(57)【要約】【課題】Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも強度が高く、鋳造性に優れた鋳造用α＋β型チタン合金、及びこのような鋳造用α＋β型チタン合金を用いたゴルフクラブヘッドを提供すること。【解決手段】５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％、０．５≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％及び０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、鋳造まま状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上であり、融点が１６５０℃以下である鋳造用α＋β型チタン合金。５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％、２．０≦Ｖ≦６．０ｍａｓｓ％、０．１≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％及び０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、鋳造まま状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上であり、融点が１６５０℃以下である鋳造用α＋β型チタン合金。このような鋳造用α＋β型チタン合金を用いたゴルフクラブヘッド。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％、
０．５≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％、及び
０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、
鋳造ままの状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上であり、融点が１６５０℃以下である鋳造用α＋β型チタン合金。
【請求項２】
０．１≦Ｃｕ≦１０．０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項１に記載の鋳造用α＋β型チタン合金。
【請求項３】
０．０１≦Ｂ＋Ｓｉ≦０．５ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項１又は２に記載の鋳造用α＋β型チタン合金。
【請求項４】
５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％、
２．０≦Ｖ≦６．０ｍａｓｓ％、
０．１≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％、及び
０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、
鋳造ままの状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上であり、融点が１６５０℃以下である鋳造用α＋β型チタン合金。
【請求項５】
０．１≦Ｃｕ≦１０．０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項４に記載の鋳造用α＋β型チタン合金。
【請求項６】
０．０１≦Ｂ＋Ｓｉ≦０．５ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項４又は５に記載の鋳造用α＋β型チタン合金。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれかに記載の鋳造用α＋β型チタン合金を用いたゴルフクラブヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造用α＋β型チタン合金及びこれを用いたゴルフクラブヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
実用チタン合金は、
（１）最密六方晶のα相（低温相）からなるα型合金、
（２）体心立方晶のβ相（高温相）からなるβ型合金、
（３）α相とβ相の混合組織を持つα＋β型合金、
に大別される。これらの内、α＋β型合金は、強度、比強度、熱処理性、加工性、耐食性などに優れたバランスの良い材料であり、従来は、主に宇宙航空機材料として用いられてきた。また、自動車用材料、機械構造部品用材料、一般民需用材料等としても使用されてきている。特に、α＋β型合金の中でもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、汎用高力チタン合金として広く用いられており、Ｔｉ合金使用量の約８０％を占めている。
【０００３】
しかしながら、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、高価なＶを含んでいるために高コストである。また、Ｔｉ合金は、一般に比強度が高いが、ある種の用途（例えば、ゴルフクラブヘッド）においては、さらなる高比強度化が求められている。さらに、鋳造品に使用されるＴｉ合金には、良好な鋳造性も求められる。
【０００４】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、７．０〜８．５重量％のＡｌと、０．６〜１．０重量％のＦｅを含み、残部がＴｉと付随的不純物であるチタン合金が開示されている。
同文献には、所定量のＡｌ及びＦｅを添加することによって、良好な鋳造性及び溶接性を維持しながら、優れた弾性率を有するチタン合金が得られる点が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、質量でＡｌ：５．５〜７．０％、Ｆｅ：０．５〜４．０％、Ｏ：０．５％以下、残部Ｔｉ及び不可避的不純物からなるα＋β型Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｖに代えてＦｅを用い、これを所定比率で含有させると、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の機械的性質を付与することができる点、及び、
（２）Ｆｅは、Ｖに比べて安価であるため、Ｔｉ合金を工業的に安価に製造できる点、
が記載されている。
【０００６】
また、特許文献３には、質量％で、Ａｌ:５．００から７．００％、Ｖ：１．００〜３．５％、Ｆｅ：０．４０超え〜１．００％、Ｏ：０．２０〜０．５０％、Ｃ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下を含有し、Ｖ当量（＝Ｖ％＋４．２Ｆｅ％）が３．００〜５．５０％であり、残部が実質的にＴｉからなる高強度Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶのＶの一部をＦｅで置換し、Ｖ当量を所定の範囲とすると、Ｔｉ−６−Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の強度を得ることができる点、及び、
（２）不純物としてＦｅを含有する安価なスポンジチタンを原料に用いることができるので、高強度のＴｉ合金を安価に製造することができる点、
が記載されている。
【０００７】
さらに、特許文献４には、質量％で、Ａｌ：５．５〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％、及びＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物からなる高強度Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のＶをＦｅに置換し、Ｎを適量含有させることにより、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の強度が得られる点、及び、
（２）不純物としてＦｅを含有する安価なスポンジチタンを原料に用いることができるので、高強度のＴｉ合金を安価に製造することができる点、
が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１０６８５３号公報
【特許文献２】特許第３３０６８７８号公報
【特許文献３】特開２００１−１１５２２１号公報
【特許文献４】特開２００４−１０９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、ゴルフメーカーからゴルフクラブヘッドのさらなる低比重化の要望が強くなっている。そのため、ゴルフクラブヘッドには、低比重チタン合金としてＴｉ−６Ａｌ−１Ｆｅ合金が使用され始めている。しかしながら、代表的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と比較して、低比重化の効果は小さい。
一方、ゴルフクラブヘッドのボディ部分には、一般に鋳造品が用いられるが、強度が高く、かつ鋳造性に優れたＴｉ合金が提案された例は、従来にはない。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも強度が高く、鋳造性に優れた鋳造用α＋β型チタン合金、及び、このような鋳造用α＋β型チタン合金を用いたゴルフクラブヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明に係る鋳造用α＋β型チタン合金の１番目は、
５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％、
０．５≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％、及び
０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、
鋳造ままの状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上であり、融点が１６５０℃以下であることを要旨とする。
鋳造用α＋β型チタン合金は、さらにＣｕ及び／又は（Ｂ＋Ｓｉ）を含むものが好ましい。
【００１２】
本発明に係る鋳造用α＋β型チタン合金の２番目は、
５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％、
２．０≦Ｖ≦６．０ｍａｓｓ％、
０．１≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％、及び
０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、
鋳造ままの状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上であり、融点が１６５０℃以下であることを要旨とする。
鋳造用α＋β型チタン合金は、さらにＣｕ及び／又は（Ｂ＋Ｓｉ）を含むものが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係るゴルフクラブヘッドは、本発明に係る鋳造用α＋β型チタン合金を用いたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１４】
Ｔｉに対して所定量のＡｌを添加すると同時に、所定量の（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ）又は（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ）＋Ｖを添加すると、鋳造性が向上し、しかも高強度が得られる。これらの元素に加えて、さらに所定量のＣｕを添加すると、鋳造性がさらに向上し、あるいは、強度がさらに向上する。また、所定量の（Ｂ＋Ｓｉ）を添加すると、結晶粒の微細化に効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  鋳造用α＋β型チタン合金（１）］
［１．１  成分］
本発明の第１の実施の形態に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、以下のような元素を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００１６】
（１）  ５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％。
Ａｌは、合金のα相を固溶強化する元素である。また、Ａｌは、Ｔｉよりも軽いので、合金を低比重化（すなわち、高比強度化）させる元素である。さらに、Ａｌを添加することによって融点が低下し、鋳造性が向上する。このような効果を得るためには、Ａｌ含有量は、５．０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ａｌ含有量が過剰になると、金属間化合物Ｔｉ3Ａｌが析出し、合金を脆化させる。従って、Ａｌ含有量は、７．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１７】
（２）  ０．５≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％。
Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉは、いずれもβ相を安定化させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉの含有量は、総量で０．５ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、比重が増大する。従って、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉの含有量は、総量で１０．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉは、単独で含まれていても良く、あるいは、２種以上が含まれていても良い。
【００１８】
（３）  ０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％。
Ｃ、Ｎ及びＯは、いずれもα相を安定化させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｃ、Ｎ及びＯの含有量は、総量で０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性を低下させる。従って、Ｃ、Ｎ及びＯの含有量は、総量で０．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、Ｃ、Ｎ及びＯは、単独で含まれていても良く、あるいは、２種以上が含まれていても良い。
【００１９】
本発明の第１の実施の形態に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、上述した元素に加えて、以下のような１種又は２種以上の元素をさらに含んでいても良い。
【００２０】
（４）  ０．１≦Ｃｕ≦１０．０ｍａｓｓ％。
Ｃｕは、融点の低下に効果がある。このような効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃｕ含有量が過剰になると、比重が増大する。従って、Ｃｕ含有量は、１０．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２１】
（５）  ０．０１≦Ｂ＋Ｓｉ≦０．５ｍａｓｓ％。
Ｂ及びＳｉは、いずれも結晶粒を微細化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｂ及びＳｉの含有量は、総量で０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大なホウ化物やシリサイドが析出し、疲労強度を低下させる。従って、Ｂ及びＳｉの含有量は、総量で０．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、Ｂ及びＳｉは、いずれか一方を添加しても良く、あるいは、双方を同時に添加しても良い。
【００２２】
［１．２  特性］
本発明の第１の実施の形態に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、添加元素の種類及び添加量を最適化することによって、鋳造ままの状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上となり、融点が１６５０℃以下となる。このような鋳造用α＋β型チタン合金は、特にゴルフクラブヘッドとして有用である。
【００２３】
［２．  鋳造用α＋β型チタン合金（２）］
［２．１  成分］
本発明の第２の実施の形態に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、以下のような元素を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
【００２４】
（１）  ５．０≦Ａｌ≦７．０ｍａｓｓ％。
Ａｌは、合金のα相を固溶強化する元素である。また、Ａｌは、Ｔｉよりも軽いので、合金を低比重化（すなわち、高比強度化）させる元素である。さらに、Ａｌを添加することによって融点が低下し、鋳造性が向上する。このような効果を得るためには、Ａｌ含有量は、５．０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ａｌ含有量が過剰になると、金属間化合物Ｔｉ3Ａｌが析出し、合金を脆化させる。従って、Ａｌ含有量は、７．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２５】
（２）  ２．０≦Ｖ≦６．０ｍａｓｓ％。
Ｖは、β相を安定化させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｖ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｖ含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｖ含有量は、６．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、合金製造時において、Ｖ源には、純金属を用いても良く、あるいは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金スクラップを用いても良い。
【００２６】
（３）  ０．１≦Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ≦１０．０ｍａｓｓ％。
Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉは、Ｖと同様に、β相を安定化させる効果がある。従って、Ｖを含む材料の場合、Ｆｅ等の添加量が相対的に少量であっても、第１の実施の形態に係る鋳造用α＋β型チタン合金と同等の効果が得られる。このような効果を得るためには、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉの含有量は、総量で０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、比重が増大する。従って、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉの含有量は、総量で１０．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉは、単独で含まれていても良く、あるいは、２種以上が含まれていても良い。
【００２７】
（４）  ０．０１≦Ｃ＋Ｎ＋Ｏ≦０．５ｍａｓｓ％。
Ｃ、Ｎ及びＯは、いずれもα相を安定化させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｃ、Ｎ及びＯの含有量は、総量で０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性を低下させる。従って、Ｃ、Ｎ及びＯの含有量は、総量で０．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、Ｃ、Ｎ及びＯは、単独で含まれていても良く、あるいは、２種以上が含まれていても良い。
【００２８】
本発明の第２の実施の形態に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、上述した元素に加えて、以下のような１種又は２種以上の元素をさらに含んでいても良い。
【００２９】
（５）  ０．１≦Ｃｕ≦１０．０ｍａｓｓ％。
Ｃｕは、融点の低下に効果がある。このような効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃｕ含有量が過剰になると、比重が増大する。従って、Ｃｕ含有量は、１０．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００３０】
（６）  ０．０１≦Ｂ＋Ｓｉ≦０．５ｍａｓｓ％。
Ｂ及びＳｉは、いずれも結晶粒を微細化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｂ及びＳｉの含有量は、総量で０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大なホウ化物やシリサイドが析出し、疲労強度を低下させる。従って、Ｂ及びＳｉの含有量は、総量で０．５ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、Ｂ及びＳｉは、いずれか一方を添加しても良く、あるいは、双方を同時に添加しても良い。
【００３１】
［２．２  特性］
本発明の第２の実施の形態に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、添加元素の種類及び添加量を最適化することによって、鋳造ままの状態で引張強さが８９０ＭＰａ以上となり、融点が１６５０℃以下となる。このような鋳造用α＋β型チタン合金は、特にゴルフクラブヘッドとして有用である。
【００３２】
［３．  鋳造用α＋β型チタン合金の作用］
従来、α＋β型のチタン合金において、Ａｌ含有量が過剰になると、Ｔｉ3Ａｌ等が生成することによって強度や熱間加工性が低下すると考えられていた。しかしながら、Ｔｉに対して一定量以上のＡｌを添加すると、鋳造性が向上する。また、高Ａｌ組成のチタン合金を鋳造に適用すると、実際には強度を低下させることがなく、むしろ合金を低比重化できるので、比強度も高くなる。
さらに、Ｔｉに対して所定量のＡｌを添加すると同時に、所定量の（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ）又は（Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ）＋Ｖを添加すると、鋳造性が向上し、しかも高強度が得られる。これらの元素に加えて、さらに所定量のＣｕを添加すると、鋳造性がさらに向上し、あるいは、強度がさらに向上する。また、所定量の（Ｂ＋Ｓｉ）を添加すると、結晶粒の微細化に効果がある。
【００３３】
また、本発明に係る鋳造用α＋β型チタン合金の内、Ｆｅを主要添加元素として含むものは、不純物としてＦｅを含む安価なスポンジチタンを原料として使用することができる。また、Ｆｅを添加することによって、高価なＶの使用量を減らすことができる。そのため、鋳造用α＋β型チタン合金をさらに低コスト化することができる。
さらに、本発明に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、強度が高く、かつ鋳造性に優れているので、これを例えばゴルフクラブヘッドに適用すれば、安価、かつ、軽量のゴルフクラブヘッドが得られる。
【実施例】
【００３４】
（実施例１〜３８、比較例１〜５）
［１．  試料の作製］
所定の組成となるように配合した原料を溶解し、減圧鋳造により所定の形状を有する試料を作製した。表１及び表２に、各試料の化学組成を示す。なお、表１及び表２中、「−」は、０．０１ｍａｓｓ％未満であることを表す。
【００３５】
【表１】
2010007166.tif 000002
【００３６】
【表２】
2010007166.tif 000003
【００３７】
［２．  試験方法］
［２．１  融点］
減圧鋳造装置に熱電対を付け、融点を実測した。
［２．２  硬さ］
硬さは、ビッカース硬度計を用いて加重３００ｇで５点測定し、平均を求めた。
［２．３  引張強さ］
減圧鋳造によってＡＳＴＭＥ８規定の３号試験片（直径６．３５ｍｍ、標点基準２５ｍｍ）を作製し、引張強さを測定した。
引張試験は、インストロン型引張試験機を用いてクロスヘッド速度５×１０-5ｍ／ｓで行った。
［２．４  湯回り不良率］
湯回り不良率は、減圧鋳造により作製した板状試験片（２×１０×５０ｍｍ）を用いて、湯回り不良の発生を調べた。湯回り不良は目視で個数を数え、すべての板状試験片中で不良の発生した試験片の割合を百分率で表した。
【００３８】
［３．  結果］
表３及び表４に、試験結果を示す。比較例１（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金）は、引張強さ：８６０ＭＰａ、融点：１６６０℃であった。比較例２〜４は、Ａｌが少ないために、比較例１に比べて引張強さが低く、鋳造性も悪い。比較例５は、引張強さも低く、また融点も高い。
これに対し、実施例１〜３９は、適量のＡｌと適量のβ安定化元素を含んでいるために、いずれも比較例１に比べて強度が高く、鋳造性も向上した。
特に、Ｖを含まない材料において、Ｃｕの添加は、強度をＣｕ無添加と同等以上に維持したまま、融点を低下させる効果がある。また、Ｂ及びＳｉの添加は、融点を上昇させることなく、結晶粒を微細化させる効果がある。
さらに、Ｖの添加は、融点を上昇させることなく、強度を向上させる効果がある。Ｖを添加した材料において、Ｃｕの添加は、強度をＣｕ無添加と同等以上に維持したまま、融点を低下させる効果がある。また、Ｖを添加した材料において、Ｂ及び／又はＳｉの添加は、融点を上昇させることなく、結晶粒を微細化させる効果がある。
【００３９】
【表３】
2010007166.tif 000004
【００４０】
【表４】
2010007166.tif 000005
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る鋳造用α＋β型チタン合金は、ゴルフクラブヘッド、化学工業装置、電気機器、宇宙機器、航空機、船舶、車両、医療器、復水器、熱交換器、海水淡水化装置などに用いられる各種構造用部品、耐食用部品等に用いることができる。