專利名稱：記憶合金材料彈性墊片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種記憶合金材料，尤其是涉及一種記憶合金材料彈性墊片及其制備方法。
背景技術(shù)：
1962年美國(guó)一個(gè)研究所偶然發(fā)現(xiàn)了 TiNi合金的“形狀記憶”效應(yīng)，“形狀記憶效應(yīng)”是某些呈現(xiàn)“馬氏體相變”的合金具有的一種奇特功能。合金處于低溫相時(shí)(即馬氏體相時(shí))，施加外力使之改變形狀，然后使其溫度升高，當(dāng)溫度升至臨界溫度(相變點(diǎn)As)時(shí)， “馬氏體”開始向“奧氏體”(母相)轉(zhuǎn)變，這個(gè)過(guò)程就是恢復(fù)原來(lái)形狀的過(guò)程。當(dāng)溫度升到相變完成溫度時(shí)(As)，形狀便恢復(fù)了變形前的形狀，也就是說(shuō)，“記憶”了原來(lái)的形狀。這種功能稱為“形狀記憶效應(yīng)”。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，記憶合金(NiTi合金、Ti-Ni合金)被普遍應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域、電子儀器設(shè)備上的火災(zāi)報(bào)警器、插接件、集成電路的釬焊，醫(yī)療上的人造心瓣膜、脊椎矯正棍、頭顱骨修補(bǔ)整形、口腔牙齒矯形和頌骨修補(bǔ)手術(shù)等。目前多種成分不同的合金具備這種功能，但唯有TiM合金具備優(yōu)良的記憶功能、機(jī)械性能、抗腐蝕性能、生物相容性等性能，所以成為今天應(yīng)用最廣的一種記憶合金材料。電力傳輸過(guò)程是一個(gè)能量傳輸過(guò)程，能量的損失主要以熱能的形式損失掉了。這種“熱能”又大致分兩部分，一是導(dǎo)線“固有電阻”造成的熱能損失，再就是電路連接處，因 “接觸電阻”造成熱能損失。因?qū)Ь€“固有電阻”發(fā)熱造成的損失可用其他辦法解決，而“接觸電阻”造成發(fā)熱損失卻為與溫度相關(guān)的“記憶合金”的應(yīng)用提供了用武之地。電路連接處必然有接觸電阻，電流經(jīng)電阻而發(fā)熱，電阻越大，發(fā)熱越厲害，能量損失越大。為了減少損失，就要減小“接觸電阻”。而接觸電阻與導(dǎo)體互相搭接的壓力大小有關(guān)，壓力越大，“接觸電阻”越小，發(fā)熱越少。反之，壓力越小，“接觸電阻”越大，發(fā)熱越厲害。而且這一發(fā)熱過(guò)程還會(huì)造成惡性循環(huán)，因發(fā)熱使接觸面氧化，從而使“接觸電阻”進(jìn)一步增加，于是發(fā)熱越加厲害。如果不進(jìn)行處理，后果是嚴(yán)重浪費(fèi)電能、高溫?fù)p害電力設(shè)備絕緣能力、造成火災(zāi)或燒斷電路。目前，電路連接主要靠螺栓固定。在連接前，處理好接觸面，保證接觸面清潔、平整， 然后，用螺栓緊固。為了防松，螺母下加了開口或碟型彈簧墊片。這是目前最普遍常用的比較可行的機(jī)械連接方式。但是輸電系統(tǒng)不但有發(fā)熱現(xiàn)象，還是一個(gè)50hz震動(dòng)環(huán)境。震動(dòng)常會(huì)造成緊固系統(tǒng)失效，會(huì)造成以上所說(shuō)的惡性循環(huán)，造成電能浪費(fèi)和事故。如果把“形狀記憶合金”做成了緊固系統(tǒng)的“彈簧墊片”，它隨著溫度升高會(huì)恢復(fù)它的記憶形狀，對(duì)緊固系統(tǒng)施加壓力，由于壓力增加，減小了接觸電阻，減少了發(fā)熱，有效抑制了如上所說(shuō)的“惡性循環(huán)”。普通彈簧墊會(huì)因溫度升高而氧化、失去彈力，使緊固系統(tǒng)失效而進(jìn)入松動(dòng)-接觸電阻升高-發(fā)熱-更松動(dòng)的惡性循環(huán)。而使用“形狀記憶合金”彈簧墊后抑制惡性循環(huán)的過(guò)程是緊固系統(tǒng)因震動(dòng)造成松動(dòng)-接觸電阻增大-發(fā)熱-記憶合金彈簧墊恢復(fù)形狀對(duì)緊固系統(tǒng)施壓-接觸電阻減小-溫度降低，有效抑制了惡性循環(huán)，達(dá)到節(jié)能降耗減少事故的目的。假設(shè)我們用TiNi記憶合金絲做成了一根相變溫度(As)40°C的記憶合金彈簧，其長(zhǎng)度為10cm。在低于40°C時(shí)將其壓縮至5cm(或?qū)⑵淅熘?5cm)然后將溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到40°C時(shí)其形狀開始恢復(fù)，即朝IOcm變化，隨著溫度升高，最終變化到記憶的IOcm長(zhǎng)的形狀。彈簧在由5cm向原狀I(lǐng)Ocm變化時(shí)，將產(chǎn)生向外的壓力、由15cm向原狀I(lǐng)Ocm變化時(shí)，將產(chǎn)生內(nèi)的拉力。利用記憶合金材料溫度形變特性制作彈性墊片代替現(xiàn)在廣泛采用的傳統(tǒng)碳鋼材料、不銹鋼彈性墊片至今尚未見(jiàn)報(bào)道，中國(guó)專利CN102278357A公開一種彈性墊片，其整體為η形，包括整體成型的本體和一向外彎曲的彈性懸臂。在將該彈性墊片放置于連接裝置之間后，彈性懸臂受力會(huì)貼近彈性墊片本體。當(dāng)連接裝置之間因松動(dòng)而出現(xiàn)空隙后，彈性懸臂會(huì)回彈，抵住其中一個(gè)與之配合的連接裝置，阻止連接裝置松動(dòng)。中國(guó)專利CN201322037公開一種組合彈性墊片，它由至少兩片碟形彈性墊片組合構(gòu)成，所述碟形彈性墊片上設(shè)有連續(xù)碟形曲面及相同直徑的中心通孔。該實(shí)用新型適用于高溫閥門、管線、反應(yīng)器、熱交換器、高溫泵等多種設(shè)備的法蘭螺栓緊固。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種與現(xiàn)有傳統(tǒng)高碳鋼、不銹鋼等傳統(tǒng)材料彈性墊片相同規(guī)格、相同形狀墊片，主要適于電力設(shè)備接頭的記憶合金材料彈性墊片及其制備方法。所述記憶合金材料彈性墊片為鎳鈦合金墊片，所述鎳鈦合金按原子數(shù)比為 NI TI = 52 48。所述記憶合金材料彈性墊片的制備方法包括以下步驟1)將鈦和鎳按比例混合，熔煉，將熔煉后得到的鑄錠去除表面缺陷后，進(jìn)行鍛、軋， 制成板材，再切割加工成墊片材料；2)將步驟1)所得的墊片材料定型，置于恒溫爐中加熱，然后放入冷水中淬火，得定型后的墊片；3)將定型后的墊片放入恒溫爐中保溫，再冷卻后即得記憶合金材料彈性墊片。在步驟1)中，所述熔煉的溫度可為1300°C，熔煉的時(shí)間可為30min ；所述墊片可采用開口單圈彈性墊片或碟型彈性墊片等，所述開口單圈彈性墊片可按國(guó)標(biāo)GB 93標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格制作，內(nèi)徑可為2 39mm，外徑可為4 60mm，厚度可為1 10mm，公稱直徑可為3 39mm ； 所述碟型彈性墊片可按GB/T1972-2005 DIN2093標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格制作，外徑可為6 250mm，內(nèi)徑可為3. 2 127mm，厚度可為0. 3 16mm ；所述鈦可采用高純度的0級(jí)海綿鈦，所述鎳可采用Ni9996電解鎳。在步驟2)中，所述加熱的溫度可為850°C，加熱的時(shí)間可為15min。在步驟3)中，所述保溫的溫度可為450°C，保溫的時(shí)間可為15min。經(jīng)過(guò)上述處理過(guò)程，記憶合金材料彈性墊片具備了 Af在40 50°C的形狀記憶功能。本發(fā)明利用記憶合金材料的機(jī)械性能和溫度形變特性，采用記憶合金材料制作與現(xiàn)有傳統(tǒng)高碳鋼、不銹鋼等傳統(tǒng)材料彈性墊片相同規(guī)格相同形狀墊片的創(chuàng)新思路。本發(fā)明所制備的記憶合金材料彈性墊片適于節(jié)能和安全的電力設(shè)備接頭。用3mm記憶合金材料彈性墊片和傳統(tǒng)3mm彈簧墊片在同等情況下進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)， 在相同的接觸電阻條件下，通以相同電流至兩個(gè)分別裝有3mm記憶合金材料彈性墊片和傳統(tǒng)3mm彈簧墊片接頭，IOmin后測(cè)量?jī)山宇^溫度以及接觸電阻(分別在擰緊接頭情況與接頭相對(duì)松弛情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同等情況下，3mm記憶合金材料彈性墊片比傳統(tǒng)3mm彈簧墊片溫升低，接觸電阻低，有利于安全和節(jié)能。將本發(fā)明所制備的記憶合金材料彈性墊片用于電力系統(tǒng)和電工電器制造等領(lǐng)域， 用于有電流流過(guò)的電力設(shè)備接頭或有溫度變化要求的各種接頭處，利用本發(fā)明所制備的記憶合金材料彈性墊片的機(jī)械性能和設(shè)計(jì)合適的溫度形變參數(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料彈性墊片，較傳統(tǒng)材料彈性墊片起到更好的節(jié)能和安全作用。本發(fā)明所制備的記憶合金材料彈性墊片可分為開口彈簧單圈墊片和碟形彈簧墊片兩種。在用于導(dǎo)線連接接頭處時(shí)，如果因工頻震動(dòng)產(chǎn)生螺栓松動(dòng)而發(fā)熱時(shí)彈簧墊片將產(chǎn)生溫度形變力，此力會(huì)增加連接處的壓力減少接頭處接觸電阻來(lái)抑制發(fā)熱，從而節(jié)約能源保障安全。一個(gè)記憶合金材料彈性墊片實(shí)際是一個(gè)即具備傳感器又有執(zhí)行器的自動(dòng)化系統(tǒng)。利用記憶合金材料溫度形變特性制作彈性墊片代替現(xiàn)在廣泛采用的傳統(tǒng)碳鋼材料、不銹鋼彈性墊片至今尚未見(jiàn)報(bào)道，記憶合金彈性墊片應(yīng)用至有電流流過(guò)的電力設(shè)備接頭或有溫度變化要求的各種接頭處，與傳統(tǒng)彈性墊片比較，記憶合金彈性墊片對(duì)保障電力安全和提高電力設(shè)備的節(jié)能有顯著效果。


圖1為本發(fā)明的記憶合金材料彈性墊片(3mm)與現(xiàn)有的彈簧墊片(3mm)在擰緊情況下的對(duì)比折線圖。在圖1中，橫坐標(biāo)為電流/A，左縱坐標(biāo)為溫度/°C，右縱坐標(biāo)為電阻/ Ω ；標(biāo)記 為T接/°C (本發(fā)明)，■為T接/°C (現(xiàn)有)，▲為R(本發(fā)明)Χ10_2/Ω，χ為 R (現(xiàn)有)Χ1(Γ2/Ω。圖2為本發(fā)明的記憶合金材料彈性墊片(3mm)與現(xiàn)有的彈簧墊片(3mm)在相對(duì)較松情況下的對(duì)比折線圖。在圖2中，橫坐標(biāo)為電流/A，左縱坐標(biāo)為溫度/°C，右縱坐標(biāo)為電阻/Ω ；標(biāo)記 為T接/°C (現(xiàn)有)，■為T接/°C (本發(fā)明)，▲為R(現(xiàn)有)Χ10_2/Ω，X 為R(本發(fā)明)X ΙΟ—2/Ω。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1所述記憶合金材料彈性墊片為鎳鈦合金墊片，所述鎳鈦合金按原子數(shù)比為 NI TI = 52 48。所述記憶合金材料彈性墊片的制備方法包括以下步驟1)將鈦和鎳按上述比例混合，熔煉，將熔煉后得到的鑄錠去除表面缺陷后，進(jìn)行鍛、軋，制成板材，再切割加工成墊片材料；所述熔煉的溫度為1300°C，熔煉的時(shí)間為 30min ；所述墊片采用開口單圈彈性墊片，所述開口單圈彈性墊片按國(guó)標(biāo)GB 93標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格制作，內(nèi)徑可為2 39mm，外徑可為4 60mm，厚度可為1 10mm，公稱直徑可為3 39mm ； 所述鈦采用高純度的0級(jí)海綿鈦，所述鎳采用M9996電解鎳。2)將步驟1)所得的墊片材料定型，置于恒溫爐中加熱，然后放入冷水中淬火，得定型后的墊片；所述加熱的溫度為850°C，加熱的時(shí)間為15min。
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3)將定型后的墊片放入恒溫爐中保溫，再冷卻后即得記憶合金材料彈性墊片。所述保溫的溫度為450°C，保溫的時(shí)間為15min。實(shí)施例2所述記憶合金材料彈性墊片為鎳鈦合金墊片，所述鎳鈦合金按原子數(shù)比為 NI TI = 52 48。所述記憶合金材料彈性墊片的制備方法包括以下步驟1)將鈦和鎳按上述比例混合，熔煉，將熔煉后得到的鑄錠去除表面缺陷后，進(jìn)行鍛、軋，制成板材，再切割加工成墊片材料；所述熔煉的溫度為1300°C，熔煉的時(shí)間為 30min ；所述墊片采用碟型彈性墊片，所述碟型彈性墊片可按GB/T1972-2005 DIN2093標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格制作，外徑可為6 250mm，內(nèi)徑可為3. 2 127mm，厚度可為0. 3 16mm ；所述鈦采用高純度的0級(jí)海綿鈦，所述鎳采用M9996電解鎳。2)將步驟1)所得的墊片材料定型，置于恒溫爐中加熱，然后放入冷水中淬火，得定型后的墊片；所述加熱的溫度為850°C，加熱的時(shí)間為15min。3)將定型后的墊片放入恒溫爐中保溫，再冷卻后即得記憶合金材料彈性墊片。所述保溫的溫度為450°C，保溫的時(shí)間為15min。以下給出所制備的記憶合金的物理化學(xué)特性及其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1給出了 1組3mm記憶合金開口彈性墊片與3mm現(xiàn)有開口彈簧墊片在接頭擰緊情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在同等環(huán)境溫度、相同電流和相同起始接觸電阻實(shí)驗(yàn)條件下，隨著流過(guò)接頭電流從0增大到^OA時(shí)，記憶合金材料彈性墊片接頭處的接觸電阻從0. 021 X ΙΟ—2/ Ω降低到0. 01075 X ΙΟ—2/ Ω，下降50%，接頭溫度為62°C。傳統(tǒng)彈簧墊片接頭處的接觸電阻基本不變，接頭溫度為77°C，記憶合金墊片的節(jié)能和安全效益顯著。表1 3mm記憶合金開口彈性墊片與3mm現(xiàn)有開口彈簧墊片在擰緊情況下的對(duì)比數(shù)據(jù)
T 接/。c ~T 接/。c^““~
時(shí)間電流/AR(記憶)Χ10_2/Ω R(現(xiàn)有)Χ10々Ω
(記憶)(現(xiàn)有)
16:50 023230.0210.021
16:519232320.018250.0227
17:0512035370.01660.023
17:1714036410.015150.02395
17:3716039470.01460.0235
17:5418042480.013850.02375
18:1120047550.013750.02305
18:3022050620.01390.02325
18:5024058720.01240.0218
19:1526062770.010750.0212
表2給出1組3mm記憶合金開口彈性墊片與3mm現(xiàn)有開口彈簧墊片在接頭松動(dòng)情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在同等環(huán)境溫度、相同電流和相同起始接觸電阻實(shí)驗(yàn)條件下，隨著流過(guò)接頭電流從0增大到260安培時(shí)，記憶合金墊片接頭處的接觸電阻從 0. 03835X ΙΟ-2/ Ω降低到0. 0109X IO"2/ Ω，下降71. 5%，接頭溫度為89°C。傳統(tǒng)彈簧墊片接頭處的接觸電阻降低到0. 0319Χ 10_2/Ω，下降16. 8%，接頭溫度達(dá)到115°C，威脅設(shè)備運(yùn)行安全。記憶合金墊片的節(jié)能和安全效益顯著。表2 3mm記憶合金開口彈性墊片與3_現(xiàn)有開口彈簧墊片在相對(duì)較松情況下的對(duì)比數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.記憶合金材料彈性墊片，其特征在于為鎳鈦合金墊片，所述鎳鈦合金按原子數(shù)比為 NI TI = 52 48。
2.如權(quán)利要求1所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將鈦和鎳按比例混合，熔煉，將熔煉后得到的鑄錠去除表面缺陷后，進(jìn)行鍛、軋，制成板材，再切割加工成墊片材料；2)將步驟1)所得的墊片材料定型，置于恒溫爐中加熱，然后放入冷水中淬火，得定型后的墊片；3)將定型后的墊片放入恒溫爐中保溫，再冷卻后即得記憶合金材料彈性墊片。
3.如權(quán)利要求2所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于在步驟1)中， 所述熔煉的溫度為1300°C，熔煉的時(shí)間為30min。
4.如權(quán)利要求2所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于在步驟1)中， 所述墊片采用開口單圈彈性墊片或碟型彈性墊片。
5.如權(quán)利要求4所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于所述開口單圈彈性墊片按國(guó)標(biāo)GB 93標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格制作，內(nèi)徑為2 39mm，外徑為4 60mm，厚度為1 10mm， 公稱直徑為3 39mm。
6.如權(quán)利要求4所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于所述碟型彈性墊片按GB/T1972-2005 DIN2093標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格制作,外徑為6 250mm，內(nèi)徑為3. 2 127mm，厚度為0. 3 16mm。
7.如權(quán)利要求2所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于在步驟1)中， 所述鈦采用高純度的0級(jí)海綿鈦。
8.如權(quán)利要求2所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于在步驟1)中， 所述鎳采用Ni9996電解鎳。
9.如權(quán)利要求2所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于在步驟2)中， 所述加熱的溫度為850°C，加熱的時(shí)間為15min。
10.如權(quán)利要求2所述的記憶合金材料彈性墊片的制備方法，其特征在于在步驟3)中， 所述保溫的溫度為450°C，保溫的時(shí)間為15min。
全文摘要
記憶合金材料彈性墊片及其制備方法，涉及一種記憶合金材料。提供一種與現(xiàn)有傳統(tǒng)高碳鋼、不銹鋼等傳統(tǒng)材料彈性墊片相同規(guī)格、相同形狀墊片，主要適于電力設(shè)備接頭的記憶合金材料彈性墊片及其制備方法。記憶合金材料彈性墊片為鎳鈦合金墊片，鎳鈦合金按原子數(shù)比為NI∶TI＝52∶48。將鈦和鎳按比例混合，熔煉，將熔煉后得到的鑄錠去除表面缺陷后，進(jìn)行鍛、軋，制成板材，再切割加工成墊片材料；將所得的墊片材料定型，置于恒溫爐中加熱，然后放入冷水中淬火，得定型后的墊片；將定型后的墊片放入恒溫爐中保溫，再冷卻后即得記憶合金材料彈性墊片。
文檔編號(hào)F16B43/00GK102518640SQ20111043915
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者孫寶輝, 達(dá)國(guó)祖, 陳天翔, 馬韜麟 申請(qǐng)人:北京西脈記憶合金有限公司