CN107653405A - 一种高强韧的铝合金棒球棒及其生产工艺 - Google Patents

一种高强韧的铝合金棒球棒及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强韧的铝合金棒球棒及其生产工艺，涉及铝合金技术领域，其组成成分按重量百分比包括：Si 0.3‑0.4％、Fe 0.3‑0.4％、Cu 0.05‑0.1％、Mn 0.05‑0.12％、Mg 1.8‑2.2％、Cr 0.08‑0.18％、Zn 5.4‑6.8％、Zr 0.07‑0.15％、Be 0.04‑0.07％、Sc 0.32‑0.40％、Mo 0.07‑0.15％，余量为Al。本发明合理优化各元素及其含量，在具有良好的机械性能基础上，通过添加元素Be、Sc和Mo，细化晶粒，抑制脆性，提高韧性和抗蚀性，且通过对熔炼和热处理工艺进行优化，采用分批次加入原料熔炼，得到的熔体品质好，成分均匀，再经热处理后有效改善其综合机械性能，有很好的强韧性和抗蚀性，能够满足铝合金棒球棒质轻、冲击韧性好、击球远、耐腐蚀性能好的要求，且生产成本降低。

Description

一种高强韧的铝合金棒球棒及其生产工艺
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种高强韧的铝合金棒球棒及其生产工艺。
背景技术
随着体育事业的蓬勃发展，棒球作为一种体育运动项目，以其技巧性高、刺激性强等特点吸引着众多爱好者。在棒球运动中，棒球棒是用来供使用者将高速来球挥击出去的工具，因此，好的棒球棒必须具备质量轻、刚性强、弹性佳以及吸震能力好等优点，且棒球棒表面亦必须能够承受高速球体瞬间的巨大冲击力量。
目前，棒球运动所使用的棒球棒常见的有木质棒球棒、铝质棒球棒和复合材料棒球棒。其中，铝质棒球棒一般为中空结构，相比于木质棒球棒而言，其重量较轻，且其平衡点也较理想，因此击球性能较佳，同时，铝质棒球棒更为经久耐用，因此这种棒球棒占市场份额超过70％。目前普通铝合金的强度一般为400MPa左右，部分铝合金的强度虽有所提高，但总体来说，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。此外，相较于木质球棒，铝合金棒球棒在生产中烧损率较高，导致生产成本高。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、成本低的要求是目前亟待解决的问题。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强韧的铝合金棒球棒及其生产工艺。
本发明提出的一种高强韧的铝合金棒球棒，其组成成分按重量百分比包括：Si0.3-0.4％、Fe 0.3-0.4％、Cu 0.05-0.1％、Mn 0.05-0.12％、Mg 1.8-2.2％、Cr 0.08-0.18％、Zn 5.4-6.8％、Zr 0.07-0.15％、Be 0.04-0.07％、Sc 0.32-0.40％、Mo 0.07-0.15％，余量为Al。
优选地，满足“1.9≤100Sc+Mo/Be≤3.9”的关系式。
优选地，其组成成分按重量百分比包括：Si 0.32-0.36％、Fe 0.32-0.36％、Cu0.07-0.1％、Mn 0.08-0.11％、Mg 1.9-2.1％、Cr 0.12-0.15％、Zn 6.2-6.5％、Zr 0.09-0.12％、Be 0.04-0.05％、Sc 0.35-0.38％、Mo 0.09-0.12％，余量为Al。
本发明还提出了上述高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，步骤如下：
S1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料、金属硅和金属钼块铺装在熔炼炉底部，再依次铺装铝锭、铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金，以170℃/h的平均速度升温至690-700℃，当熔至半固态时，再以150℃/h的平均速度升温至730-740℃，加入铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝铍中间合金，当炉料化平后，以120℃/h的速度匀速降温至710-720℃，加入铜板、锌锭、镁块，完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，扒渣，精炼扒渣，保温20-30min，浇注到金属型模具中，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；
S2、固溶：将步骤S1中的铸件置于保温炉中，以80℃/h的平均速度升温至460-470℃，保温20-40min，再以60℃/h的平均速度升温至480-490℃，保温1-2h，再以100℃/h的速度匀速降温至430-440℃，保温10-20min，转移至淬火炉中，水冷至室温；
S3、时效：将S2中的铸件除去表面水珠后于室温下放置在空气中20-30min，转移至已预热至70-80℃的保温炉中，以40℃/h的速度匀速升温至170-180℃，保温4-6h；随炉冷却至120-130℃，出炉空冷至室温。
优选地，所述S1中，以170℃/h的平均速度升温至690-700℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以150℃/h的平均速度升温至730-740℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正切函数关系。
优选地，所述S1中，熔炼炉预热至200-260℃。
优选地，所述S1中，每次扒渣时间在10min内。
优选地，所述S1中，熔体在振动条件下凝固成铸件。
优选地，所述S2中，保温炉预热至100-120℃。
优选地，所述S2中，以80℃/h的平均速度升温至460-470℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以60℃/h的平均速度升温至480-490℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系。
本发明的有益效果主要体现在以下两个方面：
本发明通过调节元素Si、Cu、Mn和Zn在一定范围内，并与元素Fe、Zr、Cr、Mg相互配合，使得本发明材料具有较好的强度、硬度和耐腐蚀性能，并通过添加元素Be、Sc和高熔点高强度元素Mo，细化晶粒，抑制脆性，提高韧性和抗蚀性，通过“1.9≤100Sc+Mo/Be≤3.9”关系式的限定，各元素协调作用，抑制再结晶，提高合金的强度、延性及断裂韧性；本发明中各元素相互配合，协同作用，获得优异的机械性能和抗蚀性。
2、对熔炼和热处理工艺进行了优化，选择硅和钼块作为原料，其和铝液反应后能很好的溶解在铝液中，降低生产成本，且将原料分批次加入熔炼，并合理设置升温速度和熔炼温度，使得合金的氧化夹杂物和气体等能够较好的排除，降低了合金中各种元素的氧化烧损，避免形成大量渣滓造成原材料浪费以及合金理化性能的下降，获得高质量的熔体，且限定扒渣时间，进一步避免了过度烧损，得到的熔体品质好，成分均匀，对比采用传统熔炼方法中一次加入熔融制得含有相同组成成分的铝合金材料，本发明烧损率下降0.7-1.1％；热处理工艺中采用两级升温固溶，避免过度烧损，且能使合金内的过剩相充分溶解到固溶体中，并经降温保温处理再急冷，加强其溶解程度，时效处理中先随炉冷却再空冷，能够有效协调晶界强化相的分布，使基体组织均匀化，协调强度和韧性。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种高强韧的铝合金棒球棒，其组成成分按重量百分比包括：Si0.3％、Fe 0.4％、Cu 0.05％、Mn 0.12％、Mg 1.8％、Cr 0.18％、Zn 5.4％、Zr 0.15％、Be0.04％、Sc 0.40％、Mo 0.07％，余量为Al。
上述高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，步骤如下：
S1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料、金属硅和金属钼块铺装在熔炼炉底部，再依次铺装铝锭、铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金，以170℃/h的平均速度升温至690℃，当熔至半固态时，再以150℃/h的平均速度升温至730℃，加入铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝铍中间合金，当炉料化平后，以120℃/h的速度匀速降温至710℃，加入铜板、锌锭、镁块，完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，扒渣，精炼扒渣，每次扒渣时间在10min内，保温20min，浇注到金属型模具中，在振动条件下凝固成铸件，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；
其中，以170℃/h的平均速度升温至690℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以150℃/h的平均速度升温至730℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正切函数关系。
S2、固溶：将步骤S1中的铸件置于保温炉中，以80℃/h的平均速度升温至460℃，保温20min，再以60℃/h的平均速度升温至480℃，保温1h，再以100℃/h的速度匀速降温至430℃，保温10min，转移至淬火炉中，水冷至室温；
其中，以80℃/h的平均速度升温至460℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以60℃/h的平均速度升温至480℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系。
S3、时效：将S2中的铸件除去表面水珠后于室温下放置在空气中20min，转移至已预热至70℃的保温炉中，以40℃/h的速度匀速升温至170℃，保温4h；随炉冷却至120℃，出炉空冷至室温。
实施例2
本发明提出的一种高强韧的铝合金棒球棒，其组成成分按重量百分比包括：Si0.37％、Fe 0.35％、Cu 0.08％、Mn 0.07％、Mg 2.05％、Cr 0.12％、Zn 6.1％、Zr 0.11％、Be 0.04％、Sc 0.38％、Mo 0.14％，余量为Al。
上述高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，步骤如下：
S1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料、金属硅和金属钼块铺装在熔炼炉底部，再依次铺装铝锭、铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金，以170℃/h的平均速度升温至695℃，当熔至半固态时，再以150℃/h的平均速度升温至735℃，加入铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝铍中间合金，当炉料化平后，以120℃/h的速度匀速降温至715℃，加入铜板、锌锭、镁块，完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，扒渣，精炼扒渣，每次扒渣时间在10min内，保温25min，浇注到金属型模具中，在振动条件下凝固成铸件，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；
其中，以170℃/h的平均速度升温至695℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以150℃/h的平均速度升温至735℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正切函数关系。
S2、固溶：将步骤S1中的铸件置于已预热至110℃保温炉中，以80℃/h的平均速度升温至465℃，保温30min，再以60℃/h的平均速度升温至485℃，保温1.5h，再以100℃/h的速度匀速降温至435℃，保温15min，转移至淬火炉中，水冷至室温；
其中，以80℃/h的平均速度升温至465℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以60℃/h的平均速度升温至485℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系。
S3、时效：将S2中的铸件除去表面水珠后于室温下放置在空气中25min，转移至已预热至75℃的保温炉中，以40℃/h的速度匀速升温至175℃，保温5h；随炉冷却至125℃，出炉空冷至室温。
实施例3
本发明提出的一种高强韧的铝合金棒球棒，其组成成分按重量百分比包括：Si0.34％、Fe 0.35％、Cu 0.09％、Mn 0.01％、Mg 2.0％、Cr 0.14％、Zn 6.3％、Zr 0.01％、Be0.045％、Sc 0.37％、Mo 0.1％，余量为Al。
上述高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，步骤如下：
S1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料、金属硅和金属钼块铺装在已预热至240℃的熔炼炉底部，再依次铺装铝锭、铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金，以170℃/h的平均速度升温至700℃，当熔至半固态时，再以150℃/h的平均速度升温至735℃，加入铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝铍中间合金，当炉料化平后，以120℃/h的速度匀速降温至710℃，加入铜板、锌锭、镁块，完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，扒渣，精炼扒渣，每次扒渣时间在10min内，保温25min，浇注到金属型模具中，在振动条件下凝固成铸件，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；
其中，以170℃/h的平均速度升温至700℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以150℃/h的平均速度升温至735℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正切函数关系。
S2、固溶：将步骤S1中的铸件置于已预热至120℃保温炉中，以80℃/h的平均速度升温至470℃，保温30min，再以60℃/h的平均速度升温至480℃，保温1.5h，再以100℃/h的速度匀速降温至430℃，保温20min，转移至淬火炉中，水冷至室温；
其中，以80℃/h的平均速度升温至470℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以60℃/h的平均速度升温至480℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系。
S3、时效：将S2中的铸件除去表面水珠后于室温下放置在空气中25min，转移至已预热至70℃的保温炉中，以40℃/h的速度匀速升温至175℃，保温5.5h；随炉冷却至120℃，出炉空冷至室温。
实施例4
本发明提出的一种高强韧的铝合金棒球棒，其组成成分按重量百分比包括：Si0.4％、Fe 0.3％、Cu 0.1％、Mn 0.05％、Mg 2.2％、Cr 0.08％、Zn 6.8％、Zr 0.07％、Be0.07％、Sc 0.32％、Mo 0.15％，余量为Al。
上述高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，步骤如下：
S1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料、金属硅和金属钼块铺装在已预热至260℃的熔炼炉底部，再依次铺装铝锭、铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金，以170℃/h的平均速度升温至700℃，当熔至半固态时，再以150℃/h的平均速度升温至740℃，加入铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝铍中间合金，当炉料化平后，以120℃/h的速度匀速降温至720℃，加入铜板、锌锭、镁块，完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，扒渣，精炼扒渣，每次扒渣时间在10min内，保温30min，浇注到金属型模具中，在振动条件下凝固成铸件，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；
其中，以170℃/h的平均速度升温至700℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以150℃/h的平均速度升温至740℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正切函数关系。
S2、固溶：将步骤S1中的铸件置于已预热至120℃保温炉中，以80℃/h的平均速度升温至470℃，保温40min，再以60℃/h的平均速度升温至490℃，保温2h，再以100℃/h的速度匀速降温至440℃，保温20min，转移至淬火炉中，水冷至室温；
其中，以80℃/h的平均速度升温至470℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以60℃/h的平均速度升温至490℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系。
S3、时效：将S2中的铸件除去表面水珠后于室温下放置在空气中30min，转移至已预热至80℃的保温炉中，以40℃/h的速度匀速升温至180℃，保温6h；随炉冷却至130℃，出炉空冷至室温。
机械性能检测：对本发明实施例1-4中制得的高强韧的铝合金棒球棒的拉伸强度、屈服强度、硬度、延伸率和耐蚀性进行检测，所得平均数据见表1。
表1实施例1-4的机械性能参数
由表1中可以看出，本发明实施例1-4制备的铝合金棒球棒具有优异的机械性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强韧的铝合金棒球棒，其特征在于，其组成成分按重量百分比包括：Si 0.3-0.4％、Fe 0.3-0.4％、Cu 0.05-0.1％、Mn 0.05-0.12％、Mg 1.8-2.2％、Cr 0.08-0.18％、Zn 5.4-6.8％、Zr 0.07-0.15％、Be 0.04-0.07％、Sc 0.32-0.40％、Mo 0.07-0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高强韧的铝合金棒球棒，其特征在于，满足“1.9≤100Sc+Mo/Be≤3.9”的关系式。
3.根据权利要求1或2所述的高强韧的铝合金棒球棒，其特征在于，其组成成分按重量百分比包括：Si 0.32-0.36％、Fe 0.32-0.36％、Cu 0.07-0.1％、Mn 0.08-0.11％、Mg 1.9-2.1％、Cr 0.12-0.15％、Zn 6.2-6.5％、Zr 0.09-0.12％、Be 0.04-0.05％、Sc 0.35-0.38％、Mo 0.09-0.12％，余量为Al。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，其特征在于，步骤如下：
S1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料、金属硅和金属钼块铺装在熔炼炉底部，再依次铺装铝锭、铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金，以170℃/h的平均速度升温至690-700℃，当熔至半固态时，再以150℃/h的平均速度升温至730-740℃，加入铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝铍中间合金，当炉料化平后，以120℃/h的速度匀速降温至710-720℃，加入铜板、锌锭、镁块，完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，扒渣，精炼扒渣，保温20-30min，浇注到金属型模具中，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；
S2、固溶：将步骤S1中的铸件置于保温炉中，以80℃/h的平均速度升温至460-470℃，保温20-40min，再以60℃/h的平均速度升温至480-490℃，保温1-2h，再以100℃/h的速度匀速降温至430-440℃，保温10-20min，转移至淬火炉中，水冷至室温；
S3、时效：将S2中的铸件除去表面水珠后于室温下放置在空气中20-30min，转移至已预热至70-80℃的保温炉中，以40℃/h的速度匀速升温至170-180℃，保温4-6h；随炉冷却至120-130℃，出炉空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，其特征在于，所述S1中，以170℃/h的平均速度升温至690-700℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以150℃/h的平均速度升温至730-740℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正切函数关系。
6.根据权利要求4所述的高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，其特征在于，所述S1中，熔炼炉预热至200-260℃。
7.根据权利要求4所述的高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，其特征在于，所述S1中，每次扒渣时间在10min内。
8.根据权利要求4所述的高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，其特征在于，所述S1中，熔体在振动条件下凝固成铸件。
9.根据权利要求4所述的高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，其特征在于，所述S2中，保温炉预热至100-120℃。
10.根据权利要求4所述的高强韧的铝合金棒球棒的生产工艺，其特征在于，所述S2中，以80℃/h的平均速度升温至460-470℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；优选地，以60℃/h的平均速度升温至480-490℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系。
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