KR20150120999A

KR20150120999A - 큰 인성 및 큰 강성도의 벌크 금속 유리로 제조된 골프 클럽

Info

Publication number: KR20150120999A
Application number: KR1020157022939A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 엘 존슨; 데이비드 에스 이; 마리오스 디 드므트리우; 종현 나; 글렌 로버트 가레트
Original assignee: 글라시메탈 테크놀로지, 인크.
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2015-10-28
Also published as: US20140213384A1; JP2016508546A; US10086246B2; WO2014120788A1; EP2951329A1

Abstract

큰 탄성 계수 및 파괴 인성을 가지는 벌크-응고 비정질 금속(즉, 금속 유리)으로 형성된 골프 클럽, 및 그 제조 방법이 제공된다. 다른 구성요소들 중에, 개시된 골프 클럽 재료는, 굽힘 하중 하에서 과다 하중을 받을 때 소성적으로 변형될 수 있고 취성 파괴 또는 심각한 고장을 피할 수 있는 능력과 함께 향상된 굴곡성 또는 굽힘 순응성을 나타내는 골프 클럽 헤드(드라이버, 페어웨이, 하이브리드, 아이언, ?지 및 퍼터)에서 이용되는 굴곡성 박막 또는 쉘(shell)의 제조를 가능하게 한다. 또한, 강의 강도 및 밀도와 유사한, 상기 재료의 큰 강도 및 그 밀도는, 희망하는 전체적인 목표 질량을 유지하면서도, 골프 클럽의 질량의 재분포를 가능하게 한다.

Description

큰 인성 및 큰 강성도의 벌크 금속 유리로 제조된 골프 클럽{GOLF CLUB FABRICATED FROM BULK METALLIC GLASSES WITH HIGH TOUGHNESS AND HIGH STIFFNESS}

본 개시 내용은 큰 탄성 계수 및 파괴 인성을 가지는 벌크-응고(bulk-solidifying) 비정질 금속(즉, 금속 유리)으로 형성된 골프 클럽, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

골프 클럽의 디자인 및 성능은, 골프 클럽을 제조하기 위한 재료의 선택에 의해서 크게 영향을 받는다. 재료의 분류(class)로서의 벌크-응고 비정질 금속(즉, 금속 유리)가 큰 강도 및 경도, 큰 탄성 변형 한계(elastic strain limit), 및 유효 범위에 걸쳐서 변화되는 재료 밀도와 같은, 특정의 고유 속성을 가진다는 것이 인지되었고, 그러한 속성으로 인해서 드라이버, 페어웨이 우드, 아이언, 및 퍼터를 포함하는 여러 가지 골프 클럽에서 그러한 비정질 금속을 이용하는 것에 대해서 흥미를 가지게 되었다. 구체적으로, Scruggs 등(미국 특허 제6,685,577호) 및 Johnson 등(미국 특허 제7,357,731호)은 그러한 골프 클럽의 디자인 및 성능에 있어서 벌크-응고 비정질 금속의 이러한 고유의 성질로부터 얻어지는 이점을 설명하였다. 예를 들어, Scruggs 등 및 Johnson 등은, 이러한 특허에서, 금속 유리의 큰 탄성 변형 한계를 이용하여 예외적으로 에너지 회복 계수(coefficient of energy restitution)가 큰 골프 클럽을 디자인할 수 있고, 그에 의해서 골퍼가 드라이브에서 더 먼 거리를 달성할 수 있게 한다고 주장하였다. 또한, 금속 유리의 큰 강도로 인해서, 클럽의 질량이 아이언의 둘레 상에서 더 큰 범위로 집중될 수 있는 골프 아이언의 디자인을 가능하게 한다고 예측하였다. 그러한 디자인 상의 자유는, 클럽의 "스위트 스팟(sweet spot)"을 벗어나서 공을 타격할 때 발생하는 "후킹(hooking)" 또는 "슬라이싱(slicing)"이 클럽에 의해 보다 억제될 수 있을 것이라고 생각하였다.

사실상, 골프 클럽에서의 금속 유리의 실제적 이용은, 이용 가능한 금속 유리 재료의 다른 중요 재료 성질에 의해서, 제한되고 억제되었다. 그러한 다른 중요한 성질의 예에는, 탄성 강성도[영률(Young's modulus)], 파괴 인성(노치 인성), 굽힘 하에서의 연성(ductility), 주기적인 하중 부여 하에서의 내구성(endurance)(피로 거동), 및 심각한 취성적 고장에 대한 일반적인 경향이 포함된다. 이러한 성질은 종래 기술에서는 골프 클럽의 디자인과 관련되는 것으로 간주되지 않았으나, 큰 탄성 변형 한계, 큰 강도, 및 유효 범위 내의 밀도가 전술한 부가적인 성질에 대해 충분히 큰 값과 함께 적절히 조합된 저비용 금속 유리의 부족으로 인해서, 클럽 디자이너 및 엔지니어가 골프 산업에서 금속 유리를 널리 채택하는 것이 제한되었다. 구체적으로, 상업용 골프 클럽에서 금속 유리를 이용하는 것은, 큰 계수(modulus), 큰 파괴 인성, 큰 피로 내구성, 적절한 굽힘 연성, 및 유효 범위 내의 재료 밀도를 가지는 저비용의, 가공 가능한 금속 유리의 부재에 의해서 제한되어 왔다.

본 개시 내용은 큰 탄성 계수 및 파괴 인성을 가지는 벌크-응고 비정질 금속(즉, 금속 유리)으로 형성된 골프 클럽, 및 그 형성 방법을 제공한다.

일부 실시예에서, 개시 내용은 골프 클럽에 관한 것으로서, 그러한 골프 클럽의 적어도 일부가 120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경(root radius)을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 50 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자(stress intensity factor)로서 규정된, 노치 인성을 가지는 금속 유리로 형성되고, 그러한 금속 유리는 적어도 1 mm의 측방향 치수를 가지는 물체로 형성될 수 있다.

일부의 그러한 실시예에서, 금속 유리는 120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 70 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가진다.

다른 그러한 실시예에서, 금속 유리는 120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 90 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가진다.

다른 실시예에서, 금속 유리가, 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, σ_Y(0.3πt)^1/2초과의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가지며, 여기에서, σ_Y는 금속 유리의 압축 항복 강도이고 t는 굽힘 하중을 받는 금속 유리 부분의 두께이다.

또 다른 실시예에서, 금속 유리는 이하로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부가적인 성질을 갖는데, 그러한 그룹은, 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비(Poisson's ratio), 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어진다.

일부의 그러한 실시예에서, 금속 유리는 이하로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 부가적인 성질을 갖는데, 그러한 그룹은, 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비, 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어진다.

또 다른 그러한 실시예에서, 금속 유리는 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비, 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어진다.

또 다른 실시예에서, 금속 유리가 이하의 식에 의해서 주어진다.

X_l00-a-bY_aZ_b

여기에서, X는 Ni, Fe, Co 또는 그 조합이고; Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고; Z는 P, B, Si 또는 그 조합이며; a는 5 내지 15 원자%(at%)이고; 그리고 b는 15 내지 25 원자%이다.

일부 그러한 실시예에서, 금속 유리가 이하의 원소, 즉 W, Ru, Re, Cu, Pd, Pt, V, 및 Sn 중 하나 이상을 3 원자%까지의 농도로 포함할 수 있을 것이다.

Ni_lOO-a-b-cW_aY_bZ_c

여기에서, W는 Co, Fe, 또는 그 조합이고; Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고; Z는 P, B, Si 또는 그 조합이며; a는 40 원자% 이하이고; b는 5 내지 15 원자%이며; 그리고 c는 15 내지 25 원자%이다.

Ni_100-a-b-cCr_aY_bZ_c

여기에서, Y는 Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고; Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고; a는 5 내지 10 원자%이며; b는 2.5 내지 5 원자%이고; 그리고 c는 15 내지 25 원자%이다.

Ni_l00-a-b-c-dCr_aY_bP_cZ_d

여기에서, Y는 Mo, Mn, Nb, Ta, 또는 그 조합이고; Z은 B, Si 또는 그 조합이고; a는 5 내지 10 원자%이고; b는 2.5 내지 5 원자%이며; c는 16 내지 19 원자%이고; 그리고 d는 1 내지 3.5 원자%이다.

또 다른 실시예에서, 금속 유리가 적어도 3 mm의 측방향 치수를 가지는 물체로 형성될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 금속 유리가 이하의 그룹, 즉 Ni₇₁ _. ₄Cr₅ _. ₅₂Nb₃ _.38P_16. ₆₇B₃ _.03, Ni_72.5Cr₅Nb₃P_16.5B₃; Ni₇₀ _. ₇₅Cr₇Ta₂ _.75P_16. ₂₅B₃ _.25, Ni₆₉Cr₇ _. ₅Mn₃Mo₁P₁₆ _. ₅B₃, Ni_69.9Co_1.5Cr_5.52Nb_3.38P_16.67B_3.03, Ni₆₇ _. ₁Cr₁₀Nb₃ _. ₄P₁₈Si₁ _.5, Ni₇₄Mn₃ _. ₅Nb₃P₁₆ _. ₅B₃, 및 Ni_72.3Mo₃Nb₄Mn₁P_16.5B_3.2으로부터 선택된다.

다른 실시예에서, 개시 내용은 금속 유리로부터 골프 클럽의 적어도 일부를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 그러한 방법은,

· 120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 50 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가지는 금속 유리를 형성할 수 있는 합금을 선택 및 용융하는 단계로서, 금속 유리가 적어도 1 mm의 측방향 치수를 가지는 벌크 물체로 형성될 수 있는 것인 선택 및 용융 단계,

· 골프 클럽의 적어도 하나의 부분을 제조하기 위해서 합금 용융체를 형성하는 단계; 및

· 금속 유리로 골프 클럽의 적어도 일부를 형성하기 위해서, 합금의 결정화를 방지할 수 있는 충분히 빠른 냉각률(cooling rate)로, 형성된 합금 용융체를 급냉(quenching)시키는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 상기 방법은 급냉 단계에 앞서서 환원제를 이용하여 용융 금속을 플럭싱(fluxing)시키는 단계를 더 포함한다.

또 다른 실시예에서, 합금을 용융시키는 단계는 합금의 액상선 온도(liquidus temperature)보다 적어도 100 ℃ 더 높은 온도에서 합금 용융체를 가열하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 합금을 용융시키는 단계는 적어도 1100 ℃의 온도에서 합금 용융체를 가열하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 금속 유리는 이하로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부가적인 성질을 갖는데, 그러한 그룹은, 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비, 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어진다.

X_l00-a-bY_aZ_b

여기에서, X는 Ni, Fe, Co 또는 그 조합이고; Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고; Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고; a는 5 내지 15 원자%이며; 그리고 b는 15 내지 25 원자%이다.

부가적인 실시예 및 특징이 이하의 설명에서 부분적으로 기술되고, 그러한 부가적인 실시예 및 특징은 당업자가 명세서의 설명으로부터 자명하게 이해할 수 있거나, 개시된 청구 대상의 실시에 의해서 학습될 수 있을 것이다. 명세서의 나머지 부분 및 본 개시 내용의 일부를 형성하는 데이터를 참조함으로써, 본 개시 내용의 본성 및 장점에 대한 추가적인 이해가 이루어질 수 있을 것이다.

첨부 도면 및 데이터와 함께 고려할 때, 이하의 구체적인 설명을 참조함으로써, 본 발명의 이러한 그리고 다른 특징 및 장점을 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 지정된 두께(t)를 가지는, 골프 클럽의 타격 페이스(striking face)의 개략도를 제공한다.
도 2는 Zr-계, Fe-계, 및 예시적인 Ni-계 금속 유리에 대한 인성 대 영률의 데이터 그래프를 제공한다.

본 개시 내용은, 이하에서 설명되는 바와 같은 데이터와 함께 고려할 때, 이하의 구체적인 설명을 참조함으로써 이해될 수 있을 것이다.

골프 클럽에 관한 설명

본 개시 내용은 적어도 큰 탄성 계수 및 파괴 인성을 가지는 성형된 금속 유리로 형성된 적어도 하나의 부분을 포함하는 골프 클럽, 및 그 형성 방법을 제공한다.

일부 실시예에서, 개시 내용은 120 GPa보다 큰 영률(Y), 및 적어도 50 MPa-m^1/2의 노치 인성(K_Q)을 가지는 금속 유리로 제조된 골프 클럽에 관한 것이고, 일부 실시예에서 K_Q 는 적어도 70 MPa-m^1/ ²이며, 그리고 일부 실시예에서 K_Q 는 적어도 90 MPa-m^1/2이다. 다른 실시예에서, 클럽은 120 GPa보다 큰 영률(Y) 및 σ_Y(0.3πt)¹ ^/ ² 보다 큰 노치 인성(K_Q)을 가지는 금속 유리로 제조된 적어도 하나의 부분을 포함하고, 여기에서 σ_Y는 금속 유리 항복 강도이고 t는 굽힘 하중을 받는 금속 유리 부분의 두께이다.

일부 실시예에서, 개시 내용의 골프 클럽은 또한, 특정 범위의 탄성 변형, 항복 강도, 노치 인성, 소성 구역 반경, 소성 굽힘 변형, 및 임계 주조 두께와 같은, 금속 유리의 성질을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 일부 실시예에서, 개시 내용의 골프 클럽은 120 GPa보다 큰 영률(Y), 적어도 50 MPa-m^1/ ²의 노치 인성(K_Q), 및 이하의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부가적인 성질, 다른 실시예에서는 이하의 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 부가적인 성질, 및 또 다른 실시예에서는 이하의 그룹으로부터 선택된 모든 성질을 가지는 벌크 금속 유리로 제조된 적어도 하나의 부분을 포함하는데, 그러한 그룹은, 4.0 g/cc 내지 9.0 g/cc의 질량 밀도(ρ), 55 GPa 미만의 전단 계수[또는 강성 계수(modulus of rigidity)](G), 적어도 170 GPa의 벌크 계수(B), 적어도 0.35의 푸아송비(ν), 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도(σ_Y), 적어도 1.4 %의 탄성 변형 한계(ε_Y), (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경(d_cr) 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어진다.

일부 실시예에서, 개시 내용은, 타격 헤드 및/또는 본체를 포함하는, 골프 클럽의 헤드의 임의의 부분에 관한 것이다.

본 개시 내용의 특정 실시예에서, 합금의 유리-형성 능력은, 고온 용융 상태를 급냉시키는 것에 의해서 비정질 상이 내부에서 형성될 수 있는 최대 막대 직경으로서 규정되는, "임계 막대 직경"에 의해서 정량화된다. 다른 실시예에서, 합금의 유리-형성 능력은, 고온 용융 상태를 급냉시키는 것에 의해서 비정질 상이 내부에서 형성될 수 있는 최대 판 두께로서 규정되는, "임계 판 두께"에 의해서 정량화된다.

본 개시 내용에서, "노치 인성"은 균열 초기에서의 응력 세기 인자(K_Q)로서 규정되고, 노치의 존재 하에서 파괴에 저항할 수 있는 재료의 능력의 척도이다. 노치 인성은 노치로부터 기원하는 균열을 전파시키는 데 필요한 일의 척도이다. 큰 K_Q는, 결함의 존재 하에서 재료가 인성을 나타내는 것을 보장한다.

"항복 강도(σ_Y)"는, 재료가 소성적으로 항복되는 응력으로서 규정된다. 큰 항복 강도는, 재료가 강할 것임을 보장한다. 본 개시 내용에서, 항복 강도는, 압축 하에서 비-탄성적인 항복에 저항할 수 있는 재료의 능력의 척도인, 압축 항복 강도인 것으로 가정된다.

영률은 단축방향(uniaxial) 응력에 대한 재료의 탄성적인 응답의 척도이다. 큰 영률은, 재료가 단축방향 응력 하에서 강건할 것임을 보장한다.

전단 계수는 전단 응력에 대한 재료의 탄성적인 응답의 척도이다. 작은 전단 계수는 재료가 전단 응력에 대해서 순응적(compliant)일 것임을 보장한다.

벌크 계수는 등방 응력(hydrostatic stress)에 대한 재료의 탄성적인 응답의 척도이다. 큰 벌크 계수는 재료가 등방 응력에 대해서 내성을 가질 것임을 보장한다.

푸아송비는, 등방적이 아니라 전단에 의한 응력을 탄성적으로 수용할 수 있는 재료의 능력의 척도이다. 큰 푸아송비는, 재료가 등방적이 아니라 전단에 의해서 우선적으로 변형되는 것을 보장한다.

"굽힘 연성"은, 노치 또는 사전-균열(pre-crack)의 부재 시에, 굽힘에서의 파괴에 대해서 저항할 수 있는 재료의 능력의 척도이다.

많은 특별한 실시예에서, 개시 내용의 골프 클럽은 이하의 식을 가지는 벌크-응고 비정질 금속으로부터 제조된 적어도 하나의 부분을 포함한다.

X_l00-a-bY_aZ_b

여기에서, X는 Ni, Fe, Co 또는 그 조합이고; Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고; Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고; a는 5 내지 15 원자%이며; 그리고 b는 15 내지 25 원자%이며; 그리고 벌크-응고 비정질 금속은 적어도 전술한 탄성 계수 및 파괴 인성 성질을 갖는다.

재료 성질 문턱값 또는 성능 지수(Figure of Merit)에 관한 유도

적절한 벌크-응고 비정질 금속 및 그러한 벌크-응고 비정질 금속을 위한 적절한 재료 성질을 결정하는 데 있어서, 골프 클럽 자체의 구조를 고려할 필요가 있다.

일부 실시예에서, 본 개시 내용은 골프 클럽의 타격 페이스에 관한 것이다. 드라이버 또는 아이언과 같은 골프 클럽의 타격 페이스는 2 차원적인 굴곡성 박막(flexural membrane)으로 간주될 수 있다. 골프 클럽의 타격 페이스의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 드라이버 또는 우드-타입 클럽의 경우에, 박막이 곡률을 가지도록 종종 구성되고, 그러한 곡률은 박막의 평면 내에 놓이는 주 방향(principal direction)들을 따라서 달라질 수 있을 것이다. 그러한 박막은 균일한 두께 또는 (클럽의 페이스에 수직인 방향으로) 가변적인 두께를 가질 수 있을 것이다. 균일한 두께(t)가 도 1의 예시적인 타격 페이스에서 표시되어 있다. 전술한 바와 같이, 고성능 골프 클럽의 엔지니어링 디자인에서 이용될 수 있는 몇몇 재료의 "성능 지수" 또는 "문턱값"을 고려할 수 있다. 결국, 이러한 재료의 "성능 지수" 또는 "문턱값"은 골프 클럽의 달성 가능한 성능을 결정하는 데 도움이 된다.

드라이버의 경우에, 하나의 널리 인지되는 성능 벤치마크(benchmark)로서, 골프 공의 충돌(impact) 중에 측정되는, 드라이버의 에너지 회복 계수(COR)가 있다. COR은, 공과의 충돌 중에, 지지되는 타격 박막에서 저장되는 탄성 에너지(E)의 양과 직접적으로 관련될 수 있다. 단순화 가정으로, 탄성 에너지는 이하에 의해서 주어질 수 있다.

여기에서, W는 충돌 중에 타격 페이스에 가해지는 최대 힘이고, a는 박막의 평균 "반경"이며, t는 그 두께이다(간결함을 위해서, 타격 페이스가 원형 디스크와 유사한 것으로 대략적으로 정함). 사실상, t는 판의 재료 성질에 의해서 결정되는 최소 값을 갖는다. a >> t 의 치수(dimension)의 타격 페이스의 경우에 붕괴 없이 충격을 견딜 수 있는 t의 최소 값이 이하에 의해서 주어진다.

여기에서, σ_y는 재료의 항복 강도이다. (120 mph의 빠른 클럽 스윙 속력에서의 충격에서 전형적인) 대략 4000 N인 최대 힘(W)의 이용은 이하의 타격 박막 내의 저장된 탄성 에너지의 최대 값(E_MAX)을 초래한다.

여기에서, ε_Y = σ_Y/Y는 재료의 (단축방향 하중 부여에서의) 탄성 변형 한계이고 Y는 재료의 탄성 계수(영률)이다. 이러한 결과는 고성능 드라이버를 위한 "성능 지수(FOM)"를 구성하고, 이러한 FOM은, (1) "a²"으로서의 박막 크기, (2) 재료의 탄성 변형 한계의 3/2 제곱(ε_Y ³ ^/2) 및 (3) 탄성 계수의 제곱근(Y^1/2)으로 스케일링된다는 것을 보여준다.

모든 금속 유리는, Y가 상응하는 결정 금속의 Y와 전형적으로 유사하지만, 통상적인 결정 금속의 탄성 변형 한계(여기에서, ε_Y < 0.01) 보다 상당히 더 큰, ε_Y = 0.014 - 0.022의, 크고 거의 전반적인 탄성 변형 한계(Johnson W. L. 및 Samwer K.의, "A Universal Criterion for Plastic Yielding of Metallic Glasses with a T/Tg² ^/3 Temperature Dependence," Physical Review Letters 95, 195501 (2005) 참조, 그 개시 내용이 본원에서 참조로서 포함됨)를 가지는 것으로 확인되었기 때문에, 금속 유리는, COR이 큰 골프 클럽의 구성에 대해서 통상적인 결정 금속보다 우수할 것이다. 이는, 특히, 금속 유리 재료를 이용하는 드라이버의 성능을 결정하는 데 있어서의 Y 및 ε_Y 모두의 중요성을 나타낸다. 또한, 이하에서 볼 수 있는 바와 같이, 큰 ε_Y 및 Y를 가지는 재료를 선택하는 것은 수학식 3에 의해서 예측되는 E_MAX 를 달성하는 데 있어서 충분하지 않다.

전술한 설명에서 요약된 결과는, 벌크-응고 비정질 금속으로 골프 클럽을 제조하기 위한 이전의 어떠한 시도(예를 들어, 앞서 인용한, Scruggs 등 및 Johnson 등에서 설명된 시도)에 의해서도 예측되지 않았다. 사실상, 골프 시장을 위해서 벌크-응고 비정질 금속으로 COR이 큰 드라이버를 제조하기 위한 시도는, 이러한 적용예에 대해서 부적절한, 이용 가능한 금속 유리의 다른 고유의 성질에 의해서 방해를 받았다. 가장 주목할 것은, 큰 COR을 위해서 구성될 때, 금속 유리 드라이버 페이스가, 골프 공과의 충돌 중에, 허용 불가능한 취성 및 심각한 고장[부서짐(shattering)]을 나타낼 수 있다는 것이다. 그러한 고장은 한 번의 또는 몇 번의 충돌 후에, 또는 많은 충돌(사이클) 후에 발생될 수 있을 것이다. 전형적으로, 상업적인 골프 클럽은 대략 3000 사이클까지의 충돌에 대한 테스크에 의해서 내구성의 품질이 평가되고 반드시 심각하게 고장나지 않아야 한다.

따라서, 허용할 수 없는 심각한 취성 고장을 피하기 위해서 그리고 충분한 내구성을 보장하기 위해서, 페이스 재료가 이하의 양자 모두, 즉 수천 번의 피로 사이클 이후에, (1) 충분한 파괴 인성(K_Q), 및 (2) 충분한 내구성 한계(σ₀)를 가질 것을 요구한다. 여기에서, 내구성 한계(σ₀)는, 대략 3,000번의 하중 부여 사이클 이후에 재료가 고장나게 되는, 인가된 응력 크기 레벨로서 규정된다. 일반적으로, σ₀ < σ_Y 이다. 인가된 응력 크기(σ₀)는 (σ_max - σ_min)/2으로서 규정되고, 여기에서, σ_max 및 σ_min 는 하중 부여 사이클 중에 경험하게 되는 최대 응력 및 최소 응력이다.

ε_Y = 0.014-0.022 및 Y > 120 GPa인 큰 계수의 금속 유리의 경우에, 단일의 하중 부여 그리고 수천 번까지의 복수의 하중 부여 하에서의 충돌 이벤트 모두에서, 취성 고장이 없어야 한다. 실험적으로, 파괴 인성(K_Q)이 충분히 크고 항복 강도가 과도하게 크지 않은 경우에, 굽힘 하중을 받는 1 mm 수준(order)의 두께(t)의 금속 유리 판은 소성적으로 항복되고(소성적으로 붕괴되고) 취성 방식으로 파괴되지 않는다. 경험적으로, 과다 하중 부여 하에서 취성 파괴를 피하기 위한 이하의 식을 발견하였다.

또는

여기에서, 0.3의 인자는 근사치이고 실험으로부터 경험적으로 획득된다. COR이 큰 타격 박막에서 전형적인 Y = 130 GPa, ε_Y = 0.018, 및 t = 대략 2 mm의 금속 유리를 취할 때, 이하의 요건을 획득한다.

Y > 120 GPa의 요건과 함께 취하면,

의 재료 요건이 요구된다. 전형적으로, 벌크 금속 유리에서의 Y 및 K_Q 가 상호 배타적이다. 구체적으로, 큰 Y(약 120 GPa 초과)를 나타내는 벌크 금속 유리는, 전형적으로, 작은 K_Q(50 MPa-m^1/2 미만)를 나타낸다. 반대로, 큰 K_Q(50 MPa-m^1/2 초과)를 나타내는 벌크 금속 유리는, 전형적으로, 작은 Y(약 100 GPa 미만)를 나타낸다. 그에 따라, 벌크 금속 유리가 큰 Y 및 큰 K_Q 모두를 나타낼 수 있을지가 분명하지 않다.

도 2는 Zr-계 및 Fe-계 금속 유리 합금에 대한 인성 대 영률의 데이터 그래프를 제공한다. 이러한 2개의 합금 군은 적절한 유리 형성 능력을 나타내고, 골프 클럽 구성요소의 제조를 가능하게 하는 비용 구조를 갖는다. 데이터는 3 mm 초과의 임계 막대 직경을 가지는 금속 유리를 나타낸다. 인성 데이터는 루트 반경이 0.15 mm를 초과하지 않는 노치로 실시된 측정치를 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, Zr-계 유리가 150 MPa-m^1/2 정도로 큰 인성 값을 가질 수 있으나, 영률은 120 GPa 미만으로 제한된다. 대조적으로, Fe-계 유리가 200 GPa 초과의 영률을 가지나, 그들의 인성은 50 MPa-m^1/2로 제한된다.

COR이 큰 골프 클럽의 디자인 및 성능에 있어서의 피로 요건 및 내구성 요건의 역할은 E_MAX 에 대한 수학식 2에서 σ_Y를 σ₀ 로 대체하는 것에 의해서 평가될 수 있다. 사실상, 대략 3,000 사이클의 하중 부여 이후의 피로 유도형 취성 파괴를 피하기 위해서, r = σ₀/σ_Y 의 인자만큼 재료의 이용 가능한 강도를 감소시켜야 한다. 큰 사이클 피로(즉, 10⁷ 사이클)에서의 벌크 금속 유리의 경우에, r이 상당히 변화되고 0.05 내지 0.3의 범위를 가지는 반면, 10⁴ 사이클의 중간의 수의 경우에, r 이 그보다 더 크고 0.2 내지 0.6의 범위를 갖는다. 통상적인 결정 금속의 경우에, 상응하는 r 인자가 유사한 범위로 된다는 것을 주목하여야 한다. 주어진 Y의 벌크 금속 유리(또는 통상적인 금속)의 경우에, t_min 이 r^1/2(수학식 2에서 보여지는 바와 같음)의 인자만큼 증가되는 반면, E_MAX 는 r^3/2(수학식 3에서 보여지는 바와 같음)의 인자만큼 감소된다. 단일 사이클에서 σ₀ 까지 하중 부여하는 중에 취성 고장을 피하기 위해서 요구되는 K_Q의 값이 r^1/ ² 의 인자만큼 감소될 것이다(수학식 4에서 볼 수 있는 바와 같음). 사실상, 더 두꺼운 박막은, 소성적으로 항복되는 지점까지 결코 하중 부여되지 않는다. 이제, 내구성 테스트를 통과하는 최대 COR을 위해서 디자인된다. Y = 130 GPa 및 r = 0.5-0.6(피로 내성 벌크 금속 유리에 대한 값)의 경우에, 금속 유리의 요구되는 K_Q가 다음과 같이 된다.

일부 실시예에서, 50 MPa-m^1/ ² 의 최소 K_Q 를 가지는 금속 유리 재료가 청구된다. 이러한 최소 파단 인성은 큰 계수(Y)의 금속 유리에 대한 매우 까다로운 재료 요건이다.

예시적인 금속 유리

전술한 바와 같이, 벌크-응고 비정질 금속으로부터 COR이 큰 골프 클럽을 만들기 위해서, 일반적으로 상호 배타적인 것으로 간주되는 재료 성질들의 조합을 가지는 금속 유리를 이용하는 것이 필요하다는 것을 발견하였다. 특히, 금속 유리는 큰 계수(Y)뿐만 아니라 큰 파괴 인성(K_Q)을 가져야 한다. 도 2에서, 이러한 까다로운 성질을 가지는 것으로 밝혀졌고 또한 벌크 형태(밀리미터 두께)로 주조될 수 있는 예시적인 Ni-계 금속 유리에 대한 데이터가 도시되었다. 그러한 금속 유리 합금에 관한 이하의 예가 제공된다.

본 발명자는 최근에 신규한 금속 유리의 군을 개발하였다(본원에 참조로서 포함되는, 2013년 10월 30일자로 출원된 "Bulk Nickel-based Chromium and Phosphorous Bearing Metallic Glasses with High Toughness"라는 명칭의 미국 특허출원 제14/067,521호 참조). 이러한 금속 유리 군은, 골프 클럽의 구성을 위한 관련 두께(t ~ l-2 mm)의 판, 비임, 및 막대의 소성 굽힘을 견딜 수 있는 능력과 조합된, 큰 탄성 계수(Y ~ 125-140 GPa), 큰 노치 인성(K_Q~ 60-100 MPa-m^1/ ²)의 특유의 조합을 가지는 비교적 저비용의 철계(ferrous) 금속(Cr을 포함하는 Ni-계 금속)을 기초로 한다. 또한, 유리 형성 능력, 큰 인성, 및 굽힘 연성은, 재료가 어떻게 가공되는지에 크게 의존한다는 것을 발견하였다. 재료의 기계적 성질 그리고 이러한 성질과 가공의 상호 관계를 기초로 하여, 적절한 가공으로, 이러한 금속 유리를 이용하여 우수한 성능의 골프 클럽을 구성 및 제조할 수 있을 것으로 예상된다.

그에 따라, Cr, Nb, Ta, Mn, 및 Mo와 같은 전이 금속 및 Si, B, 및 P와 같은 준금속(metalloid)을 포함하는, Ni을 기초로 하는 특정의 신규한 벌크 금속 유리 합금이 큰 탄성 계수(영률)(Y > 120 GPa), 큰 탄성 변형 한계(ε_Y ~ 2%), 큰 노치 인성(K_Q > 50 MPa-m^1/2)을 가질 수 있고, 그리고 두께(또는 직경)가 2 mm 미만인 막대, 판, 또는 비임으로 제조될 때, 취성 파괴에 대비되는 것으로서, 연성 굽힘을 견딜 수 있다. 또한, 이러한 벌크 유리 형성 합금이 우수한 유리 형성 능력을 나타낼 수 있고, 적어도 3 mm의 그리고 종종 10 mm 초과의 직경을 가지는 완전히 유리질의 주조 막대를 형성하도록 주조될 수 있다. 그 합금의 밀도는 전형적으로 강의 밀도(7.8-8.2 g/cc)와 유사하거나 그보다 낮다. 유리질 합금은 우수한 내식성(종종, 스테인리스 강의 내식성을 초과함)을 추가적으로 나타낼 수 있고, 이는 그러한 합금이 환경적 열화(劣化)에 대해서 내구성 및 내성을 가질 수 있게 한다.

이러한 벌크 유리 형성 합금 및 벌크 금속 유리의 군은 일반적으로 이하의 식으로 설명될 수 있을 것이다.

X_l00-a-bY_aZ_b

다른 실시예에서, 벌크 유리 형성 합금 및 벌크 금속 유리가 일반적으로 이하의 식으로 설명될 수 있을 것이다.

Ni_lOO-a-b-cW_aY_bZ_c

여기에서, W는 Co, Fe, 또는 그 조합이고; Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고; Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고; a는 40 원자% 이하이고; b는 5 내지 15 원자%이며; c는 15 내지 25 원자%이다.

Ni_100-a-b-cCr_aY_bZ_c

Ni_l00-a-b-c-dCr_aY_bP_cZ_d

여기에서, Y는 Mo, Mn, Nb, Ta, 또는 그 조합이고; Z은 B, Si 또는 그 조합이고; a는 5 내지 10 원자%이고; b는 2.5 내지 5 원자%이며; c는 16 내지 19 원자%이고; d는 1 내지 3.5 원자%이다.

또 다른 실시예에서, 합금이 이하의 원소, 즉 W, Ru, Re, Cu, Pd, Pt, V, 및 Sn 중 하나 이상을 3 원자%까지의 농도로 포함할 수 있을 것이다.

이하의 표 1은 개시 내용의 실시예에 따라 COR이 큰 골프 클럽을 형성하는 데 있어서 이용하기에 적합한 성질을 가지는 그러한 벌크 금속 유리 형성 합금의 몇 가지 예를 제공한다. (골프 클럽 헤드의 구성 및 성능을 향상시키기 위한 이러한 성질들 각각 그리고 모두의 조합의 중요성은 앞서서 설명하였다)

비록 벌크 금속 유리의 구체적인 실시예가 앞서 제공되었지만, 이러한 목록은 단지 예시적인 것을 의미하고 총망라한 것은 아니라는 것을 이해하여야 할 것이다. Ni을 기초로 하는 또는 임의의 다른 원소를 기초로 하는 다른 벌크 금속 유리 합금은 또한 필요한 성질을 가질 수 있을 것이고 그에 따라 본 개시 내용의 범위 내에 포함될 수 있을 것이다.

금속 유리 골프 클럽 부분의 형성 방법

비록 전술한 설명이 금속 유리로 형성된 골프 클럽 부분에 초점을 맞추고 있지만, 개시 내용은 또한 골프 클럽의 적어도 일부를 금속 유리로 형성하는 방법에 관한 것이다.

일부 실시예에서, 그러한 방법은,

· 전술한 성질의 세트(예를 들어, 영률, 노치 인성, 탄성 변형, 항복 강도, 노치 인성, 소성 구역 반경, 소성 굽힘 변형, 구체적인 한계들 내의 임계 주조 두께, 및 내식성 포함) 중 적어도 하나를 가지는 금속 유리를 형성할 수 있는 합금을 선택 및 용융하는 단계로서, 금속 유리가 적어도 1 mm의 측방향 치수를 가지는 비정질 벌크 물체를 형성할 수 있는 것인 선택 및 용융 단계,

· 금속 유리로 골프 클럽의 적어도 일부를 형성하기 위해서, 합금의 결정화를 방지할 수 있는 충분히 빠른 냉각률로, 형성된 합금 용융체를 급냉시키는 단계

를 포함한다.

많은 실시예에서, 금속 유리가 이하에 따른 합금을 포함한다.

X_l00-a-bY_aZ_b

여기에서, X는 Ni, Fe, Co 또는 그 조합이고; Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고; Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고; a는 5 내지 15 원자%이며; 그리고 b는 15 내지 25 원자%이다. 위 식은 단지 하나의 예시적인 실시예로 간주되어야 하고, 상기 방법은 본원에서 설명된 다른 재료를 포함할 수 있을 것이다.

그러한 방법은 합금의 성질을 개선하기 위해서 희망하는 바에 따라 부가적인 가공 단계를 더 포함할 수 있는데, 부가적인 가공 단계는,

· 예를 들어, 개시 내용이 본원에 참조로서 포함되는, 2013년 8월 16일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/866,615호에서 설명된 바와 같이, 비정질 부분을 형성하기 위해서 용융체를 신속하게 급냉하는 단계에 앞서, 환원제를 이용하여 급냉 단계 전에 용융 합금을 플럭싱(fluxing)시키는 단계,

· 예를 들어, 개시 내용이 본원에 참조로서 포함되는, 2013년 1월 22일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/755,177호에서 설명된 바와 같이, 비정질 부분을 형성하기 위해서 용융체를 신속하게 급냉하는 단계에 앞서, 예를 들어, 합금의 액상선 온도보다 적어도 100 ℃ 더 높은 온도에서 또는 적어도 1100 ℃의 온도에서 합금을 용융시키는 것에 의해서 합금을 과열시키는 단계

를 포함한다.

골프 클럽의 부분을 형성하는 단계는, 비제한적으로, 고온 용융 상태로부터의 주조, 또는 압출, 동적 단조, 스탬프 단조, 블로우 몰딩, 사출 몰딩에 의한 유리 상태의 열소성적(thermoplastically) 형성을 포함하는, 임의의 적합한 형성 방법을 구성할 수 있을 것이고, 여기서 유리 상태의 가열이 저항 가열, 유도 가열, 또는 주울(joule) 가열에 의해서 실시된다는 것을 이해하여야 할 것이다.

또한, 최종 물품의 품질을 개선하기 위해서, 부가적인 요소가 이러한 기술에 부가될 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술한 성형 방법 중 임의의 방법에 따라서 형성되는 물품의 표면 마감을 개선하기 위해서, 몰드 또는 스탬프가 비정질 재료의 유리 전이 온도 주변까지 또는 바로 아래의 온도까지 가열될 수 있을 것이고, 그에 의해서 표면 결함의 형성을 방지할 수 있을 것이다. 또한, 양호한 표면 마감 또는 정밀 성형(net-shape) 부분을 가지는 물품을 달성하기 위해서, 변형 힘(deformational force), 그리고 전술한 성형 기술 중 임의의 기술 중 사출 몰딩 기술의 경우에, 사출 속도를 제어하여, 큰 "웨버 수(Weber number)" 유동으로부터 발생하는 용융체 선단부 붕괴 불안정성(melt front break-up instability)을 피할 수 있을 것이고, 다시 말해서 유동 라인의 형성을 유도하는 분무 또는 스프레잉(spraying)을 방지할 수 있을 것이다.

기술적 설명

앞서 표 1 및 표 2에서 나열된 합금의 성질은 이하에서 설명하는 바와 같이 얻어진다.

샘플 합금의 가공 방법에 관한 설명

합금을 생산하기 위한 방법은, 불활성 분위기 하의 석영 튜브 내에서 적절한 양의 원소 성분을 유도 용융시키는 단계를 포함한다. 구성 원소의 순도 레벨은 다음과 같다. Ni 99.995%, Co 99.995%, Cr 99.996%, Mo 99.95%, Nb 99.95%, Ta 99.95%, Mn 99.9998%, P 99.9999%, Si 99.9999%, 및 B 99.5%. 대안적으로, 용융 도가니가, 알루미나, 지르코니아, 그라파이트, 소결된 결정 실리카와 같은 세라믹, 또는 구리나 은으로 제조된 수냉형 노상(hearth)일 수 있을 것이다.

합금 잉곳(alloy ingot)으로부터 금속 유리 막대를 생산하기 위한 구체적인 방법은, 고순도 아르곤 하에서, 1100 ℃ 이상에서, 그리고 일부 실시예에서, 1250 ℃ 내지 1400 ℃ 범위에서, 노(furnace) 내의 0.5 mm 두께의 벽을 가지는 석영 관 내의 합금 잉곳을 재용융시키는 단계, 및 상온의 수조 내에서 신속하게 급냉시키는 단계를 포함한다. 대안적으로, 수조가 빙수 수조 또는 오일 욕조일 수 있을 것이다. 대안적으로, 금속 유리 물품은 용융 합금을 금속 몰드 내로 사출 또는 용탕 주입(pouring)하는 것에 의해서 형성될 수 있다. 몰드가, 다른 재료들 중에서, 구리, 황동, 또는 강으로 제조될 수 있다.

선택적으로, 비정질 물품을 생산하기에 앞서, 불활성 분위기 하에서 석영 관 내에서 잉곳을 재용융시키는 것, 합금 용융체를 용융된 환원제와 접촉시키는 것, 그리고 2개의 용융체가, 불활성 분위기 하에서, 1100 ℃ 이상의 온도에서, 그리고 일부 실시예에서, 1250 ℃ 내지 1400 ℃ 범위의 온도에서, 약 1000 초 동안 상호작용하도록 허용한 후, 후속하여 물로 급냉시키는 것에 의해서, 합금화된 잉곳이 환원제로 플럭싱될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 환원제는 산화 붕소이다.

노치 인성 측정을 위한 테스트 방법론

샘플 금속 유리의 노치 인성이 3 mm 직경의 막대에 대해서 실시되었다. 막대는, 와이어 톱을 이용하여, 막대 직경의 대략 절반의 깊이까지 0.10 내지 0.13 mm 범위의 루트 반경으로 노치 가공되었다. 12.7 mm 간격(span)의 3-지점 비임 구성에서, 그리고 노치 가공된 측면이 중앙 하중 부여 지점의 대향 측면과 주의 깊게 정렬되고 대면하는 상태에서, 노치 가공된 시편을 테스트하였다. 나사-구동형 테스트 프레임을 이용하여 0.001 mm/s의 일정한 교차-헤드(cross-head) 속력으로 단조 증가 하중을 인가하는 것에 의해서, 임계 파괴 하중이 측정되었다. 적어도 3번의 테스트를 실시하였고, 테스트들 사이의 편차가 노치 인성 그래프에 포함되었다. 여기에서 채용된 기하형태적 구성에 대한 응력 세기 인자가, Murakimi [Y. Murakami, Stress Intensity Factors Handbook, Vol. 2, Oxford: Pergamon Press, p. 666 (1987)]에 의한 분석을 이용하여 평가되었다.

압축 항복 강도를 측정하기 위한 테스트 방법론

샘플 금속 유리의 압축 테스트를, 직경이 3 mm이고 길이가 6 mm인 원통형 시편에 대해서 실시하였다. 나사-구동형 테스트 프레임을 이용하여 0.001 mm/s의 일정한 교차-헤드 속력으로 단조 증가 하중을 인가하였다. 선형 가변 차동 변압기(linear variable differential transformer)를 이용하여 변형을 측정하였다. 압축 항복 강도가 0.2% 내력(proof stress) 기준을 이용하여 평가되었다.

밀도 및 계수를 측정하기 위한 테스트 방법론

25 MHz 압전 변환기를 가지는 펄스-반향 중첩 설비(pulse-echo overlap set-up)를 이용하여, 3 mm 직경 및 약 3mm 길이의 원통형 금속 유리 시편에 대해서, 전단 및 길이방향 파동 속력이 초음파적으로 측정되었다. 미국 재료 시험 협회(American Society for Testing and Materials) 표준 C693-93에 기재된 바와 같은, 아르키메데스 방법에 의해서 밀도가 측정되었다. 밀도 및 탄성 상수 값을 이용하여, 전단 계수 및 벌크 계수가 평가되었다. 후크의 법칙 항등식(identity)을 이용하여, 전단 및 벌크 계수로부터 영률 및 푸아송비를 추정하였다.

탄성 변형 한계를 결정하기 위한 방법론

탄성 변형 한계는 압축 항복 강도를 영률로 나누는 것에 의해서 결정된다.

소성 구역 반경을 결정하기 위한 방법론

소성 구역 반경은 (K_Q ²/πσ_Y ²)으로서 평가되고, 여기에서 K_Q 는 노치 인성이고 σ_Y는 압축 항복 강도이다.

벌크로 형성될 수 있는, 일부 경우에 10 mm 정도의 두께의 막대로 형성될 수 있는 특정 니켈계 금속 유리가, 통상적인 금속 또는 이전에 보고된 금속 유리로 달성될 수 있는 것보다 우수한 골프 클럽의 구성 및 성능을 향상시키기 위해서 이용될 수 있는, 큰 탄성 계수(영률)(Y > 120 GPa), 큰 탄성 변형 한계(ε_Y ~ 2%), 큰 노치 인성[노치인성(K_Q)> 50 MPa-m^1/2], 및 견딜 수 있는 연성 굽힘을 포함하는 특정 성질을 가진다는 것이 이제 발견되었다. 구체적으로, 이러한 재료의 이용은, 굽힘 하중 하에서 과다 하중을 받을 때 소성적으로 변형될 수 있고 취성 파괴 또는 심각한 고장을 피할 수 있는 능력과 함께 향상된 굴곡성 또는 굽힘 순응성을 나타내는 골프 클럽 헤드(드라이버, 페어웨이, 하이브리드, 아이언, ?지 및 퍼터)에서 이용되는 굴곡성 박막 또는 쉘(shell)을 제조할 수 있게 한다. 또한, 강의 강도 및 밀도와 유사한, 재료의 큰 강도 및 그 밀도는, 희망하는 전체 목표 질량을 유지하면서도, 골프 클럽의 질량의 재분포를 가능하게 한다. 이는 다시, 많은 것과 관련하여, 예를 들어 무게 중심의 배치 또는 관성 모멘트의 조정과 관련하여 골프 클럽 설계자에게 추가적인 자유를 제공한다.

몇몇 실시예를 설명하였지만, 당업자는, 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고도, 여러 가지 수정, 구성 변경, 및 균등물이 이용될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 불필요하게 모호하게 만드는 것을 피하기 위해서, 많은 수의 주지의 가공 및 요소를 설명하지 않았다. 따라서, 전술한 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

당업자는, 여기에서 개시된 실시예가 예로서 그리고 비제한적으로 교시하고 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그에 따라, 전술한 설명에 포함된 또는 첨부 도면에 포함된 내용이 예시적인 것으로 해석되어야 하고 제한적인 의미로 해석되지 않아야 한다. 이하의 청구범위는 본원에서 설명된 모든 일반적이고 구체적인 특징뿐만 아니라, 언어의 대상으로서, 청구항에 포함된다고 할 수 있는 본 방법 및 시스템의 범위에 관한 모든 진술을 포함하도록 의도된 것이다.

Claims

골프 클럽으로서,
상기 골프 클럽의 적어도 일부가, 120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 50 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가지는 금속 유리로 형성되고, 상기 금속 유리가 적어도 1 mm의 측방향 치수를 가지는 물체로 형성될 수 있는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가, 120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 70 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가지는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가, 120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 90 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가지는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가, 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, σ_Y(0.3πt)^1/2초과의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가지며, 여기에서, σ_Y는 금속 유리의 압축 항복 강도이고 t는 굽힘 하중을 받는 금속 유리 부분의 두께인 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가, 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비, 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 부가적인 성질을 갖는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가, 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비, 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 2개의 부가적인 성질을 갖는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가, 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비, 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력을 가지는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가,
X_l00 _-a- _bY_aZ_b 로 이루어지고,
여기에서,
X는 Ni, Fe, Co 또는 그 조합이고;
Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고;
Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고;
a는 5 내지 15 원자%이며; 그리고
b는 15 내지 25 원자%인 것인 골프 클럽.
제8항에 있어서,
상기 합금이 이하의 원소, 즉 W, Ru, Re, Cu, Pd, Pt, V, 및 Sn 중 하나 이상을 3 원자%까지의 농도로 포함할 수 있는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가,
Ni_lOO _-a-b- _cW_aY_bZ_c 로 이루어지고,
여기에서,
W는 Co, Fe, 또는 그 조합이고;
Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고;
Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고;
a는 40 원자% 이하이고;
b는 5 내지 15 원자%이며;
c는 15 내지 25 원자%인 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가,
Ni₁₀₀ _-a-b- _cCr_aY_bZ_c 로 이루어지고,
여기에서,
Y는 Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고;
Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고;
a는 5 내지 10 원자%이며;
b는 2.5 내지 5 원자%이고; 그리고
c는 15 내지 25 원자%인 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가,
Ni_l00 _-a-b-c- _dCr_aY_bP_cZ_d 로 이루어지고,
여기에서,
Y는 Mo, Mn, Nb, Ta, 또는 그 조합이고;
Z은 B, Si 또는 그 조합이고;
a는 5 내지 10 원자%이고;
b는 2.5 내지 5 원자%이며;
c는 16 내지 19 원자%이고;
d는 1 내지 3.5 원자%인 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리가 적어도 3 mm의 측방향 치수를 가지는 물체로 형성될 수 있는 것인 골프 클럽.
제1항에 있어서,
상기 금속 유리는, Ni₇₁ _. ₄Cr₅ _. ₅₂Nb₃ _.38P_16. ₆₇B₃ _.03, Ni₇₂ _. ₅Cr₅Nb₃P₁₆ _. ₅B₃; Ni_70.75Cr₇Ta_2.75P_16.25B_3.25, Ni₆₉Cr₇ _. ₅Mn₃Mo₁P₁₆ _. ₅B₃, Ni₆₉ _. ₉Co₁ _. ₅Cr₅ _. ₅₂Nb₃ _.38P_16. ₆₇B₃ _.03, Ni_67.1Cr₁₀Nb_3.4P₁₈Si_1.5, Ni₇₄Mn₃ _. ₅Nb₃P₁₆ _. ₅B₃, 및 Ni₇₂ _. ₃Mo₃Nb₄Mn₁P₁₆ _. ₅B₃ _.2로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 골프 클럽.
금속 유리로 골프 클럽의 적어도 하나의 부분을 형성하는 방법으로서,
120 GPa 초과의 영률, 그리고 1 내지 2 mm 범위의 길이 및 0.1 내지 0.15 mm 범위의 루트 반경을 가지는 노치를 포함하는 3 mm 직경의 막대에서 측정하였을 때, 적어도 50 MPa-m^1/ ²의, 균열 개시에서의 응력 세기 인자로서 규정된, 노치 인성을 가지는 금속 유리를 형성할 수 있는 합금을 선택 및 용융하는 단계로서, 금속 유리가 적어도 1 mm의 측방향 치수를 가지는 벌크 물체로 형성될 수 있는 것인 선택 및 용융 단계,
골프 클럽의 적어도 하나의 부분을 제조하기 위해서 합금 용융체를 성형하는 단계; 및
금속 유리로 골프 클럽의 적어도 일부를 형성하기 위해서, 합금의 결정화를 방지할 수 있는 충분히 빠른 냉각율로, 형성된 합금 용융체를 급냉시키는 단계
를 포함하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 급냉시키는 단계에 앞서 환원제를 이용하여 용융 합금을 플럭싱(fluxing)시키는 단계
를 더 포함하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 합금을 용융시키는 단계가 합금의 액상선 온도보다 적어도 100 ℃ 더 높은 온도에서 합금 용융체를 가열하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제15항에 있어서,
상기 합금을 용융시키는 단계가 적어도 1100 ℃의 온도에서 합금 용융체를 가열하는 단계를 포함하는 것인 골프 클럽.
제15항에 있어서,
상기 금속 유리가, 4.0 g/cc 내지 9 g/cc의 질량 밀도, 55 GPa 미만의 전단 계수, 적어도 170 GPa의 벌크 계수, 적어도 0.35의 푸아송비, 적어도 2.0 GPa의 압축 항복 강도, 적어도 1.4%의 탄성 변형 한계, (K_Q ²/πσ_Y ²)로서 평가되는 소성 구역 반경으로서, 여기에서 σ_Y 는 금속 유리의 압축 항복 강도이고, K_Q 는 노치 인성인 것인, 적어도 0.25 mm의 소성 구역 반경, 적어도 1 mm의 굽힘 하중을 받는 두께를 가지고 적어도 3 mm 직경의 임계 막대 직경 또는 적어도 1 mm의 임계 판 두께를 가지는 샘플 내에서 적어도 1%의 (3-지점 굽힘 테스트에서의) 영구적인 소성 굽힘 변형을 견딜 수 있는 능력으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 부가적인 성질을 갖는 것인 방법.
제15항에 있어서,
상기 금속 유리는,
X_l00 _-a- _bY_aZ_b 로 이루어지고,
여기에서,
X는 Ni, Fe, Co 또는 그 조합이고;
Y는 Cr, Mo, Mn, Nb, Ta 또는 그 조합이고;
Z는 P, B, Si 또는 그 조합이고;
a는 5 내지 15 원자%이며; 그리고
b는 15 내지 25 원자%인 것인 방법.