高尔夫球棍用微细结晶金属的制造方法

专利名称：高尔夫球棍用微细结晶金属的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有将结晶微细化的组织的铁系合金制造方法，还涉及一种使用由该方法所制造的微细结晶金属的高尔夫球棍部件，特别涉及一种金属制造的高尔夫球棍头。
背景技术：
一直以来，作为提高金属材料强度的方法，使其金属组织非结晶化(所谓的非结晶金属)或对结晶颗粒的粒径微细化(所谓的纳米金属)的方法是众所周知的，这些制造方法多数都已被公开。通过使用这种强度提高的金属而谋求薄壁化和大型化的高尔夫球棍是公知的(例如参考下述专利文献1～4)。而且，一旦使组织非结晶化或进行微细化，则金属弹性或阻尼特性会变化，利用此种特征而提高回跳性等性能的高尔夫球棍头是众所周知的。
专利文献1日本特开平11-104809号公报专利文献2日本特开2000-87196号公报专利文献3日本特开平2001-262291号公报专利文献4日本特开平11-57080号公报但是，现有方法存在对金属组织进行非结晶化或微细化方法复杂，制造成本高的问题。而且，由现有方法所获得的非结晶金属及微细结晶金属因在高尔夫球棍头中包含特殊的元素，所以在部件成形、研磨、切断和接合这样的高尔夫球棍制造工序中也会产生困难。
在用于高尔夫球棍头的场合下，如下所述，能够具体指出下述几个问题。
第1个问题是由金属主要成分差异而产生的问题。
由于高尔夫球棍头特别是木制杆头具有由薄壁壳组成的中空结构，因而通过对2个以上元件进行接合而构成。高尔夫球棍头具有击打球的面部、构成下面的底部、构成上面的顶部、对底部和顶部进行连接的侧部以及球棍杆的接合部分即颈部，由于上述这些部分所要求的特性不同，所以在很多情况下，各个部位由不同材料构成。但是，由于主要成分不同的金属部件的接合常常困难，所以一般来说各个部件选择主要成分相同的合金。也就是从主要成分相同的合金系中选择使用适合每个部位的材料。主要成分大概选择铁或钛的任一个。这是因为从材料的价格、强度、比重和容易加工等方面综合来看，都好的缘故。
另一方面，在与使用现有非结晶金属的高尔夫球棍头有关的技术方案中，也使用以铝、镁、锆等为主要成分的材料。因而，将由非结晶金属制成的部件与由以现有技术中最常使用的铁或钛为主要成分的普通金属制成的部件进行焊接，构成高尔夫球棍头是困难的。虽然也存在着由粘结等非结晶金属和普通金属接合的可能的方法，但是在此情况下与焊接相比，产生接合强度低的问题。
第2问题是由金属添加成分所产生的问题。
此外，即使使用以铁为主要成分的非结晶金属或使用微细结晶金属，由于包含特殊的添加元素，所以材料费用增加。
第3问题是制造时的温度控制问题。
在制造非结晶金属或微细结晶金属时，以及对非结晶金属或微细结晶金属进行加工时，细微的温度控制非常必要。因而，有高尔夫球棍头制造困难，制造费用增加的问题。
如上所述，现有公知的非结晶或对结晶进行微细化的金属存在自身制造问题，此外在利用所述金属的高尔夫球棍的制造中也存在很多问题。因而，鉴于上述情况，本发明提供一种金属材料自身制造容易、而且利用了该金属的高尔夫球棍头的制造也容易且强度优良的微细结晶金属。

发明内容
本发明涉及一种对结晶进行微细化的金属材料的制造方法以及利用了该金属材料的高尔夫球棍头。金属材料是以铁为主要成分的合金。本发明制造方法的特征是对粉末或箔状或纤维状的原料进行机械合金化，同时对结晶进行细微化。能够获得对结晶细微化的合金，对所述合金进行烧结，能够遏制结晶变大，获得必要的形状的金属材料。
原料以铁为主要成分，将不锈钢或铝中至少一种添加到所述铁中，除此之外，根据目的添加其它元素。这些材料成为粉末、箔状或纤维状，混合并进行机械合金化。由上述工序，能够获得以铁为主要成分的粉末微细结晶金属。
特别优选将普通不锈钢组成中的1种或2种以上元素替换为不锈钢或铝。例如在高尔夫球棍头中获得近似于最普通的Fe-16％Cr-5％Ni-3％Cu的材料时，铁中混合代替铜的铝或SUS304(日本JIS规格，下文相同)与铬、镍而机械合金化。这适合于高尔夫球棍的部件，特别是适合于面部件。同样在其它不锈钢中，也可以由铝或SUS304替换一部分元素。
上述那样获得的微细结晶金属是粉末状。因此，通过对所述粉末进行加压同时进行烧结，成形为规定形状。准备另外的板状金属材料，将微细结晶金属粉末设置得与所述板状金属材料邻接后，如果一边加压一边进行烧结，则能够获得具有部分微细结晶化的金属部件。
此外，作为微细结晶金属的其它用途，通过将微细结晶金属粉末混合在高尔夫球棍杆中使微细结晶金属成为纤维状或箔状或筛网状并设置在高尔夫球棍杆内部等方法，可以作为高尔夫球棍杆的增强材料。
根据上述手段，能够获得下述作用。
1、由机械合金化工序，获得结晶直径为几纳米～10纳米的合金粉末。
2、对上述合金粉末进行烧结，能够获得金属板或具有规定形状的金属部件。
3、由上述烧结工序，虽然金属结晶颗粒直径稍微变大，但是最大限度也就是数十纳米～100纳米，能够获得比一般金属材料的结晶颗粒直径远远小的金属材料。
4、代替高比重元素即铜，放入低比重元素铝时，比重下降。
5、与不锈钢混合时，改善了强度。
根据本发明的高尔夫球棍用微细结晶金属的制造方法，可以获得下述优良效果。
第一效果是获得了具有高强度、高硬度、低密度这样优良特性的金属。将所述金属应用在高尔夫球棍特别是高尔夫球棍头上时，利用上述特性，能够轻易地制造方向性、回弹性和耐久性优良的高尔夫球棍头。
第二效果是能够非常容易地获得结晶细微化的金属。在现有方法中，需要使用上述的特殊元素，或需要实施急剧冷却等特殊工序。但是在本发明中，仅由机械合金化方法这种非常简单的工序，就能获得对结晶进行微细化后的金属。虽然烧结时结晶颗粒直径稍稍增大，但也能够获得与一般金属相比结晶颗粒直径远远小的金属。
第三效果是能够获得具有与普通不锈钢几乎相同组成的微细结晶金属。因而，能够容易地与最普通的铁系金属材料焊接。从而，能够容易地获得仅局部微细结晶化的金属制品。例如仅面部微细结晶化的高尔夫球棍头等。准备另外的板状金属材料，将微细结晶金属粉末设置得与所述板状金属材料邻接后，一边加压一边进行烧结，能够同时进行与一般金属材料的接合以及对微细金属材料的制造。在普通金属板的中央设置通孔，将微细结晶化的金属粉末设置在所述通孔内进行烧结，如果对烧结后的产品剪切为规定形状，也能够容易地制造仅面部中央微细结晶化的高尔夫球棍头。


图1是球磨机用的不锈钢筒的剖视图；图2是显示烧结装置和各部分配置的侧视图；图3是在铁制头的面部件中使用了本发明的实施例；图4是在木制头的面部件中使用了本发明的实施例；图5是在铁制头的面部件中使用了本发明的其它实施例；图6是显示在制作仅一部分微细结晶化后的金属板时烧结装置和各个部分配置的剖视图。
符号的说明1.面部件 2.本体部件 11.石墨模具 12.石墨冲头 13.石墨间隔部件 14.热电偶 21.结晶颗粒微细化的合金粉末 22.金属板具体实施方式
对原料即铁、铬、镍和SUS304或铝的粉末进行秤量，在放入球磨机用钢制球的同时以规定比例将上述粉末放入图1所示不锈钢制容器(筒)中。在由氩气对容器内的气体进行置换后，一边进行水冷，一边以12.0Hz振动150小时，获得结晶颗粒微细化的合金粉末。最好在惰性气体或氮气等环境气体下将所述原料放入筒内。在没有完成将所述原料放入容器中时，最好喷吹惰性气体或氮气，以便原料尽可能不与氧气接触，为了便于参考，图1中记载了本发明人等所使用的不锈钢制容器的尺寸。尺寸单位是毫米。
球是由SUJ-2钢制造的，直径为10毫米。原料的混合比率以重量计量，铬为16％，镍为5％，SUS304或铝为7％，其余是铁。为了在高尔夫球棍头中获得近似于最一般的Fe-16％Cr-5％Ni-3％Cu的特性，虽然通常稍多情况是使铬和镍比率相同、谋求SUS304或铝的比重下降，但是本发明并不局限于这样的比率。机械合金化法就是在固相中使用机械能而合金化的方法，除了球磨之外，还可以是图模法(アトライタ-)等，在对金属非结晶化或结晶微细化中，经过对母合金进行溶解、急冷等复杂工序的方法是最一般的机械合金化法，在制造合金的同时，对结晶进行微细化。而且在机械合金化法中，微细化后的结晶颗粒具有均匀化的优点。
为了防止微细结晶化后的合金粉末氧化，优选将其置于真空袋等中，切断所述合金粉末与空气的接触，将其保存在冷暗的场所。在将金属粉末移至保管容器中时，优选尽可能地在惰性气体或氮气环境气体下，在没有完成移送时，一边喷吹惰性气体或氮气，一边进行移动。
虽然能够由对合金粉末进行烧结而成形，但是优选通过放电等离子烧结。由于由焦耳热瞬时产生热量进行烧结，能够在比较低温且短时间内进行烧结，能够防止结晶颗粒粗大化。具体地说，如图2和下文所述那样。
将合金粉末21放入高强度石墨模具11内。合金粉末21由高强度石墨冲头12上下夹住。设置了热电偶14，由其对烧结中的温度进行测量。
一边从上下由高强度石墨电极进行加压，一边流过脉冲电流。由热电偶对温度进行测量，在必要场合下也可以对电流进行控制。烧结时间适合为10分钟。虽然由烧结而结晶的颗粒粗大化，但是如果仅烧结10分钟，结晶后颗粒的直径是50～100纳米。由于一般的金属结晶颗粒直径大于等于1微米，如果在此程度下，则能够充分发挥对结晶微细化的效果。虽然温度和压力目标值设定为850～1000℃、90～200MPa，但是如表2所示，如果在1000℃下显示最大破坏强度，也可以考虑温度设定到1200℃左右为止。由于根据温度和压力，所获得的材料特性变化，应该参考表1～3，设定获得必要特性所需温度和压力的条件。而且在表1中，试样栏所记载的温度和压力是烧结时的温度和压力，SUS是SUS304。
由上述方法制造直径为50毫米、厚度为3毫米的圆盘，测量维克斯硬度(Vickers hardness)，结果如表1所示，获得比一般的不锈钢即SUS630的维克斯硬度(350左右)更大的数值。
表1维克斯硬度测试总结

表2显示了密度测量结果，获得比普通不锈钢也就是SUS630的密度(7.8g/cm3左右)更小的数值。
表2密度测量总结

表3显示了断裂强度和延伸率的测量结果。与混合SUS304的产品的断裂强度超过1000MPa，由烧结条件而具有8％的延伸率，获得高强度和容易加工的材料。混合了铝后的产品的断裂强度充其量刚超过500MPa，强度不大，且在中途存在金属粉末氧化的可能性，考虑防止这种情况而进行高强度化。
表3拉伸试验小结

将本发明的材料用作高尔夫球棍头的面部时，最简便的方式是对由烧结所获得的板材进行剪切，获得规定面部形状，也可以考虑使在烧结中使用的模具内侧面和冲头的断面形状制成规定面部的形状，烧结成直接规定的形状。
图6显示了获得仅局部结晶颗粒微细化后金属板时的烧结方法。
首先将设置了通孔的金属板22设置在石墨间隔部件13的上面，将石墨模具11设置在金属板22上。此外，将微细结晶化后的金属粉末21设置在金属板22的通孔内，将石墨冲头12设置在金属粉末上。金属板22的通孔设置在想要微细结晶组织的部分上。虽然图6中未示，但是由热电偶对温度进行测量。然后进行烧结。烧结方法与上述相同，一边通过石墨冲头12进行加压一边使电流流过。
金属板22的通孔设置为上面侧直径大，下面侧直径小，用于扩大与微细结晶化的金属粉末21的接触面积。如果金属粉末21与金属板22的接触面积小，则微细结晶化部分和普通组织的接合变弱。另外，在无需贯通微细结晶化部分的场合下，也可以在金属板22上设置凹部，将微细结晶化的金属粉末21设置在该凹部内，进行烧结。
如上所述，通过时设置在金属板22通孔内的微细结晶化的金属粉末21进行烧结，与金属板22一体化。金属板22的部分具有普通组织，设置了金属粉末21的部分变成微细结晶颗粒组织。
如上所述，全部或局部微细结晶化的金属可合适地用于高尔夫球棍头的面部。面部之外的部分可以使用具有普通组织的金属材料。此时，对于将面部件接合在本体部件上的方法，虽然考虑了铆接等机械接合、焊接方法，但是如果考虑到高尔夫球棍头的回弹性，则焊接更为有利。本发明的合金组成与普通的不锈钢几乎相同，因而能够容易焊接。然而，由焊接时的热量恐怕会导致接合部附近的结晶粗大化，造成该部分的强度下降。因而将接合部设置在相对而言不太要求强度的部分上，或优选用激光焊接、电子束焊接等难以出现热影响的焊接方法。由于与不锈钢混合后所获得的本发明合金与现有最一般的高尔夫球棍材料相比强度高，能够薄壁化，使用该合金，有利于球棍头的大型化、高惯性动量化、高回弹性。
在图3中显示了由本发明合金构成面部件1、由不锈钢等普通材料构成本体部件2后的铁制头，在图4中显示了木制高尔夫球棍棒头。虽然这些是使回弹性提高的头的结构示例，其它多种使回弹性提高的结构是众所周知的，在能够适合于此的铝混合后所获得的本发明合金作为面部件时，本发明适合于图5所示的在面部件背面上具有支承件的结构，或适合于即使是强度比较低也可行的轻击棒使用中。与混合了不锈钢的场合相比，断裂强度低。
而且也可以将本发明的合金烧结为高尔夫球棍头形状，制造一体的高尔夫球棍，这些适合于制造在普通平背面的背面上没有凹部的铁制头，或适合于制造在空洞-铁(cavity-iron)的背面上存在凹部但没有下部的铁制头。作为在高尔夫球棍杆上利用本发明合金的方法，可以是在通过对板材进行弯曲而制造球棍杆时将粉末、纤维、箔状的本发明合金设置在层间的方法。此外，本发明的合金并不局限于上述实施例，在不脱离本发明的范围内，能够进行各种变更。
产业上的利用性如上所述，符合本发明的微细结晶金属的制造方法能够轻易地获得结晶颗粒微细化的金属，由此制造的金属材料适合于高尔夫球棍，特别适合于高尔夫球棍头的面部。
权利要求书(按照条约第19条的修改)(2004年6月21日国际事务所受理对申请当初的权利要求1-6进行修改，增加了新的权利要求7。)1、(修改后)一种铁系金属部件的成形方法，其特征在于由放电等离子法对将粉末或箔或纤维状的铁与不锈钢以及其它一种或两种或多种元素混合后并机械地合金化而获得的粉末的铁系合金进行烧结。
2、(修改后)如权利要求1所述的铁系金属部件的成形方法，其特征在于所述一种或两种或多种元素包括铬、镍。
3、(修改后)一种高尔夫球棍头或高尔夫球棍杆，其特征在于至少在所述高尔夫球棍头或高尔夫球棍杆中的一部分上使用了铁系金属部件，所述铁系金属部件是将粉末或箔或纤维状的铁与不锈钢或铝中的至少一种、以及其它一种或两种或多种元素混合后并机械地合金化，获得铁系合金粉末，由放电等离子法对所述铁系合金粉末进行烧结成形的铁系金属部件。
4、(修改后)如权利要求3所述的高尔夫球棍头或高尔夫球棍杆，其特征在于所述一种或两种或多种元素包括铬、镍。
5、(修改后)一种铁系金属部件的成形方法，其特征在于将粉末或箔或纤维状的铁与不锈钢以及其它一种或两种或多种元素混合后并机械地合金化，将由此获得的粉末铁系合金填充到设置在由铁或包含铁的合金组成的金属板上的通孔或凹部内，由放电等离子法对所述粉末铁系合金进行烧结。
6、(修改后)一种高尔夫球棍头，其特征在于在所述高尔夫球棍头的至少一部分上使用了铁系金属部件，所述铁系金属部件是将粉末或箔或纤维状的铁与不锈钢或铝中的至少一种以及其它一种或两种或多种元素混合后并机械地合金化，将由此获得的粉末铁系合金填充到设置在由铁或包含铁的合金组成的金属板上的通孔或凹部内，由放电等离子法对该粉末铁系合金进行烧结成形的铁系金属部件。
7、(增加)如权利要求6所述的高尔夫球棍头，其特征在于所述一种或两种或多种元素包括铬、镍。
权利要求
1.一种铁系合金，其特征在于将粉末状或箔状或纤维状的铁与不锈钢或铝中至少一种的粉末、箔或纤维以及一种或两种或多种元素的粉末、箔或纤维进行混合，并机械地合金化。
2.一种铁系合金，其特征在于将铁、铬、镍的粉末、箔或纤维与不锈钢或铝的粉末、箔或纤维进行混合，并机械地合金化。
3.一种使用高尔夫球棍头用部件的高尔夫球棍头，其特征在于对由权利要求1或2所述方法所制造的铁系合金一边进行加压一边烧结而成形。
4.一种使用由权利要求1或2所述方法所制造的铁系合金的高尔夫球棍杆。
5.一种金属板或金属部件的成形方法，其特征在于在由铁或包含铁的合金所制造的金属板上设置了通孔或凹部，将由权利要求1或2所述方法所制造的铁系合金的粉末填充在所述通孔或凹部内后，一边对该铁系合金粉末进行加压一边烧结而成形。
6.一种至少在一部分上使用了由权利要求5所述方法所制造的金属板或金属部件的高尔夫球棍头。
全文摘要
本发明提供一种容易制造结晶颗粒微细化的金属材料的方法。由本方法所制造的金属是以铁为主要成分的金属。将粉末、纤维或箔状的不锈钢或铝中至少一种混合到铁的粉末、纤维或箔中。而且根据需要，添加粉末、纤维或箔状的其它元素，例如镍或铬等。通过机械地对它们进行合金化，获得由上述元素组成且结晶颗粒细微化的金属粉末。通过由等离子放电烧结等对该金属粉末进行成形，获得具有规定形状的金属材料。所获得的金属材料的结晶颗粒微细化，且具有高强度和强硬度的特性。适合于高尔夫球棍特别是高尔夫球棍头的面部件。而且通过添加元素，与普通铁系合金例如不锈钢相比，可以降低比重。
文档编号C22C33/02GK1816405SQ20048001929
公开日2006年8月9日 申请日期2004年2月17日 优先权日2003年7月7日
发明者桑野寿, 川濑春男, 双田武夫, 佐佐木靖 申请人:丸万株式会社, 桑野寿