專利名稱：用于低頻減振的TiNi合金板簧及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種用于低頻減振的板簧及其制備方法的技術領域，具體涉及的是一種采用TiNi形狀記憶合金材料制備的板簧及其制備方法。
背景技術：
航空航天器、艦船、汽車和大量的機械裝置經常存在振動，如其中的電路板的緊固系統在振動下其緊固力會下降，造成線路板的失效、松動或者振動加劇等問題，嚴重影響系統的安全性和可靠性。又如在工程機械發動機在工作過程中也常常會引起振動，這些振動嚴重影響到工程機械的整機可靠性和使用壽命，同時也降低了操作的舒適性和工作效率。目前，通常采用彈性較好的鋼材(如65Mn鋼)所制成的彈簧片或者橡膠等解決該類問題，但是由于鋼制彈簧片的阻尼特性差、容易變形，而橡膠存在易老化、不耐腐蝕、不抗溫差和不抗油等缺點，因而它們均不能有效地解決減振防松的問題，于是就必須尋找更有效的減振方法，和更符合理想減振板簧特性的材料。
發明內容
本發明的目的是為了解決目前采用鋼或橡膠材料制備的減振板簧存在阻尼特性差、容易變形、易老化、不耐腐蝕等缺點的問題，從而提供了一種用于低頻減振的TiNi合金板簧及其制備方法，它提供的是一種新型的、低頻減振效果更為優秀的TiNi合金板簧，它的基本原理在于利用TiNi合金的應力誘發馬氏體相變所導致的超彈性性能，通過適當的熱機械處理，使得板簧具有優良的阻尼特性和低頻減振功能，適用于航空航天器、艦船、汽車和大量機械裝置中的低頻減振。
本發明的TiNi合金板簧采用TiNi形狀記憶合金材料，所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比在45∶55～55∶45之間，所述合金材料的含氧量小于萬分之五原子分數，所述合金材料的含碳量小于萬分之七原子分數，所述合金材料的含氫量小于萬分之五原子分數。
本發明TiNi合金板簧的制備方法按以下步驟進行一、合金冶煉先將原料金屬鈦和金屬鎳除濕并除去表面雜質及有機物，然后將處理后的金屬鈦和金屬鎳按一定的比例置入到熔煉爐中熔煉，然后澆入鑄模形成合金鑄錠，所述金屬鈦和金屬鎳的配比及其純度必須使熔煉后的合金材料滿足以下要求(I)、所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比在45∶55～55∶45之間，(II)、所述合金材料的含氧量要小于萬分之五原子分數，(III)、所述合金材料的含碳量要小于萬分之七原子分數，(IV)、所述合金材料的含氫量要小于萬分之五原子分數；二、鑄錠均勻化退火對上述合金鑄錠進行均勻化退火處理然后隨爐冷卻，退火溫度為850～950℃(攝氏度)，保溫時間為9～11小時；三、鍛造對上述進行退火后的合金鑄錠進行加熱的始鍛溫度為830～870℃、終鍛溫度為730～770℃，鍛造后合金鑄錠變成多個棒材；四、熱軋將上述鍛后的棒材經過多道次熱軋形成板材，熱軋的溫度范圍為800～850℃；五、冷軋先除去上述熱軋后板材表面的氧化膜，然后再經過多道次冷軋—中間退火—冷軋工藝，獲得所需厚度的冷軋態板材，冷軋過程中最后一道冷軋使板材的厚度減少15～20％；六、整平采用約束淬火對上述冷軋態板材進行整平定型和軟化處理，約束淬火工藝的過程為將上述冷軋態板材在845～855℃的溫度范圍內保溫10～15分鐘后進行水淬處理；七、切割用線切割或激光切割工藝將整平后的板材按所需板簧的展開圖下料，板簧的長度方向與板材的軋制方向相同；八、構件成型采用模熱壓工藝對切割后所獲的板材進行構件成型處理，首先在0～10℃的溫度下將切割后的板材固定在依據所需板簧的形狀而制備的模具內，然后將上述帶有板材的模具放置在溫度為440～460℃的加熱爐中保溫1～20min后再從爐中取出進行水淬處理，最后將板材從模具上卸下即獲得所需板簧。
合金冶煉→鑄錠均勻化退火→鍛造都是常規方法的工藝過程，步驟二鑄錠均勻化退火的目的是為消除合金鑄錠微區成分的不均勻性；步驟五所獲得的冷軋態板材的厚度決定于需要制備的板簧的厚度，而板簧的厚度決定于它所應用的場合，例如應用于電路板緊固系統時板簧的厚度薄，而應用于機械發動機的整體減振時板簧的厚度相對厚；步驟六的整平處理是為了軟化板材，便于切割和成型；步驟七中，線切割的加工精度要不小于0.02mm(毫米)，“板簧的長度方向與板材的軋制方向相同”是為了保證板簧的工作部位(例如板簧的圓弧凸起)具有最佳的材料性能；步驟八構件成型中的模具要依據板簧的形狀來確定，而板簧的形狀主要取決于它所應用的場合。上述提到的多道次冷軋—中間退火—冷軋工藝的過程為(1)對處理后的板材進行第一道冷軋使板材的厚度減少10～25％，(2)對冷軋后的板材進行中間退火處理，退火溫度為700～850℃，退火時間為15分鐘～2小時，(3)對退火后的板材再次進行冷軋使板材的厚度減少10～25％，(4)重復執行步驟(1)至(3)，直到使板材達到要求的尺寸。
TiNi形狀記憶合金經過特殊熱機械處理后，在母相狀態下由于應力誘發馬氏體相變而呈現出優良的超彈性性能和阻尼特性，在其應力—應變曲線上存在應力平臺，因此在受外力作用時，隨著變形量的增加，其所能提供的應力保持恒定，直至超出其應變范圍。所以本發明采用TiNi形狀記憶合金制成的減振防松板簧具有非線性遲滯特性，可以有效地應用于電路板緊固系統、易振動的機械裝置等需要低頻減震和緊固防松的場所，其緊固力強而且恒定；同時TiNi形狀記憶合金也具備較好的抗疲勞特性，用其制成的板簧可直接依靠材料本身的特性實現所需的功能，因此可以大大簡化板簧的結構、減小板簧的體積、減輕板簧的重量；TiNi形狀記憶合金還具備不易老化、耐腐蝕的特性。本發明制備TiNi合金板簧的工藝方法簡單、易操作、靈活性強。
圖1是具體實施方式
六所制備的TiNi合金板簧與采用65Mn鋼制備的板簧在用于線路板固定的低頻減震系統時，低頻減振效果的比較示意圖；圖2是具體實施方式
六中所要制備的TiNi合金板簧的展開示意圖；圖3是具體實施方式
六所制備的成型以后的TiNi合金板簧的結構示意圖；圖4是具體實施方式
六中，步驟八構件成型所采用的模具的結構示意圖；圖5是具體實施方式
六中，步驟八構件成型所用模具的凸模6的上表面俯視圖；圖6是具體實施方式
七所制備的板簧的結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本具體實施方式
的板簧采用TiNi形狀記憶合金材料，所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比在45∶55～55∶45之間，所述合金材料的含氧量小于萬分之五原子分數，所述合金材料的含碳量小于萬分之七原子分數，所述合金材料的含氫量小于萬分之五原子分數。
具體實施例方式
二在本具體實施方式
中，所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比為45.1∶55。所述鈦鎳兩種元素的原子比依據不同應用場合對TiNi合金板簧的性能要求而確定。
具體實施例方式
三在本具體實施方式
中，所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比為54.8∶45。
具體實施例方式
四在本具體實施方式
中，所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比為49.2∶50.8。
具體實施例方式
五本具體實施方式
的制備方法按以下步驟進行一、合金冶煉先將原料金屬鈦和金屬鎳除濕并除去表面雜質及有機物，然后將處理后的金屬鈦和金屬鎳按一定的比例置入到熔煉爐中熔煉，然后澆入鑄模形成合金鑄錠，所述金屬鈦和金屬鎳的配比及其純度必須使熔煉后的合金材料滿足以下要求(I)、所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比在45∶55～55∶45之間，(II)、所述合金材料的含氧量要小于萬分之五原子分數，(III)、所述合金材料的含碳量要小于萬分之七原子分數，(IV)、所述合金材料的含氫量要小于萬分之五原子分數；二、鑄錠均勻化退火對上述合金鑄錠進行均勻化退火處理然后隨爐冷卻，退火溫度為850～950℃，保溫時間為9～11小時；三、鍛造對上述進行退火后的合金鑄錠進行加熱的始鍛溫度為830～870℃、終鍛溫度為730～770℃，鍛造后合金鑄錠變成多個棒材；四、熱軋將上述鍛后的棒材經過多道次熱軋形成板材，熱軋的溫度范圍為800～850℃；五、冷軋先除去上述熱軋后板材表面的氧化膜，然后再經過多道次冷軋—中間退火—冷軋工藝，獲得所需厚度的冷軋態板材，冷軋過程中最后一道冷軋使板材的厚度減少15～20％；六、整平采用約束淬火對上述冷軋態板材進行整平定型和軟化處理，約束淬火工藝的過程為將上述冷軋態板材在845～855℃的溫度范圍內保溫10～15分鐘后進行水淬處理；七、切割用線切割或激光切割工藝將整平后的板材按所需板簧的展開圖下料，板簧的長度方向與板材的軋制方向相同；八、構件成型采用模熱壓工藝對切割后所獲的板材進行構件成型處理，首先在0～10℃的溫度下將切割后的板材固定在依據所需板簧的形狀而制備的模具內，然后將上述帶有板材的模具放置在溫度為440～460℃的加熱爐中保溫1～20min后再從爐中取出進行水淬處理，最后將板材從模具上卸下即獲得所需板簧。本具體實施方式
中步驟七線切割的加工精度要不小于0.02mm；多道次冷軋—中間退火—冷軋工藝的過程為(1)對處理后的板材進行第一道冷軋使板材的厚度減少10～25％，(2)對冷軋后的板材進行中間退火處理，退火溫度為700～850℃，退火時間為15分鐘～2小時，(3)對退火后的板材再次進行冷軋使板材的厚度減少10～25％，(4)重復執行步驟(1)至(3)，直到使板材達到要求的尺寸。
具體實施例方式
六本具體實施方式
與具體實施方式
五的不同點是一、合金冶煉∶熔煉后的合金材料中鈦鎳兩種元素的原子比為49.2∶50.8，所述金屬鈦選擇純度為99.97wt％(重量百分比)的海綿鈦，所述金屬鎳選擇純度為99.97wt％的電解鎳，熔煉爐采用水冷銅坩堝真空感應熔煉爐；二、鑄錠均勻化退火退火溫度為850℃，保溫時間為10小時；三、鍛造鍛造的始鍛溫度為850℃、終鍛溫度的范圍為750℃，鍛造后的棒材的直徑為20毫米；四、熱軋所述板材厚度為1毫米，熱軋的溫度為850℃；五、冷軋用濃硝酸除去上述熱軋后板材表面的氧化膜，所述冷軋態板材的厚度為0.3±0.01mm，中間退火過程的溫度為750℃，退火時間為0.5小時；六、整平約束淬火工藝的過程為將上述冷軋態板材在850℃時保溫10分鐘后進行水淬處理；七、切割采用線切割工藝將整平后的板材按所需板簧的展開圖下料(如圖2)，線切割的加工精度要不小于0.02mm；八、構件成型此步驟所用的模具如圖4所示，加熱爐的溫度為450℃，保溫時間為10分鐘。如圖2所示，步驟七中所述板簧(如圖3所示)的展開板由連接板3和多個懸臂板2組成，懸臂板2的一邊與連接板3相連接且連接部分的長度L1小于所述連接板3這一邊的長度L2，所述懸臂板2與連接板3相連接的折角處1采用直徑為1毫米的圓弧過渡(用于折疊時防裂)，懸臂板2用于形成凸起4(如圖3所示)并在低頻減振中起固定作用，根據具體需要確定懸臂板2的個數，即凸起4的個數；如圖4和圖5所示，步驟八中所述模具由凹模5、凸模6、折角壓板7、五個第一螺栓8和兩個第二螺栓9構成，凹模5的下表面設有多個圓弧凹槽5-1，凸模6的上表面設有多個圓弧凸臺6-1和螺栓通孔62，凹模5的下表面與凸模6的上表面連接并且圓弧凹槽5-1和圓弧凸臺6-1相互咬合，所述板簧的凸起4處于圓弧凹槽5-1和圓弧凸臺6-1之間，五個第一螺栓8穿過凹模5插入到凸模6上表面的螺栓通孔6-2中使得凹模5和凸模6固定連接在一起，凸模6的中心開有一個矩形通孔6-3，折角壓板7從凸模6的下表面插入到螺栓通孔6-3中并穿過凸模6進入到凹模5中，通過兩個第二螺栓9使折角壓板7與凸模6固定連接在一起，所述板簧的連接板3處于折角壓板7與凸模6之間。其他步驟與具體實施方式
五相同。采用本具體實施方式
制備的TiNi合金板簧(如圖3所示)可以用于線路板固定的低頻減震系統，具有結構簡單，體積小，重量輕，易于加工和安裝等優點；如圖1所示本具體實施制備的TiNi合金板簧的減振性能是普通65Mn鋼板簧的3倍以上，圖中橫坐標為振動時間，縱坐標為振動加速度。
具體實施例方式
七本具體實施方式
與具體實施方式
六的不同點是步驟一合金冶煉熔煉后的合金材料中鈦鎳兩種元素的原子比為49.4∶50.6；如圖6所示，本具體實施所要制備板簧只有一個半弧形凸起10，所以步驟七中的展開圖是一個矩形，步驟八中所用到的模具可以依照具體實施方式
六中的模具制作，即只要在凹模和凸模上設計一個互相咬合的凹槽和凸臺就可以用來制備本具體實施方式
所需的板簧了，所述板簧的厚度為1厘米。其他步驟與具體實施方式
六相同。本具體實施方式
所要制備的板簧用于工程機械發動機的整體減震。
權利要求
1.用于低頻減振的TiNi合金板簧，其特征在于它采用TiNi形狀記憶合金材料，所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比在45∶55～55∶45之間，所述合金材料的含氧量小于萬分之五原子分數，所述合金材料的含碳量小于萬分之七原子分數，所述合金材料的含氫量小于萬分之五原子分數。
2.根據權利要求1所述的用于低頻減振的TiNi合金板簧，其特征在于所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比為45.1∶55。
3.根據權利要求1所述的用于低頻減振的TiNi合金板簧，其特征在于所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比為54.8∶45。
4.根據權利要求1所述的用于低頻減振的TiNi合金板簧，其特征在于所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比為49.2∶50.8。
5.用于低頻減振的TiNi合金板簧的制備方法，其特征在于它按以下步驟進行一、合金冶煉先將原料金屬鈦和金屬鎳除濕并除去表面雜質及有機物，然后將處理后的金屬鈦和金屬鎳按一定的比例置入到熔煉爐中熔煉，然后澆入鑄模形成合金鑄錠，所述金屬鈦和金屬鎳的配比及其純度必須使熔煉后的合金材料滿足以下要求(I)、所述合金材料的鈦鎳兩種元素的原子比在45∶55～55∶45之間，(II)、所述合金材料的含氧量要小于萬分之五原子分數，(III)、所述合金材料的含碳量要小于萬分之七原子分數，(IV)、所述合金材料的含氫量要小于萬分之五原子分數；二、鑄錠均勻化退火對上述合金鑄錠進行均勻化退火處理然后隨爐冷卻，退火溫度為850～950℃，保溫時間為9～11小時；三、鍛造對上述進行退火后的合金鑄錠進行加熱的始鍛溫度為830～870℃、終鍛溫度為730～770℃，鍛造后合金鑄錠變成多個棒材；四、熱軋將上述鍛后的棒材經過多道次熱軋形成板材，熱軋的溫度范圍為800～850℃；五、冷軋先除去上述熱軋后板材表面的氧化膜，然后再經過多道次冷軋—中間退火—冷軋工藝，獲得所需厚度的冷軋態板材，冷軋過程中最后一道冷軋使板材的厚度減少15～20％；六、整平采用約束淬火對上述冷軋態板材進行整平定型和軟化處理，約束淬火工藝的過程為將上述冷軋態板材在845～855℃的溫度范圍內保溫10～15分鐘后進行水淬處理；七、切割用線切割或激光切割工藝將整平后的板材按所需板簧的展開圖下料，板簧的長度方向與板材的軋制方向相同；八、構件成型采用模熱壓工藝對切割后所獲的板材進行構件成型處理，首先在0～10℃的溫度下將切割后的板材固定在依據所需板簧的形狀而制備的模具內，然后將上述帶有板材的模具放置在溫度為440～460℃的加熱爐中保溫1～20min后再從爐中取出進行水淬處理，最后將板材從模具上卸下即獲得所需板簧。
6.根據權利要求5所述的用于低頻減振的TiNi合金板簧的制備方法，其特征在于步驟五中多道次冷軋—中間退火—冷軋工藝的過程為(1)對處理后的板材進行第一道冷軋使板材的厚度減少10～25％，(2)對冷軋后的板材進行中間退火處理，退火溫度為700～850℃，退火時間為15分鐘～2小時，(3)對退火后的板材再次進行冷軋使板材的厚度減少10～25％，(4)重復執行步驟(1)至(3)，直到使板材達到要求的尺寸。
7.根據權利要求5或6所述的用于低頻減振的TiNi合金板簧的制備方法，其特征在于步驟一、合金冶煉熔煉后的合金材料中鈦鎳兩種元素的原子比為49.2∶50.8，所述金屬鈦選擇純度為99.97wt％的海綿鈦，所述金屬鎳選擇純度為99.97wt％的電解鎳，熔煉爐采用水冷銅坩堝真空感應熔煉爐；二、鑄錠均勻化退火退火溫度為850℃，保溫時間為10小時；三、鍛造鍛造的始鍛溫度為850℃、終鍛溫度的范圍為750℃；四、熱軋熱軋的溫度為850℃；五、冷軋用濃硝酸除去上述熱軋后板材表面的氧化膜，中間退火過程的溫度為750℃，退火時間為0.5小時；六、整平約束淬火工藝的過程為將上述冷軋態板材在850℃時保溫10分鐘后進行水淬處理；七、切割采用線切割工藝將整平后的板材按所需板簧的展開圖下料；八、構件成型加熱爐的溫度為450℃，保溫時間為10分鐘。
8.根據權利要求5所述的用于低頻減振的TiNi合金板簧的制備方法，其特征在于步驟一合金冶煉熔煉后的合金材料中鈦鎳兩種元素的原子比為49.4∶50.6。
全文摘要
用于低頻減振的TiNi合金板簧及其制備方法，它涉及一種用于低頻減振的板簧及其制備方法的技術領域，它是為了解決目前采用鋼或橡膠材料制備的減振板簧存在阻尼特性差、容易變形、易老化、不耐腐蝕等缺點的問題。本發明板簧采用TiNi形狀記憶合金材料，其中鈦鎳兩種元素的原子比在45∶55～55∶45之間；其制備方法是一、合金冶煉；二、鑄錠均勻化退火；三、鍛造；四、熱軋；五、冷軋；六、整平；七、切割；八、構件成型。本發明的板簧具有非線性遲滯特性，可以有效地應用于電路板緊固系統、易振動的機械裝置等需要低頻減震和緊固防松的場所，其緊固力強而且恒定；同時它也具有較好的抗疲勞特性、不易老化和耐腐蝕的優點。
文檔編號C22F1/18GK1752246SQ20051001044
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月19日 優先權日2005年10月19日
發明者蔡偉, 孟祥龍, 趙興科, 吳冶, 陳楓, 趙連城 申請人:哈爾濱工業大學