(57)【要約】【課題】反発性に優れるゴルフクラブヘッドの製造方法の提供【解決手段】β型チタン合金製のヘッドの製造方法であって、熱間加工によってヘッドに加工した後のチタン合金を平均粒径が０．１〜１０μｍのα相と、平均粒径が０．１〜１０μｍのβ相との混合組織となした後、「β変態点−４５０℃」以上で「β変態点−１００℃」未満の温度域において１５分〜１００時間の熱処理を施すゴルフクラブヘッドの製造方法。上記熱処理前に、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において１分〜２時間の熱処理を行ってもよい。上記熱間加工は、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において下記の（１）式で表されるＡ値が０．５以上となる加工が望ましい。但し、（１）式中のＡは相当ひずみ量、ε１、ε２およびε３は主方向の対数ひずみである。Ａ＝｛（ε１２＋ε２２＋ε３２）×２／３｝０．５      …（１）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
β型チタン合金製のゴルフクラブヘッドの製造方法であって、熱間加工によってゴルフクラブヘッドに加工した後のチタン合金を平均粒径が０．１〜１０μｍのα相と、平均粒径が０．１〜１０μｍのβ相との混合組織となした後、「β変態点−４５０℃」以上で「β変態点−１００℃」未満の温度域において１５分〜１００時間の熱処理を施すことを特徴とするゴルフクラブヘッドの製造方法。
【請求項２】
β型チタン合金製のゴルフクラブヘッドの製造方法であって、熱間加工によってゴルフクラブヘッドに加工した後のチタン合金を平均粒径が０．１〜１０μｍのα相と、平均粒径が０．１〜１０μｍのβ相との混合組織となした後、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において１分〜２時間の熱処理を施し、更に「β変態点−４５０℃」以上で「β変態点−１００℃」未満の温度域において１５分〜１００時間の熱処理を施すことを特徴とするゴルフクラブヘッドの製造方法。
【請求項３】
熱間加工が、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において下記の（１）式で表されるＡ値が０．５以上となる加工であることを特徴とする請求項１または２に記載のゴルフクラブヘッドの製造方法。
Ａ＝｛（ε１２＋ε２２＋ε３２）×２／３｝０．５      …（１）
但し、（１）式中の各記号の意味は下記のとおりである。
Ａ：相当ひずみ量
ε１、ε２およびε３：主方向の対数ひずみ
【請求項４】
少なくともフェースが、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項５】
体積が２００〜６００ｃｍ３、質量が１７０〜２２０ｇで、且つフェースの厚さが１〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載のゴルフクラブヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、β型チタン合金を用いたゴルフクラブヘッド（以下、単に「ヘッド」という）の製造方法およびその製造方法により製造したヘッドに関する。なお、「β型チタン合金」とはβ変態点以上に加熱した後、常温まで急冷した場合にその組織がβ単相になるチタン合金を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ヘッドとしてチタン合金製の中空ヘッドが注目されているが、これは、チタン合金がヘッドの材料に求められる高強度で、かつ比重が軽いという性質を有するからである。
【０００３】
ヘッドを構成する部材の中でもフェースは直接ボールと接触するため、他のクラウン、サイド、ソール、ホーゼルといった部材より高い強度が求めれる。フェースの強度を確保するためにフェースの板厚をあまりに厚くすると、ヘッド全体の質量を適正な範囲内に抑えるためには、フェース以外の部材の質量を低減する必要が生じ、ヘッドの重心位置のコントロールが困難となり、ヘッドを大型化することができなくなる。また、ボールの反発性の観点からは、フェースの板厚が薄い方がよい。従って、フェースに使用する材料には、高い引張強度を有するとともに、低比重のものが求められる。
【０００４】
β型チタン合金は時効処理により高強度化が図れることから、ヘッド用材料、特にフェース用材料として注目されており、この合金を用いたゴルフクラブヘッドおよびその製造方法が開示されている。
【０００５】
特許文献１には、冷間圧延により得た板材を冷間または温間プレス加工および溶接加工しヘッドに製造されるβ型チタン合金材料が開示されており、この合金材料には直接に３００〜５００℃で８時間程度の時効処理が施される。特許文献２および特許文献３には、冷間加工材を直接時効したヘッドが開示されている。しかし、β型チタン合金は冷間加工して直接時効すると高強度化するが、延性が低下するため、ボールの衝撃によりフェース、とくにスコアラインの部分に割れが生じやすい。
【０００６】
β型チタン合金の製造方法としては、例えば、特許文献４には、β型チタン合金に加工率５０％以上の冷間加工、所定の熱処理、加工率５％以上の冷間加工、所定の熱処理を施した後に、時効処理を施すβ型チタン合金の製造方法が開示されている。また、特許文献５には、β型チタン合金に、第１の加工、時効処理、第２の加工、再結晶処理を施した後に、第２の時効処理を施すβ型チタン合金の加工熱処理方法が開示されている。
【０００７】
しかし、いずれの文献に記載される方法でも、組織中のα相が微細に析出するので時効処理前でも強度が高く延性が低下するため、フェース形状へのプレス加工が困難となる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２９５１８号公報
【特許文献２】
特開２００１−５４５９５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３９６９号公報
【特許文献４】
特開平２−１５３０５４号公報
【特許文献５】
特許２８４９９６５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ヘッドの反発性を向上させるためには、フェースの厚みを薄くすることが最も有効な手段であり、そのためにはフェースに用いる材料を高強度化することが望ましい。しかし、強度が高くても延性が低いフェースは、ボールの衝撃によって割れが生じ易くなり、耐久性が劣化する。
【００１０】
通常、β型チタン合金はβ変態点以上に加熱することによりβ単一相にしたものが用いられる。このβ相の粒径は通常１００μｍ程度である。β型チタン合金に時効処理を施すと、０．１μｍ未満という微細なα相が析出して合金の引張強度を上昇させるが、β相が粗大化しているので延性が低下し、高い疲労強度が得られない。
【００１１】
ところが、時効処理前の合金組織中に０．１μｍ以上という比較的大きな粒径のα相を有するとともに、１０μｍ以下という比較的小さなβ相を有するβ型チタン合金であれば、この比較的大きな粒径のα相の存在により熱処理時にβ相の粗大化が抑制されるとともに、時効処理後には、β相から新たに０．１μｍ未満という微細なα相が析出する。このようにして製造したβ型チタン合金は、比較的小さなβ相の存在により延性に優れ、新たに析出した微細なα相の存在により引張強度も高い合金となる。
【００１２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、β型チタン合金の強度および延性をともに向上させることにより、優れた反発性を有するヘッドの製造方法およびその製造方法により製造したヘッドを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の▲１▼または▲２▼に記載のヘッドの製造方法および下記の▲３▼に記載のヘッドを要旨とする。
【００１４】
▲１▼β型チタン合金製のヘッドの製造方法であって、熱間加工によってヘッドに加工した後のチタン合金を平均粒径が０．１〜１０μｍのα相と、平均粒径が０．１〜１０μｍのβ相との混合組織となした後、「β変態点−４５０℃」以上で「β変態点−１００℃」未満の温度域において１５分〜１００時間の熱処理を施すことを特徴とするヘッドの製造方法。
【００１５】
▲２▼β型チタン合金製のヘッドの製造方法であって、熱間加工によってヘッドに加工した後のチタン合金を平均粒径が０．１〜１０μｍのα相と、平均粒径が０．１〜１０μｍのβ相との混合組織となした後、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において１分〜２時間の熱処理を施し、更に「β変態点−４５０℃」以上で「β変態点−１００℃」未満の温度域において１５分〜１００時間の熱処理を施すことを特徴とするヘッドの製造方法。
【００１６】
上記の熱間加工は、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において下記の（１）式で表されるＡ値が０．５以上となる加工であることが望ましい。但し、（１）式中のＡは相当ひずみ量、ε１、ε２およびε３は主方向の対数ひずみを意味する。
【００１７】
Ａ＝｛（ε１２＋ε２２＋ε３２）×２／３｝０．５      …（１）
▲３▼少なくともフェースが、▲１▼または▲２▼に記載の方法により製造されたことを特徴とするヘッド。このヘッドは、体積が２００〜６００ｃｍ３、質量が１７０〜２２０ｇで、且つフェースの厚さが１〜３．５ｍｍとすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
１．時効処理前の組織
熱間加工によってヘッドに加工した後のチタン合金を平均粒径が０．１〜１０μｍのα相と、平均粒径が０．１〜１０μｍのβ相との混合組織となすことが必要である。
【００１９】
α相の平均粒径が０．１μｍ未満の場合、時効処理による新たなα相の析出が少ないため、強度上昇が少ない。このため、時効処理後の強度が不十分となりフェースを薄肉化することができなくなる。また、時効処理前にこのような微細なα相があると、時効処理後のα相の析出が少なく、強度の上昇が小さくなる。一方、α相の平均粒径を１０μｍを超えるように熱処理等の製造条件を調整すると、β相の平均粒径も大きくなり過ぎるので、時効処理後の強度と延性のバランスが悪くなる。α相の平均粒径が０．１μｍ未満の場合も１０μｍを超える場合も、フェースを薄くすることができないため、ヘッドの反発性を向上できない。従って、α相の平均粒径を０．１〜１０μｍに規定した。
【００２０】
β相の平均粒径が１０μｍを超えると時効処理後の強度と延性のバランスが悪くなり、フェースの薄肉化ができず、ヘッドの反発性能を向上できない。一方、０．１μｍ未満としても効果が飽和するとともに、このように小さい粒径のβ相を得るためには技術的にも経済的にも困難が伴う。従って、β相の平均粒径を０．１〜１０μｍとした。
【００２１】
なお、α相およびβ相の平均粒径は、試験片の表面を鏡面研磨し、更にフッ硝酸でエッチングした後、ミクロ組織を４００〜１０００倍に拡大してそれぞれの粒子の粒径を求めた。ここで、粒径とは、長径（粒界に接しない条件で粒内に最も長く引ける直線の長さ）と、短径（長径の直線と垂直な直線で粒内に最も長く引ける直線の長さ）との平均値を意味する。
【００２２】
β型チタン合金のα相およびβ相の平均粒径を上記の範囲とするためには、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において下記の（１）式で表されるＡ値が０．５以上となる加工を施せばよい。但し、（１）式中のＡは相当ひずみ量、ε１、ε２およびε３は主方向の対数ひずみを意味する。
【００２３】
Ａ＝｛（ε１２＋ε２２＋ε３２）×２／３｝０．５      …（１）
β型チタン合金にβ変態点を超える温度域で加工を施しても、α相が全く析出しないばかりか、組織の微細化が図れずβ型チタン合金の高強度化が図れない。このため、強度と延性のバランスが悪くなり、フェースの薄肉化が困難となる。一方、β型チタン合金に「β変態点−１００℃」未満の温度域で加工を施すと、α相が微細化しすぎて０．１μｍ未満となってフェースへのプレス加工が困難となる。従って、加工は、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において行うのが望ましい。
【００２４】
チタン合金の組織は、断面減少率や圧下率などの変更により調整されてきたが、本発明者らの研究により、上記の（１）式から求められる相当ひずみ（Ａ）を調整することが有効であることが判明した。上記の（１）式は、加工により生じたひずみ（ベクトル量）を１軸のスカラー量に置き換えたものである。
【００２５】
「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において上記の（１）式で表されるＡ値が０．５以上となる加工を施せば、α相の平均粒径が０．１〜１０μｍであり、且つβ相の平均粒径が０．１〜１０μｍのβ型チタン合金を得ることができる。
【００２６】
この加工は、圧延、鍛造など何れの方法を採用してもよい。
【００２７】
２．時効処理
本発明のヘッドの製造方法においては、α相およびβ相の平均粒径が上記の範囲にあるβ型チタン合金に、「β変態点−４５０℃」以上で「β変態点−１００℃」未満の温度域において１５分〜１００時間の熱処理（時効処理）を施す必要がある。
【００２８】
上記のβ型チタン合金に「β変態点−４５０℃」未満の温度域での時効処理を施すと、時効が進まなかったり、脆化相であるω相が析出する。このため、時効処理後の強度と延性のバランスが悪くなり、ボールの打撃時にフェースが凹んだり、フェースに割れが生じたりする。事前に焼鈍処理（後段の３の焼鈍処理）を施しても同様である。一方、時効処理の温度が「β変態点−１００℃」以上の場合には、過時効状態となり強度が上昇せず、ボールの打撃時にフェースの凹みが発生する。従って、本発明における時効処理の温度域を「β変態点−４５０℃」以上で「β変態点−１００℃」未満とした。
【００２９】
上記の時効処理は１５分以上施すことにより強度が上昇するが、１００時間を超えてもこの効果は飽和する。従って、時効処理の保持時間を１５分〜１００時間とした。
【００３０】
３．焼鈍処理
本発明のヘッドの製造方法においては、上記の時効処理前に、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において１分〜２時間の熱処理を施すことが望ましい。しかし、この焼鈍処理の温度がβ変態点以上の場合には、β相の再結晶化が進みすぎて粒径が大きくなり時効処理後の強度が低下する。このため、フェースの薄肉化が困難となり、ヘッドの反発性を向上できない。また、「β変態点−１００℃」未満の温度域で焼鈍処理を施すと、β相が粗大化して強度と延性のバランスが悪くなるため、フェースの薄肉化が困難となり、ヘッドの反発性を向上できない。従って、上記の時効処理前には、「β変態点−１００℃」以上でβ変態点未満の温度域において焼鈍処理を施すのがよい。
【００３１】
上記温度域での焼鈍処理であれば、β相の再結晶化は短時間で進行するため、保持時間は１分以上であればよいが、２時間を超えて熱処理を施すとβ相の粒成長が過剰となる。従って、焼鈍処理を施す場合の保持時間は、１分〜２時間とすればよい。望ましいのは１分〜１時間である。
【００３２】
本発明のヘッドは、少なくともフェースが上記の製造方法により作られたものであればよい。即ち、フェース以外の本体部分については、上記の製造方法により作られたものでなくてもよく、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金といった一般的なチタン合金を用いて作られたものであってもよい。これは、ボールが直接に触れるフェースがゴルフクラブの性能を左右するので、少なくとも、この部分に上記の製造方法で作られたものを使用すればよいからである。
【００３３】
本発明の製造方法により作られたヘッドは、体積が２００〜６００ｃｍ３、質量が１７０〜２２０ｇで、且つフェースの厚さが１〜３．５ｍｍとすることができる。ヘッドの反発性を高めるためには、フェースの板厚をできるだけ薄くするのが有効であるが、従来法で作られたフェースは、その板厚を薄くすると強度を確保するのが困難となる。しかし、本発明の製造方法により作られたヘッドであれば、そのフェースの板厚を３．５ｍｍ以下と非常に薄くしても、所定の強度を確保することができる。なお、フェースの板厚の下限は強度の観点から１ｍｍとする。
【００３４】
使用時のボールの飛距離および方向安定性を向上させるには、ヘッドの体積を２００ｃｍ３以上とするのが望ましい。一方で、ヘッド自体の強度を確保する必要がある。ヘッドの材料として従来のチタン合金を用いる場合には、強度を確保するためにはヘッドを厚肉化する必要がある。従って、ヘッドを大型化すると質量が増えるが、２２０ｇを超えるとゴルフクラブとして快適な使用ができない重さとなる。これに対応すべく、ヘッドの質量を低く抑えつつその体積を増加させるには、ヘッド（特に、質量の大きなフェース）を薄肉化する必要があるが、従来のチタン合金では、ヘッドに要求される強度を確保できない。
【００３５】
しかし、本発明で規定されるチタン合金を用いれば、高い強度を維持しつつ、フェースを薄肉化できるので、ヘッド全体の質量を２２０ｇ以下に抑えつつ、ヘッドの体積を２００ｃｍ３以上とすることができる。なお、ヘッドの体積は、適正な質量と強度のバランスを確保する必要があるので、その上限を６００ｃｍ３とした。また、ヘッドの質量は、小さすぎると十分な慣性モーメントが得られず、ボールの飛距離が低下するので、その下限値を１７０ｇとした。
【００３６】
なお、ヘッドとは、フェース、クラウン、サイドおよびソール、更には、シャフトとの接合に使用されるホーゼルをも含む。
【００３７】
【実施例】
以下に実施例によって、本発明を説明する。
【００３８】
（実施例１）
Ｔｉ−２０Ｖ−４Ａｌ−１Ｓｎチタン合金（β型チタン合金、β変態点：７４０℃）を用い、ＶＡＲで製造した鋳塊を鍛造により厚さ１８ｍｍの厚板を作製した。この厚板に種々の条件で熱間圧延を施して作製した平板に、種々の条件の時効処理を施したものを供試材とした。また、Ｎｏ．１、３、４、５、６、７、８および９については、時効処理前に種々の条件の焼鈍処理を施して供試材とした。これらの供試材からＡＳＴＭに準じて引張試験片を切り出し、引張試験を行った。
【００３９】
これらの製造条件、時効処理前のα相およびβ相の平均粒径、ならびに試験結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2004156066.tif 000002
【００４１】
Ｎｏ．１は熱延温度および焼鈍温度が本発明で規定される範囲を超える条件で、Ｎｏ．３は焼鈍温度が本発明で規定される範囲を超える条件で作製したβ型チタン合金である。これらの比較例では、β相が完全に再結晶化して粒径が大きくなったため、引張強度および延性がいずれも低い値となった。
【００４２】
Ｎｏ．５は熱延時の相当ひずみが本発明で規定される範囲を下回る条件で作製したβ型チタン合金である。この比較例では、α相が生成せず、熱延前に存在していた粗大なβ相が変形しただけであるため、引張強度が低かった。
【００４３】
Ｎｏ．６およびＮｏ．７は時効温度が本発明で規定される範囲を下回る条件で作製したβ型チタン合金である。いずれの比較例でもα相およびβ相の平均粒径は本発明の範囲内となったが、Ｎｏ．６では、引張試験において弾性域で破断した。Ｎｏ．７は、Ｎｏ．６と条件に加え、時効処理前に焼鈍処理を行ったものであるが、この場合には時効の進みが遅く、引張強度が低かった。
【００４４】
Ｎｏ．８は焼鈍温度が本発明で規定される範囲を下回る条件で作製したβ型チタン合金である。この比較例では、時効処理を行っても強度上昇が不十分であった。
【００４５】
なお、表には示さないが、上記の厚さ１８ｍｍの厚板を用いて熱間圧延を本発明で規定される範囲を下回る６００℃で行なおうとしたが、この条件では熱延中に時効が進み割れが発生した。
【００４６】
本発明例であるＮｏ．２、４および９では、引張強度および延性がいずれも高かった。
【００４７】
（実施例２）
上記の鋳塊を鍛造してφ１８ｍｍの丸棒を作製し、この丸棒を鍛造によって所定の形状に加工したフェースに、焼鈍処理、時効処理を施して供試材を作製した。これらの製造条件を表２に示す。
【００４８】
これらのフェースの表面を研磨して、平均厚さが２．７ｍｍ、２．５ｍｍ、１．５ｍｍおよび０．８ｍｍの４種類のフェースをそれぞれ作製し、平均厚さが２．７ｍｍおよび２．５ｍｍのフェースは、その他の部材と溶接組立して３６０ｍｍ３（２００ｇ）のヘッドとし、平均厚さが１．５ｍｍおよび０．８ｍｍのフェースは、２５０ｍｍ３（１７５ｇ）のヘッドとした。
【００４９】
これらのヘッドにシャフトを取り付け、ヘッドスピード５０ｍ／ｓでフェース中央部をボールに衝突させ続けるロボットマシンによる耐久試験を行った。その評価基準は、上記のテストを２０００回繰り返した後のフェース表面に凹みおよび割れのいずれも発生しなかったものを合格とし、凹みおよび／または割れが発生したものを不合格とした。これらの結果も表２に併記する。
【００５０】
【表２】
2004156066.tif 000003
【００５１】
なお、鍛造時の相当ひずみは、有限要素法による計算により求めた。また、フェースの端部はヘッドの組立時に切り落とされるため、表２の「相当ひずみ」には、フェースとして使用される部分の相当ひずみの分布とその部分における相当ひずみの平均値を示す。
【００５２】
表２に示すように、Ｎｏ．１０は、本発明で規定される範囲外の製造方法により作られたヘッドであるが、このヘッドでは、フェースの厚さが２．５ｍｍ以下の条件でいずれも割れが発生した。一方、本発明の製造方法により作られたＮｏ．１１に示すヘッドでは、フェースの厚さが２．７ｍｍ、２．５ｍｍおよび１．５ｍｍの条件では割れも凹みも発生しなかった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明方法によれば、強度と延性のバランスのよいヘッドを製造することができる。これによりフェースの厚さを薄くしても十分な耐久性を有するので、ヘッドに優れた反発性を持たせることができる。