(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールを打撃するフェース部の少なくとも一部を、非晶質金属からなる母材にセラミックスのナノ結晶粒を分散材として含む複合体で形成したことを特徴とするゴルフクラブヘッド。
【請求項２】
前記セラミックスのナノ結晶粒は、周期律表の４族の金属元素の炭化物、窒化物又は硼化物の１種または２種以上からなることを特徴とする請求項１記載のゴルフクラブヘッド。
【請求項３】
前記ナノ結晶粒は、平均粒子径が５〜３００（nm）であることを特徴とする請求項１または２記載のゴルフクラブヘッド。
【請求項４】
前記フェース部は、該フェース部を形成する前記複合体の厚さを１．０〜３．２mmとしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のゴルフクラブヘッド。
【請求項５】
前記非晶質金属は、Ｚｒ55Ａｌ10Ｎｉ5Ｃｕ30（数字は原子％）である請求項１乃至４のいずれか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、耐疲労性を向上しうるゴルフクラブヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、ゴルフクラブヘッドのボールを打球するフェース部に、非晶質金属材料（金属ガラス、アモルファス金属などとも称される。）を用いることが提案されている。非晶質金属材料は、一般に、高強度、高硬度及び低ヤング率といった性能を同時に具備するため、高強度の特徴を活かしてフェース部の厚さを薄くでき、かつ低ヤング率という特徴と相俟って打球時にフェース部を撓ませ易い。その結果、打球時のボールの反発効率を高め、飛距離を増大しうる。また高硬度という特徴は、フェース部の耐外傷性を向上させる。
【０００３】
ところが、発明者らの種々の実験の結果、非晶質金属材料は、静的な機械的強度は優れているものの、金属疲労特性に若干の課題、すなわち、弾性限界以下の応力であっても、これが非晶質金属材料に繰り返して作用するうちに材料の弱化が生じ易いことが判明した。このような非晶質金属材料を用いたゴルフクラブヘッドにおいて耐疲労性能を向上するためには、フェース部の厚さを増すことが効果的である。しかしながら、フェース部の厚さを増すと、薄肉化によって得られたフェース部の撓み特性が失われてしまい、ボールとの反発効率が低下し、ひいては飛距離の増大効果も低下するなど、非晶質金属の高強度、低ヤング率といった特性を十分に活かすことができない。
【０００４】
本発明は、以上のような問題点に鑑み案出なされたもので、ボールを打撃するフェース部の少なくとも一部を、非晶質金属とセラミックスのナノ結晶粒とからなる複合体により形成することを基本として、非晶質相の利点を活かしつつ耐疲労性をも向上しうるゴルフクラブヘッドを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち請求項１記載の発明は、ボールを打撃するフェース部の少なくとも一部を、非晶質金属からなる母材にセラミックスのナノ結晶粒を分散材として含む複合体で形成したことを特徴とするゴルフクラブヘッドである。
【０００６】
ここで「ナノ結晶粒」とは、平均粒子径が５ｎｍ以上かつ３００ｎｍ以下、特に好ましくは４５〜１５０（nm）の粒子ないし粉末である。また前記セラミックスとしては、周期律表の４族の金属元素の炭化物、窒化物又は硼化物の１種または２種以上を用いることが望ましい。またフェース部は、該フェース部をこのような複合体により形成する場合、その厚さを１．０〜３．２mmとすることが望ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の一形態を図面に基づき説明する。
図１は本実施形態のゴルフクラブヘッド（以下、単に「ヘッド」ということがある。）１の斜視図、図２はその断面図、図３は、図２のフェース部材のさらに拡大図をそれぞれ示している。図において、本実施形態のヘッド１は、内部に中空部ｉを有するウッド型のもの例示しており、本実施形態ではヘッド本体２とフェース部材３とから構成されたものを例示している。
【０００８】
前記ヘッド本体２は、ヘッド上部をなすクラウン部２ａ、ヘッド底部をなすソール部２ｂ、前記クラウン部２ａとソール部２ｂとの間を継ぐサイド部２ｃ、クラウン部２ａのヒール寄りに突設されたネック部２ｄ、及びフェース部材３を配する開口５を具える。またこの開口５には、本例ではフェース部材３の周縁だけを支えるバックアップ部６が形成されたものを例示している。本例のヘッド本体２は、例えばアルミニウム合金、チタン、チタン合金、ステンレスなどの各種の晶質金属或いは非晶質金属、樹脂、さらにはこれらの複合材などにより形成しうる。
【０００９】
前記フェース部材３は、その微細組織を図３に略示する如く、母材としての非晶質合金４ａと、分散材としてのセラミックスのナノ結晶粒４ｂとからなる複合体４から形成されたものを例示している。このような複合体４は、非晶質合金マトリックス中にセラミックスのナノ結晶粒４ｂを分散して含むことにより、非晶質相に発生した微細な亀裂の進展が、前記セラミックスのナノ結晶粒４ｂによって食い止められるいわゆる「ピン止め効果」が生じ、非晶質合金４ａが効果的に補強されるためフェース部材３の耐疲労性が大幅に向上する。
【００１０】
本実施形態に使用される非晶質合金４ａは、過冷却液体域を有し、非晶質相（アモルファス相）を形成しうる組成の金属材料（合金）を用いる。非晶質合金４ａには、種々の合金組成のものが用いられ、例えば、
一般式：ＭａＸｂ（ａ、ｂは原子％で６５≦ａ≦１００、０≦ｂ≦３５）
で示される組成で構成されるものが好ましい。
【００１１】
ここで、前記Ｍは、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｂｅより選ばれる１種類以上の金属元素であり、前記Ｘは、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｍｄ、Ｈｆ、Ｎｂ、ＴａＡｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄから選ばれる１種類以上の金属元素からなるものが望ましい。また好ましくは、前記ａ、ｂは、
６５≦ａ≦９５．５  ０．５≦ｂ≦３５
とするのが望ましく、とりわけＺｒ系非晶質合金であることが望ましい。なお本実施形態では、Ｚｒ55Ａｌ10Ｎｉ5 Ｃｕ30（数字は原子％）の非晶質合金４ａを用いたものを例示している。
【００１２】
また前記複合体４に用いられるセラミックスナノ結晶粒４ｂは、周期律表の４族の金属元素（すなわちＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｌａ又はＡｃであって、とりわけＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）の炭化物、窒化物又は硼化物が好ましい。具体的には、ＴｉＢ2 、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＣ、ＺｒＢ2 、ＨｆＮ、ＨｆＣが好適であり、これらの１種または２種以上を含んで分散材として用いることができる。
【００１３】
一般にナノ結晶のような超微細結晶は、微細化により結晶が不安定になり、マクロ結晶体の特性が維持できない傾向がある。このため、前記のピン止め効果を十分に発現させるためには、ナノ結晶が安定していることが必須となる。そこで本発明では、原子間の結合が強固でありナノ結晶でも非常に安定したセラミックスのナノ結晶粒を用いている。
【００１４】
また、例えば非晶質合金を熱処理することにより、ナノ結晶質相を非晶質相に部分的に晶出させることもできる。この場合、非晶質合金の構成原子での金属結晶及び金属間化合物結晶のナノ結晶が析出するので、ナノ結晶の安定性からいえばセラミックス結晶に比して安定性に欠け、ナノ結晶に繰り返し応力が付加されると、非晶質化及び溶融する等の不具合があり、上述のピン止め効果の効力が十分に発揮できない。又、熱処理により所定の大きさのナノ結晶を析出させるのは非常に難しく、工業的に応用するのには再現性の問題もあり好ましくない。
【００１５】
またセラミックスのナノ結晶粒４ｂの平均粒子径は、例えば５〜３００（nm）であることが望ましい。前記粒子径が、５（nm）未満になると、ナノ結晶粒４ｂが結晶的に不安定になるため、非晶質相中の亀裂の進展を抑制するピン止め効果が低下する傾向があり、逆に粒子径が３００（nm）を超えると、該セラミックスのナノ結晶粒４ｂが亀裂の起点になりやすく耐疲労性の向上効果が得られ難い傾向にある。このような観点より、前記ナノ結晶粒４ｂの平均粒子径は、より好ましくは２０〜２００（nm）、さらに好ましくは３０〜１５０（nm）、特に好ましくは４５〜１５０（nm）であるのが望ましい。このナノ結晶粒４ｂの平均粒子径は、非晶質相の一定の領域内に含まれるナノ結晶粒の粒径を測定しその平均により表される。
【００１６】
また前記複合体４は、前記セラミックスのナノ結晶粒４ｂの体積含有率が５〜４０％であることが望ましい。前記セラミックスのナノ結晶粒４ｂの体積含有率が５％未満の場合、非晶質相中の亀裂進展を抑制する効果が低下する傾向にあり、逆に４０％を超えると、前記セラミックスのナノ結晶粒同士が凝集してしまい、この部分が破壊の起点となり機械的特性が低下する傾向がある。このような観点より、複合体４は、より好ましくは前記セラミックスのナノ結晶粒４ｂの体積含有率を１０〜３０％、さらに好ましくは１５〜２５％とするのが望ましい。
【００１７】
また前記フェース部材３は、略一定の薄い厚さ、例えば１．０〜３．２mm、より好ましくは１．０〜２．８mm、さらに好ましくは１．０〜２．５mmといった厚さｔを有し、薄肉化を図りながらフェース部Ｆの主要部を構成する板状にて形成されている。このように、本実施形態のフェース部材３は、前記複合体４からなることにより強度が高いので、通常よりも薄くしてもフェース強度が保たれ、軽量化を図りつつフェース部Ｆを効果的に撓ませることができる。従って、打球の飛距離を増大しつつ耐疲労性を向上できる。なおフェース部材３の厚さｔが１．０mm未満の場合、フェース部Ｆの強度が確保できず破壊の危険があり、逆に３．２mmを超えると、フェース部Ｆの強度及び耐疲労性は確保できるが、ボールとの反発特性が低くなり打球の飛距離を増大させる効果が低下しやすい。
【００１８】
またフェース部材３は、前記ヘッド本体２のバックアップ部６の前面に配され、例えば接着、カシメ等の固着手段にてヘッド本体２と強固に接合される。そしてフェース部材３は、ボールを打球するフェース部Ｆの少なくとも一部、本例ではフェース部Ｆの実質的な全域を構成する。特に前記複合体４でフェース部材３を形成する場合、複合体４の表面積Ｓ１と、フェース部Ｆの全表面積Ｓ２との比（Ｓ１／Ｓ２）は、０．５０以上とするのが望ましく、より好ましくは０．７０以上、さらに好ましくは０．９０以上とするのが特に望ましい。これにより、複合体４を広範囲にわたってフェース部Ｆに配することができ、耐疲労性の向上と飛距離の増大とがより好ましく両立される。
【００１９】
また前記複合体４を形成する方法としては、例えば真空中又は不活性ガス雰囲気中において、母材の合金を溶解した溶湯に、前記各種のセラミックスのナノ結晶粒４ｂを粉末化した微細粉末セラミックス（平均粒子径が例えば５〜３００（nm））を混合し均一に分散させて混合物を得る工程と、この混合物を冷却された金型のキャビティ内に流し込んで急冷する工程とを含むいわゆるダイカスト法により製造しうる。また、このようなダイカスト法と同じ手法により、金型に代えて鋳型を用いて溶融混合物を流し込み鋳型を取り壊して成型物を取り出す鋳造法をも採用できる。さらに複合体４は、例えば真空中または不活性ガス雰囲気中において、上下一対の水冷金型で母材を例えばアーク溶解しつつ前記微細粉末セラミックスと混合し、この溶解混合物を金型で押圧して所定の形状に押し広げつつ、臨界冷却速度以上の速度で混合溶解物を冷却する方法（以下、溶湯鍛造法と呼ぶ）などを用いて製造することもできる。これらの方法により、非晶質金属４ａ中にセラミックスのナノ結晶粒４ｂが均一に分散された複合体４を製造しうる。
【００２０】
また前記微細粉末セラミックスは、公知の方法で適宜製造することができ、その製造方法は問わない。例えば微細粉末セラミックスは、原料金属を貴ガス雰囲気中で蒸発させるとともに、この蒸発の工程中、又は該工程の後の窒化、炭化又は硼化処理によって製造することができる。
【００２１】
また本発明に使用されるフェース部材３の母材は、必ずしも純粋な非晶質合金４ａの単相のみからなる必要はなく、非晶質合金の製造条件や熱処理等によってやむを得ず生じる微小な結晶相、準結晶などの相を数vol ％〜数十vol ％析出、分散させたものでも実質的に本発明の効果を奏することができる。また複合体４は、非晶質合金４ａとセラミックナノ結晶粒４ｂとを複合してあれば足り、どのようにして製造されたかは特に問わない。
【００２２】
また上記実施形態ではウッド型のゴルフクラブヘッドを例に挙げ説明したが、本発明のヘッド１は、例えば図４（Ａ）、（Ｂ）に示すようなアイアン型のゴルフクラブヘッド１においても適用しうる。これらの例のヘッド１においても、ヘッド本体２と、このヘッド本体２の前面に配されかつ前記複合体４からなるフェース部材３とから構成されている。なおヘッド本体２は、本例ではフェース部材３の周縁部を保持しており、フェース部材３の実質的な裏面を支えてはいない。このようなアイアン型のヘッド１や、前記実施形態のウッド型のヘッド１にあっては、フェース部材３の裏面が実質的に空所となっている場合、特にフェース部材３の強度が要求されるため、本発明を適用した場合の効果がより大となる。
【００２３】
また、このようなフェース部材３の裏面が実質的に空所となっている場合には、非晶質合金の優れた特性による低ヤング率、薄肉化により、優れた反発性能と耐久性能とが両立される。また本発明は、ウッド型、アイアン型のみならず、パター型、ユーティリティ型といったヘッドにおいても適用しうる。
【００２４】
【実施例】
図１、図２に示す基本構成を有するフェース部材を、表１に示すセラミックスのナノ結晶粒を用いた複合体でそれぞれ試作するとともに、該フェース部材をチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）製のヘッドにエポキシ系接着剤を用いて接着してウッド型ゴルフクラブヘッドを製造した。なお複合体は、母材にＺｒ55Ａｌ10Ｎｉ5 Ｃｕ30を共通して用い、この母材の溶湯に表１の各微細粉末セラミックス粒子を均一に混合してフェース部材の鋳型に流し込み急冷してバルク状のフェース部材として製造した。
【００２５】
またこれらの各供試ヘッドに、同一のシャフトを固着してウッド型ゴルフクラブを試作するとともに、各クラブをツルーテンパー社製のスイングロボットに装着し、ヘッドスピードを５０（ｍ／ｓ）に設定してゴルフボールを３０００回打撃する耐久試験を行った。３０００回打撃後、フェース部材に全く損傷がないものを○、微細をクラックが見られるものを△、３０００回未満の打球数でフェース部が破損したものを×として評価した。また比較のために、セラミックスのナノ結晶粒を複合させていない非晶質合金のみからなるフェース部材を使用したウッド型のゴルフクラブ（比較例１、２）についても同様の試験を行った。
複合体の仕様及び試験結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
0004398569.tif 000002
【００２７】
表１に示すように、実施例のものは、いずれも耐久試験においては、フェース部の損傷は全く見られなかったが、セラミックスのナノ結晶粒の粒子径が大きい実施例３、実施例１０、実施例１４や、逆に粒子径が小さい実施例２については、破損には至らなかったものの小さなクラックが生じていた。また実施例６、実施例１７では、複合体中のセラミックスのナノ結晶粒の体積含有量が少ないため、同様に小さなクラックが見られた。また実施例２０では、ナノ結晶粒の粒子径が相対的に小さいことと含有率が相対的に大であることが相まって、耐久性の若干の低下が見られた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のゴルフクラブヘッドは、ボールを打撃するフェース部の少なくとも一部を、非晶質合金とセラミックスのナノ結晶粒との複合体により形成しているため、セラミックスのナノ結晶粒が非晶質相で生じた疲労による亀裂の進展を阻止するピン止め効果を発揮し、非晶質金属の耐疲労性を大幅に向上しうる。これにより、耐疲労性を向上しつつ例えばフェース部を薄肉化し高反発でボールを打ち出しすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のゴルフクラブヘッドを例示する正面図である。
【図２】その断面図である。
【図３】複合体の微細組織を示す拡大図である。
【図４】（Ａ）はアイアン型ゴルフクラブヘッドの実施例を示す正面図、（Ｂ）はそのＸ−Ｘ端面図である。
【符号の説明】
１  ゴルフクラブヘッド
２  ヘッド本体
３  フェース部材
４  複合体
４ａ  非晶質合金
４ｂ  セラミックスのナノ結晶粒
Ｆ  フェース部
【図１】
0004398569.tif 000003
【図２】
0004398569.tif 000004
【図３】
0004398569.tif 000005
【図４】
0004398569.tif 000006