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鈦及鈦合金在高爾夫球頭上的應用

來源:鈦棒,鈦合金,純鈦,鈦管,鈦板,鈦設備,鈦絲 發布時間:2012-8-24 14:49:11

1、前言
  自從1990年3月,日本JOY公司首次在世界上銷售鈦制高爾夫球頭以來,揭開了鈦制高爾夫球棒的序幕。JOY公司與川鐵合作、水野與三菱材料合作,才得以使鈦高爾夫球棒產品化。川鐵的棒頭采用的是Ti-6Al-4V
鈦合金,三菱材料棒頭的上面與擊球面使用的是Ti-6Al-4V鈦合金,底部與頸部使用的是純鈦

  本文簡單介紹目前市場上銷售的高爾夫球棒使用鈦材及鈦合金狀況。

  2、高爾夫球棒頭材的發展變化狀況

  高爾夫球棒也有木制的,在本文中專指#1木棒(通稱球棒),因為除此以外,還有平坦球路使用的球棒、鐵球棒,這并不意謂著就必然會使用高價的鈦合金球棒。為了知道高爾夫球場使用的14根球棒中哪個球棒飛程最大,自然是要提高球速度,而球棒較長、同時重量又輕,最好是球棒頭的容積也較大。具體地說,若球棒頭的重量約為190g,球頭的體積為300ml以上時,可簡單地計算比重為190÷300=0.63,在這個比重以下時,與球碰撞時的沖擊力接近1t,多次進行了這樣的試驗,目的弄清極苛刻條件,但球棒頭所使用材料自有它的定性。

  木制球棒自古以來使用的是柿子樹木,因為它是所有木材中比重最輕,而強度卻很高。球頭的底部使用的是Al板,擊球面使用的是樹脂,為了調整底部的重量在其中加入了鉛,球頭的重量達到了200g,體積最大限于190ml,普通型則在170~180之間。

  日本最早于1981年開發了金屬高爾夫球棒頭(dangan)。體積為 150ml,小于柿木球頭,但擊球率極高。這是因為比柿木球棒頭飛得快的緣故。體積為150ml,雖然不及柿木球棒小,但進入市場卻大受歡迎。從此,進入了金屬球頭時代。球棒頭材最初使用的是高強度不銹鋼-SUS431精密鑄造品。當時鐵球頭的精密鑄造品以SUS304與SUS431為主,但高強度SUS431取得了成功。但沒有多久,就出現了因擊球面凹陷引起的索賠,作為Dangan開發責任者決定更換所使用材料為SUS630(17-4PH)。SUS431的拉伸強度為 840MPa,而 SUS630的拉伸強度只提高了1.070 MPa,但耐蝕性卻比其優良,所以這就成為換的理由。很快市場上SUS431球頭便銷聲匿跡,SUS304球頭也是同樣的命運。只有SUS630球頭流行了一短時間,這是因為該球頭的強度、耐蝕性能、鑄造性、成本等較好外,重要的是其鏡面拋光的深度與其顏色的高級感、以及其表面硬度較高,即便是有小的劃傷,其光澤也能長時間的保持,因此很適合作高爾夫球頭。從這點來看,SUS630作為高爾夫球球材具有良好的綜合性能,不愧為高級的不銹鋼合金。

  盡管如此,SUS630材作為高爾夫球棒頭也還是沒有長久維持,其最大的原因就是其體積較小。取而代之的是碳球頭,該球頭以石墨纖維為基體,再用環氧樹脂進行熱成形,即所謂的CFRP,其球頭內部為空心結構。眾所周知,石墨纖維的強度極高,又輕量,所以很適合的球棒材料。體積可能在200ml以上,制法也是各不相同,表面還浮有石墨纖維的橫紋,既有長纖維,也有短纖維。在價格的激烈竟爭中,因其性能的優良,加之混入了ABS樹脂中短纖維,并可采用注射成形來生產,其價格自然是令人吃驚的便宜。但碳棒頭并沒有成為主流,主要是因為顯示CFRP性能的標準不統一,同時商品從外觀上又難以看出其性能,對消費者而言最最重要的則是商品的可靠性。其它方面看,表面的持久性問題、制造上又存在模具的成本問題等導致該材料最終沒有流行起來。

  從金屬到碳,又從金屬到鈦熱,這是高爾夫球棒的一個發展歷程。采用新材料的球棒是因為其擊球率較高。同時采用新材料的球棒的功能要得到改善,其成本自然就會上升。但又給人一種錯覺,似乎價格高的高爾夫球棒的性能自然就好。鋁,在90年代中期,是體積竟爭中獲勝的鋁的全盛時期。鋁合金中初期使用的是杜拉鋁(7075)作為球頭材。7075 T6材的拉伸強度約為600MPa,所以其可以被認為是比強度高的球棒,但由于鈦的存在,也不知在何時就消失了。事實上,鋁合金球頭在市場上幾起幾落。鋁不能定格為球頭材的主要原因是因為耐蝕性問題,必須進行表面處理,最適合的表面處理就是陽極氧化處理,但因其表面硬度不高,持久性能問題也就難以解決。

  最后介紹一下鈦在鐵球頭上很好的利用例。即在擊球面嵌入僅3mm厚鈦板的鐵球頭,因使用了少量的鈦,該球頭的性能就大大提高了,其性能價格比也較好。

  3、高爾夫球棒頭的功能與材料的關系

  球頭的剛性越高,球棒的飛程也越好,這是柿木球棒時代的常識。柿木的擊球面嵌入了稱為球面嵌入物的臺形狀樹脂。為了提高球碰撞部分的補強與持久性,材質又逐漸進化為紙纖維、ABS樹脂、CFRP,在硬度高、剛好性的CFRG嵌入時代,飛程大大提高了。在木制球頭時代,就有在擊球面里面從縱向上設置3或4根補強的例子。這也是為了提高擊球面的剛性。

  但是到了1997年春,Maluman公司在"泰坦鈦"中,使擊球面的壁厚變薄,彎曲了擊球面,控制了球的變形,以防止能量損失,加大飛程,就使用了SP-700鈦合金。第二年另一家公司也發表了阻抗相配理論對擊球面帶來了同樣的反彈力,擊球面的固有振動數就越接近球面。球頭的能量就可有效地傳遞給球,飛程得到提高,這種產品在當時的市場上銷路很好。

  在R&A及USGA規定的高爾夫球規則中就有一條為:「設計時應避免在擊球面的碰撞點對球的活動有不良影響的彈性效應。」

  但事實上是將擊球面弄簿,這樣導致的彈力加大了飛程,大多的球棒擊球面的簿壁化則引發世界高爾夫球業的大問題。

  USGA在2000年4月前發表了違反高爾夫球規則的條款,在6月則通報了違反反彈系數為0.830以上的球棒。

  另一方面,代表日本高爾夫球業的R&A在9月對彈性效應規則不再報有希望,發表了「研究的結果,目前的球棒比初期的金屬球棒具有高的反彈系數,但飛程的提高并未對高爾夫球游戲有影響。」

  目前世界的高爾夫球業界的狀況是雙標準并存。

  在美國的高爾夫球比賽中并未使用違反規則的球棒,但歐洲及日本的比賽中則是也可使用這類球棒。如此這般,今天日本的高爾夫球棒則仍是擊球面的簿壁化竟爭引發高反彈擊球面熱。在眾所周知的鈦全盛時期,如此的高反彈擊球面竟爭中出現了許多的新鈦合金。

  但是在2002年5月, USGA與R&A突然就關于反彈系數發表了統一宣言。內容要點是:「在2003年以后的5年間反彈系數可變理工更為0.830以下~0.860以下,從2008年以后又恢復到0.830以下」。突然的聲明使高爾夫球廠家如墜云里霧里。

 經營者      球棒名稱            球面材      球體材   體積(ml)  價格(yen)

 Akilaprigutac  Akilavintedge model SP-700    6-4      415    OP

 Accinet Japan  Tight List 975J-VS  15-3-3-3   6-4      312   58000

 Accinet Japan  King Copra SS370    SAT-2041   6-4    370    OP

 E時代Golf工作室  Lyooma 320       15-5-3    6-4     320    68000O

 Willson      Diepred PF400      Bakula   鈦 6-4   400    0P

 Catana Golf     TM320Ti       15-5-3    KS-100   320   88000

 Casca         DD4          SP-700   6-4      400   85000

 佳能銷售      BUMP415         SP-700   6-4      415   98000

 觀光集團      Wave C 球棒390      SP-700   6-4      390   70000

 Salomon &Tela made  320Ti Tour    SP-700   6-4      340   OP

 Salomon &Tela made   XR-03       SP-700   6-4     410     OP

 Dio Tech Golf    HSW Heavy 360    15-3-3-3  6-4     360    OP

 Sybo 日本    Sybo壓縮球棒         SP-700    6-4     410    OP

 精工es yard   T-9FA 0.5          15-5-3    15-3-3-3  320    95000

 精工es yard   T-9BL            15-3-3-3   KS 100   360    88000

 大和        Onofu Trave       15-5-4-4  6-4     320    72000

 大和        Onofu Tour        15-5-4-4  6-4     320,350  77000

 Danlof       New Zegushio      SP-700   6-4     350    80000

 Danlof       ElidusonW201      SP-700   6-4     303     OP

 休閑時光       360RS           SP-700   6-4     360     70000

 休閑項目      380ED           10-2-3    6-4     380     8000

 つるゃ       PG Ver.02       SP-700    6-4     350    70000

 つるゃ       RX-400MM         SAT-2041   6-4     400     80000

 Naiki       Ti350X          SAT-2041  6-4     350     OP

 Naiki       Ti275          450Ti    15-3-3-3  275    OP

 Fortyn      Deenpwan         15-3-3-3  6-4     348   48000

 Britiston Sports RV-10 330       SP-700   15-3-3-3  330   85000

 Britiston Sports RX-1 275        15-5-3   15-3-3-3  275   95000

 本間高爾夫球    15-5-3          SP-700   6-4    450   120000

 Magulega   Mucktech navvy2 380    Ti-9     6-4    380   55000

 Mastar    Astlo Tour 380        10-2-3   6-4    385   78000

 Maluman     Bisonik 350         SP-700   6-4    350   70000

 水野       300SII 315          15-5-3   15-3-3-3  315   90000

 水野      300SII 330           15-5-3   15-3-3-3  330   90000

 Ymaha      神秘01              DAT51    KS-100   340   75000

 橫繽橡膠    TR-X              15-5-3   15-3-3-3  350   83000

 Yonics   3000 Spec 400         SP-700   6-4     400   70000

  由表可知:

  (1)在高反彈力時代,球體材與擊球面材使用的主要合金完全不同,特別是擊球面材使用的是高強度的高    級車用鈦合金。

  (2)擊球面材多使用鍛造或軋制材,球體材則以6-4為主,基本上全是精密鑄造品,其它則是鍛壓材。

  (3)擊球面材大多使用的是SP-700,占41%;接著是15-5-3,占22%。

  (4)比較新的合金不SAT-2041其中有三種樣品使用了該合金,未來的市場前景樂觀。

  5、適用于球頭材的新合金

  在日本,各個鈦廠家正在提議的用于球頭材的新鈦合金如下:

  神戶制鋼

  (1) KS100/KS120(O:0.3--0.35,Fe:0.35--0.5,Si:0--0.6)

  該合金的合金元素只有1%,與純鈦相近,成本低,強度與6-4合金相當,所以其性能價格比高是其最大的特點。適合于溫、熱加工,這一點可與純鈦相媲美,可鍛造球頭的項部和底部。

  (2) KSELF(Ti-4.5Al-4Cr-0.5Fe-0.2Cα+β合金)

  與6-4具有同等的強度特性,其鍛造特性可與純鈦相媲美,切削性能是6-4合金的2倍,成本比6-4便宜。可用作擊球面部、底部和項部。

  (3) KSTi-9(Ti-2Mo-1.6V-0.5Fe-4.5Al-0.3Siα+β合金)

  與KSELF相似,與6-4具有相近的強度特性,其熱冷延展性較高,焊接性好。可用作擊球面部、底部和項部。

  (4) TVC(KS13-11-3Ti-13V-11Cr-3Alβ合金)

  因是β型鈦合金,其加工性優良,其氣勢在超高強度合金15-5-3-3之上,拉伸強度可達1550MPa,可用作極簿擊球面材。

  (5) KS15-5-4-4(Ti-15Mo-5Zr-4Al-4V)

  屬高級汽車用鈦合金,與15-5-3相同,但其強度更好且與其彈性相匹配。作擊球面材的可能性較大。

  大同特殊鋼

  (1)DAT51(Ti-22V-4Alβ合金)

  加工性優良,經時效處理可獲得高強度,其彈性也高,最適合作擊球面材。

  (2)Bakula鈦(DAT55GTi-15V-6Cr-4Alβ合金)

  是特別作為擊球面簿壁材而開發的的最新合金,其強度與韌性并不亞15-5-3合金,期待能提高反彈系數。

  NKK

  (1)SP-700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Feα+β合金)

  如前所述,今年的新制品中擊球面材使用最多的就是此合金了,可與鍛造鈦球棒廣泛使用的15-3-3-3合金相提并論,作不球頭使用是最令人放心的合金了。加工性、強度、韌性、打球感及成本等對球頭而言是平衡性極好的鈦合金。

  住友金屬

  (1)SAT2041(Ti-20V-3.5Al-1Sn β合金)

  最近在擊球面材上使用較多的新合金,冷加工性優良,經合適的時效處理就可獲得高強度及高韌性,擊球感好。

  新日本制鐵

  (1) β21S (Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Siβ合金)

  加工性良好就不用說了,強度與韌性的平衡性極好,經時效處理強度可達1500MPa,希望能作為擊球面簿壁化的新合金。

  愛知制鋼

  (1)多孔質純鈦

  在已有的輕擊棒頭與楔形鐵棒頭使用中獲得了好評,前者具有柔軟的打球感,后者是針對其旋轉性的,球棒的應用是今后的課題。

  6、今后的需求與新材料

  今后的替補材料如下:

  (1)非晶金屬

  已經處于一敗涂地,可能是技術上仍不成熟所致。基本非晶金屬特點是強度高,粘性好、不易生銹,且比重較輕。而比重較輕正是高爾夫球棒所企求的。目前正在進行比重輕的Al系、Mg系及Ti系非晶金屬的研究,前景樂觀。

  (2)金屬間化合物

  作為耐用熱材料研究的金屬間化合物中,Ni3Al已經成功地加工了90u的箔材,TiAl也有望成為宇宙船的機體或發動機閥材,研究較多,其可能性較大。

  (3) 形狀記憶合金、超彈性合金

  彈性系數小的,但強度高,耐蝕性能優良,具有高反彈的擊球面,有充分的可能性。

  (4)納米技術

  提高金屬強度、韌性的研究已經成功了一部分,不用說不得是值得注意的領域。

  最后要提的是日本的高爾夫球棒市場規模為1230億日元,其中木制球棒655億日元,約240萬根(2001估計值),球棒約占70%。

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