KR101586490B1 - 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법은 골프 클럽 헤드를 구성하는 중공 구조체(16) 및 상기 중공 구조체(16)의 전방에 결합되는 페이스부(14)를 준비하는 단계; 포일 형태의 저융점 필러금속을 상기 중공 구조체(16)와 페이스부(14) 간의 접합면의 크기와 동일하게 제단하는 단계; 상기 접합면과 동일하게 제단된 필러금속을 상기 중공 구조체(16) 상에 조립 지그를 사용하여 결합하는 단계; 상기 중공 구조체(16)와 중공 구조체(16)의 접합면 상에 상기 필러금속이 배치된 상태에서 고진공 분위기 하에서 승온 및 가열하는 단계; 및 기설정된 접합 유지 시간 동안 접합한 후 노냉하는 단계;를 포함한다.

Description

저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법{Method for Manufacturing Golf Club Head using Low Melting Point Filler Metal}

본 발명은 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 골프 클럽의 페이스부와 중공 구조체의 개구부 간의 브레이징 접합 공정을 포함하는 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법에 관한 것이다.

골프 클럽 중 드라이버 헤드의 구조는 볼을 타격하는 클럽 페이스부 및 페이스부와 결합되는 헤드의 상부와 하부를 형성하는 크라운 및 솔부를 갖는 형태이며, 전체적으로 중공 형태의 구조를 갖고 있다.

드라이버 헤드는 비거리 향상을 위하여 경량화 및 구조 변경이 이루어지고 있으며, 경량화를 위해서는 중공 구조를 갖는 크라운 및 솔부의 소재를 경량 금속 중 Ti 합금이나 카본 복합재의 사용을 통하여 경량화를 이루고 있다.

한편, 구조적 측면에서는 크라운 중간부 또는 솔부의 중간부에 부자재를 삽입하는 2중 또는 3중 구조를 갖도록 하여 비거리의 향상을 이루고 있다.

드라이버 헤드의 구조 중에서 볼과 직접적인 접촉이 이루어져 볼을 타격하는 클럽 페이스부는 고탄성의 Ti 합금계가 주를 이루고 있고, 더불어 클럽 페이스부의 면적이나 또는 그 표면에 형성된 그루브의 형상 변화를 통하여 비거리 향상을 이루고 있다.

종래의 기술로서 드라이버 헤드의 제조방법은 페이스부를 중공 구조체의 개구부에 용접을 통하여 결합하는 방법으로서 용접 공정의 특성상 페이스부와 개구부의 결합부가 용융된 후 냉각 과정을 거쳐 결합이 이루어진다.

상기와 같이 클럽 페이스부와 중공 구조체의 개구부 간에 형성되는 용접부의 일정한 영역에서 용접에 의한 변형과 열영향부가 발생하여 용접부의 후가공 처리가 필요하게 되며, 지속적인 볼 타격에 의한 피로 누적에 따라 파손 등이 발생한다.

한편, 골프 클럽 헤드를 구성하는 본체 부재와 페이스 부재 사이의 접합 강도 및 본체 부재와 솔 부재 사이의 접합 강도를 향상시킬 수 있는 골프 클럽 헤드에 관한 내용을 담고 있는 종래의 문헌으로는, 공개특허 제10-2012-0132381호(2012.12.05)를 참조할 수 있는데, 상기 문헌에서는 본체 부재 상에 구비되는 열 차단부 및 솔 부재 상에 구비되는 솔 보강부를 통하여 페이스 부재와 본체 부재 사이의 접합 강도를 증가한다는 내용을 개시하지만, 클럽 페이스부와 중공의 본체부를 결합하는 과정에서 발생하는 변형 및 후가공을 최소화하거나 배제할 수 있는 방안에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 한계가 있다.

(특허문헌 1) KR10-2012-0132381 A

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 중공 구조체와 결합되는 페이스부의 소재를 특정하고, 비정질 특성을 갖는 저용융점의 필러 금속을 특정하는 것을 기반으로 하여 페이스부와 중공 구조체의 개구부 간의 브레이징 접합 공정을 포함하는 골프 클럽의 제조방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법은 골프 클럽 헤드를 구성하는 중공 구조체(16) 및 상기 중공 구조체(16)의 전방에 결합되는 페이스부(14)를 준비하는 단계; 포일 형태의 저융점 필러금속을 상기 중공 구조체(16)와 페이스부(14) 간의 접합면의 크기와 동일하게 제단하는 단계; 상기 접합면과 동일하게 제단된 필러금속을 상기 중공 구조체(16) 상에 조립 지그를 사용하여 결합하는 단계; 상기 중공 구조체(16)와 중공 구조체(16)의 접합면 상에 상기 필러금속이 배치된 상태에서 고진공 분위기 하에서 승온 및 가열하는 단계; 및 기설정된 접합 유지 시간 동안 접합한 후 노냉하는 단계;를 포함한다.

상기 저융점 필러금속은 비정질 특성을 갖는 Zr₅₄Ti₂₂Ni₁₆Cu₈ 또는 Zr₅₀Ti₂₆Ni₂₄ 이다.

상기 승온 및 가열 단계는, 5×10^-5 torr 이상의 고진공 분위기에서 770 ℃까지 100(℃/min)으로 승온한 후 800 ℃까지 3(℃/min)으로 가열하는 단계를 포함한다.

상기 접합 유지 시간은 45분 내지 60분이다.

상술한 바와 같은 본 발명인 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법은 중공 구조체와 결합되는 페이스부의 소재를 특정하고, 비정질 특성을 갖는 저용융점의 필러 금속을 특정하는 것을 기반으로 하여 페이스부와 중공 구조체의 개구부 간의 브레이징 접합 공정을 제공한다.

또한, 본 발명은 지속적인 볼 타격에도 불구하고 안정적인 성능을 발휘할 수 있는 드라이버 헤드의 제조방법을 제공한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 골프 드라이버의 구조를 나타내는 개념도,
도 2 및 도 3은 골프 드라이버를 이루는 헤드의 개념도,
도 4는 종래에 사용되는 필러금속의 종류를 나타내는 자료,
도 5 및 도 6은 저용융점 Ti(Zr)계 필러금속을 통한 시차 열분석 결과,
도 7은 X선 회절분석 결과를 보이는 그래프, 및
도 8은 저용융점 필러금속과 Ti-6Al-4V 합금의 접합결과를 보이는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

먼저 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명이 적용되는 골프 드라이버의 구조를 설명한다.

골프 드라이버(10)는 상단에 배치되는 손잡이(11), 손잡이(11)로부터 길이 방향으로 연장되는 샤프트(12) 및 샤프트(12)의 하단으로 형성되는 헤드(13)를 포함한다.

헤드(13)는 금속 재질로 형성된 페이스부(14), 상기 페이스부(14)의 전면에 가로로 길게 형성되는 홈 형태의 디치라인(15), 및 페이스부(14)의 후방으로 배치되는 중공 구조체(16)를 포함한다.

본 발명은 골프 클럽 헤드의 제조에 이용할 수 있는 종래의 필러금속들 중에서 용융점이 가장 낮은 것이 839 ℃로서 β천이온도 구간에 있어 접합체의 강도 및 내구성 저하를 야기하는 문제점이 있었던 바, 이를 개선하는 차원에서 저융점 필러금속을 이용하여 골프 클럽을 제조하는 방안을 제안한다.

일반적으로 필러금속의 형상은 분말 형태로서 중공 구조체와 결합되는 페이스부의 접합면에 도포를 위하여 바인더 등이 추가로 혼합된 슬러리 형태를 갖게 된다.

종래에 사용되는 필러금속의 종류는 도 4에 제시된 바와 같다. 도 4가 개시된 문헌의 하기와 같다.

A. Shapiro and A. Rabinkin(2003), "State of the art of titanium - based brazing filler metals", Welding Journal, 82 (10), 36-43.

본 발명에서 제시하는 저용융점 Ti(Zr)계 필러금속의 실시예는 하기의 표 1에 제시된 바와 같다.

합금 조성			용융점		비고
at. %		wt. %	고상선	액상선
1	Zr50Ti26Ni24	63.22Zr-17.25Ti-19.52Ni	798	809	특정 조성
2	Zr54Ti22Ni16Cu8	66.33Zr-14.18Ti-12.64Ni-6.84Cu	774	783	특정 조성

상기 표 1에 제시된 저용융점 Ti(Zr)계 필러금속을 통한 시차 열분석 결과(DTA:Differential Thermal Analysis, 특정 필러금속의 용융점 분석)를 도 5 및 도 6의 그래프를 참조하여 설명한다.

시차 열분석법은 시료와 기준물질을 하나의 가열로 내에서 가열시켜 시료와 불활성 기준물질간의 온도 차이를 열전쌍으로 측정한다. 시료의 열적 변화를 관심 온도 영역에서 열적 변화를 일으키지 않는 불활성 물질과 비교함으로써 시료의 온도는 시료의 절대 온도만 측정할 때 보다 더욱 정확하게 측정할 수 있다.

기본적으로 히팅 블럭을 정적 속도로 가열하면 온도 차이는 일정할 것이지만, 시료가 어떤 반응을 하게 되면 시료와 기준물질의 온도차가 발생할 것이다. 흡열 반응 즉 시료의 용융시에 온도 차이는 증가되고 시료 용융이 끝날 때까지 계속 된다. 이 온도차를 기준 물질의 온도 Tr의 함수로써 플로팅하게 되면 DTA curve를 얻을 수 있게 된다.

예를 들어 발열 반응 중에 시료와 기준물질 간의 온도차는 반응 전 혹은 반응 후 더욱 커진다. DTA 는 시료와 기준물질 간의 온도 차이만을 제공하므로 정성 분석에 주로 쓰인다.

도 5 및 도 6에서는 공히 저용융점의 필러금속에 대한 용융점 분석은 시차열분석기를 이용하여 고순도의 아르곤 분위기에서 5℃/min의 승온속도와 냉각속도로 측정하였다.

먼저, 도 5는 Zr₅₀Ti₂₆Ni₂₄ 필러금속의 열분석결과를 보여주고 있으며, 승온시에 고상선(solidus, Ts)는 798℃, 액상선(liquidus, Tl)은 809℃임을 확인할 수 있다. 아울러 냉각시에는 단일의 흡열피크를 보이는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 6은 Zr₅₄Ti₂₂Ni₁₆Cu₈ 필러금속의 열분석결과를 보여주고 있으며, 승온시 고상선(solidus, Ts)는 774℃, 액상선(liquidus, Tl)은 783℃임을 확인할 수 있다. 아울러 냉각시에는 단일의 흡열피크를 보이는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 7을 참조하면 X선 회절분석 결과(XRD : X-ray Diffractometry)를 보이고 있는데, 표 1에 제시된 특정한 필러금속의 특성은 전형적인 비정질 특성을 보인다.

본 발명에 적용되는 저용융점 필러금속의 형상 및 제원은 하기와 같다.

즉, 고진공 급속응고장비(Melt Spinning 장비)를 활용하여 제조된 박판의 비정질 포일(foil) 형상을 갖고 포일의 두께는 약 40㎛ 내외를 갖게 된다.

본 발명에 적용되는 중공 구조체의 소재로서는 Ti계 합금을 사용한다.

페이스부의 소재로서 적용 가능한 Ti계 합금은 하기의 표 2와 같다. 페이스부 소재의 제조는 진공 중에서 아크용해 주조 공정을 통하여 제조하거나 급속냉각 공정을 통하여 제조하고 필요시 고밀도화를 위하여 단조공정을 추가할 수 있다.

Alloy Classification	Alloy Composition, (wt%)
α	Ti-5Al-2.5Sn
α(super α)	Ti-8Al-1Mo-1V
	Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
	Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo
α+β	Ti-6Al-4V
	Ti-6Al-2Sn-6V
	Ti-3Al-2.5V
α+β(near β)	Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo
	Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo
	Ti-3Al-10V-2Fe
β	Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr
	Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si (Timetal 21S)

이하, 골프 클럽을 구성하는 중공 구조체(16) 및 페이스부(14) 간에 필러금속을 투입하여 접합하는 공정을 설명한다.

먼저, 포일 형태의 필러금속을 중공 구조체(16)와 페이스부(14) 간의 접합면의 크기와 동일하게 제단한다.

접합면과 동일하게 제단된 필러금속과 중공 구조체(16)를 조립 지그를 사용하여 결합할 수 있으며, 조립 지그의 소재는 고강도 그라파이트 소재를 활용한다.
다음으로, 페이스부(14)와 중공 구조체(16)의 접합면 상에 필러금속이 배치된 상태로 중공 구조체(16)와 페이스부(14)를 결합한다.

5×10^-5 torr 이상의 고진공 분위기에서 770 ℃까지 100(℃/min) 으로 승온한 후 800 ℃까지 3(℃/min) 으로 서서히 가열한다.

800 ℃에서 45분 내지 60분 동안 유지하여 접합한 후 노냉하여 접합 공정을 완료한다.

도 8을 참조하여, Zr₅₄Ti₂₂Ni₁₆Cu₈ 및 Ti-6Al-4V 의 접합 특성을 보면 하기와 같다.

800℃의 접합온도에서 최대 강도를 얻기 위한 접합 유지시간을 확인하기 위해 접합시간에 따른 접합부 강도를 측정하였다. 도 8은 800℃의 온도에서 접합한 Ti-6Al-4V 합금 접합부의 접합시간에 따른 접합부 강도를 측정한 결과이다. 유지시간이 10분인 경우 접합강도는 200 MPa 이하로 매우 낮았으며 유지시간이 45분으로 증가하면서 973 MPa의 접합강도를 얻을 수 있었다. 이후 접합시간이 증가하면서 접합부 인장 및 항복강도의 변화는 관찰되지 않아 800℃ 저온에서의 모재 특성저하는 없는 것으로 확인되었다.

결과적으로, Zr₅₄Ti₂₂Ni₁₆Cu₈ 필러메탈을 이용하여 Ti-6Al-4V 합금을 접합한 결과 800℃, 60분의 접합조건에서 940 MPa 이상의 고강도 접합부를 얻을 수 있었다.

저용융점 필러금속인 Zr₅₄Ti₂₂Ni₁₆Cu₈ 과 Ti-6Al-4V 합금의 접합결과 접합온도 800℃에서 60분간 접합을 통하여 최대강도를 확인허였고, 이를 통해 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽을 제조하고 필요시 고밀도화를 위하여 단조공정을 추가할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명인 저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법은 중공 구조체와 결합되는 페이스부의 소재를 특정하고, 비정질 특성을 갖는 저용융점의 필러 금속을 특정하는 것을 기반으로 하여 페이스부와 중공 구조체의 개구부 간의 브레이징 접합 공정을 제공함으로써 별도의 후가공이 필요 없는 미려한 접합 표면을 제공한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함을 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

Claims (4)

1. 골프 클럽 헤드를 구성하는 중공 구조체(16) 및 상기 중공 구조체(16)의 전방에 결합되는 페이스부(14)를 준비하는 단계;
   포일 형태의 저융점 필러금속을 상기 중공 구조체(16)와 페이스부(14) 간의 접합면의 크기와 동일하게 제단하는 단계;
   상기 접합면과 동일하게 제단된 필러금속을 상기 중공 구조체(16) 상에 조립 지그를 사용하여 결합하는 단계;
   상기 필러금속이 결합된 중공 구조체(16)와 상기 페이스부(14)를 결합하는 단계;
   상기 페이스부(14)와 중공 구조체(16)의 접합면 상에 상기 필러금속이 배치된 상태에서 고진공 분위기 하에서 승온 및 가열하는 단계; 및
   기설정된 접합 유지 시간 동안 접합한 후 노냉하는 단계;를 포함하며,
   상기 승온 및 가열 단계는,
   5×10^-5 torr 이상의 고진공 분위기에서 770 ℃까지 100(℃/min)으로 승온한 후 800 ℃까지 3(℃/min)으로 가열하는 단계를 포함하는,
   저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 저융점 필러금속은 비정질 특성을 갖는 Zr₅₄Ti₂₂Ni₁₆Cu₈ 또는 Zr₅₀Ti₂₆Ni₂₄ 인,
   저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법.
   
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 접합 유지 시간은 45분 내지 60분인,
   저융점 필러금속을 이용한 골프 클럽의 제조방법.

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