高尔夫球头材质综述

供稿|林俊翔，许胜安，赵志烨

高尔夫球头材质综述

供稿|林俊翔，许胜安，赵志烨

内容导读

高尔夫球运动是一项经过数个世纪的演变历史悠久的运动。一套高尔夫球具通常会准备不同功能的14支球杆，以便在多变且复杂的高尔夫球场上打出最少杆数。近23年以来将近有60几种的材料用于高尔夫球具，大致上可分为钛合金、不锈钢、碳钢、铜合金及非金属材料。文章综述了高尔夫球头的打击面所用材质，并分析其力学性能和特性演变。木杆头主要应用材料为钛合金，比强度介于(1.9～2.25)×104MPa/(g·cm-3)，延伸率介于10%～20%，密度介于4.37～4.5 g/cm3，杨氏模量介于110～120 GPa。球道木杆主要应用材料为高强度不锈钢，比强度介于(178～303)× 104MPa/(g·cm-3)，延伸率介于9%～16%。铁杆头主要应用材料为不锈钢及碳钢，机械性质有高比强度(1.8～2.4 )×104MPa/(g·cm-3)及高延伸率(30%～50 %)的特性。推杆比强度不超过1.1× 104MPa/(g·cm-3)，延伸率则介于4%～64%。

高尔夫球运动的玩法为：使用杆子将球打进洞里，为了增加其困难度，在许多球场上会设计一些自然或人工的障碍，如长短草区、沙坑、水池、树林、果岭坡度等。因此，如何以最少的杆数使球进洞，将会是选手的一大挑战，故完整且适合自己的球具组便不可或缺。一套完整的球具组共计14支，其中包含了木杆 (Wood) 3～5支、铁杆 (Iron) 7～8支、劈起杆 (PW) 1～2支、砂坑杆 (SW) 1支、推杆 (Putter) 1支。

通常可以将高尔夫球具分为三大类：木杆头(Wood)、铁杆头(Iron)及推杆(Putter)。而在比赛用高尔夫球具的设计使用上须遵守USGA及R&A共同制定的规范如：尺寸、形状、体积、特征时间(CT)、惯性力矩(MOI)、恢复系数(COR)等。

随着功能要求不断提高，应用于高尔夫球头上的材质由最早期的山胡桃木、柿子木制作，渐渐演变成现在常用的钛合金、不锈钢及铁系材料。2000年以后，有近50多种金属材料应用在高尔夫球头上。例如：铁系材料:S25C、8620；不锈钢材料:17-4PH、304SS、AM355、431SS、455SS、465SS、HT1770、X25、X30、X17；钛合金:Ti64、Ti811、G4、SP700、15333、2041、DAT55G、Ti-10-2Fe-3Al、Ti-15Mo-5Zr-3Al等。

为配合市场的需求在材料选用上就相当重要。球具材料发展过程中，早期柿木的实心杆头重量、强度较低，现今所使用的金属材料不但能使杆头强度越来越高，又可减轻重量并提高击球成功率。因此有必要对低密度高强度的钛合金进行开发。通过不同的加工处理方式与合金元素的搭配，研发应用于杆头制造，甚至可结合非金属的复合材料设计等，使球具有良好的操控性、击球精准度、较远的击球距离及更高容错值。

本文研究范围如图1所示，通过文献及数据等搜集，探讨过去23年来（1991—2013）金属材料应用于高尔夫球头打击面上的发展趋势及结构、机械性能。

图1 高尔夫球头材质演变示意图

高尔夫球头打击面材质演变

Driver打击面材质演变

从图2(a)中可以发现钛合金(Ti64)自1990年开始应用在高尔夫球头上后，其Ti64材质则持续使用至今，直到1997年后陆续有其他合金的应用出现，如:SP700、Ti1553、Ti5333、2041等，推测USGA及U&A也因为如此，故在1998年提出了恢复系数(COR)的规范。然而新型钛合金约2008后开始出现投入使用，例如:Ti9、Ti5111、Ti811、Ti735等，推测是USGA及U&A于2008年开始共同协议将恢复系数(COR)修订为0.83，以及2007年的金融风暴，使各家厂商均推出较低成本并符合高尔夫球协会所规范的材质。

在Driver中不锈钢的使用并不常见。自从17-4PH不锈钢高尔夫球头出现后，17-4PH一直到2006年都在使用，中间也曾有其他种类的不锈钢出现，例如431SS、15-5PH、465SS、450SS，但很快又消失了。

虽然钛合金的出现改变了高尔夫球的材质应用，但其他材料在Driver方面，如柿子木还是持续使用至1998年才停止。

Fairway打击面材质演变

钛合金在Fairway方面，除Ti64从1993年开始一直持续到2013年，其间也加入其他钛合金的应用，但相对于不锈钢的应用，所使用的年份较短且种类较少。从图2(b)发现，钛合金应用于Fairway，并不受到金融风暴及高尔夫球协会影响。另外从图2(a)及图2(b)观察出，钛合金在1997年开始就陆续有新材质应用在Driver上，但Fairway直到2000年之后才陆续加入。

不锈钢方面，Fairway应用最久的典型材料为17-4PH，直至2000年左右才陆续出现其他不锈钢，如15-5PH、465SS、450SS、455SS及AM355等；在2008左右开始出现其他不锈钢加入使用，像HT1770、ES230等。

非金属方面，到1994年柿木才不再有厂商推出；约1994—2000年Fairway也曾偶尔的出现应用铝合金，但从2000年后就不在有厂商使用此类材质。

Iron打击面材质演变

图2 高尔夫球头打击面材质演变: (a) Driver; (b) Fairway; (c) Iron; (d) Putter

1994年前后，在Iron方面除了钛合金外还有铜合金及碳纤维织材质使用。从1997年开始使用纯钛后，一直到2000年开始Iron材质陆续有其他钛合金加入，但大部分使用时期不长，推测是受到金融风暴影响。2008后钛合金在Iron上使用骤减。

不锈钢及碳钢方面，使用最久之材料为304SS、431SS、S25C及17-4PH；从图2(c)可看出从2000年开始大约每五年会有新的材质被研发使用，例如15-5PH、450SS及455SS，S20C、SUP10、8620、E2000、X25、475SS及AM355，ASTM771、303SS、X30及465SS。

Putter打击面材质演变

从图2(d)中发现，材质演变可大概分为3个阶段，1991—2000年，以铜合金为主流，如: 纯铜、青铜、黄铜；1995—2005年，以碳钢为主流，如:S25C、S30C及8620；2000—2013年，渐渐以不锈钢为主流，如:17-4PH、303SS、304SS及431SS。近年来Putter材质被应用最久(1991—2013年)的为17-4PH。

机械性质结果

Driver机械性质演变

图3(a)为Driver 1991—2013年密度演变图，可以从中发现2000年开始发展密度介于4.54～4.73 g/cm3之间的钛合金，到2008—2013年开始转变为发展低密度钛合金，密度介于4.37～4.45 g/cm3，可能是2007发生金融风暴造成厂商在球头设计上尽量降低成本。

图3(b)为1991—2013年Driver杨氏模量演变图，可在其中发现钛合金杨氏模量由低变高；且于2008年前后才明显变高，可能是2008年以前虽有规定，但一直到2008年才在共同协议下将COR修定为0.83，如此COR在2008年以前才会有高有低。

图3(c)为1991—2013年Driver钛合金比强度-延伸率图，可得知图中钛合金于开球木杆(Driver)的应用，比强度介于2.0～3.0×104MPa/(g·cm-3)，延伸率则介于在6%～20 %。

图3 Driver 1991-2013年(a) 密度演变图；(b) 杨氏模量演变图；(c) 比强度-延伸率图

Fairway机械性质演变

图4为1991—2013年Fairway不锈钢及其他材质比强度-延伸率图，由图中可得知高比强度的不锈钢为球道木杆主要使用，比强度介于1.78～2.63 MPa/(g·cm-3)，延伸率介于9%～16 %。而应用在球道木杆之钛合金，比强度为(1.78～3.03)×104MPa/(g·cm-3)，延伸率则为4%～20 %。

Fairway以不锈钢作为打击面居多，可能是使用钛合金会提高成本以及Fairway可以不必要求击出的最远距离，反而要求可打出不同距离的球杆，加上不锈钢已经发展很长的时间了，故能提供丰富的应用。

图4 1991—2013年Fairway不锈钢及其他材质比强度-延伸率图

Iron机械性质演变

图5为1991—2013年Iron不锈钢比强度-延伸率图，从图中得知，不锈钢材质应用于铁杆头，有高比强度((1.80～2.40)×104MPa/(g·cm-3)) 机械性质呈现趋势或是高延伸率(30%～50%)走向。而碳钢系列材质应用于铁杆头，比强度有较低((6.5～9.4)×104MPa/(g·cm-3))及较好的延伸率(22%～38%)。铁杆头多为使用不锈钢及碳钢材质，是为了攻上果岭前须具有打的准且直的特点。

图5 1991—2013年Iron不锈钢比强度-延伸率图

Putter机械性质演变

图6为1991—2013年Putter比强度-延伸率图。其中比强度不超过1.1×104MPa/(g·cm-3)，但其延伸率范围十分广泛落于4%～64%。因为是Putter在果岭上控制方向及距离，球才能稳定的滚进洞里，因此选用材质上则不会选择强度太高的材质。

图6 1991—2013年Putter比强度-延伸率图

结束语

未来趋势预测：(1) 设计Driver应持续以低密度且高强度合金材料为主，如此球具可有更丰富的设计性，例如配重及重心设计等。(2) Iron材质多为不锈钢及碳钢，此二类合金密度高，设计出的球具重量较重，未来或许能开发低密度不锈钢，使Iron重量降低则可有优良的设计性能，使球员在场上使用更容易。

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Reviews on the Materials of Golf Head Club

/ LIN Jun-xiang, HSU Sheng-an, CHAO Chih-yeh

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.05

屏东科技大学机械工程系, 屏东 91201