KR101132812B1 - 탄소 나노 입자를 분산 강화시킨 타이타늄 합금 및 그를이용한 골프 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노 입자를 분산 강화시킨 타이타늄 합금 및 그를 이용한 골프 헤드에 관한 것으로서, Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V 및 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al으로 구성된 합금 군으로부터 선택된 어느 하나의 모재에 5 내지 2000ppm의 탄소 나노 입자를 균일하게 분산 첨가시킨 타이타늄 합금에 관한 것이다. 이러한 소재를 이용한 본 발명의 골프 헤드는 비거리 증대와 더불어 슬라이스 발생의 억제능이 뛰어난 골프 헤드가 구현될 수 있다.

나노 탄소 입자, 진공유도 용해, 분산 강화

Description

탄소 나노 입자를 분산 강화시킨 타이타늄 합금 및 그를 이용한 골프 헤드{Carbon Nano particle dispersed Titanium Alloy and Golf Head using them}

도 1은 4피스로 이루어진 일반적인 골프 헤드를 나타내는 도면.

도 2은 2피스로 이루어진 일반적인 골프 헤드를 나타내는 도면.

도 3은 2피스로 이루어지고 기존의 치수를 갖는 종래의 골프 헤드를 나타내는 도면.

도 4a 및 4b는 본 발명의 타이타늄 합금의 조직 사진.

도 5는 본 발명의 타이타늄 합금으로 제조된 골프 헤드를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 타이타늄 합금의 분석 결과를 나타내는 그래프로서, 모재에 25 내지 500ppm의 나노 탄소 입자를 분산 용해시킨 소재에 대한 EPMA 분석 결과.

도 7은 본 발명의 타이타늄 합금의 국부 분석 데이터를 나타내는 표.

도 8은 통상의 Ti-6Al-4V 합금과 본 발명의 나노 탄소 입자가 분산된 Ti-6Al-4V-C 합금의 기계적 성질을 비교한 결과표.

본 발명은 타이타늄 합금에 관한 것으로, 특히 골프 헤드로 이용되기에 적합하도록 탄소 나노 입자를 분산 강화시킨 타이타늄 합금에 관한 것이다.

기존의 골프헤드는 도 1과 같이, 크라운(crown)부, 솔(soul)부, 페이스(face)부 호젤(hozel)부로 나뉘어진 4 피스가 일반적이며, 헤드의 용적은 드라이브 타격 시에 비거리를 증대시키기 위해 대형화되고 있다. 최근에는 헤드 용적이 500cc가 넘는 대형 헤드가 등장하고 있으며, 이를 위해서는 비강도가 가장 높은 타이타늄 합금이 최적의 소재로 평가되고 있다. 그러나 이와 같은 헤드는 4 피스를 용접 단조하는 방식으로 제조되기 때문에, 용접 부위가 많고 품질 관리 상의 어려움은 물론 생산성이 매우 낮은 문제점이 있었다.

따라서, 도 2와 같이, 페이스부를 제외한 크라운부, 솔부 및 호젤부를 주조 방식으로 일체화한 바디(body)부와 페이스부로 이루어진 2 피스 헤드가 개발되어 그 이용이 점차 확대되고 있다. 이러한 2피스 헤드의 바디부는 통상 Ti-6Al-4V 합금으로 주조하는 것이 일반적이며, 또한 페이스부는 통상 β형 SP700, DAT51, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 합금, Ti-10V-2Fe-3Al 합금, Ti-10V-2Fe-3Al 합금, Ti-15Mo-5Zr-3Al 합금 등을 일반적으로 사용하고 있다. 또한, 바디부는 강한 임팩트가 가해지는 페이스부와의 용접부, 즉 페이스 주변부를 제외한 부위를 1.2 내지 2mm 두께를 갖고, 페이스부는 2.8mm의 두께로 갖는다. 그러나 이와 같은 2피스 헤드는, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 바디부에 있어서 강한 임팩트가 작용하는 페이스 주변부를 통상의 두께보다 두꺼운 1.5 내지 1.8mm 두께로 보강하여 소재의 균열 등을 예방하 여야 한다. 따라서, 이는 임팩트 시에 페이스 소재 고유의 반발 특성을 저하시키게 되고 또한 경쾌한 타구음을 내기 어려웠다. 그런가 하면, 이러한 중요 부위의 두께를 낮출 경우 피로 강도의 부족으로 등으로 인해 사용중에 깨어지는 문제 등이 발생하므로, 이 한계를 극복하기 어려웠다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 본 발명은 탄소 나노 입자를 분산 강화시켜서 골프 헤드용으로 적합한 타이타늄을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 개선된 소재를 이용하여 제조된 골프 헤드를 제공하는 것이다.

본 발명의 탄소 나노 입자를 분산 강화시킨 타이타늄 합금은, Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V 및 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al으로 구성된 합금 군으로부터 선택된 어느 하나의 모재에 5 내지 2000ppm의 탄소 나노 입자를 균일하게 분산 첨가시킨 타이타늄 합금이다.

또한, 본 발명의 탄소 나노 입자를 분산 강화시킨 타이타늄 합금은 Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V 및 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al으로 구성된 합금 군으로부터 선택된 어느 하나의 모재를 진공 유도 용해 방식으로 용해하고, 5 내지 2000ppm의 탄소 나노 입자를 첨가하여 생성된 타이타늄 합금이다.

여기에서, 탄소 나노 입자는 바람직하게는 알루미늄 캡슐에 담긴 튜브형 나노입자이다.

또한, 본 발명의 골프 헤드는 상술한 개선된 본 발명의 타이타늄 합금을 이용하여 제조된 골프 헤드이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.

본 발명은 타이타늄 골프 헤드를 주조할 때, 탄소 나노 입자를 첨가함으로써 모재의 강도 강화에 기여하는 분산 강화를 얻게 된다. 이를 위해, 골프 헤드 제작용 모재로서, 일반적으로 사용하는 Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V 및 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al을 사용한다. 이와 같은 모재 중의 어느 하나를 용해한 후 나노 탄소 입자를 5 내지 2000ppm의 범위로 첨가하였다. 이때, 용해는 자연적인 교반이 가능하여 미세한 나노 탄소의 첨가가 용이한 진공유도 용해 방식으로 하였다. 또한, 나노 탄소 입자는 알루미늄 캡슐에 담긴 튜브형 나노 탄소 입자로 하였다.

그 결과, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 타이타늄 주조 조직 내에 0.3㎛ 크기의 나노 탄소 입자가 1㎛ 간격으로 균일하게 분산되어 모재의 강도 강화에 기여하는 분산 강화 효과가 있음을 확인하였다.

따라서, 바디에 있어서 페이스 주변부의 두께를 당초 1.5 내지 2mm에서 1.2 내지 1.5mm로 줄일 수 있게 되었고, 또한 페이스부도 당초 2.8mm로부터 2.2 내지 2.6mm로 줄일 수 있게 되었다. 이에 따라, 타격시 반발력이 증대되고 경쾌한 타격음을 구현할 수 있었다.

또한, 본 발명의 강도가 강화된 타이타늄 소재를 사용한 골프 헤드는 상술한 바와 같이 페이스 주변부 및 페이스부의 두께를 줄임으로써, 더욱더 저 중심의 헤드를 구현할 수 있게 되었다. 즉, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 기존의 솔부 에 해당하는 하단부위의 안쪽에 두께를 더 부여할 수 있게 되었고, 스윙시 헤드 바깥쪽의 회전속도를 빠르게 유도하여 슬라이스 발생을 막을 수 있도록 헤드 전면부의 두께를 더 보강할 수 있게 되었다.

도 6은 Ti-6Al-4V 합금인 모재에 25 내지 500ppm의 나노 탄소 입자를 분산 용해시킨 소재에 대한 EPMA 분석 결과이다. 전체 원소 검량에서는 Ti, Al, V의 첨가량이 많고 상대적으로 탄소는 미량이어서 피크는 약하게 나타난다. 그러나, 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 국부 분석에서는 탄소 원소가 분산되어 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 통상의 Ti-6Al-4V 합금과 본 발명의 나노 탄소 입자가 분산된 Ti-6Al-4V-C 합금의 기계적 성질을 60kg 하중으로 1/16인치 볼을 이용하여 HRf 경도값을 비교한 결과이다. 알 수 있는 바와 같이, 나노 탄소 입자가 분산된 본 발명의 합금이 13O, 일반 Ti-6Al-4V 합금이 118로서 10%이상의 기계적 강도가 더 향상된 것을 알 수 있다.

따라서, 타격 시 가장 강한 임팩트가 작용하는 페이스 주변부의 소재 두께를 기존보다 약 10 ~ 20% 정도 줄일 수 있어서, 당초 1.5 내지 1.8mm로부터 1.2 내지 1.5mm의 두께로 하는 것이 가능하였다. 이에 따라 반발력을 결정하는 소재의 굽힘 반복 특성이 기존 보다 향상되어 동일한 타격 조건에서 비거리를 증대시킬 수 있게 되었다. 또한, 무게 중심을 저 중심으로 더 배분할 수 있게 되어 동일한 스윙 조건에서 원심력이 증대될 수 있게 되었고, 크라운부에 해당하는 전면부의 두께를 더 보강함으로써 동일한 스윙 조건에서 원심 속도가 증대하여 슬라이스 발생을 억제할 수 있게 되었다.

본 발명은 기존의 골프 헤드용 타이타늄 합금에 나노 탄소 입자를 분산 첨가함으로써 소재의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 제조 방식에 있어서 진공 유도 용해 방식을 채택하고, 나노 탄소 입자의 첨가를 알루미늄 캡슐에 담긴 튜브형 나노 입자로 함으로써, 보다 더 균일하게 분산 첨가가 가능하다. 이와 같은 개선된 방식으로 제조된 소재를 이용한 본 발명의 골프 헤드는 비거리 증대와 더불어 슬라이스 발생이 억제능이 뛰어난 골프 헤드가 구현될 수 있다.

Claims (4)

1. Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V 및 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al으로 구성된 합금 군으로부터 선택된 어느 하나의 모재를 용해하고, 여기에 5 내지 500ppm의 알루미늄 캡슐에 담긴 튜브형 나노 탄소 입자를 첨가하여, 탄소 나노 입자가 균일하게 분산되도록 생성한 타이타늄 합금
2. 제1항에 있어서, 상기 모재는 진공 유도용해 방식으로 용해되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.
3. 삭제
4. 상기 제1항 또는 제2항의 타이타늄 합금을 이용한 골프 헤드.

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