(57)【要約】【課題】チタンおよびチタン合金からなる複数の部材を接合して構成するウッドヘッドあるいはアイアンヘッド等のゴルフクラブヘッドにおいて、部材の表面および裏面に硬化層を設けると共に、部材の裏面の強度を向上させることを課題とする。【解決手段】各部材を接合前に、酸素、窒素、炭素の何れかからなる非金属元素を固溶拡散処理することにより、該部材の表面および裏面を硬化させると共に、裏面に応力を残留させることにより素材の疲労強度を高め、部材の板厚を薄くして、ボールを打撃した際のボールの変形量を減少させ、ボールのエネルギーロスを減らし、より遠くへボールを飛ばすことのできるゴルフクラブヘッド。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンもしくはチタン合金からなる複数の部材を接合して形成するゴルフクラブヘッドにあって、各部材に非金属元素を固溶拡散処理した後、該部材を溶接接合して形成することを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項２】
請求項１記載のゴルフクラブヘッドにおいて、フェース部材、ソール部材、トップ部材のうち少なくとも１つの部材の表面を、予めブラストもしくは光沢研磨仕上げしておき、非金属元素を固溶拡散処理した後、該部材を溶接接合して形成することを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項３】
請求項１記載のゴルフクラブヘッドにおいて、フェース部材、ソール部材、トップ部材のうち少なくとも１つの部材の裏面を、非金属元素を固溶拡散処理した後、該部材を溶接接合して形成することを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項４】
前記の非金属元素が、酸素、炭素、窒素の何れかである請求項１から３に記載のゴルフクラブヘッド。
【請求項５】
前記の非金属元素を固溶拡散処理した後、各部材をショットピーニング加工したことを特徴とする請求項１から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、ゴルフクラブヘッドに関するものであり、更に詳しくは、チタンもしくはチタン合金からなる複数の部材を接合して形成するゴルフクラブヘッドにおいて、各部材の表面及び裏面に対して表面処理により設けた硬化層に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ゴルフ用品、特にゴルフクラブの材質の進歩はめざましく、ゴルフクラブヘッドの材質改善及び新素材の導入が盛んに行なわれてきた。とりわけウッドヘッドに使用される材質の強度、破壊靭性、伸びについての素材開発及び製造技術開発により、ヘッドの軽量化とヘッド体積の大型化による慣性モーメントの増大、ヘッド構造の高反発化により、飛距離及び方向性は飛躍的に向上してきた。
【０００３】
最近では、チタンもしくはチタン合金を使用したチタンヘッドが全盛で、ウッドヘッドの場合は、精密鋳造による中空ヘッドをはじめ、鍛造あるいはプレス成形した複数の部材を接合して形成するヘッドが主流となっている。ゴルフヘッドに使用されるチタン合金は、精密鋳造製法の場合は、主に６ＡＬ−４Ｖ−Ｔｉ  が使用される。ところが、精密鋳造方法によると材料中に巣が避けられず、その強度が低下し、打球時の衝撃によりゴルフヘッドが破壊し易くなる。そのため、より薄肉化して高反発効果を得たいウッドヘッドの場合は、高強度のチタン合金素材からなる複数の部材を、鍛造或いは板材のプレス加工によって成形し、それらを溶接によって接合する製法が開発されて市販されている。
【０００４】
アイアンヘッドの場合は、チタン合金の精密鋳造製法によるオールチタンヘッドをはじめ、ステンレスの本体部に板状のチタンあるいはチタン合金のフェース部材をカシメ加工またはろう付とカシメ加工の併用により接合したヘッドが開発されて市販されている。
【０００５】
一般的には、ウッドクラブは飛距離性能が重要視されるのに対し、アイアンクラブは方向性能が重要であるとされているが、方向性能が同等であれば、少しでも飛ぶクラブが受け入れられており、アイアンヘッドにおいても飛距離のアップする高反発タイプのフェース面を備えたクラブが開発されている。
上記のとおり、ゴルフクラブはウッドクラブのみならずアイアンクラブにおいても、チタン合金素材の導入により、より高反発性能が発揮されるヘッドが開発されているが、使用されるチタン合金の改良も頻繁に行なわれており、６ＡＬ−４Ｖ−Ｔｉ  の他にＤＡＴ５５、ＳＰ７００、１０−２−３Ｔｉ、１５−５−３Ｔｉ等が知られている。
【０００６】
ところで、チタンもしくはチタン合金は表面硬度が低くて傷が付き易く、使用によって外観品質が低下してくるという問題点がある。
この問題を解決するために、従来から表面処理による表面の硬化手法が試みられている。例えば、チタン合金ヘッドの表面を光沢研磨やブラスト処理やガラスビーズショット処理等により仕上げた後、イオンプレーティング処理により硬化層を形成する方法は、金色やグレー色のカラー化と共に採用されてきたが、イオンプレーティング処理による被膜は数μｍの極薄被膜のため、ヘッドのソール部分に施した場合は、磨耗による傷付きや剥離や変色が発生し易く、耐久性は十分とはいえない。
【０００７】
また、登録第３１７９７８７号には、チタンまたはチタン合金材に窒素及び酸素を拡散固溶させて表面硬化層を形成する方法が開示されている。本公報によると、真空槽内でチタンまたはチタン合金を加熱焼鈍処理し、その後、微量の酸素成分を含有する窒素主体の混合ガスを導入し、表面から内部へ窒素および酸素を拡散固溶する方法である。
【０００８】
これらは何れもチタンまたはチタン合金の表面に硬質層を設けるための方法であり、素材強度の向上、とりわけ部材の裏面に残留応力を保持させることによる材質強度、比強度、破壊靭性、伸びが改善されるものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記の通り、従来技術はチタンまたはチタン合金の表面に硬化層を設け、硬度のアップを図り、表面の傷付きを防止するのが主目的のものであり、素材の強度を向上させるものではなかった。
本発明の目的は、表面の硬度のアップを図ると共に、裏面の強度の向上を図ることにより、部材の薄肉化によるヘッドの軽量化、ヘッド体積の大型化とそれに伴う慣性モーメントの向上、反発性能の向上したゴルフクラブヘッドを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために本発明は、
【００１１】
（１）前記目的を達成するため、本発明のゴルフクラブヘッドは、チタンもしくはチタン合金からなる複数の部材を接合して形成するゴルフクラブヘッドにあって、各部材に非金属元素を固溶拡散処理した後、該部材を溶接接合して形成することを特徴とするゴルフクラブヘッド（請求項１）。
【００１２】
（２）また、請求項１記載のゴルフクラブヘッドにおいて、少なくともフェース部材またはソール部材またはトップ部材の表面を、予めブラストもしくは光沢研磨仕上げしておき、非金属元素を固溶拡散処理した後、該部材を溶接接合して形成することを特徴とするゴルフクラブヘッド（請求項２）。
【００１３】
（３）また、請求項１記載のゴルフクラブヘッドにおいて、少なくともフェース部材またはソール部材またはトップ部材の裏面を、非金属元素を固溶拡散処理した後、該部材を溶接接合して形成することを特徴とするゴルフクラブヘッド（請求項３）。
【００１４】
（４）さらに、前記の非金属元素が、酸素、炭素、窒素の何れかである請求項１から３に記載のゴルフクラブヘッド（請求項４）。
【００１５】
（５）また、前記の非金属元素を固溶拡散処理した後、各部材をショットピーニング加工したことを特徴とする請求項１から４に記載のゴルフクラブヘッド（請求項５）である。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、実施例を記載した添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の第一の実施例を示す、チタン合金からなる複数の部材を接合して形成するウッドヘッドであり、精密鋳造製法による本体部１−１と、プレス製法によるソール部１−２と、鍛造製法によるフェース部１−３の３部品からなる。本体部にはネック部１−４が併設されている。鍛造により成形されたフェース部およびプレス加工により成形されたソール部は、成形時に発生したバリを除去し、表面は研磨により仕上げてあり、裏面はブラスト処理を施してある。これらの部材に酸素を固溶拡散処理した後、本体部とソール部をレーザー溶接により接合して、次にフェース部を冶具にて位置決めして固定しレーザー溶接により接合した。図２は、前記の工程により溶接が完了した状態を示している。
【００１７】
図３は本発明の第二の実施例を示してある。本実施例では、チタン合金からなるトップ部３−１およびソール部３−２はプレス製法により成形されてあり、フェース部３−３は鍛造製法により成形され、ネック部３−４は純チタンのパイプ材を使用した。図１の例と同様に、各部材を研磨仕上げの後、これらの部材に酸素を固溶拡散処理した後、レーザー溶接により接合した。本実施例の場合は、第一の実施例と異なるのは、トップ部がプレス加工により成形されていることにあり、精密鋳造製法に比較し、より素材強度が高く、板厚を薄くできる事と、裏面の酸素固溶拡散処理による強度向上の効果が著しいことにある。
【００１８】
第一および第二の実施例に示したウッドヘッドにおける鍛造製法により成形されたフェース部は、ボールを打撃した時に弾性変形することにより、ボールに与える衝撃力を小さくすることが知られている。即ち、フェース部が大きく弾性変形すると、ボールの変形量を小さく留めることが可能となり、ボールの圧縮変形からの復元に要するヒステリシス損失が小さくなり、従ってエネルギーロスが少なく、ボールを遠くまで飛ばすことが可能となる。
【００１９】
前記のボールの復元に要するヒステリシスは、フェース部の変形量が大きければ大きい程小さくできる。従って、フェース部の板圧をより薄くし、より大きく弾性変形させるために、高強度で且つ靭性の高い素材が適する。
また、本発明によるゴルフクラブヘッド部材への非金属元素の固溶拡散処理において、該部材の裏面へ処理することによって、該部材の裏面に応力を残留させることができ、該部材の弾性限界を大きくするとともに、該部材の弾性変形を大きくすることにより、ゴルフクラブヘッドの反発性能が向上し、よりボールを遠くへ飛ばすことができるようになる。
【００２０】
また、本発明によるゴルフクラブヘッド部材への非金属元素の固溶拡散処理において、該部材の表面への処理によって、表面から２０μｍまでの深さに非金属元素が固溶化し拡散されることにより、硬度がアップし、素材表面の耐磨耗性、耐傷付性が向上した。
【００２１】
上記のチタンもしくはチタン合金に拡散させた非金属元素は、例えば酸素、炭素、窒素が可能である。
【００２２】
次に、第一の実施例におけるウッドクラブヘッドの加工工程について説明を行なう。フェース部材とソール部材は表面を研磨加工により部分的に光沢仕上げとし、更に裏面をブラスト処理しておき、真空加熱処理槽内で真空状態にした後、酸素を含有する不活性ガス雰囲気中で６００℃、７００℃、８００℃と徐々に昇温してゆき、３０分経過後８００℃で約３時間保持した後常温まで除冷した。部材の表面および裏面の表層部には、酸素元素がチタン合金中に浸入し固溶される。上記不活性ガスは、例えば酸素を３ｖｏｌ％含有したヘリウムガス、あるいは酸素を１５ｖｏｌ％含有したアルゴンガスが好適である。
【００２３】
上記の酸素固溶拡散処理を行なったソール部材を、本体部と位置合わせの後、レーザー溶接によって接合し、更にフェース部材を位置決め冶具にて固定し、レーザー溶接によって接合した。接合した状態で、４５０〜６００℃で約３時間の時効硬化処理を行なった後、溶接ビードを研磨除去し、バフ研磨によって表層部を光沢仕上げとし、部分的にはビーズショット仕上げ、またトップ部分は装飾のための塗装仕上げを行なって仕上げた。尚、時効処理は溶接接合の前に行なうことも出来る。
【００２４】
溶体化温度は素材によって異なるが、溶体化温度が酸素拡散処理温度と異なる場合は、事前に溶体化を行なっておく必要がある。温度が異なる素材は、例えば６ＡＬ−４Ｖ−Ｔｉ  やＳＰ７００であり、前者が約９９０℃、後者は約９００℃である。他方、溶体化温度と拡散処理温度がほぼ同一である素材は、例えば１０−２−３Ｔｉ  やＤＡＴ５５Ｇであり、前者が約７７０℃、後者は約７５０℃であり、固溶拡散温度の６００〜８００℃の範囲と合致しているため、溶体化と酸素固溶拡散処理を同時に処理することが可能である。
【００２５】
部材への酸素の拡散層の深さは、上記の工程の場合で約２０μｍであったが、処理時間を短くすれば浅く、長くすれば深くまで拡散される。拡散層は深いほうが、耐傷性は優れるが、相対的に脆くなるという危険性はある。また、拡散層が薄いと、後工程のバフ研磨によって除去されてしまう可能性がある。従って、５〜２０μｍの深さに処理するのが好適である。
【００２６】
各部材の接合は、接着、ねじ止め、カシメ加工、アーク溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接等の方法が可能だが、接合強度が高く且つ部材への熱影響の少ない方法としてレーザー溶接または電子ビーム溶接がより適している。アーク溶接の一例として知られるＴＩＧ溶接は、従来よりウッドクラブヘッドの溶接方法として行なわれているが、溶接ビードが大きいため、接合後の仕上げ工程の研磨量が多く、また周囲への熱影響が広範囲で金属組織の酸化が促進することによる強度低下がみられ好適ではない。
【００２７】
各部材の表面は、予め仕上げておくことにより、固溶拡散処理後の仕上げで硬化層が除去されない範囲で仕上げることができる。前記のとおり硬化層は５μ〜２０μｍの範囲のため、素地を研磨によって削る量は少なくする必要がある。従って、最終仕上げ仕様に従って、光沢仕上げの部分は光沢にしてから、固溶拡散処理を行なうことにより、バフ研磨工程で容易に光沢研磨仕上げとすることができる。
【００２８】
各部材の裏面は、酸素固溶拡散処理の後、更にショットピーニング処理を行なうこともできる。ショットピーニング処理によって、部材の表層部の引張残留応力を消し、圧縮残留応力を残すことから、繰返し荷重に対する部材の疲労寿命が増大する効果があるが、酸素固溶拡散処理の効果に加えて表層部の部材強化と硬化による耐久性の向上が期待される。
【００２９】
また、酸素固溶拡散処理によって表面が硬化した下地に、更にイオンプレーティング処理、スパッタリング等のＰＶＤ法による表面コーティング処理を行なうこともできる。特にイオンプレーティング処理の下地としては、硬度が高いほうが被膜の密着性が良く、耐磨耗性、耐久性が優れるので、酸素固溶拡散処理によって硬くなった状態に被膜を形成するのは好都合である。
【００３０】
また、本発明はウッドヘッドに限らずアイアンヘッドに適用してもよい。図４は本体部材とフェース部材とを接合して形成するアイアンヘッド部材であるが、精密鋳造製法により成形した本体部に、板状のチタンまたはチタン合金からなるフェース部材を、予め表面研磨の後、固溶拡散処理により酸素元素を浸入固溶させ、硬度のアップと圧縮応力残留をさせることによる、ヘッドの反発性と耐久性の向上を図ったものである。
【００３１】
本体部にフェース部材を接合するには、フェース部材を本体部の受部に装着して、本体部の外周を塑性変形させてフェース部材を固定する方法もとれるが、より強度の高い接合力と得るとともに、フェース部材に対する熱影響を避けるには、ウッドヘッドの部材に接合と同様に、レーザー溶接あるいは電子ビーム溶接方式をとるのが望ましい。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１〜５記載の非金属元素を固溶拡散処理した部材を接合して形成したゴルフクラブヘッドによれば、ヘッドの表面あるいは裏面に硬化層を設けるとともに、裏面の強度の向上を図ることにより、部材の薄肉化によるヘッドの軽量化、ヘッド体積の大型化とそれに伴う慣性モーメントの向上、反発性能の向上したゴルフクラブヘッドが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態におけるチタンウッドヘッド部材（接合前）
【図２】本発明の第一の実施形態におけるチタンウッドヘッド（接合後）
【図３】本発明の第二の実施形態におけるチタンウッドヘッド部材（接合前）
【図４】本発明の第三の実施形態におけるチタンアイアンヘッド部材（接合前）
【符号の説明】
１−１  本体部材
１−２  ソール部材
１−３  フェース部材
１−４  ネック部材
３−１  トップ部材
３−２  ソール部材
３−３  フェース部材
３−４  ネック部材
４−１  本体部材
４−２  フェース部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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