本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种抗冲击防开裂的垒球棒及其制备方法。
背景技术：
垒球是一项集竞技性、观赏性和娱乐性为一体的高品位、高层次的运动项目。垒球运动的诞生完全是处于一种需要，由于恶劣的天气和拥挤的城市影响，棒球运动转移到室内，就形成了垒球运动。垒球诞生于19世纪80年代的美国芝加哥，这项运动很快发展起来，并逐渐又转移到室外，现在全世界有2000万人进行这项体育运动。
目前，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，铝质球棒更为经久耐用，因此这种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，长期使用后会产生裂纹或变形，且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，其生产成本较高。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垒球棒，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。
技术实现要素：
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种抗冲击防开裂的垒球棒及其制备方法，满足球棒质轻、冲击韧性好、击球远的要求，避免了长期使用冲击韧性低易开裂、变形的问题。
本发明提出的一种抗冲击防开裂的垒球棒，其组成成分按重量百分比包括：si0.07-0.14％、fe0.05-0.1％、cu0.06-0.08％、mn0.35-0.45％、mg0.3-0.4％、cr0.25-0.32％、zn2.2-3.4％、ti0.02-0.04％、zr0.01-0.03％、sc0.05-0.08％、nb0.04-0.06％、y0.06-0.12％，余量为al；其中，满足“4.5≤sc/zr+y/nb≤9.5”的关系式。
优选地，满足“3.5≤100sc×zn/mg+mg/y≤6.5”的关系式。
优选地，其组成成分按重量百分比包括：si0.10-0.12％、fe0.08-0.1％、cu0.07-0.08％、mn0.38-0.41％、mg0.32-0.36％、cr0.28-0.30％、zn2.6-3.0％、ti0.03-0.04％、zr0.01-0.02％、sc0.06-0.07％、nb0.05-0.06％、y0.08-0.10％，余量为al。
优选地，其组成成分按重量百分比包括：si0.11％、fe0.09％、cu0.07％、mn0.40％、mg0.35％、cr0.29％、zn2.8％、ti0.03％、zr0.02％、sc0.07％、nb0.05％、y0.10％，余量为al。
本发明还提出了上述抗冲击防开裂的球棒的制备方法，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到电炉底部，再依次铺装铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝锭、铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝锭、铝铌中间合金、铝钇中间合金、钛剂、铜板、镁块、锌锭，以170℃/h的平均速率升温至680-690℃进行熔融，当熔至半固态时，再以140℃/h的平均速率升温至730-740℃，待炉料全部融化化开后，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，降温至690-700℃，静置保温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；其中，原料熔融的过程在惰性气体氛围中进行；
s2、固熔：将步骤s1中的铸件置于保温炉中，以100℃/h的平均速度升温至480℃，保温1h，再以80℃/h的速度匀速升温至490℃，保温1-2h，将铸件从保温炉中转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸件转移至淬火炉中的时间小于10s；
s3、时效：将步骤s2中的铸件放入保温炉中，升温至180-190℃，保温5-7h，出炉空冷至室温；
s4、回火：将步骤s3中的铸件置于保温炉中，加热至260-280℃，保温2h，升温至290-300℃，保温2-4h，随炉冷却至室温。
优选地，所述步骤s1中，以170℃/h的平均速率升温至680-690℃，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，所述步骤s1中，以140℃/h的平均速率升温至730-740℃，随温度的升高，升温速度增大，且温度和时间呈正弦函数关系。
优选地，所述步骤s1中，降温至690-700℃是以130℃/h的速度匀速降温。
优选地，所述步骤s2中，金属型模具预热至220-240℃，熔体在振动条件下凝固成铸件。
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sc、nb、y、zr，净化杂质，细化晶粒，增强抗蚀性和韧性，按照“4.5≤sc/zr+y/nb≤9.5”的关系式限定这四种元素，能够抑制再结晶，细化晶粒，使晶粒组织弥散析出，改善强度、硬度和冲击韧性，避免了冲击韧性低垒球棒容易开裂、变形的问题，通过“4≤100sc×zn/mg+mg/y≤8”的关系式限定，生成更多的共晶相，产生晶界强化，并合理控制合金组织中的缺陷数目，在提高强度和硬度的同时增强其耐腐蚀性能，本发明中各元素相互配合，协同作用，增强机械性能和抗蚀性能。
2、对熔炼和热处理工艺进行了优化，通过调节炉料的铺装顺序，并在惰性气体氛围中进行熔融，降低了元素氧化烧损，并协同合理设置升温速率先大后小，进一步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，提高质量，降低生产成本，对比采用传统熔炼方法中一次升温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0.6-1.1％；固溶处理中，采用双级固溶有利于过剩相充分溶解到固溶体中，提高固溶体过饱和度，从而有利于后续时效处理中综合机械性能的进一步提高，联合在双级回火处理，有利于回火均匀性，使析出的强化相聚集并球状化，获得良好的强度与韧性。
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
本发明提出的一种抗冲击防开裂的垒球棒，其组成成分按重量百分比包括：si0.11％、fe0.09％、cu0.07％、mn0.40％、mg0.35％、cr0.29％、zn2.8％、ti0.03％、zr0.02％、sc0.07％、nb0.05％、y0.10％，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到电炉底部，再依次铺装铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝锭、铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝锭、铝铌中间合金、铝钇中间合金、钛剂、铜板、镁块、锌锭，以170℃/h的平均速率升温至685℃进行熔融，当熔至半固态时，再以140℃/h的平均速率升温至735℃，待炉料全部融化化开后，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以130℃/h的速度匀速降温至695℃，静置保温25min，浇注到已预热至230℃的金属型模具中，在振动条件下进行凝固，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；其中，原料熔融的过程在惰性气体氛围中进行；
其中，以170℃/h的平均速率升温至685℃，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；以140℃/h的平均速率升温至735℃，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；
s2、固熔：将步骤s1中的铸件置于保温炉中，以100℃/h的平均速度升温至480℃，保温1h，再以80℃/h的速度匀速升温至490℃，保温1.5h，将铸件从保温炉中转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸件转移至淬火炉中的时间小于10s；
s3、时效：将步骤s2中的铸件放入保温炉中，升温至185℃，保温6h，出炉空冷至室温；
s4、回火：将步骤s3中的铸件置于保温炉中，加热至270℃，保温2h，升温至295℃，保温3h，随炉冷却至室温。
实施例2
本发明提出的一种抗冲击防开裂的垒球棒，其组成成分按重量百分比包括：si0.07％、fe0.1％、cu0.06％、mn0.45％、mg0.4％、cr0.32％、zn2.2％、ti0.04％、zr0.01％、sc0.065％、nb0.04％、y0.12％，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到电炉底部，再依次铺装铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝锭、铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝锭、铝铌中间合金、铝钇中间合金、钛剂、铜板、镁块、锌锭，以170℃/h的平均速率升温至680℃进行熔融，当熔至半固态时，再以140℃/h的平均速率升温至730℃，待炉料全部融化化开后，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以130℃/h的速度匀速降温至690℃，静置保温20min，浇注到已预热至220℃的金属型模具中，在振动条件下进行凝固，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；其中，原料熔融的过程在惰性气体氛围中进行；
其中，以170℃/h的平均速率升温至680℃，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；以140℃/h的平均速率升温至730℃，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；
s2、固熔：将步骤s1中的铸件置于保温炉中，以100℃/h的平均速度升温至480℃，保温1h，再以80℃/h的速度匀速升温至490℃，保温1h，将铸件从保温炉中转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸件转移至淬火炉中的时间小于10s；
s3、时效：将步骤s2中的铸件放入保温炉中，升温至180℃，保温5h，出炉空冷至室温；
s4、回火：将步骤s3中的铸件置于保温炉中，加热至260℃，保温2h，升温至290℃，保温2h，随炉冷却至室温。
实施例3
本发明提出的一种抗冲击防开裂的垒球棒，其组成成分按重量百分比包括：si0.14％、fe0.05％、cu0.08％、mn0.35％、mg0.3％、cr0.25％、zn3.4％、ti0.02％、zr0.03％、sc0.08％、nb0.06％、y0.11％，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到电炉底部，再依次铺装铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝锭、铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝锭、铝铌中间合金、铝钇中间合金、钛剂、铜板、镁块、锌锭，以170℃/h的平均速率升温至680℃进行熔融，当熔至半固态时，再以140℃/h的平均速率升温至740℃，待炉料全部融化化开后，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以130℃/h的速度匀速降温至690℃，静置保温30min，浇注到已预热至220℃的金属型模具中，在振动条件下进行凝固，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；其中，原料熔融的过程在惰性气体氛围中进行；
其中，以170℃/h的平均速率升温至680℃，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；以140℃/h的平均速率升温至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；
s2、固熔：将步骤s1中的铸件置于保温炉中，以100℃/h的平均速度升温至480℃，保温1h，再以80℃/h的速度匀速升温至490℃，保温2h，将铸件从保温炉中转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸件转移至淬火炉中的时间小于10s；
s3、时效：将步骤s2中的铸件放入保温炉中，升温至180℃，保温7h，出炉空冷至室温；
s4、回火：将步骤s3中的铸件置于保温炉中，加热至280℃，保温2h，升温至290℃，保温4h，随炉冷却至室温。
实施例4
本发明提出的一种抗冲击防开裂的垒球棒，其组成成分按重量百分比包括：si0.08％、fe0.07％、cu0.065％、mn0.42％、mg0.35％、cr0.28％、zn2.5％、ti0.03％、zr0.01％、sc0.05％、nb0.04％、y0.06％，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到电炉底部，再依次铺装铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝锭、铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝锭、铝铌中间合金、铝钇中间合金、钛剂、铜板、镁块、锌锭，以170℃/h的平均速率升温至690℃进行熔融，当熔至半固态时，再以140℃/h的平均速率升温至740℃，待炉料全部融化化开后，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以130℃/h的速度匀速降温至700℃，静置保温30min，浇注到已预热至240℃的金属型模具中，在振动条件下进行凝固，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；其中，原料熔融的过程在惰性气体氛围中进行；
其中，以170℃/h的平均速率升温至690℃，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；以140℃/h的平均速率升温至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；
s2、固熔：将步骤s1中的铸件置于保温炉中，以100℃/h的平均速度升温至480℃，保温1h，再以80℃/h的速度匀速升温至490℃，保温2h，将铸件从保温炉中转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸件转移至淬火炉中的时间小于10s；
s3、时效：将步骤s2中的铸件放入保温炉中，升温至190℃，保温7h，出炉空冷至室温；
s4、回火：将步骤s3中的铸件置于保温炉中，加热至280℃，保温2h，升温至300℃，保温4h，随炉冷却至室温。
实施例5
本发明提出的一种抗冲击防开裂的垒球棒，其组成成分按重量百分比包括：si0.12％、fe0.08％、cu0.075％、mn0.4％、mg0.35％、cr0.29％、zn2.7％、ti0.03％、zr0.02％、sc0.075％、nb0.05％、y0.09％，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到电炉底部，再依次铺装铝铁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝锭、铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝锭、铝铌中间合金、铝钇中间合金、钛剂、铜板、镁块、锌锭，以170℃/h的平均速率升温至680℃进行熔融，当熔至半固态时，再以140℃/h的平均速率升温至740℃，待炉料全部融化化开后，搅拌熔体并扒渣，精炼扒渣，以130℃/h的速度匀速降温至700℃，静置保温20min，浇注到已预热至220-240℃的金属型模具中，在振动条件下进行凝固，待合金熔体凝固后开模，并将铸件空冷至室温；其中，原料熔融的过程在惰性气体氛围中进行；
其中，以170℃/h的平均速率升温至680℃，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；以140℃/h的平均速率升温至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；
s2、固熔：将步骤s1中的铸件置于保温炉中，以100℃/h的平均速度升温至480℃，保温1h，再以80℃/h的速度匀速升温至490℃，保温2h，将铸件从保温炉中转移到淬火炉中，水冷至室温，其中从保温炉中将铸件转移至淬火炉中的时间小于10s；
s3、时效：将步骤s2中的铸件放入保温炉中，升温至190℃，保温6h，出炉空冷至室温；
s4、回火：将步骤s3中的铸件置于保温炉中，加热至270℃，保温2h，升温至300℃，保温3h，随炉冷却至室温。
机械性能检测：对本发明实施例1-5中制得的抗冲击防开裂的垒球棒的拉伸强度、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1-5的机械性能参数
由表1中可以看出，本发明实施例1-5制备的抗冲击防开裂的垒球棒的拉伸强度、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，避免了长期使用冲击韧性低易开裂、变形的问题，使用寿命长。
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。