專利名稱：記憶合金材料彈性墊片及其制備方法
技術領域：
本發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：
1962年美國一個研究所偶然發現了 TiNi合金的“形狀記憶”效應，“形狀記憶效應”是某些呈現“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(即馬氏體相時)，施加外力使之改變形狀，然后使其溫度升高，當溫度升至臨界溫度(相變點As)時， “馬氏體”開始向“奧氏體”(母相)轉變，這個過程就是恢復原來形狀的過程。當溫度升到相變完成溫度時(As)，形狀便恢復了變形前的形狀，也就是說，“記憶”了原來的形狀。這種功能稱為“形狀記憶效應”。經過幾十年的發展，記憶合金(NiTi合金、Ti-Ni合金)被普遍應用在航天航空領域、電子儀器設備上的火災報警器、插接件、集成電路的釬焊，醫療上的人造心瓣膜、脊椎矯正棍、頭顱骨修補整形、口腔牙齒矯形和頌骨修補手術等。目前多種成分不同的合金具備這種功能，但唯有TiM合金具備優良的記憶功能、機械性能、抗腐蝕性能、生物相容性等性能，所以成為今天應用最廣的一種記憶合金材料。電力傳輸過程是一個能量傳輸過程，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。因導線“固有電阻”發熱造成的損失可用其他辦法解決，而“接觸電阻”造成發熱損失卻為與溫度相關的“記憶合金”的應用提供了用武之地。電路連接處必然有接觸電阻，電流經電阻而發熱，電阻越大，發熱越厲害，能量損失越大。為了減少損失，就要減小“接觸電阻”。而接觸電阻與導體互相搭接的壓力大小有關，壓力越大，“接觸電阻”越小，發熱越少。反之，壓力越小，“接觸電阻”越大，發熱越厲害。而且這一發熱過程還會造成惡性循環，因發熱使接觸面氧化，從而使“接觸電阻”進一步增加，于是發熱越加厲害。如果不進行處理，后果是嚴重浪費電能、高溫損害電力設備絕緣能力、造成火災或燒斷電路。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械連接方式。但是輸電系統不但有發熱現象，還是一個50hz震動環境。震動常會造成緊固系統失效，會造成以上所說的惡性循環，造成電能浪費和事故。如果把“形狀記憶合金”做成了緊固系統的“彈簧墊片”，它隨著溫度升高會恢復它的記憶形狀，對緊固系統施加壓力，由于壓力增加，減小了接觸電阻，減少了發熱，有效抑制了如上所說的“惡性循環”。普通彈簧墊會因溫度升高而氧化、失去彈力，使緊固系統失效而進入松動-接觸電阻升高-發熱-更松動的惡性循環。而使用“形狀記憶合金”彈簧墊后抑制惡性循環的過程是緊固系統因震動造成松動-接觸電阻增大-發熱-記憶合金彈簧墊恢復形狀對緊固系統施壓-接觸電阻減小-溫度降低，有效抑制了惡性循環，達到節能降耗減少事故的目的。假設我們用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，其長度為10cm。在低于40°C時將其壓縮至5cm(或將其拉伸至15cm)然后將溫度逐漸升高，當達到40°C時其形狀開始恢復，即朝IOcm變化，隨著溫度升高，最終變化到記憶的IOcm長的形狀。彈簧在由5cm向原狀IOcm變化時，將產生向外的壓力、由15cm向原狀IOcm變化時，將產生內的拉力。利用記憶合金材料溫度形變特性制作彈性墊片代替現在廣泛采用的傳統碳鋼材料、不銹鋼彈性墊片至今尚未見報道，中國專利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，彈性懸臂受力會貼近彈性墊片本體。當連接裝置之間因松動而出現空隙后，彈性懸臂會回彈，抵住其中一個與之配合的連接裝置，阻止連接裝置松動。中國專利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成，所述碟形彈性墊片上設有連續碟形曲面及相同直徑的中心通孔。該實用新型適用于高溫閥門、管線、反應器、熱交換器、高溫泵等多種設備的法蘭螺栓緊固。
發明內容
本發明的目的在于提供一種與現有傳統高碳鋼、不銹鋼等傳統材料彈性墊片相同規格、相同形狀墊片，主要適于電力設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標GB 93標準規格制作，內徑可為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標準規格制作，外徑可為6 250mm，內徑可為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，加熱的時間可為15min。在步驟3)中，所述保溫的溫度可為450°C，保溫的時間可為15min。經過上述處理過程，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。本發明利用記憶合金材料的機械性能和溫度形變特性，采用記憶合金材料制作與現有傳統高碳鋼、不銹鋼等傳統材料彈性墊片相同規格相同形狀墊片的創新思路。本發明所制備的記憶合金材料彈性墊片適于節能和安全的電力設備接頭。用3mm記憶合金材料彈性墊片和傳統3mm彈簧墊片在同等情況下進行比對實驗， 在相同的接觸電阻條件下，通以相同電流至兩個分別裝有3mm記憶合金材料彈性墊片和傳統3mm彈簧墊片接頭，IOmin后測量兩接頭溫度以及接觸電阻(分別在擰緊接頭情況與接頭相對松弛情況下進行實驗)。實驗結果表明同等情況下，3mm記憶合金材料彈性墊片比傳統3mm彈簧墊片溫升低，接觸電阻低，有利于安全和節能。將本發明所制備的記憶合金材料彈性墊片用于電力系統和電工電器制造等領域， 用于有電流流過的電力設備接頭或有溫度變化要求的各種接頭處，利用本發明所制備的記憶合金材料彈性墊片的機械性能和設計合適的溫度形變參數，代替傳統材料彈性墊片，較傳統材料彈性墊片起到更好的節能和安全作用。本發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。在用于導線連接接頭處時，如果因工頻震動產生螺栓松動而發熱時彈簧墊片將產生溫度形變力，此力會增加連接處的壓力減少接頭處接觸電阻來抑制發熱，從而節約能源保障安全。一個記憶合金材料彈性墊片實際是一個即具備傳感器又有執行器的自動化系統。利用記憶合金材料溫度形變特性制作彈性墊片代替現在廣泛采用的傳統碳鋼材料、不銹鋼彈性墊片至今尚未見報道，記憶合金彈性墊片應用至有電流流過的電力設備接頭或有溫度變化要求的各種接頭處，與傳統彈性墊片比較，記憶合金彈性墊片對保障電力安全和提高電力設備的節能有顯著效果。
圖1為本發明的記憶合金材料彈性墊片(3mm)與現有的彈簧墊片(3mm)在擰緊情況下的對比折線圖。在圖1中，橫坐標為電流/A，左縱坐標為溫度/°C，右縱坐標為電阻/ Ω ；標記 為T接/°C (本發明)，■為T接/°C (現有)，▲為R(本發明)Χ10_2/Ω，χ為 R (現有)Χ1(Γ2/Ω。圖2為本發明的記憶合金材料彈性墊片(3mm)與現有的彈簧墊片(3mm)在相對較松情況下的對比折線圖。在圖2中，橫坐標為電流/A，左縱坐標為溫度/°C，右縱坐標為電阻/Ω ；標記 為T接/°C (現有)，■為T接/°C (本發明)，▲為R(現有)Χ10_2/Ω，X 為R(本發明)X ΙΟ—2/Ω。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。實施例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標GB 93標準規格制作，內徑可為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，保溫的時間為15min。實施例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標準規格制作，外徑可為6 250mm，內徑可為3. 2 127mm，厚度可為0. 3 16mm ；所述鈦采用高純度的0級海綿鈦，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，保溫的時間為15min。以下給出所制備的記憶合金的物理化學特性及其實驗數據表1給出了 1組3mm記憶合金開口彈性墊片與3mm現有開口彈簧墊片在接頭擰緊情況下的對比實驗數據。實驗數據表明，在同等環境溫度、相同電流和相同起始接觸電阻實驗條件下，隨著流過接頭電流從0增大到^OA時，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，記憶合金墊片的節能和安全效益顯著。表1 3mm記憶合金開口彈性墊片與3mm現有開口彈簧墊片在擰緊情況下的對比數據
T 接/。c ~T 接/。c^““~
時間電流/AR(記憶)Χ10_2/Ω R(現有)Χ10々Ω
(記憶)(現有)
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現有開口彈簧墊片在接頭松動情況下的對比實驗數據。實驗數據表明在同等環境溫度、相同電流和相同起始接觸電阻實驗條件下，隨著流過接頭電流從0增大到260安培時，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%，接頭溫度達到115°C，威脅設備運行安全。記憶合金墊片的節能和安全效益顯著。表2 3mm記憶合金開口彈性墊片與3_現有開口彈簧墊片在相對較松情況下的對比數據
權利要求
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比為 NI TI = 52 48。
2.如權利要求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，熔煉的時間為30min。
4.如權利要求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標GB 93標準規格制作，內徑為2 39mm，外徑為4 60mm，厚度為1 10mm， 公稱直徑為3 39mm。
6.如權利要求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標準規格制作,外徑為6 250mm，內徑為3. 2 127mm，厚度為0. 3 16mm。
7.如權利要求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級海綿鈦。
8.如權利要求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，加熱的時間為15min。
10.如權利要求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。提供一種與現有傳統高碳鋼、不銹鋼等傳統材料彈性墊片相同規格、相同形狀墊片，主要適于電力設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F16B43/00GK102518640SQ20111043915
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者孫寶輝, 達國祖, 陳天翔, 馬韜麟 申請人:北京西脈記憶合金有限公司