CN100523263C - 铁基形状记忆合金扣合键及其制造、使用方法 - Google Patents

铁基形状记忆合金扣合键及其制造、使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对机件的裂纹、裂缝、破损、孔洞及其它缺陷进行修补的铁基形状记忆合金扣合键及其制造、使用方法。铁基形状记忆合金扣合键化学成分的质量百分比如下：Si3.0～6.0、Mn 4.0～30.0、Cr 0～18.0、Zr 0～5.0、Nb 0～6.0、Ti 0～5.0、V 0～5.0、C 0.01～0.20；除去杂质外其余成分为Fe。采用真空感应熔炼炉熔炼；在室温下拉伸成待用扣合键。各个扣合键同时收缩对两边基体产生的拉紧作用，以达到对裂纹、裂纹的闭合。本发明工艺简单易行，作用力平稳，各个键的受力均匀，不存在高温松弛、渗漏的问题。

Description

铁基形状记忆合金扣合键及其制造、使用方法
技术领域
本发明涉及一种对机件的裂纹、裂缝、破损、孔洞及其它缺陷进行修补的铁基形状记忆合金扣合键及其制造、使用方法。
背景技术
大型机件在使用过程中受力受热不均匀、制造过程中存在缺陷以及残余应力等原因，会使机件产生裂纹、裂缝、破损等问题。对于重要的机件，损坏后如果更换新件，不仅价格昂贵，而且从订货、运输到安装调试往往需要很长时间，会长时间影响设备的使用而导致经济损失。而采用适当的工艺，在短时间将损坏的机件修复，会避免因修复工期长而带来的损失。目前，金属扣合工艺在中大型机件的修理方面应用得比较广泛，因为中大型机件积大、金属材料层厚以及材料本身的特性，有很多不适合采用焊补工艺进行修复，或者焊补效果不理想。例如大型船舶柴油机的构件出现裂纹后，可采用金属扣合工艺进行修复。在金属扣合工艺中使用的扣合键多采用与基体材料性能相近的普通铁合金或镍铬合金制造的波浪型扣合键。金属扣合工艺具体实施时，是在裂缝的两端打止裂孔，在裂缝的两边距离裂缝一定的距离，沿着裂缝的法线方向用高压风钻或电钻等按照模板在裂缝的基体上钻出孔洞，通常孔洞的深度为基体厚度的四分之一到二分之一，然后将扣合键从两端开始打入孔洞，借助扣合与孔洞的配合产生的机械紧固力达到对裂缝的修补作用，同时利用加工过程中的加工硬化，提高扣合键的强度。金属扣合工艺也可利用热胀冷缩原理，先对扣合键加热，然后再放入孔洞，利用冷缩作用达到对裂纹裂缝修补。
利用金属扣合工艺方法修复机件的工时仅为制作新件的1/3～1/30，运用该工艺修复缺陷机件，其费用仅为制作新件的1/3～1/30，在缺少备件、更换新件工作难度大及各种应急状态下，该工艺显得方便、快捷。
目前金属扣合法修复工艺中使用的金属键，需要逐个键用力打入，较为费时费力；修复的效果会因为操作人员的技术水平的高低不同出现较大的差异，成熟的技术手法掌握起来较难；金属扣合一般需要多道扣合键，各个键的受力不均匀；另外利用普通的扣合键修补裂缝、裂纹，存在着高温的时候裂纹、裂缝处重新产生渗漏的问题；为了解决高温泄漏问题，一般会采用热膨胀系数小于或者等于铸铁的价格较贵Invar合金扣合键，经济代价较大。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种铁基形状记忆合金扣合键。是利用了形状记忆合金扣合键在不同温度下呈现出不同尺寸的性能达到联接目的。
合键在不同温度下呈现出不同尺寸的性能达到联接目的。
其工作原理是：形状记忆合金扣合键经拉伸预变形后，安放在待修复机件裂缝两侧的槽内，然后将形状记忆合金扣合键加热到某一温度以上后，扣合键的形状就向拉伸前的形状恢复(即收缩)产生紧固力，实现裂缝紧密扣合达到修复机件的目的，其联接原理如图6、7所示。
本发明所指的铁基形状记忆合金化学成分的质量百分比如下：
Si    3.0～6.0
Mn    4.0～30.0
Cr    0～18.0
Zr    0～5.0
Nb    0～6.0
Ti    0～5.0
V     0～5.0
C     0.01～0.20
除去杂质外其余成分为Fe。
本发明的第二个目的在于，提供所述铁基形状记忆合金扣合键的制造方法，步骤为：按设计要求选用熔炼材料，各组分按配比混合后，采用真空感应熔炼炉熔炼；熔炼时待原料全部溶化后，保温30-40min左右使成分均匀，然后浇模铸成铸锭；铸锭在1100-1200℃均匀化退火22-24h之后切去帽口，车去外皮，热锻成带状；在550-650℃按10-14％变形量轧制；将轧制后的带状合金材料初步机加工成设计形状的扣合键，然后在真空炉中750-850时效10-20min，待扣合键冷却后，在室温下按3-5％的变形率拉伸成待用扣合键。
本发明的第三个目的在于，提供所述铁基形状记忆合金扣合键的使用方法：该方法是：在裂纹、裂缝的两边钻出孔洞，以无应力状态把记忆合金扣合键放入孔洞，待全部扣合键安装完毕后，通过加热器给扣合键加热到150℃～350℃，并且保温一段时间，通过记忆合金扣合键自身的形状记忆功能，产生收缩变形，利用各个扣合键同时收缩对两边基体产生的拉紧作用，以达到对裂纹、裂纹的闭合。
现有金属键扣合工艺存在安装复杂、对人员技术要求高、各个键受力不均匀、高温渗漏等缺点。而利用本发明的铁基形状记忆合金扣合键修复机件裂纹、裂缝时，工艺简单易行，对实施人员技术水平要求低，作用力平稳，各个键的受力均匀，不存在高温松弛、渗漏的问题。从维修工艺、技术要求以及修理效果来看，本发明的扣合键都要优于现有的扣合键，尤为突出的是本发明的扣合键，更适合用于长期处于较高温工作状态的中、大型部件的裂纹、裂缝等的修补。
本发明的有益效果是，本发明是靠铁基形状记忆合金扣合键，在不同温度下呈现出不同尺寸的性能达到联接目的，联接前后扣合键的尺寸变化大(在自由状态下尺寸变化可达2％以上)。铁基形状记忆合金扣合键同其它金属扣合键联接相比具有如下优点：
①扣合键结构简单、灵活，制造方便；
②安装实施方便，对维修人员的技术水平要求低；
③联接后扣合键受力均匀，联接可靠，能够解决一般金属扣合键由于热膨胀而造成的高温泄漏问题；
④铁基形状记忆合金抗拉强度高，可达800～1000Mp，高于国际上常用的Invar合金扣合材料的抗拉强度(600Mp左右)。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细地描述。
图1：工字型铁基形状记忆合金扣合键示意图。
图2：工字型铁基形状记忆合金扣合键底孔模板视图。
图3：波浪型铁基形状记忆合金扣合键示意图。
图4：波浪型铁基形状记忆合金扣合键底孔模板视图。
图5：波浪型铁基记忆合金扣合键使用示意图。
图6：工字型铁基形状记忆合金扣合键加热前示意图。
图7：工字型铁基形状记忆合金扣合键加热后示意图。
具体实施方式
记忆合金扣合键的制造方法，包括按设计要求选用熔炼材料，按如下配比(化学成分的质量百分比)混合：
Si  3.0～6.0
Mn  4.0～30.0
Cr  0～18.0
Zr  0～5.0
Nb  0～6.0
Ti  0～5.0
V   0～5.0
C   0.01～0.20
除去杂质外其余成分为Fe。
混合后，采用真空感应熔炼炉熔炼。熔炼时待原料全部溶化后，保温30min左右使成分均匀，然后浇模铸成铸锭。铸锭在1200℃均匀化退火24h之后切去帽口，车去外皮，热锻成带状，在600℃按10-14％变形量轧制，将轧制后的带状合金材料初步机加工成设计形状的扣合键，然后在真空炉中800℃时效10-20min，待扣合键冷却后，在室温下按3-5％的变形率拉伸成待用扣合键。
扣合键的使用方法如下：
1.准备工作：
用清洗剂、清水等对机件彻底清洗，再用压缩空气吹干或自然晾干。
2.选配扣合键：
根据机件上裂缝等损坏的具体情况，以及基体的材质选配不同的回复率的扣合键。
3.扣合键的安装：
确定欲镶扣合键的位置，相邻扣合键的间距为30mm～50mm在各位置点沿裂痕或镶配边界的法线方向固定扣合键底孔模板。用高压风钻或电动钻等通过底孔模板套打底孔，孔深度为机件厚度的1/4～1/2，或在机件两侧均打出底孔，将扣合键轻轻放入底孔，必要时涂密封胶。
4.扣合键的加热：
应用加热工具对记忆合金扣合键加热至150℃～350℃左右，并保温一段时间。
5.整形：
剔除扣合键多余部分，用腻子等添补缝隙，进行加工，使机件达到所要求的表面粗糙度，涂防锈油、刷漆等表面处理工作。
6.试验：对有压力要求的机件进行耐压试验，对有强度要求的机件进行强度试验。

Claims (3)

1、一种铁基形状记忆合金扣合键，其特征在于，按质量百分比，组成是：
3.0<Si<6.0
4.0<Mn<30.0
0<Cr<18.0
0<Zr<5.0
0<Nb<5.0
0<Ti<5.0
0<V<5.0
0.01<C<0.20
除去杂质外其余成分为Fe。
2、制备权利要求1所述的一种铁基形状记忆合金扣合键的方法，其特征在于，步骤为：按设计要求选用熔炼材料，各组分按配比混合后，采用真空感应熔炼炉熔炼，熔炼时待原料全部溶化后，保温30-40min使成分均匀，然后浇模铸成铸锭；铸锭在1100-1200℃均匀化退火22-24h之后切去帽口，车去外皮，热锻成带状；在550-650℃按10-14％变形量轧制；将轧制后的带状合金材料初步机加工成设计形状的扣合键，然后在真空炉中750-850时效10-20min，待扣合键冷却后，在室温下按3-5％的变形率拉伸成待用扣合键。
3、一种如权利要求1所述的铁基形状记忆合金扣合键的使用方法，其特征在于，该方法是：在裂纹、裂缝的两边钻出孔洞，以无应力状态把记忆合金扣合键放入孔洞，待全部扣合键安装完毕后，通过加热器给扣合键加热到150℃～350℃，并且保温一段时间，通过记忆合金扣合键自身的形状记忆功能，产生收缩变形，利用各个扣合键同时收缩对两边基体产生的拉紧作用，以达到对裂纹、裂纹的闭合。
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