(57)【要約】結晶粒径が微細化された金属材料を容易に製造する方法を提供する。本方法により製造される金属は鉄を主成分とするものである。Ｆｅの粉末、繊維又は箔に、粉末、繊維又は箔状のステンレス鋼又はＡｌの少なくとも一方を混合する。更に、必要に応じて粉末、繊維又は箔状にした他の元素、例えばＮｉやＣｒ等を加える。これを、機械的に合金化することで、上記元素からなり、且つ結晶粒が微細化された金属粉末を得る。該金属粉末を、プラズマ放電焼結などで成形することにより、所定の形状を有する金属材料を得る。得られた金属材料は、結晶粒が微細化されており、高強度、強硬度という特性を有し、ゴルフクラブ、特にゴルフクラブヘッドのフェース部材として好適である。また、添加元素によっては、一般的な鉄系合金、例えばステンレス鋼より低比重となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末又は箔状若しくは繊維状の鉄と、ステンレス鋼又はＡｌの少なくとも一方の粉末、箔又は繊維と、一又は二以上の元素の粉末、箔又は繊維を混合して機械的に合金化したことを特徴とする鉄系合金。
【請求項２】
Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの粉末、箔、又は繊維と、ステンレス綱又はＡｌの粉末、箔、又は繊維を混合し、機械的に合金化したことを特徴とする鉄系合金。
【請求項３】
請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法により製造された鉄系合金を、加圧しながら焼結して成形することを特徴とするゴルフクラブヘッド用部材を用いたゴルフクラブヘッド。
【請求項４】
請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法により製造された鉄系合金を使用したゴルフクラブシャフト。
【請求項５】
鉄又は鉄を含む合金からなる金属板に貫通孔又は凹部を設け、該貫通孔又は凹部に請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法により製造された鉄系合金の粉末を充填した後、該鉄系合金の粉末を加圧しながら燒結して成形することを特徴とする金属板又は金属部材の成形方法。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載された方法により製造された金属板又は金属部材を、少なくとも一部に用いたゴルフクラブヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】    本発明は結晶を微細化した組織を有する鉄系合金の製造方法にかかわるものであり、その方法により製造された微細結晶金属を使用したゴルフクラブ部品、特に金属製ゴルフクラブヘッドに係るものである。
【背景技術】    従来から、金属の材料強度を向上する方法として、その金属組織を非結晶化すること（いわゆるアモルファス金属）、あるいは結晶粒の径を微細化すること（いわゆるナノ金属）が知られており、その製造方法も多数発表されている。また、そのようにして強度を向上した金属を使用して、薄肉化や大型化を図ったゴルフクラブも知られている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。更に、組織を非結晶化あるいは微細結晶化すると金属の弾性や減衰といった特性が変化することを利用し、反発性などの性能を向上したゴルフクラブヘッドも知られている。
特許文献１  日本国  特開平１１−１０４８０９号公報
特許文献２  日本国  特開２０００−８７１９６号公報
特許文献３  日本国  特開平２００１−２６２２９１号公報
特許文献４  日本国  特開平１１−５７０８０号公報
しかし、従来の方法は、金属組織を非結晶化したり、微細結晶化する方法が複雑であり、製造コストが高いという問題を有する。また、従来の方法で得られる非結晶金属及び微細結晶金属は、ゴルフクラブヘッドでは一般的でない元素を含むため、部材の成形、研磨、切断および接合といったゴルフクラブの製造工程に困難を生じることもある。
ゴルフクラブヘッドに使用する場合については、以下のとおり、いつくかの問題を具体的に指摘できる。
第１の問題は、金属の主成分の相違によって生じる問題である。
ゴルフクラブヘッド、特にウッドヘッドは、薄肉の殻からなる中空構造を有しているため、２以上の部材を接合して構成される。ゴルフクラブヘッドは、ボールを打撃するフェース部、下面を構成するソール部、上面を構成するトップ部、ソール部とトップ部を繋ぐサイド部及びシャフトの接合部分であるネック部を有しており、それぞれに要求される特性が異なるため、部位毎に異なる材料で構成されることが多い。とはいえ、主成分の異なる金属部材の接合は困難が多いので、各部材は主成分を同じくする合金を選択するのが一般的である。即ち、主成分を同じくする合金群のなかから、部位毎に適切な材料を選択して使用するのである。主成分は、Ｆｅ又はＴｉのいずれかを選択することがほとんどである。なぜなら、材料の価格、強度、比重及び加工のしやすさ等からみて総合的に優れているからである。
一方、従来の非結晶金属を使用したゴルフクラブヘッドに関する提案では、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒ等を主成分とする材料を使用している。従って、非結晶金属からなる部材と、従来最も一般的に使われているＦｅ又はＴｉを主成分とする通常の金属からなる部材を溶接してゴルフクラブヘッドを構成することは困難である。接着など、非結晶金属と通常金属の接合が可能な方法もあるが、その場合は溶接に比べて接合強度が弱いという問題を生じる。
第２の問題は、金属の添加成分によって生じる問題である。
他にも、Ｆｅを主成分とした非詰晶金属あるいは微細結晶金属を使用するとしても、一般的でない添加元素を含んでいるために材料費が増加する。
第３の問題は、製造時の温度管理の問題である。
非結晶金属あるいは微細結晶金属を製造する際、及びこれを加工する際には、微妙な温度管理も必要である。このため、ゴルフクラブヘッドの製造が困難であったり、製造費が増加したりする問題がある。
前述の如く、従来知られている非結晶あるいは結晶を微細化した金属は、それ自体の製造に問題があり、更に当該金属を利用したゴルフクラブの製造においても多くの問題がある。そこで、本発明は、斯かる実情に鑑み、金属材料自体の製造が容易であり、且つその金属を利用したゴルフクラブヘッドの製造も容易であり、それでいて強度に優れた微細結晶金属を提供しようとするものである。
【発明の開示】
本発明は結晶を微細化された金属材料の製造方法、及びこれを利用したゴルフクラブヘッドに関するものである。金属材料は、Ｆｅを主成分とする合金である。本発明の製造方法は、粉末や箔状又は繊維状の原料を機械的に合金化する（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｌｌｏｙｉｎｇ）と同時に結晶を微細化する点に特徴がある。結晶を微細化した合金を得られたら、これを焼結することで結晶が大きくなることを抑えつつ、必要な形状を得るものである。
原料は、Ｆｅを主成分とし、これにステンレス鋼又はＡｌから少なくとも１つを加え、更に目的に合わせて他の元素を添加する。これらの材料は粉末、箔又は繊維状とし、混合して機械的に合金化する。以上の工程により、Ｆｅを主成分とする粉末上の微細結晶金属が得られる。
特に、通常のステンレス鋼の組成の１又は２以上の元素を、ステンレス鋼又はＡｌに置き換えるのが好適である。例えば、ゴルフクラブヘッドで最も一般的なＦｅ−１６％Ｃｒ−５％Ｎｉ−３％Ｃｕに近い材料を得る場合は、Ｆｅに、Ｃｕに代わるＡｌまたはＳＵＳ３０４（日本国ＪＩＳ規格、以下同じ。）と、Ｃｒ、Ｎｉを混ぜて機械的に合金化する。これはゴルフクラブの部材、特にフェース部材に好適である。同様に他のステンレス鋼でも一部の元素をＡｌまたはＳＵＳ３０４で置き換えることもできる。
上述のようにして得られた微細結晶金属は、粉末状である。そこで、加圧しながら燒結することで、所定の形状に成形する。別途板状の金属材料を用意し、これに接するように微細結晶金属の粉末を配した後、加圧しながら燒結すると、一部が微細結晶化された部分を有する金属部材を得ることもできる。
また微細結晶金属の他の用途として、ゴルフクラブシャフトに微細結晶金属の粉末を混合したり、微細結晶金属を繊維又は箔若しくはメッシュ状にしてゴルフシャフト内部に配するなどの方法で、ゴルフシャフトの補強材として用いることも可能である。
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
１、機械的合金化の工程により、結晶の直径が数ｎｍ〜１０ｎｍ程度である合金の粉末が得られる。
２、上記合金粉末を燒結することで、金属板あるいは所定の形状を有する金属部材を得ることができる。
３、上記燒結工程で、金属の結晶粒径はやや大きくなるものの、せいぜい数十ｎｍから１００ｎｍ程度であり、一般的金属材料よりはるかに結晶粒径の小さい金属材料が得られる。
４、高比重元素であるＣｕに代えて低比重元素であるＡｌを入れた場合は、比重が低下する。
５、ステンレス鋼を混ぜた場合は、強度が改善される。
【発明の効果】
本発明のゴルフクラブ用微細結晶金属の製造方法によれば、下記のような優れた効果を得ることができる。
第一の効果は、高強度、高硬度、低密度という優れた特性を有する金属を得られることである。これをゴルフクラブ、特にゴルフクラブヘッドに利用した場合には、上記特性を利用して、方向性、反発性及び耐久性にも優れたゴルフクラブヘッドを容易に製造できる。
第二の効果は、結晶が微細化された金属を非常に容易に得ることができることである。従来の方法では、前述のように特殊な元素を使用する必要があったり、または急激に冷却するなど特殊な工程を施す必要があった。しかし、本発明では、機械的合金化法という、非常に容易な工程のみで結晶を微細化した金属を得ることが出来る。燒結時に結晶粒径は少し増大するものの、一般的金属に比べればはるかに結晶粒径の小さい金属を得られる。
第三の効果は、一般的ステンレス鋼とほぼ同じ組成を有する微細結晶金属を得られることである。このため、最も一般的な鉄系の金属材料と容易に溶接が可能となる。これより、一部のみが微細結晶化した金属製品を容易に得ることが出来る。例えば、フェースのみを微細結晶化したゴルフクラブヘッド等である。別途板状の金属材料を用意し、これに接するように微細結晶金属の粉末を配した後、加圧しながら燒結することで、一般的金属材料との接合と微細金属材料の製造を同時に行うこともできる。一般的な金属板の中央に貫通孔を設け、この貫通孔に微細結晶化された金属粉を配して燒結したものを、所定形状に切り出せば、フェースの中央のみを微細結晶化したゴルフクラブヘッドを製造することも容易である。
【発明を実施するための最良の形態】    原料であるＦｅ、Ｃｒ、ＮｉとＳＵＳ３０４又はＡｌの粉末を秤量し、所定の割合でボールミル用鋼製ボールとともに図１に示すステンレス鋼製容器（ポット）に入れ、容器内をＡｒガスで置換した後、水冷しながら１２．０Ｈｚで１５０時間振動させ、結晶粒が微細化した合金粉を得る。原料をポットに入れる際は、不活性ガスや窒素ガス雰囲気で行うことが望ましい。それが出来ない場合は、不活性ガスや窒素ガスを吹き付け、原料ができるだけ酸素と触れないようにするのが望ましい。参考のため、図１には本発明者らが使用したステンレス鋼製容器の寸法を記載した。寸法の単位はｍｍである。
ボールはＳＵＪ−２鋼製で、直径１０ｍｍ程度である。原料の混合比率は、Ｃｒを１６重量％、Ｎｉを５重量％ＳＵＳ３０４又はＡｌを７重量％、残部Ｆｅとした。これは、ゴルフクラブヘッドで最も一般的なＦｅ−１６％Ｃｒ−５％Ｎｉ−３％Ｃｕに近い特性を得るため、ＣｒとＮｉは同じ比率、ＳＵＳ３０４又はＡｌは比重低下を狙ってやや多めにしたものであるが、本発明はこの比率に限られるものではない。機械的合金化法は、固相において機械的エネルギーを用いて合金化する方法であり、ボールミリングの他にアトライターなどがある。金属を非結晶化又は結晶微細化するには母合金を溶解し、急冷するなどの複雑な工程を経る方法が最も一般的だが、機械的合金化法では合金を製造すると同時に結晶も微細化される。また、機械的合金化法では、微細化された結晶粒が均質であるという利点もある。
微細結晶化された合金粉末は酸化を防止するため、真空パックするなどして空気との接触を断ち、冷暗所に保管するのが好ましい。合金粉末を保管容器に移す際は、できれば不活性ガスや窒素ガス雰囲気中で行い、それが出来ない場合は不活性ガスや窒素ガスを吹き付けながら行うのが望ましい。
合金粉末から焼結により成形できるが、放電プラズマ焼結が好適である。放電プラズマ焼結は、ジュール熱により瞬時に熱を発生して焼結するため、比較的、低温かつ短時間で焼結が可能であり、結晶粒の粗大化を防止できるからである。具体的には、図２及び以下のとおりである。
高強度黒鉛ダイ１１に合金粉末２１を入れる。合金粉末２１は、上下を高強度黒鉛パンチ１２で挟み込まれる。熱電対１４を配し、これにより燒結中の温度を計測する。
上下から高強度黒鉛パンチで加圧しながらパルス電流を流す。熱電対にて温度を測定し、必要な場合には電流をコントロールする。焼結時間は１０分程度が適切である。焼結によって結晶粒は粗大化するものの、１０分程度であれば直径５０〜１００ｎｍ程度である。一般的な金属の結晶粒径は１μｍ以上であるから、この程度であれば十分に結晶を微細化した効果を発揮できる。温度、圧力は８５０〜１０００℃、９０〜２００ＭＰａ程度が目安となるが、表２に示すように１０００℃で最大の破壊強度を示したことからすると、１２００℃程度までは可能と考えられる。温度と圧力は、これらによって得られた材料の特性が変わるので、表１〜３を参考に、必要とする特性を得られる条件を設定するべきである。なお、表１〜中、Ｓｐｅｃｉｍｅｎ欄に記載された温度と圧力は焼結時の温度と圧力であり、ＳＵＳはＳＵＳ３０４である。
以上の方法により直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤を製造し、ビッカース硬さを計測したが、結果を表１に示すとおり、一般的なステンレス鋼であるＳＵＳ６３０のビッカース硬さ（３５０程度）を大きく上回る値が得られた。
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表２には密度の計測結果を示すが、一般的なステンレス鋼であるＳＵＳ６３０の密度（７．８ｇ／ｃｍ３程度）より小さい値が得られた。
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表３には破断強度と伸びの計測結果を示す。ＳＵＳ３０４鋼を混合したものは、破断強度が１０００Ｍｐａを超えており、焼結の条件によっては８％の伸びを有しており、高強度で加工しやすい材料が得られた。Ａｌを混合したものは破断強度は精々５００ＭＰａ程度と大きくは無いが、途中過程で金属粉末が酸化した可能性があり、これを防止することで高強度化が可能と考えられる。
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本発明の材料をゴルフクラブヘッドのフェース部材とするには、焼結して得られた板材から所定のフェース形状に切り抜くのが最も簡便であるが、焼結に用いるダイの内側面とパンチの断面形状を所定のフェース形状とすることで直接所定の形状に焼結することも考えられる。
一部の結晶粒のみが微細化した金属板を得る場合の燒結方法を図６に示す。
まず黒鉛スペーサ１３の上に貫通孔を設けた金属板２２を置き、その上に黒鉛ダイ１１を置く。更に、金属板２２の貫通孔に、微細結晶化した金属粉末２１を配し、その上に黒鉛パンチ１２を配する。金属板２２の貫通孔は、微細結晶組織としたい部分に設ける。図６には記載していないが、熱電対により温度を計測している。その後、燒結を行う。燒結方法は前述の方法と同じであり、黒鉛パンチ１２を介して加圧しながら電流を流す。
金属板２２の貫通孔は、上面側の径を大きく、下面側の径を小さくした。微細結晶化した金属粉末２１との接触面を拡大するためである。金属粉末２１と金属板２２の接触面積が小さいと、微細結晶化した部分と通常組織の部分との接合が弱くなる。なお、微細結晶化する部分が貫通している必要が無い場合は、金属板２２には凹部を設け、該凹部に微細結晶化した金属粉２１を配して燒結しても良い。
以上により、金属板２２の貫通孔に配された微細結晶化した金属粉末２１が燒結され、金属板２２と一体化する。金属板２２の部分は通常の組織を有し、金属粉末２１を配した部分は微細な結晶粒の組織となる。
上記のように、全体又は一部を微細結晶化した金属は、ゴルフクラブヘッドのフェース部に好適に使用できる。フェース部以外の部分には、通常の組織を有する金属材料が使用可能である。その場合、フェース部材を本体部材に接合する方法には、かしめなどの機械的接合、溶接が考えられるが、ゴルフクラブヘッドの反発性能上は溶接が有利である。本発明の合金の組成は、一般的ステンレス鋼とほぼ同じなので容易に溶接が可能である。しかし、溶接時の熱により接合部近傍の結晶が粗大化し、その部分の強度が低下するおそれがある。よって、接合部を比較的強度を要求されない部分に設けるか、あるいはレーザ溶接、電子ビーム溶接等の熱影響の出にくい溶接方法をとるのが好適である。ステンレス鋼を混合して得た本発明の合金は、従来の最も一般的なゴルフクラブ材料に比べて高強度であるので、薄肉化が可能であり、これを利用してヘッドの大型化、高慣性モーメント化、高反発化に有利である。
本発明の合金をフェース部材１に、本体部材２をステンレス鋼などの一般的材料で構成したアイアンヘッドを図３に、ウッドヘッドを図４に示す。これらは反発性能を向上させる場合のヘッドの構造例であるが、他にも多数反発性能を向上させる構造が知られており、本発明はそれらにも適用可能であるＡｌを混合して得た本発明の合金をフェース部材として用いる場合は、フェース部材の背面に本体部材のバックアップがある図５のような構造とするか、若しくは比較的低強度でもよいパターに採用するのが好適である。ステンレス鋼を混合した場合に比べ、破断強度が低いからである。
また、本発明の合金をゴルフクラブヘッドの形状に焼結して、一体的にゴルフクラブヘッドを製造することも可能であり、これは一般的なフラットバックと言われる背面に凹部のないアイアンヘッドやキャビティーアイアンといわれる背面に凹部があるもののアンダー部がないアイアンヘッドを製造する場合に好適である。本発明の合金をゴルフシャフトで利用する方法としては、シャフトをシートワインディングで製造する際、層間に粉末、繊維、箔状の本発明の合金を配する方法がある。尚、本発明の合金は、上記した実施の形態に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において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】    以上のように、本発明に係る微細結晶金属の製造方法は、結晶粒が微細化された金属を容易に得ることができ、これによって製造された金属材料はゴルフクラブ、特にゴルフクラブヘッドのフェース部に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】    図１  ボールミル用のステンレスポットの切断面図
図２  燒結装置と各部の配置を示す斜視図
図３  アイアンヘッドのフェース部材に本発明を用いた実施例
図４  ウッドヘッドのフェース部材に本発明を用いた実施例
図５  アイアンヘッドのフェース部材に本発明を用いた他の実施例
図６  一部のみ微細結晶化した金属板を作る場合の燒結装置と各部の配置を示す切断面図
【符号の説明】
１、フェース部材
２、本体部材
１１、黒鉛ダイ
１２、黒鉛パンチ
１３、黒鉛スペーサ
１４、熱電対
２１、結晶粒が微細化された合金粉末
２２、金属板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年6月21日(2004.6.21)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（補正後）粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄とステンレス鋼とその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して得られた粉末の鉄系合金を、放電プラズマ法により焼結したことを特徴とする鉄系金属部材の成形方法。
【請求項２】
（補正後）請求の範囲第１項の一又は二以上の元素として、Ｃｒ、Ｎｉを含むことを特徴とする前記第１項に記載の鉄系金属部材の成形方法。
【請求項３】
（補正後）粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄と、ステンレス鋼又はＡｌの少なくとも一方、及びその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して鉄系合金の粉末を得、該鉄系合金の粉末を放電プラズマ法により焼結して成形された鉄系金属部材を、少なくとも一部に用いたことを特徴とするゴルフクラブヘッド又はゴルフクラブシャフト。
【請求項４】
（補正後）請求の範囲第３項の一又は二以上の元素として、Ｃｒ、Ｎｉを含むことを特徴とする前記第３項に記載のゴルフクラブヘッド又はゴルフクラブシャフト。
【請求項５】
（補正後）粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄と、ステンレス鋼、及びその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して得られた粉末の鉄系合金を、鉄又は鉄を含む合金からなる金属板に設けた貫通孔又は凹部に充填し、該粉末の鉄系合金を放電プラズマ法により焼結したことを特徴とする鉄系金属部材の成形方法。
【請求項６】
（補正後）粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄と、ステンレス鋼又はＡｌの少なくとも一方、及びその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して得られた粉末の鉄系合金を、鉄又は鉄を含む合金からなる金属板に設けた貫通孔又は凹部に充填し、該粉末の鉄系合金を放電プラズマ法により焼結して成形した鉄系金属部材を、少なくとも一部に用いたことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項７】
（追加）請求の範囲第６項の一又は二以上の元素として、Ｃｒ、Ｎｉを含むことを特徴とする前記第６項に記載のゴルフクラブヘッド。
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月12日(2004.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄とステンレス鋼とその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して得られた粉末の鉄系合金を、放電プラズマ法により焼結したことを特徴とする鉄系金属部材の成形方法。
【請求項２】
請求項１にいうその他の一又は二以上の元素として、Cr、Niを含むことを特徴とする請求項１に記載の鉄系金属部材の成形方法。
【請求項３】
粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄と、ステンレス鋼又はAlの少なくとも一方、及びその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して鉄系合金の粉末を得、該鉄系合金の粉末を放電プラズマ法により焼結して成形された鉄系金属部材を、少なくとも一部に用いたことを特徴とするゴルフクラブヘッド又はゴルフクラブシャフト。
【請求項４】
請求項３にいうその他の一又は二以上の元素として、Cr、Niを含むことを特徴とする請求項３に記載のゴルフクラブヘッド又はゴルフクラブシャフト。
【請求項５】
粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄と、ステンレス鋼、及びその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して得られた粉末の鉄系合金を、鉄又は鉄を含む合金からなる金属板に設けた貫通孔又は凹部に充填し、該粉末の鉄系合金を放電プラズマ法により焼結したことを特徴とする鉄系金属部材の成形方法。
【請求項６】
粉末又は箔若しくは繊維状にした、鉄と、ステンレス鋼又はAlの少なくとも一方、及びその他の一又は二以上の元素を混合した後、機械的に合金化して得られた粉末の鉄系合金を、鉄又は鉄を含む合金からなる金属板に設けた貫通孔又は凹部に充填し、該粉末の鉄系合金を放電プラズマ法により焼結して成形した鉄系金属部材を、少なくとも一部に用いたことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項７】
請求項６にいうその他の一又は二以上の元素として、Cr、Niを含むことを特徴とする請求項６に記載のゴルフクラブヘッド。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶を微細化した組織を有する鉄系合金の製造方法にかかわるものであり、その方法により製造された微細結晶金属を使用したゴルフクラブ部品、特に金属製ゴルフクラブヘッドに係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属の材料強度を向上する方法として、その金属組織を非結晶化すること（いわゆるアモルファス金属）、あるいは結晶粒の径を微細化すること（いわゆるナノ金属）が知られており、その製造方法も多数発表されている。また、そのようにして強度を向上した金属を使用して、薄肉化や大型化を図ったゴルフクラブも知られている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。更に、組織を非結晶化あるいは微細結晶化すると金属の弾性や減衰といった特性が変化することを利用し、反発性などの性能を向上したゴルフクラブヘッドも知られている。
【特許文献１】特開平１１−１０４８０９号公報
【特許文献２】特開２０００−８７１９６号公報
【特許文献３】特開平２００１−２６２２９１号公報
【特許文献４】特開平１１−５７０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の方法は、金属組織を非結晶化したり、微細結晶化する方法が複雑であり、製造コストが高いという問題を有する。また、従来の方法で得られる非結晶金属及び微細結晶金属は、ゴルフクラブヘッドでは一般的でない元素を含むため、部材の成形、研磨、切断および接合といったゴルフクラブの製造工程に困難を生じることもある。
ゴルフクラブヘッドに使用する場合については、以下のとおり、いつくかの問題を具体的に指摘できる。
【０００４】
第1の問題は、金属の主成分の相違によって生じる問題である。
【０００５】
ゴルフクラブヘッド、特にウッドヘッドは、薄肉の殻からなる中空構造を有しているため、２以上の部材を接合して構成される。ゴルフクラブヘッドは、ボールを打撃するフェース部、下面を構成するソール部、上面を構成するトップ部、ソール部とトップ部を繋ぐサイド部及びシャフトの接合部分であるネック部を有しており、それぞれに要求される特性が異なるため、部位毎に異なる材料で構成されることが多い。とはいえ、主成分の異なる金属部材の接合は困難が多いので、各部材は主成分を同じくする合金を選択するのが一般的である。即ち、主成分を同じくする合金群のなかから、部位毎に適切な材料を選択して使用するのである。主成分は、Fe又はTiのいずれかを選択することがほとんどである。なぜなら、材料の価格、強度、比重及び加工のしやすさ等からみて総合的に優れているからである。
【０００６】
一方、従来の非結晶金属を使用したゴルフクラブヘッドに関する提案では、Al、Mg、Zr等を主成分とする材料を使用している。従って、非結晶金属からなる部材と、従来最も一般的に使われているFe又はTiを主成分とする通常の金属からなる部材を溶接してゴルフクラブヘッドを構成することは困難である。接着など、非結晶金属と通常金属の接合が可能な方法もあるが、その場合は溶接に比べて接合強度が弱いという問題を生じる。
【０００７】
第2の問題は、金属の添加成分によって生じる問題である。
【０００８】
他にも、Feを主成分とした非結晶金属あるいは微細結晶金属を使用するとしても、一般的でない添加元素を含んでいるために材料費が増加する。
【０００９】
第3の問題は、製造時の温度管理の問題である。
【００１０】
非結晶金属あるいは微細結晶金属を製造する際、及びこれを加工する際には、微妙な温度管理も必要である。このため、ゴルフクラブヘッドの製造が困難であったり、製造費が増加したりする問題がある。
【００１１】
前述の如く、従来知られている非結晶あるいは結晶を微細化した金属は、それ自体の製造に問題があり、更に当該金属を利用したゴルフクラブの製造においても多くの問題がある。そこで、本発明 は、斯かる実情に鑑み、金属材料自体の製造が容易であり、且つその金属を利用したゴルフクラブヘッドの製造も容易であり、それでいて強度に優れた微細結晶金属を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は結晶を微細化された金属材料の製造方法、及びこれを利用したゴルフクラブヘッドに関するものである。金属材料は、Feを主成分とする合金である。本発明の製造方法は、粉末や箔状又は繊維状の原料を機械的に合金化する（Mechanical Alloying）と同時に結晶を微細化する点に特徴がある。結晶を微細化した合金を得られたら、これを焼結することで結晶が大きくなることを抑えつつ、必要な形状を得るものである。
原料は、Feを主成分とし、これにステンレス鋼又はAlから少なくとも１つを加え、更に目的に合わせて他の元素を添加する。これらの材料は粉末、箔又は繊維状とし、混合して機械的に合金化する。以上の工程により、Feを主成分とする粉末上の微細結晶金属が得られる。
【００１３】
特に、通常のステンレス鋼の組成の１又は２以上の元素を、ステンレス鋼又はAlに置き換えるのが好適である。例えば、ゴルフクラブヘッドで最も一般的なFe-16%Cr-5%Ni-3%Cuに近い材料を得る場合は、Feに、Cuに代わるAlまたはSUS304（日本国JIS規格、以下同じ。）と、Cr、Niを混ぜて機械的に合金化する。これはゴルフクラブの部材、特にフェース部材に好適である。同様に他のステンレス鋼でも一部の元素をAlまたはSUS304で置き換えることもできる。
【００１４】
上述のようにして得られた微細結晶金属は、粉末状である。そこで、加圧しながら燒結することで、所定の形状に成形する。別途板状の金属材料を用意し、これに接するように微細結晶金属の粉末を配した後、加圧しながら燒結すると、一部が微細結晶化された部分を有する金属部材を得ることもできる。
【００１５】
また微細結晶金属の他の用途として、ゴルフクラブシャフトに微細結晶金属の粉末を混合したり、微細結晶金属を繊維又は箔若しくはメッシュ状にしてゴルフシャフト内部に配するなどの方法で、ゴルフシャフトの補強材として用いることも可能である。
【００１６】
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
１、機械的合金化の工程により、結晶の直径が数nm〜10nm程度である合金の粉末が得られる。
２、上記合金粉末を燒結することで、金属板あるいは所定の形状を有する金属部材を得ることができる。
３、上記燒結工程で、金属の結晶粒径はやや大きくなるものの、せいぜい数十nmから100nm程度であり、一般的金属材料よりはるかに結晶粒径の小さい金属材料が得られる。
４、高比重元素であるCuに代えて低比重元素であるAlを入れた場合は、比重が低下する。
５、ステンレス鋼を混ぜた場合は、強度が改善される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のゴルフクラブ用微細結晶金属の製造方法によれば、下記のような優れた効果を得ることができる。
【００１８】
第一の効果は、高強度、高硬度、低密度という優れた特性を有する金属を得られることである。これをゴルフクラブ、特にゴルフクラブヘッドに利用した場合には、上記特性を利用して、方向性、反発性及び耐久性にも優れたゴルフクラブヘッドを容易に製造できる。
【００１９】
第二の効果は、結晶が微細化された金属を非常に容易に得ることができることである。従来の方法では、前述のように特殊な元素を使用する必要があったり、または急激に冷却するなど特殊な工程を施す必要があった。しかし、本発明では、機械的合金化法という、非常に容易な工程のみで結晶を微細化した金属を得ることが出来る。燒結時に結晶粒径は少し増大するものの、一般的金属に比べればはるかに結晶粒径の小さい金属を得られる。
【００２０】
第三の効果は、一般的ステンレス鋼とほぼ同じ組成を有する微細結晶金属を得られることである。このため、最も一般的な鉄系の金属材料と容易に溶接が可能となる。これより、一部のみが微細結晶化した金属製品を容易に得ることが出来る。例えば、フェースのみを微細結晶化したゴルフクラブヘッド等である。別途板状の金属材料を用意し、これに接するように微細結晶金属の粉末を配した後、加圧しながら燒結することで、一般的金属材料との接合と微細金属材料の製造を同時に行うこともできる。一般的な金属板の中央に貫通孔を設け、この貫通孔に微細結晶化された金属粉を配して燒結したものを、所定形状に切り出せば、フェースの中央のみを微細結晶化したゴルフクラブヘッドを製造することも容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
原料であるFe、Cr、NiとSUS304又はAlの粉末を秤量し、所定の割合でボールミル用鋼製ボールとともに図１に示すステンレス鋼製容器（ポット）に入れ、容器内をArガスで置換した後、水冷しながら12.0Hzで150時間振動させ、結晶粒が微細化した合金粉を得る。原料をポットに入れる際は、不活性ガスや窒素ガス雰囲気で行うことが望ましい。それが出来ない場合は、不活性ガスや窒素ガスを吹き付け、原料ができるだけ酸素と触れないようにするのが望ましい。参考のため、図1には本発明者らが使用したステンレス鋼製容器の寸法を記載した。寸法の単位はmmである。
【００２２】
ボールはSUJ-2鋼製で、直径10mm程度である。原料の混合比率は、Crを16重量%、Niを5重量%SUS304又はAlを7重量%、残部Feとした。これは、ゴルフクラブヘッドで最も一般的なFe-16%Cr-5%Ni-3%Cuに近い特性を得るため、CrとNiは同じ比率、SUS304又はAlは比重低下を狙ってやや多めにしたものであるが、本発明はこの比率に限られるものではない。機械的合金化法は、固相において機械的エネルギーを用いて合金化する方法であり、ボールミリングの他にアトライターなどがある。金属を非結晶化又は結晶微細化するには母合金を溶解し、急冷するなどの複雑な工程を経る方法が最も一般的だが、機械的合金化法では合金を製造すると同時に結晶も微細化される。また、機械的合金化法では、微細化された結晶粒が均質であるという利点もある。
【００２３】
微細結晶化された合金粉末は酸化を防止するため、真空パックするなどして空気との接触を断ち、冷暗所に保管するのが好ましい。合金粉末を保管容器に移す際は、できれば不活性ガスや窒素ガス雰囲気中で行い、それが出来ない場合は不活性ガスや窒素ガスを吹き付けながら行うのが望ましい。
【００２４】
合金粉末から焼結により成形できるが、放電プラズマ焼結が好適である。放電プラズマ焼結は、ジュール熱により瞬時に熱を発生して焼結するため、比較的、低温かつ短時間で焼結が可能であり、結晶粒の粗大化を防止できるからである。具体的には、図２及び以下のとおりである。
【００２５】
高強度黒鉛ダイ１１に合金粉末２１を入れる。合金粉末２１は、上下を高強度黒鉛パンチ１２で挟み込まれる。熱電対１４を配し、これにより燒結中の温度を計測する。
【００２６】
上下から高強度黒鉛パンチで加圧しながらパルス電流を流す。熱電対にて温度を測定し、必要な場合には電流をコントロールする。焼結時間は10分程度が適切である。焼結によって結晶粒は粗大化するものの、10分程度であれば直径50〜100nm程度である。一般的な金属の結晶粒径は1μm以上であるから、この程度であれば十分に結晶を微細化した効果を発揮できる。温度、圧力は850〜1000℃、90〜200MPa程度が目安となるが、表２に示すように1000℃で最大の破壊強度を示したことからすると、1200℃程度までは可能と考えられる。温度と圧力は、これらによって得られた材料の特性が変わるので、表１〜３を参考に、必要とする特性を得られる条件を設定するべきである。なお、表１〜中、Specimen欄に記載された温度と圧力は焼結時の温度と圧力であり、SUSはSUS304である。
【００２７】
以上の方法により直径50mm、厚さ3mmの円盤を製造し、ビッカース硬さを計測したが、結果を表１に示すとおり、一般的なステンレス鋼であるSUS630のビッカース硬さ（350程度）を大きく上回る値が得られた。
【表１】
2004078387.tif 000012
【００２８】
表２には密度の計測結果を示すが、一般的なステンレス鋼であるSUS630の密度（7.8g/cm3程度）より小さい値が得られた。
【表２】
2004078387.tif 000013
【００２９】
表３には破断強度と伸びの計測結果を示す。SUS304鋼を混合したものは、破断強度が1000Mpaを超えており、焼結の条件によっては8%の伸びを有しており、高強度で加工しやすい材料が得られた。Alを混合したものは破断強度は精々500MPa程度と大きくは無いが、途中過程で金属粉末が酸化した可能性があり、これを防止することで高強度化が可能と考えられる。
【表３】
2004078387.tif 000014
【００３０】
本発明の材料をゴルフクラブヘッドのフェース部材とするには、焼結して得られた板材から所定のフェース形状に切り抜くのが最も簡便であるが、焼結に用いるダイの内側面とパンチの断面形状を所定のフェース形状とすることで直接所定の形状に焼結することも考えられる。
【００３１】
一部の結晶粒のみが微細化した金属板を得る場合の燒結方法を図６に示す。
【００３２】
まず黒鉛スペーサ１３の上に貫通孔を設けた金属板２２を置き、その上に黒鉛ダイ１１を置く。更に、金属板２２の貫通孔に、微細結晶化した金属粉末２１を配し、その上に黒鉛パンチ１２を配する。金属板２２の貫通孔は、微細結晶組織としたい部分に設ける。図６には記載していないが、熱電対により温度を計測している。その後、燒結を行う。燒結方法は前述の方法と同じであり、黒鉛パンチ１２を介して加圧しながら電流を流す。
【００３３】
金属板２２の貫通孔は、上面側の径を大きく、下面側の径を小さくした。微細結晶化した金属粉末２１との接触面を拡大するためである。金属粉末２１と金属板２２の接触面積が小さいと、微細結晶化した部分と通常組織の部分との接合が弱くなる。なお、微細結晶化する部分が貫通している必要が無い場合は、金属板２２には凹部を設け、該凹部に微細結晶化した金属粉２１を配して燒結しても良い。
【００３４】
以上により、金属板２２の貫通孔に配された微細結晶化した金属粉末２１が燒結され、金属板２２と一体化する。金属板２２の部分は通常の組織を有し、金属粉末２１を配した部分は微細な結晶粒の組織となる。
【００３５】
上記のように、全体又は一部を微細結晶化した金属は、ゴルフクラブヘッドのフェース部に好適に使用できる。フェース部以外の部分には、通常の組織を有する金属材料が使用可能である。その場合、フェース部材を本体部材に接合する方法には、かしめなどの機械的接合、溶接が考えられるが、ゴルフクラブヘッドの反発性能上は溶接が有利である。本発明の合金の組成は、一般的ステンレス鋼とほぼ同じなので容易に溶接が可能である。しかし、溶接時の熱により接合部近傍の結晶が粗大化し、その部分の強度が低下するおそれがある。よって、接合部を比較的強度を要求されない部分に設けるか、あるいはレーザ溶接、電子ビーム溶接等の熱影響の出にくい溶接方法をとるのが好適である。ステンレス鋼を混合して得た本発明の合金は、従来の最も一般的なゴルフクラブ材料に比べて高強度であるので、薄肉化が可能であり、これを利用してヘッドの大型化、高慣性モーメント化、高反発化に有利である。
【００３６】
本発明の合金をフェース部材１に、本体部材２をステンレス鋼などの一般的材料で構成したアイアンヘッドを図３に、ウッドヘッドを図４に示す。これらは反発性能を向上させる場合のヘッドの構造例であるが、他にも多数反発性能を向上させる構造が知られており、本発明はそれらにも適用可能であるAlを混合して得た本発明の合金をフェース部材として用いる場合は、フェース部材の背面に本体部材のバックアップがある図５のような構造とするか、若しくは比較的低強度でもよいパターに採用するのが好適である。ステンレス鋼を混合した場合に比べ、破断強度が低いからである。
【００３７】
また、本発明の合金をゴルフクラブヘッドの形状に焼結して、一体的にゴルフクラブヘッドを製造することも可能であり、これは一般的なフラットバックと言われる背面に凹部のないアイアンヘッドやキャビティーアイアンといわれる背面に凹部があるもののアンダー部がないアイアンヘッドを製造する場合に好適である。本発明の合金をゴルフシャフトで利用する方法としては、シャフトをシートワインディングで製造する際、層間に粉末、繊維、箔状の本発明の合金を配する方法がある。尚、本発明の合金は、上記した実施の形態に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において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明に係る微細結晶金属の製造方法は、結晶粒が微細化された金属を容易に得ることができ、これによって製造された金属材料はゴルフクラブ、特にゴルフクラブヘッドのフェース部に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ボールミル用のステンレスポットの切断面図
【図２】燒結装置と各部の配置を示す斜視図
【図３】アイアンヘッドのフェース部材に本発明を用いた実施例
【図４】ウッドヘッドのフェース部材に本発明を用いた実施例
【図５】アイアンヘッドのフェース部材に本発明を用いた他の実施例
【図６】一部のみ微細結晶化した金属板を作る場合の燒結装置と各部の配置を示す切断面図
【符号の説明】
【００４０】
１、フェース部材
２、本体部材
１１、黒鉛ダイ
１２、黒鉛パンチ
１３、黒鉛スペーサ
１４、熱電対
２１、結晶粒が微細化された合金粉末
２２、金属板
【国際調査報告】
2004078387.tif 000015
2004078387.tif 000016
2004078387.tif 000017
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