CN102518640A

CN102518640A - 记忆合金材料弹性垫片及其制备方法

Info

Publication number: CN102518640A
Application number: CN2011104391551A
Authority: CN
Inventors: 陈天翔; 达国祖; 孙宝辉; 马韬麟
Original assignee: BEIJING SEEMINE Co Ltd
Current assignee: BEIJING SEEMINE Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-06-27

Abstract

记忆合金材料弹性垫片及其制备方法，涉及一种记忆合金材料。提供一种与现有传统高碳钢、不锈钢等传统材料弹性垫片相同规格、相同形状垫片，主要适于电力设备接头的记忆合金材料弹性垫片及其制备方法。记忆合金材料弹性垫片为镍钛合金垫片，镍钛合金按原子数比为NI∶TI＝52∶48。将钛和镍按比例混合，熔炼，将熔炼后得到的铸锭去除表面缺陷后，进行锻、轧，制成板材，再切割加工成垫片材料；将所得的垫片材料定型，置于恒温炉中加热，然后放入冷水中淬火，得定型后的垫片；将定型后的垫片放入恒温炉中保温，再冷却后即得记忆合金材料弹性垫片。

Description

记忆合金材料弹性垫片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种记忆合金材料，尤其是涉及一种记忆合金材料弹性垫片及其制备方法。

背景技术

1962年美国一个研究所偶然发现了TiNi合金的“形状记忆”效应，“形状记忆效应”是某些呈现“马氏体相变”的合金具有的一种奇特功能。合金处于低温相时(即马氏体相时)，施加外力使之改变形状，然后使其温度升高，当温度升至临界温度(相变点As)时，“马氏体”开始向“奥氏体”(母相)转变，这个过程就是恢复原来形状的过程。当温度升到相变完成温度时(As)，形状便恢复了变形前的形状，也就是说，“记忆”了原来的形状。这种功能称为“形状记忆效应”。经过几十年的发展，记忆合金(NiTi合金、Ti-Ni合金)被普遍应用在航天航空领域、电子仪器设备上的火灾报警器、插接件、集成电路的钎焊，医疗上的人造心瓣膜、脊椎矫正棍、头颅骨修补整形、口腔牙齿矫形和颌骨修补手术等。目前多种成分不同的合金具备这种功能，但唯有TiNi合金具备优良的记忆功能、机械性能、抗腐蚀性能、生物相容性等性能，所以成为今天应用最广的一种记忆合金材料。

电力传输过程是一个能量传输过程，能量的损失主要以热能的形式损失掉了。这种“热能”又大致分两部分，一是导线“固有电阻”造成的热能损失，再就是电路连接处，因“接触电阻”造成热能损失。因导线“固有电阻”发热造成的损失可用其他办法解决，而“接触电阻”造成发热损失却为与温度相关的“记忆合金”的应用提供了用武之地。电路连接处必然有接触电阻，电流经电阻而发热，电阻越大，发热越厉害，能量损失越大。为了减少损失，就要减小“接触电阻”。而接触电阻与导体互相搭接的压力大小有关，压力越大，“接触电阻”越小，发热越少。反之，压力越小，“接触电阻”越大，发热越厉害。而且这一发热过程还会造成恶性循环，因发热使接触面氧化，从而使“接触电阻”进一步增加，于是发热越加厉害。如果不进行处理，后果是严重浪费电能、高温损害电力设备绝缘能力、造成火灾或烧断电路。目前，电路连接主要靠螺栓固定。在连接前，处理好接触面，保证接触面清洁、平整，然后，用螺栓紧固。为了防松，螺母下加了开口或碟型弹簧垫片。这是目前最普遍常用的比较可行的机械连接方式。但是输电系统不但有发热现象，还是一个50hz震动环境。震动常会造成紧固系统失效，会造成以上所说的恶性循环，造成电能浪费和事故。如果把“形状记忆合金”做成了紧固系统的“弹簧垫片”，它随着温度升高会恢复它的记忆形状，对紧固系统施加压力，由于压力增加，减小了接触电阻，减少了发热，有效抑制了如上所说的“恶性循环”。普通弹簧垫会因温度升高而氧化、失去弹力，使紧固系统失效而进入松动-接触电阻升高-发热-更松动的恶性循环。而使用“形状记忆合金”弹簧垫后抑制恶性循环的过程是：紧固系统因震动造成松动-接触电阻增大-发热-记忆合金弹簧垫恢复形状对紧固系统施压-接触电阻减小-温度降低，有效抑制了恶性循环，达到节能降耗减少事故的目的。

假设我们用TiNi记忆合金丝做成了一根相变温度(As)40℃的记忆合金弹簧，其长度为10cm。在低于40℃时将其压缩至5cm(或将其拉伸至15cm)然后将温度逐渐升高，当达到40℃时其形状开始恢复，即朝10cm变化，随着温度升高，最终变化到记忆的10cm长的形状。弹簧在由5cm向原状10cm变化时，将产生向外的压力、由15cm向原状10cm变化时，将产生内的拉力。

利用记忆合金材料温度形变特性制作弹性垫片代替现在广泛采用的传统碳钢材料、不锈钢弹性垫片至今尚未见报道，

中国专利CN102278357A公开一种弹性垫片，其整体为n形，包括整体成型的本体和一向外弯曲的弹性悬臂。在将该弹性垫片放置于连接装置之间后，弹性悬臂受力会贴近弹性垫片本体。当连接装置之间因松动而出现空隙后，弹性悬臂会回弹，抵住其中一个与之配合的连接装置，阻止连接装置松动。

中国专利CN201322037公开一种组合弹性垫片，它由至少两片碟形弹性垫片组合构成，所述碟形弹性垫片上设有连续碟形曲面及相同直径的中心通孔。该实用新型适用于高温阀门、管线、反应器、热交换器、高温泵等多种设备的法兰螺栓紧固。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与现有传统高碳钢、不锈钢等传统材料弹性垫片相同规格、相同形状垫片，主要适于电力设备接头的记忆合金材料弹性垫片及其制备方法。

所述记忆合金材料弹性垫片为镍钛合金垫片，所述镍钛合金按原子数比为NI∶TI＝52∶48。

所述记忆合金材料弹性垫片的制备方法包括以下步骤：

1)将钛和镍按比例混合，熔炼，将熔炼后得到的铸锭去除表面缺陷后，进行锻、轧，制成板材，再切割加工成垫片材料；

2)将步骤1)所得的垫片材料定型，置于恒温炉中加热，然后放入冷水中淬火，得定型后的垫片；

3)将定型后的垫片放入恒温炉中保温，再冷却后即得记忆合金材料弹性垫片。

在步骤1)中，所述熔炼的温度可为1300℃，熔炼的时间可为30min；所述垫片可采用开口单圈弹性垫片或碟型弹性垫片等，所述开口单圈弹性垫片可按国标GB 93标准规格制作，内径可为2～39mm，外径可为4～60mm，厚度可为1～10mm，公称直径可为3～39mm；所述碟型弹性垫片可按GB/T1972-2005 DIN2093标准规格制作，外径可为6～250mm，内径可为3.2～127mm，厚度可为0.3～16mm；所述钛可采用高纯度的0级海绵钛，所述镍可采用Ni9996电解镍。

在步骤2)中，所述加热的温度可为850℃，加热的时间可为15min。

在步骤3)中，所述保温的温度可为450℃，保温的时间可为15min。

经过上述处理过程，记忆合金材料弹性垫片具备了Af在40～50℃的形状记忆功能。

本发明利用记忆合金材料的机械性能和温度形变特性，采用记忆合金材料制作与现有传统高碳钢、不锈钢等传统材料弹性垫片相同规格相同形状垫片的创新思路。

本发明所制备的记忆合金材料弹性垫片适于节能和安全的电力设备接头。

用3mm记忆合金材料弹性垫片和传统3mm弹簧垫片在同等情况下进行比对实验，在相同的接触电阻条件下，通以相同电流至两个分别装有3mm记忆合金材料弹性垫片和传统3mm弹簧垫片接头，10min后测量两接头温度以及接触电阻(分别在拧紧接头情况与接头相对松弛情况下进行实验)。实验结果表明：同等情况下，3mm记忆合金材料弹性垫片比传统3mm弹簧垫片温升低，接触电阻低，有利于安全和节能。

将本发明所制备的记忆合金材料弹性垫片用于电力系统和电工电器制造等领域，用于有电流流过的电力设备接头或有温度变化要求的各种接头处，利用本发明所制备的记忆合金材料弹性垫片的机械性能和设计合适的温度形变参数，代替传统材料弹性垫片，较传统材料弹性垫片起到更好的节能和安全作用。

本发明所制备的记忆合金材料弹性垫片可分为开口弹簧单圈垫片和碟形弹簧垫片两种。在用于导线连接接头处时，如果因工频震动产生螺栓松动而发热时弹簧垫片将产生温度形变力，此力会增加连接处的压力减少接头处接触电阻来抑制发热，从而节约能源保障安全。一个记忆合金材料弹性垫片实际是一个即具备传感器又有执行器的自动化系统。

利用记忆合金材料温度形变特性制作弹性垫片代替现在广泛采用的传统碳钢材料、不锈钢弹性垫片至今尚未见报道，记忆合金弹性垫片应用至有电流流过的电力设备接头或有温度变化要求的各种接头处，与传统弹性垫片比较，记忆合金弹性垫片对保障电力安全和提高电力设备的节能有显著效果。

附图说明

图1为本发明的记忆合金材料弹性垫片(3mm)与现有的弹簧垫片(3mm)在拧紧情况下的对比折线图。在图1中，横坐标为电流/A，左纵坐标为温度/℃，右纵坐标为电阻/Ω；标记◆为T接/℃(本发明)，■为T接/℃(现有)，▲为R(本发明)×10^-2/Ω，×为R(现有)×10^-2/Ω。

图2为本发明的记忆合金材料弹性垫片(3mm)与现有的弹簧垫片(3mm)在相对较松情况下的对比折线图。在图2中，横坐标为电流/A，左纵坐标为温度/℃，右纵坐标为电阻/Ω；标记◆为T接/℃(现有)，■为T接/℃(本发明)，▲为R(现有)×10^-2/Ω，×为R(本发明)×10^-2/Ω。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

所述记忆合金材料弹性垫片为镍钛合金垫片，所述镍钛合金按原子数比为NI∶TI＝52∶48。所述记忆合金材料弹性垫片的制备方法包括以下步骤：

1)将钛和镍按上述比例混合，熔炼，将熔炼后得到的铸锭去除表面缺陷后，进行锻、轧，制成板材，再切割加工成垫片材料；所述熔炼的温度为1300℃，熔炼的时间为30min；所述垫片采用开口单圈弹性垫片，所述开口单圈弹性垫片按国标GB 93标准规格制作，内径可为2～39mm，外径可为4～60mm，厚度可为1～10mm，公称直径可为3～39mm；所述钛采用高纯度的0级海绵钛，所述镍采用Ni9996电解镍。

2)将步骤1)所得的垫片材料定型，置于恒温炉中加热，然后放入冷水中淬火，得定型后的垫片；所述加热的温度为850℃，加热的时间为15min。

3)将定型后的垫片放入恒温炉中保温，再冷却后即得记忆合金材料弹性垫片。所述保温的温度为450℃，保温的时间为15min。

实施例2

1)将钛和镍按上述比例混合，熔炼，将熔炼后得到的铸锭去除表面缺陷后，进行锻、轧，制成板材，再切割加工成垫片材料；所述熔炼的温度为1300℃，熔炼的时间为30min；所述垫片采用碟型弹性垫片，所述碟型弹性垫片可按GB/T1972-2005 DIN2093标准规格制作，外径可为6～250mm，内径可为3.2～127mm，厚度可为0.3～16mm；所述钛采用高纯度的0级海绵钛，所述镍采用Ni9996电解镍。

以下给出所制备的记忆合金的物理化学特性及其实验数据：

表1给出了1组3mm记忆合金开口弹性垫片与3mm现有开口弹簧垫片在接头拧紧情况下的对比实验数据。实验数据表明，在同等环境温度、相同电流和相同起始接触电阻实验条件下，随着流过接头电流从0增大到260A时，记忆合金材料弹性垫片接头处的接触电阻从0.021×10^-2/Ω降低到0.01075×10^-2/Ω，下降50％，接头温度为62℃。传统弹簧垫片接头处的接触电阻基本不变，接头温度为77℃，记忆合金垫片的节能和安全效益显著。

表1 3mm记忆合金开口弹性垫片与3mm现有开口弹簧垫片在拧紧情况下的对比数据

表2给出1组3mm记忆合金开口弹性垫片与3mm现有开口弹簧垫片在接头松动情况下的对比实验数据。实验数据表明在同等环境温度、相同电流和相同起始接触电阻实验条件下，随着流过接头电流从0增大到260安培时，记忆合金垫片接头处的接触电阻从0.03835×10^-2/Ω降低到0.0109×10^-2/Ω，下降71.5％，接头温度为89℃。传统弹簧垫片接头处的接触电阻降低到0.0319×10^-2/Ω，下降16.8％，接头温度达到115℃，威胁设备运行安全。记忆合金垫片的节能和安全效益显著。

表2 3mm记忆合金开口弹性垫片与3mm现有开口弹簧垫片在相对较松情况下的对比数据

模拟常用实际10kV、20kV安配电变压器运行环境，在配电变压器的接头上分别采用记忆合金弹性垫片和传统弹性垫片进行实际对比实验。

给接头通入200A工作电流，接头起始温度和接触电阻相同，通电10min后测量。

1、在接头拧紧情况下(起始温度：23℃，起始接触电阻：0.021×10^-2/Ω)：

使用记忆合金弹性垫片处接头接触电阻为0.01375×10^-2/Ω，接头温度为47℃；而使用普通弹簧垫片处接头接触电阻为：0.02305×10^-2/Ω，接头温度为55℃。按厦门目前非普工业电价每度0.617元电价计算，则一个采用记忆合金弹性垫片接头工作一年情况下，与传统垫片接头比较将节省32.5872kW·h电，相当于减少电费支出约20元人民币，是个相当可观的数字。

2、在接头相对较松的情况下(起始温度：23℃，起始接触电阻：0.03835×10^-2/Ω)：

使用记忆合金垫片处接头接触电阻为：0.01660×10^-2/Ω，接头温度为57℃；而使用普通弹簧垫片处接头接触电阻为：0.03125×10^-2/Ω，接头温度为70℃。一个采用记忆合金弹性垫片接头与传统垫片接头比较一年可以节省51.3336kW·h电，相当于减少电费支出约32元人民币。

相比于普通弹簧垫片，本发明在减小接触电阻节能以及安全性能上有着绝对的优势。

图1给出本发明实施例的记忆合金材料弹性垫片(3mm)与现有的弹簧垫片(3mm)在拧紧情况下的对比折线图。图2给出本发明实施例的记忆合金材料弹性垫片(3mm)与现有的弹簧垫片(3mm)在相对较松情况下的对比折线图。

Claims

1.记忆合金材料弹性垫片，其特征在于为镍钛合金垫片，所述镍钛合金按原子数比为NI∶TI＝52∶48。

2.如权利要求1所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述熔炼的温度为1300℃，熔炼的时间为30min。

4.如权利要求2所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述垫片采用开口单圈弹性垫片或碟型弹性垫片。

5.如权利要求4所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于所述开口单圈弹性垫片按国标GB 93标准规格制作，内径为2～39mm，外径为4～60mm，厚度为1～10mm，公称直径为3～39mm。

6.如权利要求4所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于所述碟型弹性垫片按GB/T1972-2005 DIN2093标准规格制作，外径为6～250mm，内径为3.2～127mm，厚度为0.3～16mm。

7.如权利要求2所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述钛采用高纯度的0级海绵钛。

8.如权利要求2所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述镍采用Ni9996电解镍。

9.如权利要求2所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述加热的温度为850℃，加热的时间为15min。

10.如权利要求2所述的记忆合金材料弹性垫片的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述保温的温度为450℃，保温的时间为15min。