本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种球棒用铝合金材料及其制备方法。
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。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。
目前，棒球及垒球运动所使用的球棒常见的有木质球棒、铝质球棒和复合材料球棒。其中，铝质球棒一般为中空结构，相比于木质球棒而言，其重量较轻，且其平衡点也较理想，因此击球性能较佳，同时，铝质球棒更为经久耐用，因此这种球棒占市场份额超过70％。优质的铝合金球棒需要具有一定的硬度和强度承受飞出的球的冲击，还要具有良好的韧性，降低对人体的冲击力。然而，现有的工业铝合金材料加工的铝棒往往强度和韧性无法满足棒球的使用要求，长期使用后会产生裂纹或变形，耐疲劳损伤性较差，此外，相较于木质球棒，其生产成本较高。因此，在追求高强度的基础上更要注重材料综合性能的整体提升，且降低生产成本。
技术实现要素：
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种球棒用铝合金材料及其制备方法，综合机械性能优异，适用于加工成高质量的球棒。
本发明提出的一种球棒用铝合金材料，其组成成分按重量百分比包括：si0.06-0.08％、fe0.6-0.8％、cu0.18-0.25％、mn0.1-0.2％、mg1.0-1.5％、cr0.02-0.08％、zn3.8-4.2％、ti0.01-0.03％、zr0.05-0.08％、be0.03-0.05％、li0.3-0.5％、nb0.18-0.26％，余量为al；其中，满足“3.3≤100li+1.24(nb/zr)≤6.5”的关系式。
优选地，满足“4.2≤fe/10be+zn/mg≤5.8”的关系式。
优选地，其组成成分按重量百分比包括：si0.065-0.072％、fe0.65-0.72％、cu0.22-0.25％、mn0.13-0.17％、mg1.25-1.38％、cr0.04-0.07％、zn4.0-4.1％、ti0.015-0.022％、zr0.06-0.07％、be0.04-0.05％、li0.38-0.42％、nb0.22-0.24％，余量为al。
优选地，其组成成分按重量百分比包括：si0.07％、fe0.68％、cu0.23％、mn0.15％、mg1.3％、cr0.05％、zn4.05％、ti0.018％、zr0.065％、be0.042％、li0.4％、nb0.23％，余量为al。
本发明还提出了上述球棒用铝合金材料的制备方法，步骤如下：
s1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料和金属硅铺装在电炉底部，再分别铺装铝锭和富铁铝材，升温至680-690℃进行熔融，当熔至半固态时，加入铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝铌中间合金，再加入锰剂、钛剂，以180℃/h的平均速度升温至740-750℃，当炉料化平后，以150℃/h的平均速度降温至700-710℃，将锌锭、铜板、金属锂、镁块和铍铜中间合金依次完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，升温至730-740℃，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，降温至700-710℃，静置保温20-30min，得合金熔体，浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；
s2、均匀化：将s1中的铸锭置于保温炉中，先以100℃/h的速度匀速升温至370-390℃，保温2h，再以80℃/h的速度匀速升温至420-430℃，保温3h，再以50℃/h的速度匀速升温至470-480℃，保温13-15h，随炉冷却至270-280℃，然后空冷至室温；
s3、固溶：将s2中的铸锭置于保温炉中，以110℃/h的速度升温至490-500℃，保温2-3h，将铸件进行淬火处理，水冷至室温；
s4、时效：将s3中的铸锭除去表面水珠后，放入保温炉中，升温至170-180℃，保温6-8h，出炉空冷至室温。
优选地，所述步骤s1中，以180℃/h的平均速度升温至740-750℃，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，所述步骤s1中，以150℃/h的平均速度降温至700-710℃，随温度的降低，升温速度降低，且温度和时间呈余弦函数关系。
优选地，所述步骤s1中，升温至730-740℃是以120℃/h的速度匀速升温；优选地，降温至700-710℃是以120℃/h的速度匀速降温。
优选地，所述步骤s1中，加入的铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝铌中间合金预先预热至200-300℃。
优选地，所述步骤s2中，空冷至室温是指空气中自然冷却或风冷冷却至室温。
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
1、本发明通过调节元素si、cu、mn、zn和ti在一定范围内，并与元素fe、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li、nb、be、zr，有效改善铝合金材料的抗冲击性能和强度；通过限定3.3≤100li+1.24(nb/zr)≤6.5”的关系式，协调抑制再结晶和再结晶晶粒的长大，使晶粒组织细化、弥散析出，改善铝合金材料的强度、塑性和韧性；通过限定“4.2≤fe/10be+zn/mg≤5.8”的关系式，元素fe和be协调改善feal3粗大针状晶体结构，元素zn、mg形成强化相mgzn2，增加抗拉强度和屈服强度，该关系式中各元素协调作用，进一步对铝合金材料进行增强，改善其耐腐蚀性和机械性能。
2、对熔炼和均匀化退火工艺进行了优化，通过调节炉料的添加顺序，选择锰剂、钛剂在铝基材熔至半固态时与其余中间合金一起加入，最后再加入锌锭、铜板、金属锂、镁块和铍铜中间合金，减少这些元素氧化的作用时间，降低烧损，且铍加入后能形成beo薄膜，阻止mg等易氧化元素的进一步烧损；并且通过对升温速度的控制，降低了在高温阶段温度升高氧化烧损增强而导致形成大量渣滓，从而提高质量，降低生产成本，对比采用传统熔炼方法中一次加入升温熔融制得含有相同组成成分的铝合金材料，本方法烧损率下降0.7-1.2％；采用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，从而改善合金的机械性能和塑形。
综上所述，本发明的铝合金材料具有很好的强度、硬度、韧性和耐腐蚀性能，适用于加工成高质量的球棒，不易断裂，使用寿命长，且生产成本低。
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
一种球棒用铝合金材料，其组成成分按重量百分比包括：si0.07％、fe0.68％、cu0.23％、mn0.15％、mg1.3％、cr0.05％、zn4.05％、ti0.018％、zr0.065％、be0.042％、li0.4％、nb0.23％。
制备方法，步骤如下：
s1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料和金属硅铺装在电炉底部，再分别铺装铝锭和富铁铝材，升温至685℃进行熔融，当熔至半固态时，加入已预热至300℃的铝铬中间合金、铝锆中间合金和铝铌中间合金，再加入锰剂、钛剂，以180℃/h的平均速度升温至745℃，当炉料化平后，以150℃/h的平均速度降温至705℃，将锌锭、铜板、金属锂、镁块和铍铜中间合金依次完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，以120℃/h的速度匀速升温至730℃，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以120℃/h的速度匀速降温至700℃，静置保温25min，得合金熔体，浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；其中，以180℃/h的平均速度升温至745℃，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；以150℃/h的平均速度降温至705℃，随温度的降低，升温速度降低，且温度和时间呈余弦函数关系。
s2、均匀化：将s1中的铸锭置于保温炉中，先以100℃/h的速度匀速升温至380℃，保温2h，再以80℃/h的速度匀速升温至425℃，保温3h，再以50℃/h的速度匀速升温至475℃，保温14h，随炉冷却至275℃，然后在空气中自然冷却至室温；
s3、固溶：将s2中的铸锭置于保温炉中，以110℃/h的速度升温至495℃，保温2.5h，将铸件进行淬火处理，水冷至室温；
s4、时效：将s3中的铸锭除去表面水珠后，放入保温炉中，升温至175℃，保温7h，出炉空冷至室温。
实施例2
一种球棒用铝合金材料，其组成成分按重量百分比包括：si0.06、fe0.8％、cu0.18％、mn0.2％、mg1.0％、cr0.08％、zn3.8％、ti0.03％、zr0.06％、be0.05％、li0.3％、nb0.26％，余量为al。
制备方法，步骤如下：
s1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料和金属硅铺装在电炉底部，再分别铺装铝锭和富铁铝材，升温至680℃进行熔融，当熔至半固态时，加入已预热至250℃的铝铬中间合金、铝锆中间合金和铝铌中间合金，再加入锰剂、钛剂，以180℃/h的平均速度升温至740℃，当炉料化平后，以150℃/h的平均速度降温至700℃，将锌锭、铜板、金属锂、镁块和铍铜中间合金依次完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，以120℃/h的速度匀速升温至735℃，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以120℃/h的速度匀速降温至705℃，静置保温25min，得合金熔体，浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；其中，以180℃/h的平均速度升温至740℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；以150℃/h的平均速度降温至700℃，随温度的降低，升温速度降低，且温度和时间呈余弦函数关系。
s2、均匀化：将s1中的铸锭置于保温炉中，先以100℃/h的速度匀速升温至385℃，保温2h，再以80℃/h的速度匀速升温至430℃，保温3h，再以50℃/h的速度匀速升温至475℃，保温15h，随炉冷却至280℃，然后在空气中自然冷却至室温；
s3、固溶：将s2中的铸锭置于保温炉中，以110℃/h的速度升温至490℃，保温2h，将铸件进行淬火处理，水冷至室温；
s4、时效：将s3中的铸锭除去表面水珠后，放入保温炉中，升温至170℃，保温6h，出炉空冷至室温。
实施例3
一种球棒用铝合金材料，其组成成分按重量百分比包括：si0.08％、fe0.6％、cu0.25％、mn0.2％、mg1.5％、cr0.02％、zn4.2％、ti0.01％、zr0.08％、be0.03％、li0.5％、nb0.18％，余量为al。
制备方法，步骤如下：
s1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料和金属硅铺装在电炉底部，再分别铺装铝锭和富铁铝材，升温至690℃进行熔融，当熔至半固态时，加入已预热至300℃的铝铬中间合金、铝锆中间合金和铝铌中间合金，再加入锰剂、钛剂，以180℃/h的平均速度升温至750℃，当炉料化平后，以150℃/h的平均速度降温至710℃，将锌锭、铜板、金属锂、镁块和铍铜中间合金依次完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，以120℃/h的速度匀速升温至740℃，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以120℃/h的速度匀速降温至710℃，静置保温20min，得合金熔体，浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；其中，以180℃/h的平均速度升温至750℃，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；以150℃/h的平均速度降温至710℃，随温度的降低，升温速度降低，且温度和时间呈余弦函数关系。
s2、均匀化：将s1中的铸锭置于保温炉中，先以100℃/h的速度匀速升温至390℃，保温2h，再以80℃/h的速度匀速升温至430℃，保温3h，再以50℃/h的速度匀速升温至480℃，保温15h，随炉冷却至280℃，然后风冷冷却至室温；
s3、固溶：将s2中的铸锭置于保温炉中，以110℃/h的速度升温至500℃，保温2.5h，将铸件进行淬火处理，水冷至室温；
s4、时效：将s3中的铸锭除去表面水珠后，放入保温炉中，升温至180℃，保温7h，出炉空冷至室温。
实施例4
一种球棒用铝合金材料，其组成成分按重量百分比包括：si0.065％、fe0.62％、cu0.22％、mn0.17％、mg1.4％、cr0.07％、zn4.1％、ti0.022％、zr0.05％、be0.048％、li0.3％、nb0.25％，余量为al。
制备方法，步骤如下：
s1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料和金属硅铺装在电炉底部，再分别铺装铝锭和富铁铝材，升温至680℃进行熔融，当熔至半固态时，加入已预热至300℃的铝铬中间合金、铝锆中间合金和铝铌中间合金，再加入锰剂、钛剂，以180℃/h的平均速度升温至740℃，当炉料化平后，以150℃/h的平均速度降温至710℃，将锌锭、铜板、金属锂、镁块和铍铜中间合金依次完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，以120℃/h的速度匀速升温至730℃，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以120℃/h的速度匀速降温至700℃，静置保温25min，得合金熔体，浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；其中，以180℃/h的平均速度升温至740℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；以150℃/h的平均速度降温至710℃，随温度的降低，升温速度降低，且温度和时间呈余弦函数关系。
s2、均匀化：将s1中的铸锭置于保温炉中，先以100℃/h的速度匀速升温至380℃，保温2h，再以80℃/h的速度匀速升温至420℃，保温3h，再以50℃/h的速度匀速升温至480℃，保温13h，随炉冷却至270℃，然后空气中自然冷却至室温；
s3、固溶：将s2中的铸锭置于保温炉中，以110℃/h的速度升温至500℃，保温3h，将铸件进行淬火处理，水冷至室温；
s4、时效：将s3中的铸锭除去表面水珠后，放入保温炉中，升温至180℃，保温8h，出炉空冷至室温。
实施例5
一种球棒用铝合金材料，其组成成分按重量百分比包括：si0.07％、fe0.64％、cu0.24％、mn0.15％、mg1.0％、cr0.05％、zn4.2％、ti0.015％、zr0.07％、be0.04％、li0.4％、nb0.22％，余量为al。
制备方法，步骤如下：
s1、熔炼：按组成成分进行配料，将边角废铝料和金属硅铺装在电炉底部，再分别铺装铝锭和富铁铝材，升温至680℃进行熔融，当熔至半固态时，加入已预热至200℃的铝铬中间合金、铝锆中间合金和铝铌中间合金，再加入锰剂、钛剂，以180℃/h的平均速度升温至740℃，当炉料化平后，以150℃/h的平均速度降温至700℃，将锌锭、铜板、金属锂、镁块和铍铜中间合金依次完全压入到铝液中，待炉料全部融化后，以120℃/h的速度匀速升温至730℃，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以120℃/h的速度匀速降温至700℃，静置保温30min，得合金熔体，浇注，待合金熔体凝固后开模，并将铸锭空冷至室温；其中，以180℃/h的平均速度升温至740℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系；以150℃/h的平均速度降温至700℃，随温度的降低，升温速度降低，且温度和时间呈余弦函数关系。
s2、均匀化：将s1中的铸锭置于保温炉中，先以100℃/h的速度匀速升温至370℃，保温2h，再以80℃/h的速度匀速升温至420℃，保温3h，再以50℃/h的速度匀速升温至470℃，保温13h，随炉冷却至270℃，然后空气中自然冷却至室温；
s3、固溶：将s2中的铸锭置于保温炉中，以110℃/h的速度升温至500℃，保温3h，将铸件进行淬火处理，水冷至室温；
s4、时效：将s3中的铸锭除去表面水珠后，放入保温炉中，升温至180℃，保温8h，出炉空冷至室温。。
机械性能检测：对本发明实施例1-5中制得的铝合金材料的拉伸强度、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1-5的机械性能参数
由表1中可以看出，本发明实施例1-5制备的铝合金材料的拉伸强度、屈服强度、硬度、延伸率和耐蚀性等性能优异，可以满足球棒质轻，强度、硬度和韧性好的要求。
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。