专利名称：高尔夫球杆头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高尔夫球杆头及其制造方法，尤其进一步涉及一种具有能够改善其耐久度、击球定向性及回弹性能的高强度部件的杆面。
背景技术：
通常，为了增加击球距离，提出一种具有很大容积的高尔夫球杆头。这种高尔夫球杆头例如包含钛合金如Ti-15-Mo-5Zr-3Al或Ti-6Al-4V。
当然，为了在官方比赛中使用高尔夫球杆，杆头必须具有小于0.830的回弹系数。大部分已售出的杆头的回弹系数均超过了0.830。因此，杆头生产者必须制造出回弹系数比过去小的杆头。
通常，杆头的回弹系数是因其杆面部份的刚度减小而增大的。例如，如果使杆头的面部厚度减小，杆头的回弹系数会变大。因此，为了减小杆头的回弹系数，就必须增加杆面部分的厚度。
然而，如果杆面部分的厚度增加，杆面部分的重量也会相应增加，并且杆头的重心深度将会变小。
例如，在钛合金制成的杆头容积为400cm3、杆面面积为40cm2的空心发球杆杆头中，如果杆头的面部厚度增加0.5mm，通常杆面部分的重量会增加5g或更多。
这种重心深度较小的杆头由于在misshot时杆头的旋转度较大而不会具有较好的击球定向性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有高耐久度、较大重心深度以及适当回弹系数的高尔夫球杆头。
根据本发明的一个方面，一种高尔夫球杆头包含抗拉强度为950～2200MPa的高强度部件的杆头击球面，其中高强度部件的杨氏模量的范围为120～160GPa。
图1是标准状态下根据本发明的一个木质高尔夫球杆头的透视图；图2是图1的俯视图；图3是沿图2的A-A线的横截面图；图4是显示了一个两片式结构例子的高尔夫球杆头的分解图；及图5所示是杨氏模量与金属材料的抗拉强度之间的关系图。
具体实施例方式
现在将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
根据本发明的高尔夫球杆头1优选为金属木质空心结构。高尔夫球杆头1，如图1～3所示，包含杆面部分2，其前面定为用于击球的击球面F；顶部3，在击球面F上边缘Ea与其相交；杆底部分4，在击球面F下边缘Eb与其相交；侧部5，在顶部3和杆底部份4之间，经过杆头1的背面，从击球面F的趾侧边缘Ec延伸到跟侧边缘Ed；以及具有插入孔6a以便与杆身(未标出)相连的杆颈6。
图1～3所示的高尔夫球杆头1是在杆头1置于水平面HP并保持其落地角和杆面倾角(真实杆面倾角)的标准状态下。
杆头1的容积并无特别限制，但如果杆头1的容积过小，就难以增大杆头1的惯性矩。另一方面，如果容积过大，杆头1的重量会有增大的趋势而难以挥杆。因此，优选将杆头1的容积设为不小于300cm3，进一步优选为不小于350cm3，更进一步优选为不小于400cm3，特别优选为不小于410cm3。并且，将其上限优选设为不大于500cm3，进一步优选为不大于450cm3，并且更进一步优选为不大于420cm3。
杆头1的重量并无特殊限制，但优选将其重量设为不小于170g，进一步优选为不小于175g，并且更进一步优选为不小于180g。并且，其上限优选为不大于200g，进一步优选为不大于195g，并且更进一步优选为不大于190g。
根据本实施方式的杆头1至少由包括杆面部分1A和杆头主体1B的两部份组成。杆面部分1A为独立金属部件。在本实施方式中，杆头主体1B也是独立金属部件，但它也可以由两种或更多部分装配而成。因此，在如图4所示的本实施方式中，杆头1为两片式结构，并且由杆面部分1A与杆头主体1B焊接而成。
如图4所示，杆头主体1B包含顶部3的主要部分14；杆底部分4的主要部分15；在主要部分14和15之间的、侧部5的主要部分16；杆颈6；以及在杆头主体1B前端形成的被杆面部份1A封闭的开口部份(O)。
在杆头主体1B沿开口部份(O)的边缘上有许多栓扣装置17，焊接时在二者之间形成小缝隙以与焊接金属相连，用于准确定位杆面部分1A。
而杆头主体部分1B的材料，可以使用各种金属材料例如钛合金、纯钛、铝合金、不锈钢及其他类似物。
此外，能够通过例如制造多个部件并将这些部件大致相互连接以制造杆头主体1B。例如，为了将杆头1的重心设在合适的位置，可以将一个具有特定比重的重量组件例如钨合金、铝、铝合金或纤维增强树脂装配在杆头主体1B上。
在本实施方式中，杆头主体1B的材料使用的是α-β钛合金Ti-6Al-4V，并且杆头主体1B是使用熔模精确铸造法一体化铸模的。
杆面部分1A是击球面F的主要(在本实施方式中为全部)部分。杆面部分1A在击球面F的边缘E(边缘Ea，Eb，Ec和Ed的总称)进一步包含转折部分9。
转折部分9向后延伸形成顶部3、杆底部4和侧部5的一部分。因此，转折部分9包含形成顶部3的前端区域的顶侧转折9a；形成杆底部4的前端区域的杆底侧转折9b；形成侧部5的趾侧部分的前端区域的趾侧转折9c；以及形成侧部5的跟侧部分的前端区域的跟侧转折9d。以上转折部分9a～9d除了使用焊接法外，还可使用例如弯曲、铸造过程或锻造方法形成。并且，在杆面部分1A的跟侧部具有与杆颈6相应的凹陷部分。
如图3所示，在杆面部分1A的转折部分9和杆头主体1B的开口部分(O)之间的焊接部分J位于远离击球面F的边缘E的位置。如果焊接部分J位于击球面的边缘E内，会由于焊接部分J留在杆头1的空心部分(i)中的边缘E上而使重心深度变小。
从这点考虑，优选将转折部分9在前后方向上的长度L设为不小于7mm，进一步优选为不小于10mm，并且更进一步优选为不小于15mm。另一方面，如果转折部分9的长度L过大，就难以形成如此大的杆面部分1A。因此，长度L优选设为不大于30mm，进一步优选为不大于28mm，并且更进一步优选为不大于25mm。
杆面部分1A包含至少部分在杆面部分2内的高强度部分7，其杨氏模量在120～160GPa的范围内，并且其抗拉强度在950～2200MPa的范围内。在本实施方式中，杆面部分1A全部由高强度部分7形成。因此，顶部3、杆底部分5和侧部6的前区也具有高强度部分7。
图5所示是合金材料的杨氏模量与抗拉强度之间的关系。按照惯例，各个用于高尔夫球杆头的合金(惯例)的杨氏模量均小于120GPa。尤其是具有大抗拉强度的合金，其杨氏模量都有变小的趋势。
与此相对地，根据本实施方式的高强度部分7是由具有较大杨氏模量的合金形成的。因此，即使在杆面部分2的厚度较小的情况下，也能减小该杆头的回弹系数。因此，根据本发明的杆头可以在不减小重心深度的同时控制其回弹性能。并且，由于合金具有较高的抗拉强度，所以即使在杆面部分2的厚度较小的情况下也可以保持杆头的耐久度。
在这里，如果高强度部分7的杨氏模量小于120GPa，会由于必须增大杆面部厚度以将回弹系数控制在USGA定义的适当值而使重心深度变小。为此，高强度部分7的杨氏模量优选设为不小于125GPa，并且进一步优选为不小于130GPa。另一方面，如果高强度部分7的杨氏模量大于160GPa，会使回弹系数过小。所以，高强度部分7的杨氏模量优选设为不大于155GPa，进一步优选为不大于150GPa，并且更进一步优选为不大于145GPa。
此外，如果高强度部分7的抗拉强度小于950MPa，就需要很大的厚度以保证杆面部分2的耐久度和强度。这样的球杆会有回弹系数以及重心深度过小的问题。为此，高强度部分7的抗拉强度优选设为不小于1000MPa，进一步优选为不小于1100MPa，并且更进一步优选为不小于1200MPa。另一方面，如果高强度部分7的抗拉强度大于2200MPa，杆头的耐久度会由于其韧性降低而减小。为此，高强度部分7的抗拉强度优选设为不大于1800MPa，并且进一步优选为不大于1600MPa。
而高强度部分7，例如适用的钛合金根据重量百分比，其含有Al3.5～6.5％、Fe0.1～2.0％、以及其余为钛和至少一种不可避免的杂质。这种钛合金的比重不大于4.38，因此能够增大杆头1的重心深度。
在这里，如果钛合金中铝的含量小于3.5wt％，在钛合金的晶体结构中会有出现导致抗拉强度下降的ω相的趋势。并且，如果钛合金中铝的含量大于6.5wt％，难以借助塑性变形使合金变形为一定形状。为此，铝的含量优选设为不小于4.0wt％，进一步优选为不小于4.5wt％，但优选为不大于6.0wt％，并且进一步优选为不大于5.5wt％。
钛合金中添加的铁防止了金属间化合物的形成，并稳定了钛合金的β相。并且，可以通过向其中加入铁以改善钛合金的可加工性。如果钛合金中铁的含量小于0.1wt％，则难以从钛合金中获得上述效果。钛合金中铁的含量优选设为不小于0.5wt％，进一步优选为不小于0.7wt％，但优选为不大于1.5wt％，并且进一步优选为不大于1.3wt％。
而钛合金中不可避免的杂质，至少为例如O、N、C和/或H中的一种。这些不可避免的杂质含量极小。
为遵守高尔夫球赛规则并获得远距离击球，杆头1的回弹系数优选设为不小于0.800，进一步优选为不小于0.810，更进一步优选为不小于0.820，并且再进一步优选为不小于0.825，但优选小于0.830。
这里，杆头1的回弹系数是基于USGA第二次修订(1999年2月8日)规则4-1e的杆头速度比率测定程序计算获得的。
如图3所示，杆面部分2还包含厚度为t1(在本实施方式中为最大厚度)的中心部分2A以及包括甜蜜点SS的区域，并且，围绕中心部分2A的外围部分2B的厚度t2(在本实施方式中为最小厚度)小于中心部分2A的厚度t1。这样，通过使中心部分2A的厚度t1大于厚度t2，杆面部分2能够具有较高的耐久度。并且，通过击球时外围部分2B的弯曲，杆头1的回弹系数可以根据USGA的定义值改善至最大。而且，杆头1的重心深度也因为杆面部分2重量的减少而变小。
这里，为了保证杆头1的耐久度和适宜的回弹系数，中心部分2A的厚度t1优选设为不小于2.90mm，进一步优选为不小于2.95mm，并且更进一步优选为不小于3.00mm，但优选设为不大于3.20mm，并且进一步优选为不大于3.10mm。
此外，外围部分2B的厚度t2优选设为不小于2.35mm，进一步优选为不小于2.40mm，并且更进一步优选为不小于2.50mm，但优选设为不大于2.70mm，并且进一步优选为不大于2.60mm。
在本实施方式中，杆面部分2还包含在中心部分2A和外围部分2B之间连接的过渡部分2C。过渡部分2C具有由厚度t1向厚度t2逐渐变化的厚度，因而改善了杆面部分2的耐久度。
为了改善击球的定向性和距离，杆头1的重心深度优选设为不小于35.5mm，进一步优选为不小于36.0mm，并且更进一步优选为不小于37.5mm，但优选设为不大于43.0mm，进一步优选为不大于41.5mm，并且更进一步优选为不大于40.0mm。
这里，杆头1的重心深度为从杆头1的重心G垂直拉向击球面F的法线N的长度。并且，甜蜜点SS的定义为位于击球面F上的、法线N与击球面F的交点。
杆头1在标准条件下围绕穿过杆头1重心G的垂直轴的惯性矩M不小于4100g·cm2，进一步优选为不小于4200g·cm2，并且更进一步优选为不小于4400g·cm2，但优选设为不大于5700g·cm2，并且进一步优选为不大于5500g·cm2。由于根据本实施方式的杆头1具有很大的惯性矩，因而可能获得出色的击球定向性。上述惯性矩是对应于单质(simple substance)杆头的值。
例如，杆面部分1A的制造过程包含了在930～950摄氏度下加热钛合金3～30分钟、以及将加热后的钛合金锻造为杆面部分1A的步骤。
通过使用该制造方法，无需分离即可获得具有微晶结构的钛合金，从而改善了杆面部分2的耐久度。而且，尤其是热锻造时钛合金的机械性能例如抗拉强度、硬度、韧性以及抗疲劳性均有提高。此外，由于通过锻造可以形成复杂形状，杆面部分1A具有的转折部分9以及具有各种厚度的杆面部分2都可以轻易由坯段形成。
在本实施方式中，锻造是通过将由钛合金制成的坯段加热至上述温度范围，并将坯段敲打或按压成为特定目标形状完成的。在锻造时，将坯段温度保持在上述温度范围。为了改进钛合金的强度和可使用性，在锻造前将坯段用电炉加热。当坯段温度低于930摄氏度或加热时间小于3分钟时，会由于坯段合金难以发生塑性流动而使可使用性变差。另一方面，当温度高于950摄氏度或加热时间超过30分钟时，钛合金的晶体结构易于破裂，从而降低杆面部份2的耐久度。
而锻造可以采用包括例如热模锻造(包括平模、开放模、闭合模和半闭合模)的各种形式。使用热模锻造时，优选使用二步锻造，即预加工以及分别使用粗轧机和修整机进行精锻，或三步锻造，包括在预加工和精锻之间加入必要的附加冲压过程。在本实施方式中，为避免锻屑(scale)，优选使用闭合模锻造。
对比测试制造具有规格如表1所示并且基本结构如附图1和2所示的木质高尔夫球杆，并对其进行一些性能测试。各杆头的共有条件如下。
杆头容积420cm3杆面倾角10度杆头主体由Ti-6Al-4V制成的单独铸造部件杆面中心部分面积10cm2杆面外围部分面积33cm2实施例各杆面组成部分均使用了由钛合金Ti-5Al-1Fe制造的锻造部件，其中合金根据重量百分比，含有Al5％，Fe1％，以及其余的钛和至少一种不可避免的杂质。热处理条件如下。
加热温度940摄氏度加热时间10分钟对照例1和2的杆面组成部分均使用了由钛合金Ti-6Al-4V制造的锻造部件，其中合金根据重量百分比，含有Al6％，V4％，以及其余的钛和至少一种不可避免的杂质。加热条件如下。
加热温度990摄氏度加热时间10分钟以上杆面组成部分用TIG(惰性气体保护钨极焊)焊接与杆头主体相连。测试方法如下。回弹性能测试根据“标准杆头速度比率测试方法，美国高尔夫球协会第二次修订，附录II，规则4-1e(1999年2月8日)”，获得各杆头的回弹系数(e)。
击球定向性测试该测试是由十位右手高尔夫球手在10～20个障碍间，使用各测试球杆击打高尔夫球十次，并测试各落球点和由球手位置至目标点直线之间的距离，对击球定向性进行评估。这里，无论落球点位于该直线的左侧或右侧，测得的差距均设为正值。计算出各测试杆差距的平均值，并基于以下标准评估。此外，该结果为十位球手的平均结果。数值越大，定向性越好。
5平均差值不大于7.5码。
4平均差值大于7.5码并且不大于10.0码。
3平均差值大于10.0码并且不大于12.5码。
2平均差值大于12.5码并且不大于15.0码。
1平均差值大于15.0码并且不大于17.5码。
耐久度测试将木质球杆安装在挥杆机上以55m/s的杆头速度重复击打高尔夫球。然后计算击打次数直到杆头损坏。结果用系数表示，将实施例1的击打次数设为基准100。数值越大，耐久度越好。
杆面部分抗疲劳性测试长大于30mm、宽20mm并且厚2.5mm的测试片来自各测试杆头。测试片由两个夹子支撑并拉开30mm跨度，并对撑起部份的中心以2Hz的频率周期性的施加1200MPa的垂直力。然后，计算直到测试片损坏时加载次数。结果用系数表示，将实施例1的加载次数设为基准100。数值越大，抗疲劳性越好。
杆面部份冲击测试宽10mm并且厚2mm的测试片来自各测试杆头，通过测试能量为30J的冲击测试对各测试片的冲击强度进行测量。结果用系数表示，将实施例1的冲击强度设为基准100。数值越大，冲击强度越好。
测试结果及杆头规格如表1所示。
表1
由于对照例1和3中的杆面部份各具有较小厚度，它们的回弹系数大于0.830，耐久度较低。
由于对照例2和4中的杆面部份各具有较大厚度并且杆头重量较大，各杆头具有较大重心深度和较小惯性矩。因此，定向性不佳。
另一方面，各实施例的回弹系数均小于0.830，并且重心深度和惯性矩较大，因此定向性较好。
权利要求
1.一种高尔夫球杆头，包含具有抗拉强度为950～2200Mpa的高强度部件的杆面，其中所述高强度部件的杨氏模量为120～160GPa。
2.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述高强度部件包含有钛合金，所述钛合金根据重量百分比含有Al3.5～6.5％、Fe0.1～2.0％，以及剩余为钛和至少一种不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述钛合金含有的Al不少于4.0％。
4.如权利要求2所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述钛合金含有的Al不多于6.0％。
5.如权利要求2所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述钛合金含有的Fe不少于0.5％。
6.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述高强度部件包含一种锻造钛合金。
7.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，杆头容积不小于400cm3，杆头重量在170～200g的范围内，杆头回弹系数不小于0.800，并且小于0.830，以及杆面在甜蜜点处的厚度在2.9～3.2mm的范围内。
8.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述高强度部件的杨氏模量不小于130GPa。
9.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述高强度部件的杨氏模量不小于135GPa。
10.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述高强度部件的抗拉强度不小于1300MPa。
11.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，所述杆头的重心深度在35.5～43.0mm的范围内。
12.一种制造包含至少两个部件包括杆面部分的高尔夫球杆头的方法，其中所述杆面部分含有一种高强度部件，所述高强度部件的抗拉强度为950～2200MPa，杨氏模量为120～160GPa，所述方法包含在930～950摄氏度下加热钛合金3～30分钟，在加热后将钛合金锻造为杆面部分，以及将杆面部分和其他部分装配成高尔夫球杆头。
全文摘要
一种高尔夫球杆头，包含具有高强度部件的杆面，其中高强度部件的抗拉强度的范围为950～2200MPa，以及高强度部件的杨氏模量的范围为120～160GPa。
文档编号C22C14/00GK1814331SQ200610005408
公开日2006年8月9日 申请日期2006年1月18日 优先权日2005年2月1日
发明者佐野喜则 申请人:住胶体育用品株式会社