3 alloy (15% Mo-5%), which is an alloy having excellent strength Β-type titanium alloys such as Zr-3% Al-77% Ti) are used. Further, an invention is disclosed that the alloy described in
[Patent Document 1] JP-A-6-73475 [Patent Document 2] JP-A-2001-247924 [Patent Document 3] JP-A-2001-246029 However, the alloy described in the above-mentioned publication has the following problems. is there.
Patent Document 1 describes a low-rigidity titanium alloy that can be increased in strength by aging treatment. With reference to the examples described in this document, the obtained tensile strength is less than 1000 MPa even after aging treatment. is there. Moreover, although it is described that high strength exceeding 1000 MPa can be secured by performing cold working, it is possible strength when performing aging treatment even in the case of cold working, and exceeds 1000 MPa without heat treatment. Strength has not been achieved. In addition, as is clear from the description of the examples of Patent Document 1, when the aging treatment is performed, the strength is improved, but at the same time, the Young's modulus is also increased, and the characteristic of low rigidity where the folding angle is obtained is lost. There's a problem. Further, the necessity of the aging process means that the number of processes increases, and there is a problem that the process becomes complicated.
In addition, it is possible to increase the strength by adding elements such as aluminum and oxygen. However, when these elements are simply added to the alloy of Patent Document 1, cold workability is reduced, and a thin wire rod is formed. There are problems that it is difficult to manufacture, and that the Young's modulus increases, so that the wearability is lowered when used as a spectacle frame.
Further,
本発明はヤング率が低く、冷間加工性が良好で、エージング処理に頼ることなく1000MPa以上の高強度を容易に達成することができ、装身具等に適用した場合に高い装着性を維持しつつ軽量の製品を製造することが可能となり、かつ溶製法による製造が可能な低剛性・高強度チタン合金を提供し、その合金を用いて軽量で装着性の向上しためがねフレームを製造可能にすることを1つの目的とする。
また、ゴルフクラブヘッドのフェース部に適用した場合に、大きな飛距離を得ることのできる新しいチタン合金を提供することも1つの目的とする。
本発明者等は前記した課題を解決するために高強度、低剛性、冷間加工性の全てについて優れた特性が得られ、かつ溶製法による製造が可能な成分範囲を見出すために鋭意研究を行った結果、次の知見を得て本発明を完成したものである。
(1)チタン合金は80〜110GPa程度のヤング率を有しているのが普通であるが、Nb、Vを適量添加すると、降伏応力以下の低い応力で応力誘起変態により熱弾性マルテンサイトが生じて見掛け上の歪が生じ、応力除去時には逆変態により元の母相に戻るため、ヤング率を低下することができる。この点では前記特許文献2の発明でも同じであるが、特許文献2のように焼結による製造を前提の発明ではNbの多量添加が可能であるが、本発明では、Nbの含有率の上限を25%に抑制することにより、焼結でなく溶製法でも製造が可能であることを見出した。また、後述のMo、Zrの添加効果により、エージング処理に頼ることなく冷間加工のみで引張強さ1000MPa以上の高強度を達成でき、熱弾性マルテンサイトの生成により得られる低剛性と両立させることができる。
(2)(1)に記載の合金について優れた冷間加工性、低剛性を維持しつつ高強度化するのに、Mo、Zrを複合添加することが効果的であり、かつ必要な冷間加工性を確保するための適切な添加範囲を見出した。
(3)ゴルフクラブの飛距離を改善し、遠くへ飛ばすことを可能にするには、フェース部にボールが当たった瞬間に、フェース部のたわみが大きくなって、蓄えられる弾性エネルギーが大きいことが必要であると言われている(例えば非特許文献1参照)。すなわち、蓄えられた弾性エネルギーが復元力となってボールをはね返すと考えられるからである。
[非特許文献1]チタン Vol.50、No.3、P185〜192
この蓄積可能な弾性エネルギーを大きくするには、高強度を有し、フェース部の板厚を薄くすることを可能にすることによって、ボールを打った際にたわみが大きくなるようにすることと、ヤング率を低くすることによって、より大きなたわみまで塑性変形しない材料を選択することの2点が重要である。
このゴルフクラブに要求される特性に対し前記(1)、(2)の考え方で開発された合金は、非常に適しており、変形させても除荷した際に元の形状に戻る限界の歪値が極めて高く、高い弾性エネルギーを蓄積できることが判明した。
本発明は、上記(1)〜(3)の知見を得ることにより成されたものである。
以上説明した知見を得ることにより完成した第1の発明は、質量%で、Nb:25%以下、V:15%以下の1種又は2種(但しNb+V≧0.5%、Nb、Vの複合添加時のVは10%未満)、Mo:3〜20%、Zr:7.1〜30%、O:0.30%以下を含有し、残部がTi及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする冷間加工性に優れた低剛性・高強度チタン合金にある。
次に上記チタン合金の各成分範囲の限定理由について説明する。
Nb:25%以下、V:15%以下、
Nb、Vは、本発明にとって最も重要な元素であり、Nb、Vのうち1種又は2種を添加することにより前記したように応力負荷時に熱弾性マルテンサイトが生じ、応力除去時に元の母相に戻ることによって低いヤング率を達成することができる。その効果を得るためには、最低でもNb、Vの合計含有率が0.5%以上である必要がある。特にNbはヤング率低減効果が大きいため、いずれか一方を選択するのであれば、Nb単独添加の方がより好ましい。しかしながら、多量に添加すると焼結での製造であれば良いが、溶製法による製造では、性能の均一なインゴットを製造することが困難となり、安定した性能が得られなくなるため、上限をNbは25%、Vは15%とした。また、Nb、Vを複合添加した場合には、同様の理由によりVの上限を10%未満とする必要がある。
なお、Nb、Vは添加量が増加すると比重が高くなる傾向にあり、軽量化効果が小さくなる可能性がある。従って、比重を重視する場合には、NbとVの合計含有率を30%未満とすることが望ましい。
また、溶解性と冷間加工性の両者をより向上させるためには、Nbを1〜18%の範囲にすると共に、Vを5%以下に限定することが好ましい。この場合において、Nbが1%未満の場合及び18%を超える場合、並びにVが5%を超える場合には、溶解性と冷間加工性の両者を向上させることが困難となるおそれがある。さらに、この溶解性と冷間加工性の両者を向上させる場合におけるNbの含有量は、後述するMoの含有量の限定範囲に応じてさらに限定することによって、溶解性又は冷間加工性の一方をより一層向上させることができる。
Mo:3〜20%、Zr:7.1〜30%、
Mo、Zrはエージング処理に頼ることなく冷間加工のみで1000MPa以上の高強度を得るために必要な元素である。Mo、Zr共に添加量を増加するほど高強度効果が増加するが、目的の強度を得るためには、最低でもMoは3%、Zrは7.1%添加する必要がある。しかし、多量の添加はヤング率増加につながるとともに、冷間加工性を低下させるため、これを防止すべく、上限をMoは20%、Zrは30%とした。望ましくは、Zrの上限を25%未満とするのが良い。
また、溶解性と冷間加工性の両者をより向上させるためには、Moを3〜12%、より好ましくは5〜12%の範囲にすると共に、Zrを7.1%以上20%未満に限定することが好ましい。この場合において、Moが3%未満の場合及び12%を超える場合、並びにZrが7.1%未満の場合及び20%以上の合には、溶解性と冷間加工性の両者を向上させることが困難となるおそれがある。そして、Moが8%以上において、Nbを2〜6%の範囲に限定することにより、溶解性と冷間加工性のうち特に溶解性をさらに向上させることができ、一方、Moが3〜7%の範囲においては、Nbを12〜16%の範囲に限定することにより、溶解性と冷間加工性のうち特に冷間加工性をさらに向上させることができる。また、Zrを8〜14%、より好ましくは9〜11%の範囲に限定することにより、溶解性と冷間加工性の両方をさらに向上させることができる。
O:0.30%以下、
Oは添加すると高強度化できることが知られているが、一方で添加量が増加するほど冷間加工性が低下し、ヤング率が上昇するという問題がある。従って、優れた冷間加工性と低剛性の維持を重視する本発明ではできるだけ量を抑制することが望ましい。しかしながら、Oは製造時に不可避に混入する不純物元素であるため、極端に上限値を低くすると製造が困難となるため、0.30%以下の範囲での含有を許容することとした。
次に、上記第1の発明のチタン合金においては、上記Tiの一部に代えて、さらに、Al、Sn、Ta、Wのうち1種又は2種以上を含有し、その含有量は、質量%で、これら全体で25%以下であり、かつAlとSnの合計が5%以下、TaとWの合計が20%以下であることが好ましい。これは、後述する第2、第3の発明においても同様である。以下、各元素の組成範囲限定理由について説明する。
Al、Sn、Ta、Wは、前記した請求項1記載の合金に必要に応じて添加することにより、さらに強度を向上させる効果のある元素である。但し、多量に含有させると高強度は得られるがヤング率が上昇して高強度と低剛性の両立が困難になるとともに、冷間加工性が低下して製品の製造が難しくなるので、冷間加工性、ヤング率への悪影響が小さい範囲(質量%でAl、Snの2元素の合計が5%以下、Ta、Wの2元素の合計が20%以下)で添加できるものとした。
但し、Taは強度向上に効果を有するものの、多量に添加すると溶製法での製造が難しくなる。従って、製造性を考慮すると、Ta以外の元素を利用し、Taは無添加とするのがより好ましい。
なお、Nb、Vに加えTaも添加量が増加すると比重が増加する傾向にあり軽量化効果が小さくなる傾向にあるため、比重を重視する場合には、3種類の元素の合計含有率を30%未満とすることが好ましい。
また、溶解性と冷間加工性の両方をより向上させるためには、AlとSnの合計含有量を1〜4%の範囲に限定すると共に、Alの含有量を1〜4%、Snの含有量を1〜3%に限定することが好ましい。
次に、第2の発明は、チタン合金からなる冷間加工線材を少なくとも素材の一部分に使用して成形してなるめがねフレームにおいて、
上記チタン合金は、質量%で、Nb:25%以下、V:15%以下の1種又は2種(但しNb+V≧0.5%、Nb、Vの複合添加時のVは10%未満)、Mo:3〜20%、Zr:7.1〜30%、O:0.30%以下を含有し、残部がTi及び不可避的不純物元素からなることを特徴とするめがねフレームにある。
上記第2の発明における上記チタン合金は、上述した第1の発明のチタン合金に相当するものであり、低剛性・高強度をエージング処理に頼ることなく冷間加工のみで達成でき、かつ焼結法でなく溶製法で製造可能なため低コストで製造可能なチタン合金である。この合金は優れた特性を有しているため、数多くの種類の装身具、携帯品(腕時計、ピアス、指輪、ネクタイピン、ブローチ、カフスボタン、携帯電話、ベルトのバックル、様々な鍵、ライター、各種筆記用具(ボールペン等)、キーホルダ、ネックレス、ブレスレット、イアリング、ハンドバッグや財布等の金具)や、人工骨等の医療分野へ適用が可能であるが、特にめがねフレームに適用すると大きな効果を得ることができる。
すなわち、めがねフレームは常時人が顔に身につけて活動するため、軽量化要求が強く、かつ顔とのフィット性が要求されるため外力によって容易に変形できかつ外力を除去した場合にはすぐに元の形状にもどることが必要であり、低剛性と高強度が最も強く要求される製品であるからである。
上記チタン合金から製造した冷間加工線材を用いてめがねフレームを製造することにより、装着性、フィット性に優れ、従来合金を用いた場合に比べ大幅に軽量化しためがねフレームの製造が可能となる。なお、めがねフレームには、テンプル部、リム部、ブリッジ部からなっているが、本発明合金をその全てに使用しても良いし、一部分に使用しても良い。特にその中でもテンプル部が装着性、フィット性に最も関係の大きい部分であるため、一部に本発明合金を使用する場合には、テンプル部に本発明合金を使用すると装着性、フィット性に優れためがねフレームを製造することができる。また、本発明合金は高い強度を有しているため、前記した全ての部分に使用することにより、従来の純チタン製のフレームに比べ大幅に軽量化しためがねフレームを製造することも可能である。
また、上記第2の発明においても、上述したように、上記チタン合金においては、上記Tiの一部に代えて、さらに、Al、Sn、Ta、Wのうち1種又は2種以上を含有し、その含有量は、質量%で、これら全体で25%以下であり、かつAlとSnの合計が5%以下、TaとWの合計が20%以下であることが好ましい。
次に、第3の発明は、チタン合金からなる冷間加工板材をフェース部に用いてなるゴルフクラブヘッドにおいて、
上記チタン合金は、質量%で、Nb:25%以下、V:15%以下の1種又は2種(但しNb+V≧0.5%、Nb、Vの複合添加時のVは10%未満)、Mo:3〜20%、Zr:7.1〜30%、O:0.30%以下を含有し、残部がTi及び不可避的不純物元素からなることを特徴とするゴルフクラブヘッドにある。
上記第3の発明のチタン合金も上記第1の発明のチタン合金に相当するものであり、上記第1の発明の説明で記載した通り、上記チタン合金は、冷間加工のみで高強度が得られ、かつ低剛性である。前記した通り、ゴルフクラブのクラブヘッドによって打ち放ったゴルフボールの飛距離を高めるためには、ゴルフボールとクラブヘッドが衝突した際にフェース部のたわみが大きくなるように設計し、たわんだフェース部が元の形状に戻ろうとする力をより大きく利用できるようにすること、大きくたわんでも、永久変形が残らないことが必要である。すなわち、弾性変形の範囲内で大きなエネルギーを蓄積できる合金であることが重要である。本発明者等は前記した合金について、その性能を詳細に調査した結果、従来合金ではほとんど困難であった歪値まで永久変形が残らず、大きなエネルギー蓄積能力を有することを見出したものである。
なお、ゴルフクラブヘッドには、フェース部のほかに、クラウン部、ソール部、サイド部があるが、これらの部位は本発明の合金を使用しても良いし、他の合金でも構わない。但し最近では、300mlを超える大容量のクラブヘッドが好まれており、Feに比べ比重の低い材料を用いた方が適していること、フェース部に用いる本発明合金と溶接が可能な合金とする必要があることから、他の部位についてもTi合金とした方が良いことは当然である。
また、上記第3の発明においても、上述したように、上記チタン合金においては、上記Tiの一部に代えて、さらに、Al、Sn、Ta、Wのうち1種又は2種以上を含有し、その含有量は、質量%で、これら全体で25%以下であり、かつAlとSnの合計が5%以下、TaとWの合計が20%以下であることが好ましい。The present invention has a low Young's modulus, good cold workability, can easily achieve a high strength of 1000 MPa or more without relying on an aging treatment, and maintains high wearability when applied to jewelry. To provide a low-rigidity, high-strength titanium alloy that can be manufactured by a light-weight method and that can be manufactured by a melting method, and that can be used to manufacture a glass frame that is lightweight and improves wearability. Is one purpose.
Another object of the present invention is to provide a new titanium alloy capable of obtaining a large flight distance when applied to the face portion of a golf club head.
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research to find a range of components that can be obtained with excellent properties for all of high strength, low rigidity, and cold workability, and that can be manufactured by a melting method. As a result, the following knowledge was obtained and the present invention was completed.
(1) Titanium alloys usually have a Young's modulus of about 80 to 110 GPa, but when an appropriate amount of Nb and V is added, thermoelastic martensite is generated by stress-induced transformation at a low stress below the yield stress. As a result, an apparent distortion occurs, and when the stress is removed, the original matrix is restored by reverse transformation, so that the Young's modulus can be lowered. In this respect, the same is true for the invention of
(2) In order to increase the strength while maintaining excellent cold workability and low rigidity for the alloy described in (1), it is effective to add Mo and Zr in combination, and the necessary cold An appropriate addition range for ensuring processability was found.
(3) In order to improve the flight distance of the golf club and make it possible to fly far away, the deflection of the face portion becomes large at the moment the ball hits the face portion, and the stored elastic energy is large. It is said that it is necessary (for example, refer nonpatent literature 1). That is, it is considered that the stored elastic energy becomes a restoring force and rebounds the ball.
[Non-Patent Document 1] Titanium Vol. 50, no. 3, P185-192
In order to increase the elastic energy that can be accumulated, by having a high strength and making it possible to reduce the plate thickness of the face portion, the deflection is increased when the ball is hit, Two points are important in selecting a material that does not undergo plastic deformation with a larger deflection by lowering the Young's modulus.
Alloys developed with the concepts of (1) and (2) above for the characteristics required for this golf club are very suitable, and the limit strain that returns to its original shape when unloaded even when deformed. It was found that the value was extremely high and high elastic energy could be accumulated.
The present invention has been made by obtaining the above findings (1) to (3).
The first invention completed by obtaining the knowledge explained above is mass%, Nb: 25% or less, V: 15% or less, 1 type or 2 types (however, Nb + V ≧ 0.5%, Nb, V V is less than 10% at the time of compound addition), Mo: 3 to 20%, Zr: 7.1 to 30%, O: 0.30% or less, the balance is made of Ti and inevitable impurity elements It is a low-rigidity and high-strength titanium alloy with excellent cold workability.
Next, the reason for limiting each component range of the titanium alloy will be described.
Nb: 25% or less, V: 15% or less,
Nb and V are the most important elements for the present invention, and by adding one or two of Nb and V, thermoelastic martensite is generated when stress is applied as described above, and the original mother is used when stress is removed. A low Young's modulus can be achieved by returning to the phase. In order to obtain the effect, at least the total content of Nb and V needs to be 0.5% or more. In particular, since Nb has a large Young's modulus reduction effect, if either one is selected, it is more preferable to add Nb alone. However, if it is added in a large amount, it may be produced by sintering. However, in the production by the melting method, it becomes difficult to produce an ingot having uniform performance, and stable performance cannot be obtained. % And V were 15%. When Nb and V are added in combination, the upper limit of V needs to be less than 10% for the same reason.
Note that Nb and V tend to increase in specific gravity as the addition amount increases, and the lightening effect may be reduced. Therefore, when the specific gravity is important, it is desirable that the total content of Nb and V is less than 30%.
In order to improve both the solubility and the cold workability, it is preferable that Nb is in the range of 1 to 18% and V is limited to 5% or less. In this case, if Nb is less than 1%, exceeds 18%, and V exceeds 5%, it may be difficult to improve both solubility and cold workability. Furthermore, the content of Nb in the case of improving both the solubility and the cold workability is further limited according to the limited range of the content of Mo described later, so that either the solubility or the cold workability can be achieved. Can be further improved.
Mo: 3 to 20%, Zr: 7.1 to 30%,
Mo and Zr are elements necessary for obtaining high strength of 1000 MPa or more only by cold working without depending on aging treatment. The effect of high strength increases as the addition amount of both Mo and Zr increases. However, to obtain the desired strength, it is necessary to add at least 3% of Mo and 7.1% of Zr. However, addition of a large amount leads to an increase in Young's modulus and lowers the cold workability. Therefore, to prevent this, the upper limit was made 20% for Mo and 30% for Zr. Desirably, the upper limit of Zr should be less than 25%.
Further, in order to further improve both the solubility and the cold workability, Mo is made 3 to 12%, more preferably 5 to 12%, and Zr is made 7.1% or more and less than 20%. It is preferable to limit. In this case, when Mo is less than 3% or more than 12%, and when Zr is less than 7.1% or more than 20%, both solubility and cold workability should be improved. May become difficult. And when Mo is 8% or more, by limiting Nb to a range of 2 to 6%, it is possible to further improve the solubility in particular among solubility and cold workability, while Mo is 3 to 7%. In the range of%, by limiting Nb to the range of 12 to 16%, it is possible to further improve particularly the cold workability among the solubility and the cold workability. Further, by limiting Zr to a range of 8 to 14%, more preferably 9 to 11%, both solubility and cold workability can be further improved.
O: 0.30% or less,
It is known that O can be increased in strength when added, but there is a problem that cold workability decreases and Young's modulus increases as the amount added increases. Therefore, it is desirable to suppress the amount as much as possible in the present invention which places importance on maintaining excellent cold workability and low rigidity. However, since O is an impurity element that is inevitably mixed during the production, if the upper limit value is extremely lowered, the production becomes difficult. Therefore, the content in the range of 0.30% or less is allowed.
Next, in the titanium alloy of the first invention, in place of a part of the Ti, one or more of Al, Sn, Ta, and W are further contained. %, And the total of Al and Sn is preferably 5% or less, and the total of Ta and W is preferably 20% or less. The same applies to the second and third inventions described later. Hereinafter, the reasons for limiting the composition range of each element will be described.
Al, Sn, Ta, and W are elements having an effect of further improving the strength by adding to the alloy according to claim 1 as necessary. However, if it is contained in a large amount, high strength can be obtained, but the Young's modulus increases and it becomes difficult to achieve both high strength and low rigidity, and cold workability deteriorates, making it difficult to manufacture the product. It was assumed that the workability and Young's modulus could be added within a range where the adverse effect on the workability and Young's modulus was small (the total of the two elements of Al and Sn was 5% or less and the total of the two elements of Ta and W was 20% or less in mass%).
However, Ta has an effect of improving the strength, but if added in a large amount, it becomes difficult to manufacture by a melting method. Therefore, in consideration of manufacturability, it is more preferable to use an element other than Ta and to add no Ta.
In addition to Nb and V, when Ta is added, the specific gravity tends to increase and the lightening effect tends to decrease. Therefore, when the specific gravity is important, the total content of the three elements is set to 30. It is preferable to make it less than%.
In order to further improve both the solubility and the cold workability, the total content of Al and Sn is limited to a range of 1 to 4%, and the content of Al is 1 to 4%. It is preferable to limit the content to 1 to 3%.
Next, the second invention is a glasses frame formed by using a cold-worked wire made of a titanium alloy as at least a part of the material,
The above titanium alloy is in mass%, Nb: 25% or less, V: 15% or less, or 1 or 2 types (however, Nb + V ≧ 0.5%, V at the time of combined addition of Nb and V is less than 10%), The eyeglass frame is characterized in that it contains Mo: 3 to 20%, Zr: 7.1 to 30%, O: 0.30% or less, and the balance is made of Ti and inevitable impurity elements.
The titanium alloy in the second invention corresponds to the titanium alloy of the first invention described above, and can achieve low rigidity and high strength only by cold working without depending on aging treatment, and sintering. It is a titanium alloy that can be manufactured at low cost because it can be manufactured not by the process but by the melting method. This alloy has excellent properties, so many kinds of accessories, portable items (watches, earrings, rings, tie pins, brooches, cufflinks, mobile phones, belt buckles, various keys, lighters, various It can be applied to writing instruments (ballpoint pens, etc.), key holders, necklaces, bracelets, earrings, metal fittings such as handbags and wallets), and artificial bones, etc. it can.
In other words, the eyeglass frame is always worn on the face of the person, so there is a strong demand for weight reduction and a fit with the face is required, so it can be easily deformed by an external force and immediately removed. This is because it is necessary to return to the original shape, and the product is most required to have low rigidity and high strength.
By manufacturing a glass frame using a cold-worked wire manufactured from the above titanium alloy, it is excellent in wearability and fit, and can be manufactured at a much lower weight than when a conventional alloy is used. . The eyeglass frame is composed of a temple part, a rim part, and a bridge part, but the alloy of the present invention may be used for all or a part thereof. In particular, the temple part is the part most related to the wearability and fit, so when using the alloy of the present invention for a part, the use of the alloy of the present invention for the temple part provides excellent wearability and fit. A glasses frame can be manufactured. In addition, since the alloy of the present invention has high strength, it is possible to manufacture a glass frame that is significantly lighter than conventional pure titanium frames when used in all the above-described parts. .
In the second invention, as described above, the titanium alloy further contains one or more of Al, Sn, Ta, and W instead of a part of the Ti. The content is, by mass, 25% or less as a whole, and the total of Al and Sn is preferably 5% or less, and the total of Ta and W is preferably 20% or less.
Next, a third invention is a golf club head using a cold-worked plate material made of a titanium alloy for a face portion.
The above titanium alloy is in mass%, Nb: 25% or less, V: 15% or less, or 1 or 2 types (however, Nb + V ≧ 0.5%, V at the time of combined addition of Nb and V is less than 10%), A golf club head comprising Mo: 3 to 20%, Zr: 7.1 to 30%, O: 0.30% or less, and the balance being made of Ti and inevitable impurity elements.
The titanium alloy of the third invention also corresponds to the titanium alloy of the first invention, and as described in the explanation of the first invention, the titanium alloy can obtain high strength only by cold working. And low rigidity. As described above, in order to increase the flight distance of the golf ball hit by the club head of the golf club, the face portion is designed so that the deflection of the face portion increases when the golf ball and the club head collide. It is necessary to make more use of the force for returning to its original shape, and it is necessary that no permanent deformation remains even if it is greatly bent. In other words, it is important that the alloy be capable of accumulating large energy within the range of elastic deformation. As a result of investigating the performance of the above-described alloy in detail, the present inventors have found that permanent deformation does not remain up to a strain value that has been almost difficult with conventional alloys, and has a large energy storage capability.
In addition to the face portion, the golf club head includes a crown portion, a sole portion, and a side portion, but these portions may use the alloy of the present invention or other alloys. Recently, however, club heads with a large capacity exceeding 300 ml have been favored, and it is more suitable to use a material having a specific gravity lower than that of Fe, and the alloy of the present invention used for the face portion can be welded. Since it is necessary, it is natural that other parts should be made of a Ti alloy.
Also in the third invention, as described above, the titanium alloy further contains one or more of Al, Sn, Ta, and W instead of a part of the Ti. The content is, by mass, 25% or less as a whole, and the total of Al and Sn is preferably 5% or less, and the total of Ta and W is preferably 20% or less.
図1は、実施例として製造しためがねフレームを示す説明図。
図2は、実施例として適用できるウッド型ゴルフクラブヘッドを示す説明図。
図3は、実施例として適用できるアイアン型ゴルフクラブヘッドを示す説明図。FIG. 1 is an explanatory view showing a glass frame manufactured as an example.
FIG. 2 is an explanatory view showing a wood type golf club head applicable as an embodiment.
FIG. 3 is an explanatory view showing an iron type golf club head applicable as an embodiment.
次に本発明の特徴を実施例により明らかにする。表1に実施例として使用した供試材の化学成分を示す。このうちNo.1〜14が本発明の請求範囲内の合金であり、No.1〜8が請求項1に該当する合金、No.9〜14が請求項2に該当する合金である。また、No.15〜26合金はいずれかの成分含有率が本発明の範囲外である比較合金であり、No.27、28合金はそれぞれ従来合金であるTi−15V−3Cr−3Sn−3Al合金、Ti−11.5Mo−6Zr−4.5Sn合金(βIII合金とも呼ばれている。)であり従来合金の中で最も高強度を得られることが知られている合金である。
(表1)
これらの供試材は、真空2重アーク溶解により溶製された10kgのインゴット(直径120mm)を熱間鍛造及び熱間圧延で直径6mmの線材とし、表面の酸化層を酸洗で除去し、さらに断面減少率が50%となる冷間圧延を中間での焼鈍を行わずに実施することにより準備した。そして、得られた供試材を用いて引張強度及びヤング率の測定を行った。
ヤング率は引張試験片に歪ゲージを取り付け、引張試験実施中における応力−歪曲線を測定し、弾性範囲内の前記曲線の勾配から求めた。
冷間加工性は、前記した供試材準備時の減面率50%の冷間圧延が正常に行うことができた場合を○、割れ、キズが発生し正常に圧延できなかった場合を×で示した。前記した表1にその結果を示す。
表1から明らかなように、本発明合金であるNo.1〜14合金は、いずれも断面減少率50%の冷間圧延を正常に行うことができ、かつ80GPa以下の低いヤング率と1000MPa以上の高い引張強度を示し、めがねフレームでの適用時に重要視されるバネ特性に非常に優れていることがわかる。
それに対し比較合金であるNo.15〜26合金は、いずれかの元素の含有率が本発明の条件を満足しないために、ヤング率、引張強度、冷間加工性のいずれかが本発明合金に比べ劣るものである。具体的にはNo.15〜16、18、20〜24合金は、表1で*で示した元素が範囲外であるため、ヤング率が劣るものであり、No.17、19合金は強度向上に効果の大きい元素であるMo、Zrの含有率が低いため、強度が大きく劣るものであり、No.25、26合金はOの含有率が高いため、冷間加工性が大きく低下し、冷間圧延時に割れ、キズが発生したものである。
また、従来合金であるNo.27、28合金は、従来合金の中で最も高強度の得られる合金であり、強度については優れた値を示しているが、ヤング率が高く、高強度と低剛性の両立ができていないものである。
以上の結果より本発明合金により優れた特性の得られることが明らかになったので、実際に本発明合金を用いて図1に示されるようなめがねフレームを製造した。なお、図中で1はテンプル部、2はリム部、3はブリッジ部である。このうち、1のテンプル部が最も装着性、フィット性の良し悪しに影響の大きい部品であるため、1種類はテンプル部、リム部、ブリッジ部の全てが純チタン(ヤング率100GPa、引張強度600MPa)からなるめがねフレーム(従来のめがねフレーム)を製造し、もう1種類としてテンプル部のみ表1に示すNo.1に相当する合金を用い、リム部、ブリッジ部は前記と同じ純チタンからなるめがねフレームを製造した。そして、リム部、ブリッジ部については両者とも同じ寸法とし、テンプル部については引張による破断荷重が同一となるよう太さを変更し、長さは同一となるようにして製造した。製造後に質量を測定した結果、純チタンのみから製造しためがねフレームが5.5gであったのに対し、テンプル部に本発明合金を用いためがねフレームは4.3gと1.2gの軽量化を実現することができた。
この試作しためがねフレームの使用した合金の違いによる効果であるが、装着性、フィット性は個人によっても評価に差が生じ、数値で明確に評価することは困難であるため、無作為に20人を選び装着性、フィット性について5段階評価を実施(評価が5、4、3、2、1のそれぞれについて点数を5、4、3、2、1として評価)し、その平均点で評価した。その結果、従来合金のみにより製造しためがねフレームが平均3.2点であったのに対し、本発明の合金を使用しためがねフレームは、平均4.5点とかなりの改善がみられた。これは軽量化効果に加え、ヤング率の低下と高強度化により、めがねをかける時にテンプル部の間隔の調整の自由度が大きくなったことにより、フィット性が向上したことが大きな原因と推定される。
次に本発明からなるTi合金をゴルフクラブヘッドのフェース部に用いた場合に、飛距離の優れたクラブを製造できることを示す別の実施例を示す。実験は、前記実施例で使用した供試合金のうち、本発明合金として2、11、12合金、従来合金(15−3−3−3合金)である27合金を選択し、前記した引張試験と同じ方法で引張試験片を準備した。
ここで、従来合金として、15−3−3−3合金である27合金を選択したのは、15−5−3合金(15%Mo−5%Zr−3%Al−77%Ti)とともに、従来から知られているTi合金の中でゴルフクラブヘッドのフェース部に現在も最も多く使用されているβ型Ti合金であり、この合金との性能の差異を明確にすることが必要だと判断したからである。
そして、様々な歪値まで試験片を引張って、各歪値における強度を記録し、さらに除荷後に永久歪が生じているかを調査した。その結果得られた弾性限強度(除荷後に元の寸法に戻る限界まで引張った時の強度)、弾性限歪ε1(除荷後に元の寸法に戻る限界の歪)及び応力−歪曲線から、それぞれの合金について蓄積できる弾性エネルギーを求めた。弾性エネルギーは、応力−歪曲線と縦軸(歪=0)、横軸(応力=0)、歪=ε1で囲まれる面積から求めることができる。なお、弾性エネルギーは、従来合金である27合金のエネルギーを100として、整数比で示した。
この値は、それぞれの合金が、弾性変形の範囲内で蓄積できるエネルギーの大小を示すものであり、この値が大きいほど、フェース部に用いた際により大きくたわんでも、元の形状に戻ることを意味し、飛距離の上昇に貢献できるクラブの製造が可能となるからである。結果を表2に示す。
(表2)
表2から明らかなように、本発明合金は、従来合金27に比べ2〜3倍の弾性エネルギーを蓄積できることが明らかとなった。従って、本発明合金をゴルフクラブに適用した場合には、このエネルギーをボールを跳ね返す復元力として有効利用できるように、適切な設計をすることによって、飛距離の優れたクラブの製造を可能とすることが期待できる。
なお、本発明合金を適用しうるゴルフクラブヘッドの構造の1例を図2、図3に示す。
図2に示すものは金属製ウッド型のクラブヘッド4であり、一般的に、ゴルフボールを捕捉するフェース部41と、クラウン部、ソール部、サイド部を備えた本体部分42とを組み合わせて構成される。
図3に示すものはアイアン型のクラブヘッド5であり、全体を1つの合金で作製したものもあるが、フェース部51と、その周囲の部分52を別合金で作製して組み合わせたものが本発明の適用例である。Next, features of the present invention will be clarified by examples. Table 1 shows chemical components of the test materials used as examples. Of these, No. Nos. 1 to 14 are alloys within the scope of the present invention. Nos. 1 to 8 are alloys corresponding to claim 1; 9 to 14 are alloys corresponding to claim 2. No. Alloys 15 to 26 are comparative alloys in which any component content is outside the scope of the present invention. Alloys 27 and 28 are Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al alloy and Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn alloy (also called βIII alloy), which are conventional alloys, respectively. This alloy is known to have the highest strength.
(Table 1)
These test materials are 10 kg ingot (diameter 120 mm) melted by vacuum double arc melting into a wire rod having a diameter of 6 mm by hot forging and hot rolling, and the surface oxide layer is removed by pickling. Furthermore, it prepared by implementing cold rolling which cross-sectional reduction rate will be 50%, without performing intermediate annealing. And the tensile strength and Young's modulus were measured using the obtained test material.
The Young's modulus was obtained from the slope of the curve within the elastic range by attaching a strain gauge to the tensile test piece, measuring the stress-strain curve during the tensile test.
The cold workability is ○ when the above-described cold rolling with a reduction in area of 50% at the time of preparation of the test material can be performed normally, and when the rolling and cracking occur and the rolling cannot be performed normally. It showed in. The results are shown in Table 1 described above.
As is apparent from Table 1, No. 1 is an alloy of the present invention. All the alloys 1 to 14 can normally be cold rolled with a cross-section reduction rate of 50%, exhibit a low Young's modulus of 80 GPa or less and a high tensile strength of 1000 MPa or more, and are important when applied to a spectacle frame. It can be seen that the spring characteristics are very excellent.
On the other hand, No. which is a comparative alloy. Since the content of any element of the 15 to 26 alloy does not satisfy the conditions of the present invention, any of Young's modulus, tensile strength, and cold workability is inferior to the alloy of the present invention. Specifically, no. In the alloys 15 to 16, 18, 20 to 24, the elements indicated by * in Table 1 are out of the range, so the Young's modulus is inferior. Alloys Nos. 17 and 19 have a low content of Mo and Zr, which are elements that are highly effective in improving the strength. Since Alloys 25 and 26 have a high O content, cold workability is greatly reduced, and cracks and scratches occur during cold rolling.
In addition, No. which is a conventional alloy. Alloys 27 and 28 are the alloys with the highest strength among the conventional alloys, and show excellent values for strength, but have high Young's modulus and cannot achieve both high strength and low rigidity. It is.
From the above results, it has been clarified that excellent characteristics can be obtained by the alloy of the present invention. Therefore, an eyeglass frame as shown in FIG. 1 was actually manufactured using the alloy of the present invention. In the figure, 1 is a temple portion, 2 is a rim portion, and 3 is a bridge portion. Of these, one temple part is the part that has the greatest influence on wearability and fit, so one type of temple part, rim part, and bridge part are all pure titanium (Young's modulus 100 GPa, tensile strength 600 MPa) No. 1 in which only the temple portion is shown in Table 1 is manufactured. An eyeglass frame made of the same pure titanium as described above was manufactured using an alloy corresponding to No. 1. The rim part and the bridge part were manufactured to have the same dimensions, and the temple part was changed in thickness so that the breaking load by tension was the same, and the length was the same. As a result of measuring the mass after manufacturing, the glass frame made from pure titanium was 5.5 g, whereas the glass frame using the alloy of the present invention for the temple part was reduced to 4.3 g and 1.2 g in weight. Could be realized.
This is because of the difference in the alloy used for the prototype glasses frame, but the wearability and fit may vary depending on the individual, and it is difficult to evaluate clearly with numerical values. 5 levels of wearability and fit were selected (assessment was evaluated as 5, 4, 3, 2, 1 for each of 5, 4, 3, 2, 1), and the average score was evaluated. . As a result, the average number of frame frames manufactured using only the conventional alloy was 3.2 points, while the average size of frame frames using the alloy of the present invention was an average of 4.5 points. This is presumed to be due to the improved fit because the Young's modulus is reduced and the strength is increased, and the degree of freedom in adjusting the distance between the temples is increased when wearing glasses. The
Next, another embodiment will be shown which shows that when a Ti alloy according to the present invention is used for a face part of a golf club head, a club having an excellent flight distance can be manufactured. In the experiment, 2, 11, 12 alloy, 27 alloy which is a conventional alloy (15-3-3-3 alloy) is selected as the alloy of the present invention from the match money used in the above examples, and the tensile test described above. Tensile test specimens were prepared in the same manner.
Here, as a conventional alloy, 27 alloy which is 15-3-3-3 alloy was selected together with 15-5-3 alloy (15% Mo-5% Zr-3% Al-77% Ti), It is a β-type Ti alloy that is the most commonly used for the face part of golf club heads among the conventionally known Ti alloys, and it is necessary to clarify the difference in performance from this alloy. Because.
Then, the test piece was pulled to various strain values, the strength at each strain value was recorded, and it was further investigated whether permanent strain was generated after unloading. From the resulting elastic limit strength (strength when pulled to the limit to return to the original dimension after unloading), elastic limit strain ε1 (limit strain to return to the original dimension after unloading) and the stress-strain curve, The elastic energy that can be accumulated for each alloy was determined. The elastic energy can be obtained from an area surrounded by a stress-strain curve, a vertical axis (strain = 0), a horizontal axis (stress = 0), and strain = ε1. The elastic energy is expressed as an integer ratio with the energy of 27 alloy, which is a conventional alloy, being 100.
This value indicates the amount of energy that each alloy can store within the range of elastic deformation, and the larger this value, the more it returns to its original shape even when it is used for the face part. This means that it is possible to manufacture a club that can contribute to an increase in flight distance. The results are shown in Table 2.
(Table 2)
As is apparent from Table 2, the alloy of the present invention can accumulate 2 to 3 times the elastic energy as compared with the conventional alloy 27. Therefore, when the alloy of the present invention is applied to a golf club, it is possible to manufacture a club having an excellent flight distance by appropriate design so that this energy can be effectively used as a restoring force to rebound the ball. I can expect that.
An example of a golf club head structure to which the alloy of the present invention can be applied is shown in FIGS.
FIG. 2 shows a metal wood-type club head 4 that is generally configured by combining a
FIG. 3 shows an iron-type club head 5, and the whole is made of one alloy, but the
以上の結果から明らかなように、本発明合金は冷間加工による線材への加工が可能な加工性を有しているため、加工硬化による高強度化を容易に達成することができ、エージング処理に頼ることなく1000MPa以上の引張強度を得ることができる。また、高強度と同時に80GPa以下の低ヤング率を達成でき、数多くの種類の携帯品、装身具は勿論の事、人体の骨に近いヤング率を有しているため、人工骨等の医療分野にも適用でき、特にめがねフレームに適用すると、大幅に装着性、フィット性を改善できることが可能となる。
また、本発明合金は、従来合金に比べより多くの弾性エネルギーを蓄積できるので、ゴルフクラブヘッドのフェース部に用いた場合に、より大きな反発力をボールに与えることができ、飛距離の優れたクラブを製造することができる。As is clear from the above results, the alloy of the present invention has workability that can be processed into a wire by cold working, so that high strength by work hardening can be easily achieved, and aging treatment A tensile strength of 1000 MPa or more can be obtained without depending on the above. In addition, it can achieve high strength and low Young's modulus of 80 GPa or less, and it has a Young's modulus close to human bones as well as many kinds of portable goods and accessories. In particular, when applied to a spectacle frame, it is possible to greatly improve the wearability and fit.
Further, the alloy of the present invention can store more elastic energy than the conventional alloy, so when used in the face part of a golf club head, it can give a larger repulsive force to the ball and has an excellent flight distance. Clubs can be manufactured.
Claims (6)
上記チタン合金は、質量%で、Nb:25%以下、V:15%以下の1種又は2種(但しNb+V≧0.5%、Nb、Vの複合添加時のVは10%未満)、Mo:3〜20%、Zr:7.1〜30%、O:0.30%以下を含有し、残部がTi及び不可避的不純物元素からなることを特徴とするめがねフレーム。In a glasses frame formed by using a cold-worked wire made of a titanium alloy as at least a part of the material,
The above titanium alloy is in mass%, Nb: 25% or less, V: 15% or less, or 1 or 2 types (however, Nb + V ≧ 0.5%, V at the time of combined addition of Nb and V is less than 10%), A spectacle frame containing Mo: 3 to 20%, Zr: 7.1 to 30%, O: 0.30% or less, and the balance being made of Ti and inevitable impurity elements.
上記チタン合金は、質量%で、Nb:25%以下、V:15%以下の1種又は2種(但しNb+V≧0.5%、Nb、Vの複合添加時のVは10%未満)、Mo:3〜20%、Zr:7.1〜30%、O:0.30%以下を含有し、残部がTi及び不可避的不純物元素からなることを特徴とするゴルフクラブヘッド。In a golf club head using a cold-worked plate material made of a titanium alloy for the face part,
The above titanium alloy is in mass%, Nb: 25% or less, V: 15% or less, or 1 or 2 types (however, Nb + V ≧ 0.5%, V at the time of combined addition of Nb and V is less than 10%), A golf club head comprising Mo: 3 to 20%, Zr: 7.1 to 30%, O: 0.30% or less, the balance being made of Ti and inevitable impurity elements.
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