(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アルファ＋ベータ型チタン合金、及びこのような鋳造用アルファ＋ベータ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】Ａｌ：５．０〜１０．０ｍａｓｓ％、Ｖ：２．０超〜６．０ｍａｓｓ％及びＣｕ：０．１〜１０．０ｍａｓｓ％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、融点が摂氏１６５０度以下である鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金。更に、Ｃ＋Ｎ＋Ｏ：１．０ｍａｓｓ％以下、および／または、Ｂ＋Ｓｉ：０．５ｍａｓｓ％以下を含み、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、融点が摂氏１６５０度以下である鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金。このような鋳造用アルファ＋ベータ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】
Ａｌ：５．０〜１０．０ｍａｓｓ％、
Ｖ：２．０超〜６．０ｍａｓｓ％、
Ｃｕ：０．１〜１０．０ｍａｓｓ％
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、融点が摂氏１６５０度以下である鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金。
【請求項２】
Ｃ、Ｎ、Ｏを１種又は２種以上
Ｃ＋Ｎ＋Ｏ：１．０ｍａｓｓ％以下、
の範囲でさらに含む請求項１に記載の鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金。
【請求項３】
Ｂ、Ｓｉを１種又は２種
Ｂ＋Ｓｉ：０．５ｍａｓｓ％以下
の範囲でをさらに含む請求項１又は２に記載の鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の鋳造用アルファ＋ベータ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、鋳造用アルファ＋ベータ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】
アルファ＋ベータ型チタン合金は、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、今までは、主に宇宙航空機材料として用いられてきた。しかし、近年は、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、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、アルファ＋ベータ型合金の中で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】
近年、ゴルフクラブヘッドなどでは、鋳造で製造されたものが使用されている。上述のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、Ｆｅ基合金に比べると比強度が高く、ゴルフクラブヘッドに適した合金であるが、元来、鍛造用として開発された合金であるため、融点が高く鋳造性について難点があり、低融点化による鋳造性改善が求められている。また、鋳造品は、鍛造品に比べ強度をはじめとする機械的特性が劣るという欠点がある。
【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、重量％で、Ｆｅ：０．５〜３．５％、Ａｌ：０〜３．５％、Ｏ：０．０５〜０．９５％、Ｃｒ：０〜０．５％、Ａｌ：０〜３．５％、Ｖ：０〜３％、Ｃ：０〜０．３％、Ｓｉ：０〜０．２％、Ｍｎ：０〜０．１％、Ｎｉ：０〜０．３％およびＮ：０〜０．２％含み、残部：Ｔｉおよび不可避的不純物からなる鋳造用チタン合金が開示されている。
同文献には、従来のチタン合金鋳造品にはない高い含有量のＦｅを添加することで、Ｔｉとの間にＴｉ−Ｆｅ相を形成し金属組織の微細化および固溶強化による鋳造品の強度を高めることと、同様にＯを添加することで、凝固温度範囲を広くせずに固溶強化による鋳造品の強度を高めることが記載されている。さらに、Ａｌ、Ｖの含有率を制限することによって、良好な鋳造性及び強度、延性等の機械的特性に優れるチタン合金が得られることが記載されている。
【０００５】
しかし、Ｆｅは、Ｔｉ合金の強度向上や原料コスト低減に寄与するものの、Ｔｉ合金中で偏析しやすい元素であり、鋳造品の場合、偏析により部位によって強度にバラツキが出てしまう等の問題があった。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３６０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、低廉で、且つＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも強度が高く、鋳造性に優れた鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金、及び、このような鋳造用アルファ＋ベータ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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、
Ａｌ：５．０〜１０．０ｍａｓｓ％、
Ｖ：２．０超〜６．０ｍａｓｓ％、
Ｃｕ：０．１〜１０．０ｍａｓｓ％
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、融点が摂氏１６５０度以下であることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、更に
Ｃ＋Ｎ＋Ｏ：１．０ｍａｓｓ％以下、
を１種又は２種以上含み、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、融点が摂氏１６５０度以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、更に
Ｂ＋Ｓｉ：０．５ｍａｓｓ％以下
を１種又は２種含み、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、融点が摂氏１６５０度以下であることを特徴とする。
【００１１】
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アルファ＋ベータ型チタン合金を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
Ｔｉに対して所定量のＡｌ、Ｖを添加すると同時に、所定量のＣｕを添加することで、融点が下がり、鋳造性が向上すると共に、強度がさらに向上する。さらに、所定量のＣ＋Ｎ＋Ｏを添加すると、さらに高強度が得られる。これらの元素に加えて、さらにまた、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】
【００１３】
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．  鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金］
［１．１  成分］
本発明の実施の形態に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、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。
【００１４】
（１）  Ａｌ：５．０〜１０．０ｍａｓｓ％
Ａｌは、合金のアルファ相を固溶強化する元素である。また、Ａｌは、Ｔｉよりも比重が軽いので、合金を低比重にする元素である。また、強度の向上にも寄与する。このような効果を得るためには、Ａｌ含有量は、５．０ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。さらに、７．０ｍａｓｓ％を超える添加がより好ましい。
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、１０．０ｍａｓｓ％以下にする必要がある。
また、Ａｌは５〜１０ｍａｓｓ％の範囲では、融点の低下に大きく寄与しない。
【００１５】
（２）  Ｖ：２．０超〜６．０ｍａｓｓ％
Ｖは、ベータ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％を超える添加が必要である。より好ましくは、３．０ｍａｓｓ％を超える添加である。
一方、Ｖは比重が大きい元素であるため、含有量が過剰になると、合金の比重が大きくなる。従って、Ｖ含有量は、６．０ｍａｓｓ％以下にする必要がある。より好ましくは、５．０ｍａｓｓ％以下である。
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。
【００１６】
（３）  Ｃｕ：０．１〜１０．０ｍａｓｓ％
Ｃｕは、本発明において最も重要な元素である。添加することによって融点の低下及び強度の向上に効果がある。このような効果を得るためには、Ｃｕ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。十分な効果を得るためには、３．０ｍａｓｓ％を超える添加が好ましい。
一方、Ｃｕは比重が大きい元素であるため、含有量が過剰になると合金の比重が増大し、１０．０ｍａｓｓ％を超えると、比重が５．０を超えてしまうため、１０．０ｍａｓｓ％以下にする必要がある。より好ましくは、７．０ｍａｓｓ％以下である。
【００１７】
本発明の実施の形態に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、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。
【００１８】
（４）  Ｃ＋Ｎ＋Ｏ：１．０ｍａｓｓ％以下
Ｃ、Ｎ及びＯは、いずれもアルファ相を安定化させる効果がある。総量で０．０５ｍａｓｓ％を超える添加が好ましい。
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１．０ｍａｓｓ％以下にする必要がある。より好ましくは０．５ｍａｓｓ％以下である。
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】
（５）  Ｂ＋Ｓｉ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｂ及びＳｉは、いずれも結晶粒を微細化する効果がある。総量で０．０１ｍａｓｓ％以上の添加が好ましい。
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。
【００２０】
［１．２  特性］
本発明の実施の形態に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、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、鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金としては非常に高強度であり、鋳造品の薄肉・軽量化が図れる。また、あわせて、融点が摂氏１６５０度以下となることで、湯回り性が向上し、薄肉品や複雑形状品の不良率を低減することが可能となる。このような鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、特にゴルフクラブヘッドとして有用である。
【００２１】
［２．  鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金の作用］
従来、アルファ＋ベータ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。また、所定量のＣｕを添加することで、融点が下がり、鋳造性が向上すると共に、強度がさらに向上する。
さらに、所定量のＣ＋Ｎ＋Ｏを添加すると、さらに高強度が得られる。これらの元素に加えて、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。
【００２２】
また、本発明に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金の内、Ｃｕは、Ｔｉ原料に比べ安価であり、鋳造用アルファ＋ベータ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アルファ＋ベータ型チタン合金は、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】
【００２３】
（実施例１〜２０、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に、各試料の化学組成を示す。なお、表１中、「−」となっている元素は、意図的に添加していない不可避的不純物で、各元素でおおよそ０．０１ｍａｓｓ％未満の範囲内である。
【００２４】
【表１】
2010150624.tif 000002
【００２５】
［２．  試験方法］
［２．１  融点］
減圧鋳造装置の坩堝上部に熱電対を付け、２ｋｇのインゴット溶製時にその溶融金属の融点を実測した。
［２．２  硬さ］
硬さは、インゴットから切り出して、ビッカース硬度計を用いて荷重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５x１０-5ｍ／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（２ｘ１０ｘ５０ｍｍ）を２０個製造し、湯回り不良の発生を調べた。湯回り不良は、目視で板状試験片の表面に巣や割れがあるものを不良とし、２０個中に不良の発生した試験片の個数を百分率で表した。
【００２６】
［３．  結果］
表２に、試験結果を示す。比較例１は、Ｃｕを含有していないために、引張り強さが低く、且つ、融点が高く、湯回り不良率が高いので鋳造性も悪い。比較例２は、Ａｌが少ないが、Ｆｅを含有するために、引張り強さが高くなっている。しかし、融点が上がっており鋳造性が悪化している。比較例３は、Ｃｒを含有するために、融点が上がっており鋳造性が悪化している。比較例４はＡｌが少なく、Ｃｕも含有しないため、引張強さが低く、鋳造性も悪い。比較例５は、Ｖが少ないため、引張強さも低く、鋳造性も悪い。
これに対し、実施例１〜２０は、適量のＡｌ、適量のベータ安定化元素Ｖを含み、且つ、Ｃｕを適量添加したおかげで、いずれも比較例１に比べて強度が高く、融点は低下し、鋳造性も向上した。また、Ｂ及びＳｉを添加したものは、融点を上昇させることなく、引張り強さが向上している。これは、結晶粒を微細化させた効果と考えられる。
【００２７】
【表２】
2010150624.tif 000003
【００２８】
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】
【００２９】
本発明に係る鋳造用アルファ＋ベータ型チタン合金は、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。