钛及钛合金在高尔夫球头上的应用

1、前言 
自从1990年3月，日本JOY公司首次在世界上销售钛制高尔夫球头以来，揭开了钛制高尔夫球棒的序幕。JOY公司与川铁合作、水野与三菱材料合作，才得以使钛高尔夫球棒产品化。川铁的棒头采用的是Ti-6Al-4V钛合金，三菱材料棒头的上面与击球面使用的是Ti-6Al-4V钛合金，底部与颈部使用的是纯钛。

本文简单介绍目前市场上销售的高尔夫球棒使用钛材及钛合金状况。

2、高尔夫球棒头材的发展变化状况

高尔夫球棒也有木制的，在本文中专指#1木棒(通称球棒)，因为除此以外，还有平坦球路使用的球棒、铁球棒，这并不意谓着就必然会使用高价的钛合金球棒。为了知道高尔夫球场使用的14根球棒中哪个球棒飞程最大，自然是要提高球速度，而球棒较长、同时重量又轻，最好是球棒头的容积也较大。具体地说，若球棒头的重量约为190g，球头的体积为300ml以上时，可简单地计算比重为190÷300=0.63，在这个比重以下时，与球碰撞时的冲击力接近1t，多次进行了这样的试验，目的弄清极苛刻条件，但球棒头所使用材料自有它的定性。

木制球棒自古以来使用的是柿子树木，因为它是所有木材中比重最轻，而强度却很高。球头的底部使用的是Al板，击球面使用的是树脂，为了调整底部的重量在其中加入了铅，球头的重量达到了200g，体积最大限于190ml，普通型则在170~180之间。

日本最早于1981年开发了金属高尔夫球棒头(dangan)。体积为 150ml，小于柿木球头，但击球率极高。这是因为比柿木球棒头飞得快的缘故。体积为150ml，虽然不及柿木球棒小，但进入市场却大受欢迎。从此，进入了金属球头时代。球棒头材最初使用的是高强度不锈钢-SUS431精密铸造品。当时铁球头的精密铸造品以SUS304与SUS431为主，但高强度SUS431取得了成功。但没有多久，就出现了因击球面凹陷引起的索赔，作为Dangan开发责任者决定更换所使用材料为SUS630(17-4PH)。SUS431的拉伸强度为 840MPa，而 SUS630的拉伸强度只提高了1.070 MPa，但耐蚀性却比其优良，所以这就成为换的理由。很快市场上SUS431球头便销声匿迹，SUS304球头也是同样的命运。只有SUS630球头流行了一短时间，这是因为该球头的强度、耐蚀性能、铸造性、成本等较好外，重要的是其镜面抛光的深度与其颜色的高级感、以及其表面硬度较高，即便是有小的划伤，其光泽也能长时间的保持，因此很适合作高尔夫球头。从这点来看，SUS630作为高尔夫球球材具有良好的综合性能，不愧为高级的不锈钢合金。

尽管如此，SUS630材作为高尔夫球棒头也还是没有长久维持，其最大的原因就是其体积较小。取而代之的是碳球头，该球头以石墨纤维为基体，再用环氧树脂进行热成形，即所谓的CFRP，其球头内部为空心结构。众所周知，石墨纤维的强度极高，又轻量，所以很适合的球棒材料。体积可能在200ml以上，制法也是各不相同，表面还浮有石墨纤维的横纹，既有长纤维，也有短纤维。在价格的激烈竟争中，因其性能的优良，加之混入了ABS树脂中短纤维，并可采用注射成形来生产，其价格自然是令人吃惊的便宜。但碳棒头并没有成为主流，主要是因为显示CFRP性能的标准不统一，同时商品从外观上又难以看出其性能，对消费者而言最最重要的则是商品的可靠性。其它方面看，表面的持久性问题、制造上又存在模具的成本问题等导致该材料最终没有流行起来。

从金属到碳，又从金属到钛热，这是高尔夫球棒的一个发展历程。采用新材料的球棒是因为其击球率较高。同时采用新材料的球棒的功能要得到改善，其成本自然就会上升。但又给人一种错觉，似乎价格高的高尔夫球棒的性能自然就好。铝，在90年代中期，是体积竟争中获胜的铝的全盛时期。铝合金中初期使用的是杜拉铝(7075)作为球头材。7075 T6材的拉伸强度约为600MPa，所以其可以被认为是比强度高的球棒，但由于钛的存在，也不知在何时就消失了。事实上，铝合金球头在市场上几起几落。铝不能定格为球头材的主要原因是因为耐蚀性问题，必须进行表面处理，最适合的表面处理就是阳极氧化处理，但因其表面硬度不高，持久性能问题也就难以解决。

最后介绍一下钛在铁球头上很好的利用例。即在击球面嵌入仅3mm厚钛板的铁球头，因使用了少量的钛，该球头的性能就大大提高了，其性能价格比也较好。

3、高尔夫球棒头的功能与材料的关系

球头的刚性越高，球棒的飞程也越好，这是柿木球棒时代的常识。柿木的击球面嵌入了称为球面嵌入物的台形状树脂。为了提高球碰撞部分的补强与持久性，材质又逐渐进化为纸纤维、ABS树脂、CFRP，在硬度高、刚好性的CFRG嵌入时代，飞程大大提高了。在木制球头时代，就有在击球面里面从纵向上设置3或4根补强的例子。这也是为了提高击球面的刚性。

但是到了1997年春，Maluman公司在"泰坦钛"中，使击球面的壁厚变薄，弯曲了击球面，控制了球的变形，以防止能量损失，加大飞程，就使用了SP-700钛合金。第二年另一家公司也发表了阻抗相配理论对击球面带来了同样的反弹力，击球面的固有振动数就越接近球面。球头的能量就可有效地传递给球，飞程得到提高，这种产品在当时的市场上销路很好。

在R&A及USGA规定的高尔夫球规则中就有一条为：「设计时应避免在击球面的碰撞点对球的活动有不良影响的弹性效应。」

但事实上是将击球面弄簿，这样导致的弹力加大了飞程，大多的球棒击球面的簿壁化则引发世界高尔夫球业的大问题。

USGA在2000年4月前发表了违反高尔夫球规则的条款，在6月则通报了违反反弹系数为0.830以上的球棒。

另一方面，代表日本高尔夫球业的R&A在9月对弹性效应规则不再报有希望，发表了「研究的结果，目前的球棒比初期的金属球棒具有高的反弹系数，但飞程的提高并未对高尔夫球游戏有影响。」

目前世界的高尔夫球业界的状况是双标准并存。

在美国的高尔夫球比赛中并未使用违反规则的球棒，但欧洲及日本的比赛中则是也可使用这类球棒。如此这般，今天日本的高尔夫球棒则仍是击球面的簿壁化竟争引发高反弹击球面热。在众所周知的钛全盛时期，如此的高反弹击球面竟争中出现了许多的新钛合金。

但是在2002年5月， USGA与R&A突然就关于反弹系数发表了统一宣言。内容要点是：「在2003年以后的5年间反弹系数可变理工更为0.830以下~0.860以下，从2008年以后又恢复到0.830以下」。突然的声明使高尔夫球厂家如坠云里雾里。

经营者　　　　　　球棒名称 　　　　　      球面材 　　   球体材 　 体积(ml) 　价格(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时代Golf工作室　　Lyooma 320　　　　　  15-5-3　　　 6-4　　　  320　　　 68000O

Willson 　　　　　Diepred PF400　　　　  Bakula　　　钛 6-4　　　400　　　　0P

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

Casca 　　　　　　　　DD4　　　　　　　   SP-700　　　6-4　　　   400　　　85000

佳能销售　　　　　　BUMP415　　　　　　　  SP-700　　　6-4　　　   415　　　98000

观光集团 　　　　　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压缩球棒　　　　　    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

休闲时光 　　　　　 360RS　　　　　　　    SP-700　　 6-4　　　　 360　　　　 70000

休闲项目　　　　　　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

本间高尔夫球　　　　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

横缤橡胶　　 　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)在高反弹力时代，球体材与击球面材使用的主要合金完全不同，特别是击球面材使用的是高强度的高　　　　级车用钛合金。

(2)击球面材多使用锻造或轧制材，球体材则以6-4为主，基本上全是精密铸造品，其它则是锻压材。

(3)击球面材大多使用的是SP-700，占41%;接着是15-5-3，占22%。

(4)比较新的合金不SAT-2041其中有三种样品使用了该合金，未来的市场前景乐观。

5、适用于球头材的新合金

在日本，各个钛厂家正在提议的用于球头材的新钛合金如下：

神户制钢

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

该合金的合金元素只有1%,与纯钛相近，成本低，强度与6-4合金相当，所以其性能价格比高是其最大的特点。适合于温、热加工，这一点可与纯钛相媲美，可锻造球头的项部和底部。

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

与6-4具有同等的强度特性，其锻造特性可与纯钛相媲美，切削性能是6-4合金的2倍，成本比6-4便宜。可用作击球面部、底部和项部。

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

与KSELF相似，与6-4具有相近的强度特性，其热冷延展性较高，焊接性好。可用作击球面部、底部和项部。

(4) TVC(KS13-11-3Ti-13V-11Cr-3Alβ合金)

因是β型钛合金，其加工性优良，其气势在超高强度合金15-5-3-3之上，拉伸强度可达1550MPa，可用作极簿击球面材。

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

属高级汽车用钛合金，与15-5-3相同，但其强度更好且与其弹性相匹配。作击球面材的可能性较大。

大同特殊钢

(1)DAT51(Ti-22V-4Alβ合金)

加工性优良，经时效处理可获得高强度，其弹性也高，最适合作击球面材。

(2)Bakula钛(DAT55GTi-15V-6Cr-4Alβ合金)

是特别作为击球面簿壁材而开发的的最新合金，其强度与韧性并不亚15-5-3合金，期待能提高反弹系数。

NKK

(1)SP-700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Feα+β合金)

如前所述，今年的新制品中击球面材使用最多的就是此合金了，可与锻造钛球棒广泛使用的15-3-3-3合金相提并论，作不球头使用是最令人放心的合金了。加工性、强度、韧性、打球感及成本等对球头而言是平衡性极好的钛合金。

住友金属

(1)SAT2041(Ti-20V-3.5Al-1Sn β合金)

最近在击球面材上使用较多的新合金，冷加工性优良，经合适的时效处理就可获得高强度及高韧性，击球感好。

新日本制铁

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

加工性良好就不用说了，强度与韧性的平衡性极好，经时效处理强度可达1500MPa，希望能作为击球面簿壁化的新合金。

爱知制钢

(1)多孔质纯钛

在已有的轻击棒头与楔形铁棒头使用中获得了好评，前者具有柔软的打球感，后者是针对其旋转性的，球棒的应用是今后的课题。

6、今后的需求与新材料

今后的替补材料如下：

(1)非晶金属

已经处于一败涂地，可能是技术上仍不成熟所致。基本非晶金属特点是强度高，粘性好、不易生锈，且比重较轻。而比重较轻正是高尔夫球棒所企求的。目前正在进行比重轻的Al系、Mg系及Ti系非晶金属的研究，前景乐观。

(2)金属间化合物

作为耐用热材料研究的金属间化合物中，Ni3Al已经成功地加工了90u的箔材，TiAl也有望成为宇宙船的机体或发动机阀材，研究较多，其可能性较大。

(3) 形状记忆合金、超弹性合金

弹性系数小的，但强度高，耐蚀性能优良，具有高反弹的击球面，有充分的可能性。

(4)纳米技术

提高金属强度、韧性的研究已经成功了一部分，不用说不得是值得注意的领域。

最后要提的是日本的高尔夫球棒市场规模为1230亿日元，其中木制球棒655亿日元，约240万根(2001估计值)，球棒约占70%。