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運動器械材料鈦金屬在高爾夫球中的應(yīng)用
華東理工大學(xué)2011 ——2012學(xué)年第二學(xué)期
《運動器械材料》
課程論文
班級高材091 學(xué)號 10093145 姓名邢泰
開課學(xué)院材料學(xué)院任課教師許海燕成績
論文題目：鈦金屬在高爾夫球運動中的應(yīng)用
論文要求：
1、觀點明確、條理清楚，在前人基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新；
2、注明參考文獻(xiàn)、引文用腳注連續(xù)標(biāo)注，參照《華東理工大學(xué)學(xué)報》發(fā)表論文的標(biāo)準(zhǔn)格式；
3、正文3000字以上，必須包括中英文摘要。
4、在2012年 4 月 30 日前提交紙質(zhì)版。
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年月日
鈦金屬在高爾夫球運動中的應(yīng)用
高爾夫球具與材料
高爾夫運動被認(rèn)為是一種最受材料影響的運動。高爾夫球具又是球員發(fā)揮其能力的重要工具，對于球具來說，其最主要和最簡單的要求就是幫助高爾夫球員降低他們擊球的桿數(shù)，為進(jìn)一步達(dá)到這一目標(biāo)，就需要對高爾夫球具進(jìn)行設(shè)計，即對球桿進(jìn)行設(shè)計。高爾夫球桿可以分為三大類，即木桿、鐵桿和推桿。木桿是用于開桿和遠(yuǎn)距離擊球的桿，鐵桿用于中距離及精確擊球，而推桿是用于在果嶺上將球擊入洞中。
當(dāng)年Bobby Jones使用的是胡桃木制的球桿，而如今的球員一桿，再加上體積超大、卒心的鈦合金球頭，可以想象的到，在擊球距離上他們之間的差距是非常明顯的。采用先前材料的球桿要達(dá)到現(xiàn)在的成績是很困難的，尤其是擊球距離。因此，高爾夫運動在很大程度上受到球具材料的影響。職業(yè)的高爾夫球員使用當(dāng)今現(xiàn)有的裝備，可以將球擊得更遠(yuǎn)，在球道上擊球路線更規(guī)范，且能在較遠(yuǎn)距離上推球入洞。
另外，高爾夫球也取得了極大的發(fā)展，但是美國高爾夫協(xié)會和Andrews st．的皇家歷史高爾夫俱樂部已經(jīng)對球進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，對球的滾動動作和球速作了限制。與此同時，球桿的中管已經(jīng)使用了更輕的碳素復(fù)合材料，在減輕質(zhì)量的同時其扭矩和剛度都有所提高，與55g～56 g碳纖維中管同樣強(qiáng)度的鋼桿，其質(zhì)量儀為115g。因此，高爾夫球具制造商將高爾夫的研發(fā)工作都集中在高爾夫桿頭上，著力提高和改善術(shù)桿、鐵桿和推桿擊球的效果。
近幾年來，高爾夫整個木桿的質(zhì)量已經(jīng)被減輕了，但球桿的長度也從已有110 cm加長劍114 cm。而球桿頭的質(zhì)量仍需保持不變(約200 g)，對于鑄造不銹鋼的木桿頭因材料密度較大，其體積最大只能約200 ml。因為，較大體積球頭的轉(zhuǎn)動慣性會使得擊球方向更直且更遠(yuǎn)；因此，球桿設(shè)計師已經(jīng)認(rèn)識到，需要尋找另一種材料來加大球頭體積，且仍能保持較高的強(qiáng)度。 鈦金屬帶來的福音
鈦金屬在金屬結(jié)構(gòu)材料中僅次于鋁、鐵、鎂居第4位，被譽為發(fā)展中的第3金屬材料我國鈦儲量居世界首位，占世界 1/2 以上，由于鈦及其合金具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、無磁、焊接性能好等一系列特點，一直受到世界各國的重視，發(fā)展迅速。特別是隨著鈦鑄造技術(shù)的發(fā)展，已能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的大型鈦鑄件，免去了大量機(jī)加工量，提高了金屬利用率。近年來，鈦鑄件已在航空、航天、造船、化工、能源、醫(yī)療、運動休閑用品等方面得到廣泛應(yīng)用。
采用鈦合金制造的空心球頭，其體積可以由早期的1第一文庫網(wǎng)90 ml變得更大，甚至超過650 ml，而且質(zhì)量能均勻分布在球頭的周圍。這樣，球桿在擊球時，將產(chǎn)生較大的弧長而帶來更大的球速，使擊球距離明顯增大；同時由于球頭質(zhì)量集中于球頭周圍，球桿有效的防扭曲性能會使擊球線路更直。因體積的加大使球頭的甜蜜點增大，高爾夫球員可以將球擊得更遠(yuǎn)、更直而沒有左右的搖擺。
鈦金屬的應(yīng)用
1.鈦合金木桿頭
實現(xiàn)鈦臺金空心木頭主要有兩種工藝：一種是利用熔模精密鑄造來生產(chǎn)大體積的鈦球頭，目前能鑄造體積大約為520 ml，球頭本體一般采用Ti6A14v合金鑄造，可以設(shè)計底部(sole)或者打擊面(face)開口。根據(jù)球員的不同需求來鑲嵌sole部和face的材料和形式。鑄造鈦球頭主要以face開口的為主，因打擊面直接影響擊球的方向、距離和速度，配置不同的鈦合金材
質(zhì)有不同的打擊效果；一般采用高強(qiáng)β鈦合金，如Ti-15333、Ti-1023、β-21s以及SP-700等，它們具有較高的強(qiáng)度和韌性，使球員在擊球時得心應(yīng)手。
另一種制造鈦合金空心木頭的方法是鍛造。一般鍛造球頭由4部分組成：底板、上蓋、打擊面和桿部，通過焊接工藝將這4部分連接而成。上蓋和底板一般采用純鈦，打擊面和桿部多采用鈦合金。同時，隨著材料工藝的不斷提高，各種新型高強(qiáng)度的鈦合金材料和鈦臺會復(fù)合材料也不斷推出并被用于高爾夫球頭上。如“Little Thunder”公司將鈦鋼復(fù)合板成功用于鍛造球頭上，改變傳統(tǒng)方式(即在底部鑲嵌鎢、銅等重金屬塊來配重)，而是采用復(fù)合板的鈦合金與上二蓋及打擊面進(jìn)行錯位焊接，利用底層大密度的不銹鋼作為配重，同時由于是整體的不銹鋼板，所以很好的解決了一般鑲嵌球頭配重質(zhì)量分布不均勻的問題。目前國際高爾夫市場追求的是設(shè)計新穎的高爾夫球具，而新型材料的應(yīng)用正是迎合了這一需求。由于“Little Thunder”球頭具有它獨特的新穎之處，當(dāng)旨次將此球頭投入市場時，即具有很好的賣點，倍受高爾夫球員的喜愛。
2.鈦鐵桿
鐵桿主要用于中距離和精確擊球。在鐵桿系列中尤其是wedge桿對擊球的精確度要求更高，其一個重要性能是，當(dāng)球從沙坑陷阱或從靠近果嶺的草叢中被擊出時能不斷重復(fù)打出較高的后旋比率。后旋使得球可以“咬住”并很快的停留在果嶺上。能打出后旋球的wedge桿球頭其打擊面不可缺少的一個必備條件就是：當(dāng)球與打擊面接觸時，打擊面要能提供足夠的摩擦力。Carbite Golf公司在他們新設(shè)計的wedge桿的打擊面中鑲嵌入一種鈦．金剛石復(fù)合物，通過打擊面的表面及近表面的金剛石顆粒來增加摩擦系數(shù)。與常規(guī)鐵頭打擊面相比，其摩擦性能有明顯改善和提高。
3. 鈦合金推桿
正如木桿和鐵桿，在推桿上采用鈦合金做本體，如Cabite Golf公司已申請專利的鈦鎢推桿系列，球頭中部本體為鈦合金，兩端配重鎢，將鎢塊與本體鍥形鑲嵌后通過高壓燒結(jié)成形或熱壓等方法使其達(dá)到致密的結(jié)合。鈦合金密度為4．3g/cm3，而配重鎢的密度為19 g／cm3，使得球頭70％的質(zhì)量集中在了兩端的heel和toe部位。這種設(shè)計可以使球頭打擊面增加約50％轉(zhuǎn)動慣性，轉(zhuǎn)動慣性越高，推桿頭就可以防止因未擊在球頭中心而產(chǎn)生的扭曲。此推桿比起傳統(tǒng)的推桿在果嶺仁的優(yōu)勢更為明顯。通過使用一個搖擺式的機(jī)器人進(jìn)行中心和非中心的擊球?qū)嶒灒u-鈦-鎢推桿63次擊球入洞(長度為8．2 m)，而使用傳統(tǒng)的推桿為35次，由此看來，鈦合金配重推桿擊球入洞率高出傳統(tǒng)推桿約45％。
結(jié)語
鑄造和鍛造的鈦球頭在近一段時期內(nèi)，還會存高爾夫行業(yè)中繼續(xù)占有一定的市場；但是，目前球頭所使用的鈦合金多為Ti6A14v臺金、純鈦和幾種β鈦合金，鈦合金材料還有很大的潛力有待于研制和開發(fā)，如能及時把科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力并運用到高爾夫球具產(chǎn)品中，率先把高強(qiáng)鈦合金推廣應(yīng)用到球頭上，開創(chuàng)高強(qiáng)高彈鈦合舍在球頭上應(yīng)用的先軀，將會具有可觀的商業(yè)前景，同時穩(wěn)固和提高鈦合金在高爾夫球具市場的地位。
鈦合金鐵頭因其價格高，球頭打擊性能與不銹鋼球頭相比沒有明顯的優(yōu)勢，鐵頭市場仍以不銹鋼為主。目前，鈦球頭中心仍是木頭，但行業(yè)已向鈦的鐵頭和推桿發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
1.王蘭芳等《稀有金屬材料與工程》，2005，35(3)：192
2.張海龍等《稀有金屬材料與工程》，2005，35(3)：666
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