CN103194694A - 铁基形状记忆合金防松螺栓及其制造、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁基形状记忆合金防松螺栓及其制造、使用方法。其特征在于：其质量百分比是：Mn：16.86%～17.23%；Si：4.50%～4.7%；Cr：2.23%～10.30%；Ni：2.26%～5.29%；C：≤0.08；除去杂质外其余成分为Fe。由铁基形状记忆合金制车削好的螺栓杆进行1100℃×60min处理后进行单向拉伸；通过精确控制预紧力与普通螺母组合成螺纹副后进行进行加热、保温，冷却：该阶段是螺栓形状记忆效应的实现阶段：通过径向轴向和马氏体相变变形及恢复产生轴向径向恢复力，实现防松。其防松效果大大高于普通螺栓，且该螺栓的防松摩擦力矩大于相同条件下铁基形状记忆合金防松螺母。本发明适用于拆装困难、高速运动、机械内部不易检查的场合，可以有效地解决链传动、桥梁、航天航空设备中关键螺纹联接的松动断裂纹体。

Description

铁基形状记忆合金防松螺栓及其制造、使用方法

技术领域

本发明属于螺纹紧固件，具体地说涉及防止螺纹副松动及松脱的一种铁基形状记忆合金防松螺栓及其制造、使用方法。该铁基形状记忆合金防松螺栓特别适用于拆装困难、高速运动、机械内部不易检查的场合。

背景技术

众所周知，螺纹联接是现代结构和机械设备常用的联接方式之一。一般螺纹联接都具有自锁性，但受到较大振动、变载、冲击作用或温度变化较大时，螺纹联接易出现松动、松脱，导致预紧力下降。螺纹联接的使用实践及防松性能试验、疲劳强度试验证明：松动失效是承受交变载荷作用下螺纹联接的主要失效形式之一。松动将引起连接预紧力减小甚至丧失，从而降低螺纹连接的质量，造成连接各零件过早的损坏，甚至引发设备故障和人身事故。螺纹联接松动的主要原因是：联接状态螺栓螺母的螺纹牙之间存在一定啮合间隙，在受到横向载荷（振动、冲击和荷载）作用时，螺母与螺栓之间能产生不同频率的振动，使得螺旋副的摩擦力矩急剧下降，瞬时可减小到零，破坏螺旋副自锁条件，导致螺母自动回转松动。因此，螺纹牙间啮合间隙是导致螺母松动的根本原因，而啮合间隙的大小，是由螺栓与螺母的标准公差带（取决于制造精度）所决定的。制造精度越高，啮合间隙就越小，但螺栓和螺母的加工成本就会越高。因此，在不增加加工成本的前提下，提高螺栓和螺母的加工精度，最大程度地减小螺纹牙间的啮合间隙，甚至产生过盈配合，是解决螺纹联接松动的关键所在。据有关资料统计，世界各国每年机械设备因紧固件松动、松脱、疲劳断裂所造成直接经济损失人民币达数百亿元以上。因此，如何简单、有效地防止螺纹联接的松动问题已经成为亟待解决的问题。近几年来，国内外在螺纹联接防松的研究方面已经作了许多的工作，研制成功了一些新型的防松螺母，并取得了一定的成效。这些螺母多从结构角度进行改进，采用摩擦防松的机理来达到防松的目的。如ST2型防松螺母、凹凸型防松螺母、锲紧自锁螺母、加键防松螺母等，这些防松方法虽然在某些工作状况下取得一定的防松效果，但是它们或者防松性能不十分可靠，或者因其需要辅助零件，辅助加工带来使用上的不便，或者从根本上改变可拆联接的性质，或者因成本过高不易推广。总之，从结构入手并没有使螺母的松动问题得到完美的解决。因此，针对上述存在的问题；研究开发出一种铁基形状记忆合金防松螺栓是十分必要的。

发明内容

本发明旨在为了避免上述技术中存在的缺点和不足之处，秉着从改进现有的、惯用的螺栓制造材料出发，通过创新采用了铁基形状记忆合金材料来加工螺纹副的螺栓；通过采用铁基形状记忆合金在约束状态下的应变恢复特性，产生恢复力进而达到螺纹副防松的目的。而提供一种铁基形状记忆合金防松螺栓及其制造、使用方法。这种创新构思技术方案是对由铁基形状记忆合金制的车削好的螺栓杆进行1100℃×60min固溶处理后进行不同预变形量的单向拉伸；通过精确控制预紧力，与普通螺母组合成螺纹副后进行进行加热、保温，然后冷却：该阶段也是螺栓形状记忆效应的实现阶段，螺栓的径向、轴向和牙型的ε马氏体相变变形及恢复，进而产生轴向、径向的恢复力，三种恢复力都可以转化为螺纹副之间的自锁摩擦力矩，达到防松的目的。

本发明的目的是采用如下的技术方案实现的：所述的铁基形状记忆合金防松螺栓，其特征在于：按化学成份质量百分比的组成是：

Mn：16.86%～17.23%；

Si：4.50%～4.7%；

Cr：2.23%～10.30%；

Ni：2.26%5.29%；

C：≤0.08

除去杂质外其余成分为Fe。

所述的铁基形状记忆合金防松螺栓的制造工艺，其特征在于：步骤为：按化学成份质量百分比的组成要求选用熔炼材料，各组分按配比混合后，在氩气保护下于真空中频感应熔炼炉冶炼；待原料溶化并保温30min使其均匀后，通过金属模浇铸成铸锭；为了消除铸锭成分的不均匀性，铸锭经1200℃均匀化退火24小时后，车去表面氧化皮，切去帽口，再加热到1100℃保温1小时后热锻成圆形棒料；其热锻时的始锻温度为1050℃，终锻温度不低于900℃；然后将圆形棒料通过形状记忆训练后车削成略大于标准尺寸的螺栓杆；并于材料试验机上对该螺栓杆进行单向拉伸预变形，通过采用较低切削速度和使用渗透性、抗粘结性和散热性好的切削液，将拉伸后的螺栓杆车削螺纹，实现制得铁基形状记忆合金螺栓。

所述的铁基形状记忆合金防松螺栓的使用方法，其使用方法的特征在于：将经过拉伸预变形处理后的铁基形状记忆合金螺栓，按照预紧力矩，与普通螺母组合成螺纹副；通过加热炉将螺纹副加热到350℃，并以大于5min时间进行保温；通过铁基形状记忆合金螺栓自身的形状记忆功能，使铁基形状记忆合金螺栓发生的径向、轴向和牙型的ε马氏体相变变形及恢复，进而产生轴向、径向的恢复力，上述的恢复力均可以转化为螺纹副之间的自锁摩擦力矩，实现螺纹副的防松。

本发明的原理和特点分述于下：

本发明秉着力图从改进现有的、惯用的螺栓制造材料出发，通过创新采用了上述的铁基形状记忆合金来加工螺纹副的螺栓；其创新构思是利用铁基形状记忆合金在约束状态下的应变恢复特性，产生恢复力进而达到螺纹副防松的目的。并提出了该铁基形状记忆合金的制造工艺和使用方法。将螺栓外螺纹加工成略大于螺母内螺纹的尺寸，然后经拉伸变形至标准螺栓外螺纹的尺寸。与普通螺母组合成螺纹副；按预紧力矩拧紧后，对螺栓进行加热。经拉伸变形的螺栓，加热后发生轴向恢复而产生轴向恢复力，该轴向恢复力可转化为螺旋副间的自锁摩擦力矩以防止螺纹副之间发生相对转动，进而达到防松的目的；同时，在拧紧的过程中，螺栓螺纹牙由于受到弯曲应力的作用而产生应力诱发ε马氏体，当螺栓加热到As点（ε马氏体向γ奥氏体转变的开始温度）以上时，应力诱发ε马氏体会发生逆相变，弯曲变形就会恢复，但因受到螺母螺纹牙的约束，也会产生一个轴向恢复力，该恢复力也可以转化为自锁摩擦力矩而起到防松的作用；另外，螺栓在加热后发生的径向尺寸恢复（变大），由于受到螺母的约束作用将产生径向恢复力，进一步起到防松作用。为了进一步验证本发明技术方案的可行性，曾通过多次模拟实验制出铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金防松螺栓，将该防松螺栓与普通螺母组合成螺纹副后进行了一系列的诸如拉力强度和轴向、径向的恢复力的性能试验；其抗拉强度可达800～1000Mpa，其余均取得了理想的效果。众所周知，由于现有技术的普通螺栓联接时的防松摩擦力矩是由螺旋副间的摩擦阻力和螺母、螺栓头支撑面与被联接件接触表面上的摩擦力，二者综合作用产生的一个自锁摩擦力矩；而本发明是利用铁基形状记忆合金的形状记忆效应及其在约束态下的恢复特性，使三方面的恢复力（包括加热后螺栓的径向、轴向以及牙型的ε马氏体逆相变所产生的恢复力）均转化为螺旋副间的自锁摩擦力矩，起到防松的作用，这是普通螺栓所不具备的。

综合以上所采取的技术方案，实现本发明的目的。

因此与现有技术相比，本发明具有下述特点：

1、本发明防松效果十分明显，其防松效果在相同恢复温度下是普通螺栓的2.9倍；在相同条件下，其防松效果是铁基形状记忆合金螺母的2.7倍。

2、本发明特别适用于拆装困难、高速运动、机械内部不易检查的场合。

3、铁基形状记忆合金抗拉强度高，可达800～1000MPa，明显高于普通螺栓材料的抗拉强度。

4、且本发明的防松摩擦力矩远远大于相同条件下铁基形状记忆合金防松螺母。该新型螺栓适用于拆装困难、高速运动、机械内部不易检查的场合，可以有效地解决链传动、桥梁、航天航空设备中关键螺纹副的松动断裂纹体。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明共有三幅附图。其中：

附图1是本发明的具体实施例的主视结构示意图；

附图2是本发明的具体实施例的轴向恢复力放大示意图；

附图3是本发明的具体实施例的径向恢复力放大示意图。

图中：1、铁基形状记忆合金防松螺栓，2、普通螺母。

图2、3中：F_RY—螺纹牙加热恢复后产生的轴向恢复力；F_Ra—加热恢复力后铁基形状记忆合金螺栓1的轴向恢复力；Fr—加热恢复后螺纹产生的径向恢复力。

具体实施方式

图1所示是本发明的具体实施例，它是铁基形状记忆合金防松螺栓1与普通螺母2组合成螺纹副的主视结构示意图；所述的铁基形状记忆合金防松螺栓1，其特征在于：按化学成份质量百分比的组成是：

Mn：16.86%;

Si：4.50%；

Cr：10.30%；

Ni：5.29%；

C：≤0.08

除去杂质外其余成分为Fe。

所述的铁基形状记忆合金防松螺栓的制造工艺，其特征在于：按化学成份质量百分比的组成要求选用熔炼材料，其熔炼材料选用工业纯铁（主要杂质为C、Al等）、镍、电解锰、硅、电解铬及钒铁，各组分按配比混合后，在氩气保护下于真空ZG-0.025型可控硅中频感应熔炼炉冶炼；其真空度为10-2Torr；待原料溶化后保温30min使其均匀；然后在金属模中浇铸成铸锭；为了消除铸锭成分的不均匀性，铸锭经1200℃均匀化退火24小时后，车去表面氧化皮，切去帽口，再加热到1100℃保温1小时后热锻成圆形棒料，其始锻温度为1050℃，终锻温度不低于900℃；将圆形棒料通过形状记忆训练后车削成略大于标准尺寸的螺栓杆；然后于MTS880材料试验机上对该螺栓杆进行单向拉伸预变形，通过采用较低切削速度和使用渗透性、抗粘结性和散热性好的切削液，将拉伸后的螺栓杆车削螺纹，实现制得铁基形状记忆合金螺栓1。

其铁基形状记忆合金防松螺栓的加工工艺流程如下：

（1）车削螺栓毛坯：将铁基形状记忆合金圆料车削成的略大于标准尺寸的螺栓杆；

（2）固溶处理：将车削好的螺栓杆进行固溶处理，消除切削加工过程中对合金内部组织结构的影响；

（3）预变形处理：对螺栓进行不同预变形量的单向拉伸，使其发生应力诱发γ→ε马氏体相变；

（4）车削螺纹：为了避免因切削加工过程中产生的切削热导致应力诱发γ→ε马氏体逆相变的发生，在切削过程中，应采取较低切削速度，同时使用渗透性、抗粘结性和散热性好的切削液进行冷却；

（5）防松螺栓试验组件：精确控制预紧力，进行螺栓连接。在这一过程中，螺栓的螺纹牙由于受到轴向预紧力而产生的弯曲应力作用，将发生应力诱发γ→ε马氏体。

用管式加热炉对该螺栓进行加热、保温，然后冷却：这一阶段是螺栓形状记忆效应的实现阶段。在一定的恢复温度下，工艺步骤（3）与工艺步骤（5）中产生的应力诱发ε马氏体开始发生逆相变，宏观上呈现形状恢复；但螺栓由于受到螺母及其螺纹牙的约束，产生一定的轴向恢复力，

该恢复力可以转化为螺纹面间的自锁摩擦力矩，进而达到防松的目的。这是普通螺栓所不具备的。

所述的铁基形状记忆合金防松螺栓的使用方法的特征在于：将经过拉伸预变形处理后的铁基形状记忆合金螺栓1，按照预紧力矩，与普通螺母2组合成螺纹副；通过管式加热炉将螺纹副加热到350℃，并以10min时间进行保温；通过铁基形状记忆合金螺栓1自身的形状记忆功能，使铁基形状记忆合金螺栓发生的径向、轴向和牙型的ε马氏体相变变形及恢复，上述的恢复力均可以转化为螺纹副之间的自锁摩擦力矩，实现螺纹副的防松。

图2中所示的F_RY是螺纹牙加热恢复后产生的轴向恢复力；其F_Ra是加热恢复力后铁基形状记忆合金螺栓1产生的轴向恢复力。

图3中所示的的Fr是加热恢复后螺纹产生的径向恢复力；其F_Ra是加热恢复力后的铁基形状记忆合金螺栓1产生的轴向恢复力。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铁基形状记忆合金防松螺栓，其特征在于：按化学成份质量百分比的组成是：

Mn：16.86%～17.23%；

Si：4.50%～4.7%；

Cr：2.23%～10.30%；

Ni：2.26%5.29%；

C：≤0.08

除去杂质外其余成分为Fe。

2.一种铁基形状记忆合金防松螺栓的制造工艺，其特征在于：步骤为：按权利要求1的化学成份质量百分比的组成要求选用熔炼材料，各组分按配比混合后，在氩气保护下于真空中频感应熔炼炉冶炼；待原料溶化并保温30min使其均匀后，通过金属模浇铸成铸锭；为了消除铸锭成分的不均匀性，铸锭经1200℃均匀化退火24小时后，车去表面氧化皮，切去帽口，再加热到1100℃保温1小时后热锻成圆形棒料；其热锻时的始锻温度为1050℃，终锻温度不低于900℃；然后将圆形棒料通过形状记忆训练后车削成略大于标准尺寸的螺栓杆；并于材料试验机上对该螺栓杆进行单向拉伸预变形，通过采用较低切削速度和使用渗透性、抗粘结性和散热性好的切削液，将拉伸后的螺栓杆车削螺纹，实现制得铁基形状记忆合金螺栓（1）。

3.如权利要求1所述的铁基形状记忆合金防松螺栓的使用方法，其使用方法的特征在于：将经过拉伸预变形处理后的铁基形状记忆合金螺栓（1），按照预紧力矩，与普通螺母（2）组合成螺纹副；通过加热炉将螺纹副加热到350℃，并以大于5min时间进行保温；通过铁基形状记忆合金螺栓（1）自身的形状记忆功能，使铁基形状记忆合金螺栓发生的径向、轴向和牙型的ε马氏体相变变形及恢复，进而产生轴向、径向的恢复力，上述的恢复力均可以转化为螺纹副之间的自锁摩擦力矩，实现螺纹副的防松。

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