(57)【要約】【課題】Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも比強度が高く、鋳造性に優れた鋳造用低比重チタン合金、及び、このような鋳造用低比重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】８．６≦Ａｌ≦１５．０ｍａｓｓ％、及び、０．０１≦Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる鋳造用低比重チタン合金、及び、これを用いたゴルフクラブヘッド。鋳造用低比重チタン合金は、０．１≦Ｆｅ≦５．０ｍａｓｓ％をさらに含むものが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
８．６≦Ａｌ≦１５．０ｍａｓｓ％、及び、
０．０１≦Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる鋳造用低比重チタン合金。
【請求項２】
０．１≦Ｆｅ≦５．０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項１に記載の鋳造用低比重チタン合金。
【請求項３】
０．０１≦Ｖ≦３．０ｍａｓｓ％、及び、
０．０１≦Ｃｒ≦３．０ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項１又は２に記載の鋳造用低比重チタン合金。
【請求項４】
Ｎｉ≦２ｍａｓｓ％、
Ｍｏ≦２ｍａｓｓ％、及び、
Ｃｕ≦２ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載の鋳造用低比重チタン合金。
【請求項５】
０．０１≦Ｂ≦０．３ｍａｓｓ％、及び、
０．０１≦Ｓｉ≦０．３ｍａｓｓ％
のいずれか１以上をさらに含む請求項１から４までのいずれかに記載の鋳造用低比重チタン合金。
【請求項６】
比強度が２０５以上である請求項１から５までのいずれかに記載の鋳造用低比重チタン合金。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれかに記載の鋳造用低比重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、鋳造用低比重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】
実用チタン合金は、
（１）最密六方晶のα相（低温相）からなるα型合金、
（２）体心立方晶のβ相（高温相）からなるβ型合金、
（３）α相とβ相の混合組織を持つα＋β型合金、
に大別される。これらの内、α＋β型合金は、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、従来は、主に宇宙航空機材料として用いられてきた。また、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、α＋β型合金の中でもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、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】
しかしながら、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、高価なＶを含んでいるために高コストである。また、Ｔｉ合金は、一般に比強度が高いが、ある種の用途（例えば、ゴルフクラブヘッド）においては、さらなる高比強度化が求められている。さらに、鋳造品に使用されるＴｉ合金には、良好な鋳造性も求められる。
【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、７．０〜８．５重量％のＡｌと、０．６〜１．０重量％のＦｅを含み、残部がＴｉと付随的不純物でああるチタン合金が開示されている。
同文献には、所定量のＡｌ及びＦｅを添加することによって、良好な鋳造性及び溶接性を維持しながら、優れた弾性率を有するチタン合金が得られる点が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、質量でＡｌ：５．５〜７．０％、Ｆｅ：０．５〜４．０％、Ｏ：０．５％以下、残部Ｔｉ及び不可避的不純物からなるα＋β型Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｖに代えてＦｅを用い、これを所定比率で含有させると、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の機械的性質を付与することができる点、及び、
（２）Ｆｅは、Ｖに比べて安価であるため、Ｔｉ合金を工業的に安価に製造できる点、
が記載されている。
【０００６】
また、特許文献３には、質量％で、Ａｌ:５．００から７．００％、Ｖ：１．００〜３．５％、Ｆｅ：０．４０超え〜１．００％、Ｏ：０．２０〜０．５０％、Ｃ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下を含有し、Ｖ当量（＝Ｖ％＋４．２Ｆｅ％）が３．００〜５．５０％であり、残部が実質的にＴｉからなる高強度Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶのＶの一部をＦｅで置換し、Ｖ当量を所定の範囲とすると、Ｔｉ−６−Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の強度を得ることができる点、及び、
（２）不純物としてＦｅを含有する安価なスポンジチタンを原料に用いることができるので、高強度のＴｉ合金を安価に製造することができる点、
が記載されている。
【０００７】
さらに、特許文献４には、質量％で、Ａｌ：５．５〜７．００％、Ｆｅ：０．５０〜４．００％、Ｎ：０．０２〜０．１０％、及びＯ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物からなる高強度Ｔｉ合金が開示されている。
同文献には、
（１）Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のＶをＦｅに置換し、Ｎを適量含有させることにより、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同等以上の強度が得られる点、及び、
（２）不純物としてＦｅを含有する安価なスポンジチタンを原料に用いることができるので、高強度のＴｉ合金を安価に製造することができる点、
が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１０６８５３号公報
【特許文献２】特許第３３０６８７８号公報
【特許文献３】特開２００１−１１５２２１号公報
【特許文献３】特開２００４−１０９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、ゴルフメーカーからゴルフクラブヘッドのさらなる低比重化の要望が強くなっている。そのため、ゴルフクラブヘッドには、低比重チタン合金としてＴｉ−６Ａｌ−１Ｆｅ合金が使用され始めている。しかしながら、代表的なチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と比較して、低比重化の効果は小さい。
一方、ゴルフクラブヘッドのボディ部分には、一般に鋳造品が用いられるが、比強度が高く、かつ鋳造性に優れたＴｉ合金が提案された例は、従来にはない。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも比強度が高く、鋳造性に優れた鋳造用低比重チタン合金、及び、このような鋳造用低比重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】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明に係る鋳造用低比重チタン合金は、
８．６≦Ａｌ≦１５．０ｍａｓｓ％、及び、
０．０１≦Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％、
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなることを要旨とする。
鋳造用低比重チタン合金は、
０．１≦Ｆｅ≦５．０ｍａｓｓ％
をさらに含むものが好ましい。
また、本発明に係るゴルフクラブヘッドは、本発明に係る低比重チタン合金を用いたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
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、強度を低下させることなく合金を低比重化できるので、比強度も高い。特に、β相安定化元素として適量のＦｅを添加すると、相対的に少量の添加でさらに高い比強度が得られる。
【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．  鋳造用低比重チタン合金］
本発明に係る低比重チタン合金は、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）  ８．６≦Ａｌ≦１５．０ｍａｓｓ％。
Ａｌは、合金のα相を固溶強化する元素である。また、Ａｌは、Ｔｉよりも軽いので、合金を低比重化（すなわち、高比強度化）させる元素である。さらに、Ａｌを添加することによって融点が低下し、鋳造性が向上する。このような効果を得るためには、Ａｌ含有量は、８．６ｍａｓｓ％以上が好ましい。
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、１５．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１５】
（２）  ０．０１≦Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％。
Ｏは、主としてα相に固溶して、α相を強化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｏ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｏ含有量が過剰になると、硬さが増加して、延性を低下させる。従って、Ｏ含有量は、０．３ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１６】
本発明に係る鋳造用低比重チタン合金は、上述した元素に加えて、さらに以下のような元素を含んでいても良い。
【００１７】
（３）  ０．１≦Ｆｅ≦５．０ｍａｓｓ％。
Ｆｅは、β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、Ｆｅ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｆｅ含有量の増加に伴い、強度は上昇するが、Ｆｅ含有量が過剰になると、硬さも増す。従って、Ｆｅ含有量は、５．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００１８】
（４）  ０．０１≦Ｖ≦３．０ｍａｓｓ％。
Ｖは、Ｆｅと同様に、β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、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｖ含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｖ含有量は、３．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
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。
【００１９】
（５）  ０．０１≦Ｃｒ≦３．０ｍａｓｓ％。
Ｃｒは、Ｆｅと同様に、β相を安定させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｃｒ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
一方、Ｃｒ含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｃｒ含有量は、３．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２０】
（６）  Ｎｉ≦２ｍａｓｓ％。
（７）  Ｍｏ≦２ｍａｓｓ％。
（８）  Ｃｕ≦２ｍａｓｓ％。
Ｎｉは、β相を安定化させ、合金の融点を下げる効果がある。一方、これらの元素の含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｎｉ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
Ｍｏは、β相を安定させる効果がある。一方、Ｍｏ含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｍｏ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
さらに、Ｃｕは、合金の融点を下げる効果がある。一方、Ｃｕ含有量が過剰になると、比重が大きくなる。従って、Ｃｕ含有量は、２．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
なお、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕは、いずれか１種を添加しても良く、あるいは、２種以上を添加しても良い。２種以上を添加する場合、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｕは、合計で２．０ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００２１】
（９）  ０．０１≦Ｂ≦０．３ｍａｓｓ％。
（１０）０．０１≦Ｓｉ≦０．３ｍａｓｓ％。
Ｂ及びＳｉは、いずれも結晶粒を微細化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｂ含有量及びＳｉ含有量は、それぞれ、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。
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含有量及びＳｉ含有量は、それぞれ、０．３ｍａｓｓ％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。
【００２２】
［２．  鋳造用低比重チタン合金の作用］
従来、α＋β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。具体的には、所定量のＡｌを添加することによって、比強度は２０５以上となる。また、高ＡｌのＴｉ合金に対して、さらにβ相安定化元素を添加すると、さらに高い比強度が得られる。特に、Ｆｅは少量の添加で高いβ相安定化効果が得られるので、高比強度の鋳造品が得られる。
【００２３】
また、本発明に係る鋳造用低比重チタン合金の内、Ｆｅを主要添加元素として含むものは、不純物としてＦｅを含む安価なスポンジチタンを原料として使用することができる。また、Ｆｅを添加することによって、高価なＶの使用量を減らすことができる。そのため、鋳造用低比重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低比重チタン合金は、比強度が高いので、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】
【００２４】
（実施例１〜３８、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及び表２に、各試料の化学組成を示す。
【００２５】
【表１】
2009114474.tif 000002
【００２６】
【表２】
2009114474.tif 000003
【００２７】
［２．  試験方法］
［２．１  湯回不良及びガス欠陥］
減圧鋳造により作製した板状試験片（５×２０×１００ｍｍ）を用いて、湯回不良及びガス欠陥の発生を調べた。湯回不良は目視で、ガス欠陥の発生はＸ線透過によって、それぞれその個数を数え、すべての板状試験片中でガス欠陥が発生した試験片の割合を百分率で表した。
［２．２  引張試験］
ガス欠陥の発生率が２０％以下の素材について、減圧鋳造によってＡＳＴＭ  Ｅ８規定の３号引張試験片（直径６．２５ｍｍ、評点距離２５ｍｍ）を作製した。さらに、７５０℃／２ｈ／ＡＣの熱処理を加えて試験材とした。
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５×１０-5ｍ／ｓで行い、引張強さ及び伸びを測定した。
［２．３．  比強度］
水浸法により、引張試験片の比重を測定した。得られた比重と引張強度から、比強度を算出した。
【００２８】
［３．  結果］
表３及び表４に、試験結果を示す。比較例１、２はＡｌ量が少ないために、鋳造性が悪い。比較例３はＡｌ量が過剰であるために、鋳造性は良好であるが、引張強度及び伸びが低く、比強度も低い。比較例４はＦｅが過剰であるために、鋳造性が悪い。さらに、比較例５は、比較的鋳造性は良好であるが、比強度が低い。
これに対し、実施例１〜３８は、適量のＡｌを含んでいるために、鋳造性が良好であり、引張強度及び比強度も高い。特に、Ｆｅは比強度の向上に有効であり、少量の添加によって比強度が大きく向上することがわかった。
【００２９】
【表３】
2009114474.tif 000004
【００３０】
【表４】
2009114474.tif 000005
【００３１】
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】
【００３２】
本発明に係る鋳造用低比重チタン合金は、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。