CN104789840B - 一种高性能球棒铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能球棒铝合金，所述铝合金组成成分按重量百分比包含：Si:0.05％，Fe:0.08‑0.15％，Cu:2.0‑2.2％，Mn:0.05％，Mg:2.3‑2.8％，Cr:0.01％，Zn:7.2‑7.8％，Ti:0.06‑0.08％，Zr:0.12‑0.15％，余量为Al。本发明中所提出的高性能球棒铝合金材料，通过增加其组成中锌的含量，有效改善了铝合金的强度和硬度；通过提高铝合金中钛的含量，细化了晶粒，抑制了脆性，克服了现存铝合金韧性差的缺点，通过对熔炼和热处理工艺的改进，有效实现了铝合金综合性能的改善，能够满足现代科技发展对铝合金材料高载荷、轻质化和韧性好的要求，应用于球棒方面具有重量轻、韧性好和击球远的特点。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种高性能球棒铝合金。
背景技术
棒球以及垒球运动是一种以棒子打球为主要特点、集体性、对抗性很强的球类运动项目，球棒多采用金属球棒。随着体育事业的发展，越来越多的人喜欢享受这类运动带来的乐趣。球棒的好坏直接决定着运动的质量，一个质量好的球棒不仅需要一定的硬度和强度承受剧烈运动时球的冲击，还应该具有良好的韧性，降低运动过程中球对人体的冲击力，减少运动过程中对人体造成的伤害。
铝合金是以铝为基的合金的总称，主要合金元素包括铜、硅、镁、锌、锰，次要元素含有镍、铁、钛、锂，合金中的主要元素含量、配比以及杂质含量对合金成品的性能有很大影响。目前，铝合金材料大量被应用于建筑、军用和工业领域，民用和军工企业生产的铝合金材料强度低、硬度低、韧性差，不能满足现代科技发展对铝合金材料高载荷、轻质化、韧性好的要求。现有的铝合金材料制成的球棒往往强度和硬度较低，不能承受剧烈击球时球对棒的冲击力，另外，现有的铝合金材料制成的球棒韧性较差，受到球的剧烈冲击不能迅速恢复原状，往往会发生脆裂，或者给人体造成振动冲击，使人感到不适，降低运动的质量。
因此，如何通过优化铝合金生产工艺，得到一种综合性能好的铝合金材料，满足球棒重量轻、弹性好、击球远的要求是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高性能球棒铝合金，实现了铝合金生产工艺的优化，其综合性能好，非常适合于制作垒球棒或棒球棒。
本发明公开了一种高性能球棒铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Si:0.05％,Fe:0.08-0.15％,Cu:2.0-2.2％,Mn:0.05％,Mg:2.3-2.8％,Cr:0.01％，Zn:7.2-7.8％，Ti:0.06-0.08％,Zr:0.12-0.15％,余量为Al，并按照以下步骤制备得到：
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至700-750℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，在680-720℃保温30min-2h，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于400-420℃的保温炉中，并在400-420℃下保温20-30h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温1-2h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温20-40min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
优选地，其组成成分中，Zn与Mg的摩尔比为(1.1-1.3):1。
优选地，在步骤S3中，铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系。
优选地，在步骤S1中，合金熔体凝固过程中，对合金熔体进行振动。
优选地，在步骤S1中，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作。
优选地，其组成成分按重量百分比为Si:0.05％，Fe:0.12％，Cu:2.1％，Mn:0.05％，Mg:2.4％，Cr:0.01％，Zn:7.8％，Ti:0.08％，Zr:0.15％，余量为Al。
本发明中，提出的高性能球棒铝合金通过成分优化，热处理工艺改进，提升了铝合金的综合性能，使之适合制作高质量球棒，与现有技术相比，具体优点如下：
1、对合金成分进行了优化，提高了合金中锌元素的含量，并根据锌元素含量的变化，调整了镁元素和铜元素的含量值，从而控制了MgZn2相、AlZnMgCu相、Al2MgCu相的析出数量和比例关系，同时，采用铬元素、锆元素和钛元素的复合添加，起到钉扎晶界、细化晶粒的作用，提供了获得优良的综合性能的基础；
2、对熔炼和热处理工艺进行了优化，通过对熔炼工艺的优化，使得各合金元素实现良好的融合，通过对均匀化处理工艺的优化，可以消除铸锭晶界上的非平衡凝固共晶组织，通过对固溶处理工艺的优化，可以获得空位与溶质原子的过饱和固溶体，为后续时效处理中强化相析出做好准备，通过对时效处理工艺的优化，强化相析出且分布合理，控制晶内和晶界处强化相分布形态，获得良好的强度与韧性。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本发明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发明的保护范围内。
本发明所公开的高性能球棒铝合金，各实施例中铸锭的成分配比(重量百分比)检测结果如表1所示：
| Zn | Mg | Cu | Mn | Cr | Ti | Zr | Fe | Si | Al | |
| 实施例1 | 7.8 | 2.8 | 2.2 | 0.05 | 0.01 | 0.08 | 0.12 | 0.15 | 0.05 | 余量 |
| 实施例2 | 7.2 | 2.3 | 2.0 | 0.05 | 0.01 | 0.06 | 0.15 | 0.08 | 0.05 | 余量 |
| 实施例3 | 7.6 | 2.6 | 2.1 | 0.05 | 0.01 | 0.07 | 0.14 | 0.12 | 0.05 | 余量 |
| 实施例4 | 7.8 | 2.4 | 2.1 | 0.05 | 0.01 | 0.08 | 0.15 | 0.12 | 0.05 | 余量 |
| 实施例5 | 7.6 | 2.5 | 2.2 | 0.05 | 0.01 | 0.08 | 0.15 | 0.12 | 0.05 | 余量 |
| 实施例6 | 7.4 | 2.4 | 2.0 | 0.05 | 0.01 | 0.06 | 0.14 | 0.10 | 0.05 | 余量 |
各实施例制备方式如下：
实施例1
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至750℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作，在720℃保温30min，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；合金熔体凝固过程中，通过敲击模具，对合金熔体进行振动，各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于420℃的保温炉中，并在420℃下保温28h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭进行拉伸变形且变形量为3％后放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温2h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温40min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s，其中，铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
实施例2
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至700℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作，在680℃保温2h，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；合金熔体凝固过程中，通过敲击模具，对合金熔体进行振动，各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于400℃的保温炉中，并在400℃下保温30h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭进行拉伸变形且变形量为5％后放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温1h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温20min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s，其中，铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
实施例3
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至720℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作，在700℃保温1h，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；合金熔体凝固过程中，通过敲击模具，对合金熔体进行振动，各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于420℃的保温炉中，并在420℃下保温22h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭进行拉伸变形且变形量为4％后放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温1.5h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温30min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s，其中，铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
实施例4
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至720℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作，在700℃保温40min，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；合金熔体凝固过程中，通过敲击模具，对合金熔体进行振动，各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于410℃的保温炉中，并在410℃下保温25h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭进行拉伸变形且变形量为5％后放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温1.5h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温30min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s，其中，铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
实施例5
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至730℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作，在700℃保温40min，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；合金熔体凝固过程中，通过敲击模具，对合金熔体进行振动，各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于420℃的保温炉中，并在420℃下保温24h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭进行拉伸变形且变形量为5％后放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温1.5h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温30min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s，其中，铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
实施例6
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至750℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作，在700℃保温40min，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；合金熔体凝固过程中，通过敲击模具，对合金熔体进行振动，各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于420℃的保温炉中，并在420℃下保温24h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭进行拉伸变形且变形量为4％后放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温2h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温30min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s，其中，铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
在实施例1-6中，铁元素与硅元素为非添加元素，其主要来源于熔炼过程中模具使用不可避免的引入；通过步骤S1，熔炼过程中工艺的控制使得各元素融合良好，在合金熔体凝固过程中敲击模具，可以起到细化晶粒的作用；均匀化处理中，在400℃以上保温超过20h，可以消除铸锭晶界上的非平衡凝固共晶组织，炉冷至300℃后空冷至室温，可以充分利用热能并巩固均匀化成果；固溶处理中，先进行拉伸预变形，可以引入位错，有利于后续处理中强化相的成核，有利于韧性的提升，通过采用双级固溶制度，可以通过一级固溶为二级固溶做准备，有利于在避免过烧的前提下，提高溶质原子的过饱和度，从而有利于后续时效处理过程中强化强度提高，进而增强合金的强度，同时，采用逐步升温的方式，有利于加热均匀性，防止局部过烧；时效处理中，从能量角度来看，固溶淬火后合金处于一种亚稳定状态，时效处理时过饱和固溶体发生脱溶分解，析出超过平衡溶度的溶质并形成弥散分布的第二相，由于合金中主合金元素为Zn、Mg、Cu，其时效过程中强化相的析出过程为：过饱和固溶体→GP区→细小弥散的亚稳态MgZn2相→稳态MgZn2相→粗大的稳态MgZn2相，在100℃保温炉中保温12h的过程中，合金强化相进行析出，由于晶内和晶界的储能差异，晶内析出相主要为细小的亚稳态MgZn2相，而晶界析出相为稳态MgZn2相，当以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min的过程中，由于180℃温度高于亚稳态MgZn2相的溶解温度，晶内析出相回溶，而晶界析出相则继续长大，水冷后，120℃下保温20h，晶内重新析出，而晶界析出相继续长大，
从而获得晶内析出相为峰时效分布状态，而晶界析出相为过时效粗大不连续分布状态，从而获得良好的综合性能。
实施例1-6中，重复测试五组所述铝合金的拉伸强度、屈服强度、硬度以及延伸率，所得平均数据以及铝合金7075-T651的参数值列于表2中。
表2实施例1-6与典型的铝合金7075-T651机械性能参数
由上述表1中实施例1-6与典型铝合金7075-T651拉伸强度、屈服强度、硬度和延伸率的测试数据可知，无论单一性能还是综合性能，本发明中所述的铝合金均优于典型的铝合金7075-T651，可以满足球棒重量轻、韧性好、击球远的要求。
Claims (4)
1.一种高性能球棒铝合金，用于制作球棒，其特征在于，其组成成分按重量百分比包括：Si:0.05％,Fe:0.08-0.15％,Cu:2.0-2.2％,Mn:0.05％,Mg:2.3-2.8％,Cr:0.01％，Zn:7.2-7.8％，Ti:0.06-0.08％,Zr:0.12-0.15％,余量为Al，Zn与Mg的摩尔比为(1.1-1.3):1，并按照以下步骤制备得到：
S1：熔炼，根据其组成成分称取各原料，将铝锭加入熔炼炉中并加热至700-750℃使之完全熔化后，按熔点从高到低的顺序依次加入其它各原料，待其它各原料完全熔化后，在680-720℃保温30min-2h，得到合金熔体，并进行浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；各原料熔化过程在密封空间中进行；
S2：均匀化，将S1中得到的铸锭放置于400-420℃的保温炉中，并在400-420℃下保温20-30h，保温完成后保温炉冷至300℃后，空冷至室温；
S3：固溶，将S2中得到的铸锭放置于保温炉中，以10℃/h的平均速度，从室温加热至470℃并在470℃下保温1-2h后，以100℃/h的速度将温度从470℃升至480℃，并在480℃保温20-40min后，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸锭转移至淬火炉中的时间小于5s，其中铸锭从室温升温至470℃的过程中，随温度的升高，升温速率增大，且温度与时间成正弦函数关系；
S4：时效，将S3中水冷至室温的铸锭除去表面水珠后，从淬火中取出并放入100℃保温炉中保温12h，将保温炉温度以60℃/min的平均速度升温至180℃保温5min后，水冷，在10s内转移至120℃保温炉内，并在120℃下保温20h，将铸锭从保温炉转移到淬火炉中水冷至室温，获得所述高性能球棒铝合金，其中，从淬火炉中转移至保温炉中的时间小于30s。
2.根据权利要求1所述的高性能球棒铝合金，其特征在于，在步骤S1中，合金熔体凝固过程中，对合金熔体进行振动。
3.根据权利要求1所述的高性能球棒铝合金，其特征在于，在步骤S1中，各原料添加后完全熔化后，均进行除渣操作。
4.根据权利要求1所述的高性能球棒铝合金，其特征在于，其组成成分按重量百分比为Si:0.05％，Fe:0.12％，Cu:2.1％，Mn:0.05％，Mg:2.4％，Cr:0.01％，Zn:7.8％，Ti:0.08％，Zr:0.15％，余量为Al。
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