CN108039691A - 一种高压输电线夹用高弹力垫片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线夹用高弹力垫片及其制备方法，垫片采用NiTi合金材料，垫片形状为圆环形，外环高度(H)与内环高度(h)的比值为1＜H/h≤1.8，垫片表面沿直径方向扩展为平面、抛物线曲面或正弦函数曲面，垫片环形外缘倒角β与环孔边缘倒角α均为30°～60°。本发明采用了一种立体异形圆环垫片设计，这种特殊设计有利于减小形变过程中垫片外围的破裂、张裂等失效几率，结合对NiTi材料形状记忆效应的控制，为高压输电线夹的紧固体系提供接近95％的应变补偿量；对边缘进行倒角设计，通过角度的设计以降低垫片边缘在变形中的两向张应力，减小了边缘崩裂的风险。

Description

一种高压输电线夹用高弹力垫片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高压输电线夹用高弹力垫片及其制备方法。

背景技术

人们的生活与工作离不开电，高压线路可以减少电能在输送过程中的损耗，输电、变电系统共同组成发电端与用户端的连接网络。在输电与变电系统中，大量高压线路的连接依赖于各种不同规格的螺栓紧固导电线夹。随着自然环境中的风吹雨淋，螺栓在低周循环震动中易松动，线夹缝隙增加，则引起电阻升高，可能导致温度急剧上升直至酿成火灾事故。

高弹力垫片可以在螺栓轻微松动时，给予紧固力补偿，使线夹不至于随之松动。我国当前输变电系统中普遍使用镀铬钢等材料作为垫片材料，长期暴露室外与各种自然环境下，垫片容易逐渐腐蚀，并丧失紧固能力。因紧固件失效而引发事故是当前电网输变电系统事故的一大来源。

NiTi合金具备良好的形状记忆效应、超弹性、耐腐蚀性，在关键紧固件方面，尤其是法兰盘连接紧固垫片上得到大量应用，在国内外广泛用于航空航天、潜艇制造、石油提炼、石油化工、天然气输送、核能发电等领域，大大减少泄露以及维修成本。若采用NiTi合金应用于高压输电线夹紧固垫片，通过合适的形状设计、加工成型技术、热处理与成分控制，可以充分利用其形状记忆效应与超弹性：垫片安装时，垫片处于马氏体状态，弹性模量为20GPa左右，质地相对较软，便于装载；当线夹松动，线路电阻上升，焦耳热将使线夹温度上升，当超过奥氏体转变峰值温度(A_p)，NiTi合金将迅速恢复特定形状，弹性模量突变为70GPa以上，将可提供最高接近600MPa的恢复力，用于补偿线夹紧固力。与此同时，NiTi合金的耐腐蚀性与高阻尼特性，有利于抵抗输变电系统在自然环境中遭遇各种气候状况，大大降低因垫片失效、紧固力不足而引发的电网事故。但NiTi合金在传统电网的输变电系统中则很少得到应用。

这是因为目前的高压输电线夹用高弹力垫片一般设计为普通平面圆环状，如果采用NiTi合金来制备只能利用材料本身的形状回复性来进行应变补偿，以防止紧固体系松动。垫片在装载时，马氏体变体自适应调整，以提供可完全恢复的变形量，该过程主要为孪生或者孪晶运动过程；一旦装载过程中引发了位错滑移，则该部分变形不在回复范围内。理想情况下，仅靠NiTi合金材料本身的回弹性，至多只能提供不超过8％的应变回弹补偿，实际从压缩状态恢复时，因位错滑移等不可逆因素使得实际补偿值更低于设计值。

此外，NiTi合金机械加工性能差，异形垫片更是难以通过传统机械加工技术加工得到。虽然注射成形技术可高效率、高精度加工形状自由度高的高性能精密零部件，可极大节省材料成本与加工成本，并在不锈钢等材料上已经得到较为成熟的应用。但应用于镍钛合金这样高活性材料时则较为困难，容易造成氧、碳含量大大增加，而且NiTi₂、Ni₄Ti₃等中间相的出现会损害力学性能，并使马氏体相变点偏移、相变过程改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用NiTi合金材料的高压输电线夹用高弹力垫片。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：垫片采用NiTi合金材料，垫片形状为圆环形，外环高度(H)与内环高度(h)的比值为1＜H/h≤1.8，垫片表面沿直径方向扩展为平面、抛物线曲面或正弦函数曲面，垫片环形外缘倒角β与环孔边缘倒角α均为30°～60°。

所述NiTi合金材料，其中Ni的原子百分比为49.5～50.0。

本发明采用了一种立体异形圆环垫片设计。由于异形垫片装载、形状回复过程中，越靠近外缘形变量越大，且受两向张应力越大，其外径高度大于内径高度，这种特殊设计有利于减小形变过程中垫片外围的破裂、张裂等失效几率。沿垫片直径方向截面形状为平面或抛物线曲面或正弦函数曲面的一种，结合对NiTi材料形状记忆效应的控制，为高压输电线夹的紧固体系提供接近95％的应变补偿量；对边缘进行倒角设计，通过角度的设计以降低垫片边缘在变形中的两向张应力，减小了边缘崩裂的风险。所述高压输电线夹用高弹力垫片，马氏体相变峰值温度为20～40℃，当温度低于马氏体相变峰值温度时，垫片软化，利于安装，且温度区间可调，适应于不同气温环境；奥氏体相变峰值温度为50～70℃，当线夹温度达到或接近奥氏体相变峰值温度时，垫片将迅速回复母相形状，为线夹系统提供应变补偿；异形设计的NiTi合金垫片将为高压输电线夹提供接近95％的应变回复补偿，大大超过仅依靠材料本身回复形所提供的应变补偿量。

本发明的另一个目的是提供一种高压输电线夹用高弹力垫片制备方法。

为了达到上述目的，本发明的制备方法的技术方案包括以下步骤：

(1)粉末与粘结剂准备：NiTi预合金粉末的平均粒径为15～20μm，其中Ni的原子百分比为49.5～50.0，杂质总量为0.01～0.2wt.％；粘结剂主要成分(质量百分数)为：聚乙二醇20～35％，聚甲醛60～65％，聚丙烯3～15％，乙烯-乙烯乙酸共聚物2～10％，以上成分总和为100％；

(2)混炼：氩气保护下，保持料温170～190℃，将粉末与粘结剂混炼1～3h，得到喂料；

(3)注射成形：模具腔体根据垫片实际形状进行设计，将喂料加热至165～185℃，在95～110MPa下注射进入模具，冷却后脱模，得到注射坯体；

(4)脱脂：45～65℃下，将注射坯浸入循环蒸馏水中2～5h；然后，105～120℃下，在硝酸中进行催化脱脂，保持4～6h；

(5)真空烧结：在(1～9)×10^-4Pa真空压力下，以1～5℃/min升温速率升温至400～600℃，保温0.5～2h，再以1～10℃/min升温速率升温至1230～1270℃，保温4～8h。

本发明的制备方法使用注射成形技术，并采用了新型低温脱除粘结剂，同时使用水基、塑基树脂，可以降低脱脂温度，大大减少脱脂、烧结过程中杂质增加，为NiTi合金产品的性能稳定提供保证。该制备方法通过粘结剂及工艺流程创新，可在避免大量氧化的前提下，大批量一次成形得到高性能异形垫片，大大降低加工成本。

附图说明

图1为高压输电线夹用高弹力垫片的俯视外观示意图；

图2为高压输电线夹用高弹力垫片的平面截面结构示意图；

图3为高压输电线夹用高弹力垫片的抛物线截面结构示意图；

图4为高压输电线夹用高弹力垫片在装载状态下被压平的截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例一：

如图1和图2所示，垫片采用NiTi合金材料，其中Ni的原子百分比为49.5，垫片形状为圆环形，外环高度(H)与内环高度(h)的比值为1.2，垫片表面沿直径方向扩展为平面，垫片环形外缘倒角β为35°，环孔边缘倒角α为30°。图4为高压输电线夹用高弹力垫片在装载状态下被压平的截面结构示意图。

其制备方法包括：

(1)粉末与粘结剂准备：NiTi预合金粉末的平均粒径为15μm，主要成分为Ti-x Ni(原子百分数)，其中x＝49.5，杂质总量为0.2wt.％；粘结剂结合水基与塑基树脂，主要成分(质量百分数)为：聚乙二醇20％，聚甲醛60％，聚丙烯10％，乙烯-乙烯乙酸共聚物10％；

(2)混炼：氩气保护下，保持料温180℃，将粉末与粘结剂混炼1h，得到喂料；

(3)注射成形：模具腔体根据垫片实际形状进行设计，将喂料加热至180℃，在110MPa下注射进入模具，冷却后脱模，得到注射坯体；

(4)脱脂：60℃下，将注射坯浸入循环蒸馏水中4h；然后，110℃下，在硝酸中进行催化脱脂，保持保持4h；

(5)真空烧结：残余微量粘结剂的热脱脂与烧结在脱烧一体炉中进行。在1×10^-4Pa真空压力下，以5℃/min升温速率升温至500℃，保温1h，再以3℃/min升温速率升温至1250℃，保温6h；

(6)机械抛光、化学抛光与清洁处理后得到成品。

该实例所得高压输电线夹用高弹力垫片，马氏体相变峰值温度约为40℃，当温度低于马氏体相变峰值温度时，垫片软化，利于安装，适应于气温较高的环境；奥氏体相变峰值温度约为70℃，当线夹温度达到或接近奥氏体相变峰值温度时，垫片将迅速回复母相形状，为线夹系统提供应变补偿；该实例异形设计的NiTi合金垫片将为高压输电线夹提供约为91％的应变回复补偿，大大超过仅依靠材料本身回复形所提供的应变补偿量。

实施例2：

垫片采用NiTi合金材料，其中Ni的原子百分比为50.0，垫片为圆环形状，外环高度(H)与内环高度(h)的比值，H/h＝1.7；如图3所示，垫片表面沿直径方向扩展为抛物线曲面；垫片环形外缘倒角β为60°，环孔边缘倒角α为53°；垫片其他尺寸服从实际服役线夹标准进行设计。

其制备方法包括：

(1)粉末与粘结剂准备：NiTi预合金粉末的平均粒径为20μm，主要成分为Ti-x Ni(原子百分数)，其中x＝50.0，杂质总量为0.2wt.％；粘结剂结合水基与塑基树脂，主要成分(质量百分数)为：聚乙二醇35％，聚甲醛60％，聚丙烯3％，乙烯-乙烯乙酸共聚物2％；

(2)混炼：氩气保护下，保持料温180℃，将粉末与粘结剂混炼1h，得到喂料；

(3)注射成形：模具腔体根据垫片实际形状进行设计，将喂料加热至170℃，在100MPa下注射进入模具，冷却后脱模，得到注射坯体；

(4)脱脂：60℃下，将注射坯浸入循环蒸馏水中5h；然后，110℃下，在硝酸(HNO₃)中进行催化脱脂，保持6h；取出后干燥；

(5)真空烧结：残余微量粘结剂的热脱脂与烧结在脱烧一体炉中进行。在9×10^-4Pa真空压力下，以5℃/min升温速率升温至500℃，保温1h，再以3℃/min升温速率升温至1250℃，保温6h；

(6)机械抛光、化学抛光与清洁处理后得到成品。

该实例所得高压输电线夹用高弹力垫片，马氏体相变峰值温度约为20℃，当温度低于马氏体相变峰值温度时，垫片软化，利于安装，适应于气温较低的环境；奥氏体相变峰值温度约为50℃，当线夹温度达到或接近奥氏体相变峰值温度时，垫片将迅速回复母相形状，为线夹系统提供应变补偿；该实例异形设计的NiTi合金垫片将为高压输电线夹提供约为95％的应变回复补偿，大大超过仅依靠材料本身回复形所提供的应变补偿量。

实施例3：

本发明的高压输电线夹用高弹力垫片采用NiTi合金材料，其中Ni的原子百分比为49.8，垫片为圆环形状，外环高度(H)与内环高度(h)的比值，H/h＝1.8；垫片表面沿直径方向扩展为平面；垫片环形外缘倒角β为35°，环孔边缘倒角α为30°。

其制备方法包括：

(1)粉末与粘结剂准备：NiTi预合金粉末的平均粒径为20μm，主要成分为Ti-x Ni(原子百分数)，其中x＝49.8，杂质总量为0.1wt.％；粘结剂结合水基与塑基树脂，主要成分(质量百分数)为：聚乙二醇20％，聚甲醛60％，聚丙烯15％，乙烯-乙烯乙酸共聚物5％；

(2)混炼。氩气保护下，保持料温190℃，将粉末与粘结剂混炼3h，得到喂料；

(3)注射成形。模具腔体根据垫片实际形状进行设计，将喂料加热至185℃，在110MPa下注射进入模具，冷却后脱模，得到注射坯体；

(4)脱脂。45℃下，将注射坯浸入循环蒸馏水中2h；然后，120℃下，在硝酸(HNO₃)中进行催化脱脂，保持5h；

(5)真空烧结。残余微量粘结剂的热脱脂与烧结在脱烧一体炉中进行。在5×10^-4Pa真空压力下，以1℃/min升温速率升温至400℃，保温0.5h，再以1℃/min升温速率升温至1270℃，保温4h；

(6)机械抛光、化学抛光与清洁处理后得到成品。

该实例所得高压输电线夹用高弹力垫片，马氏体相变峰值温度约为40℃，当温度低于马氏体相变峰值温度时，垫片软化，利于安装，适应于气温较高的环境；奥氏体相变峰值温度约为70℃，当线夹温度达到或接近奥氏体相变峰值温度时，垫片将迅速回复母相形状，为线夹系统提供应变补偿；该实例异形设计的NiTi合金垫片将为高压输电线夹提供约为91％的应变回复补偿，大大超过仅依靠材料本身回复形所提供的应变补偿量。

实施例4：

本发明的高压输电线夹用高弹力垫片采用NiTi合金材料，其中Ni的原子百分比为49.6，垫片为圆环形状，外环高度(H)与内环高度(h)的比值，H/h＝1.3；垫片表面沿直径方向扩展为正弦函数曲面；垫片环形外缘倒角β为35°，环孔边缘倒角α为30°。

其制备方法包括：

(1)粉末与粘结剂准备：NiTi预合金粉末的平均粒径为18μm，主要成分为Ti-x Ni(原子百分数)，其中x＝49.6，杂质总量为0.01wt.％；粘结剂结合水基与塑基树脂，主要成分(质量百分数)为：聚乙二醇30％，聚甲醛65％，聚丙烯3％，乙烯-乙烯乙酸共聚物2％；

(2)混炼：氩气保护下，保持料温170℃，将粉末与粘结剂混炼1h，得到喂料；

(3)注射成形：模具腔体根据垫片实际形状进行设计，将喂料加热至165℃，在95MPa下注射进入模具，冷却后脱模，得到注射坯体；

(4)脱脂：65℃下，将注射坯浸入循环蒸馏水中5h；然后，105℃下，在硝酸中进行催化脱脂；

(5)真空烧结：残余微量粘结剂的热脱脂与烧结在脱烧一体炉中进行。在5×10^-4Pa真空压力下，以5℃/min升温速率升温至600℃，保温2h，再以10℃/min升温速率升温至1230℃，保温8h；

(6)机械抛光、化学抛光与清洁处理后得到成品。

该实例所得高压输电线夹用高弹力垫片，马氏体相变峰值温度约为40℃，当温度低于马氏体相变峰值温度时，垫片软化，利于安装，适应于气温较高的环境；奥氏体相变峰值温度约为70℃，当线夹温度达到或接近奥氏体相变峰值温度时，垫片将迅速回复母相形状，为线夹系统提供应变补偿；该实例异形设计的NiTi合金垫片将为高压输电线夹提供约为91％的应变回复补偿，大大超过仅依靠材料本身回复形所提供的应变补偿量。

本发明所述垫片采用异形垫片设计，得到垫片提供接近95％的应变补偿量，远超只依靠材料本身形状记忆效应的应变回复量；采用新型水基、塑基新型复合粘结剂，保证喂料保形性、流动性的同时，降低脱脂过程中的增氧、增碳几率，大批量一次成形得到该异形截面的NiTi合金垫片。

以上所述设计参数仅为本发明部分实例，故不能以此限定本发明的实施范围，依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种高压输电线夹用高弹力垫片，其特征是，垫片采用NiTi合金材料，垫片形状为圆环形，外环高度(H)与内环高度(h)的比值为1＜H/h≤1.8，垫片表面沿直径方向扩展为平面、抛物线曲面或正弦函数曲面，垫片环形外缘倒角β与环孔边缘倒角α均为30°～60°。

2.根据权利要求1所述的一种高压输电线夹用高弹力垫片，其特征是，所述NiTi合金材料，其中Ni的原子百分比为49.5～50.0。

3.一种高压输电线夹用高弹力垫片的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)粉末与粘结剂准备：NiTi预合金粉末的平均粒径为15～20μm，其中Ni的原子百分比为49.5～50.0，杂质总量为0.01～0.2wt.％；粘结剂主要成分(质量百分数)为：聚乙二醇20～35％，聚甲醛60～65％，聚丙烯3～15％，乙烯-乙烯乙酸共聚物2～10％，以上成分总和为100％；

(2)混炼：氩气保护下，保持料温170～190℃，将粉末与粘结剂混炼1～3h，得到喂料；

(3)注射成形：模具腔体根据垫片实际形状进行设计，将喂料加热至165～185℃，在95～110MPa下注射进入模具，冷却后脱模，得到注射坯体；

(4)脱脂：45～65℃下，将注射坯浸入循环蒸馏水中2～5h；然后，105～120℃下，在硝酸中进行催化脱脂，保持4～6h；

(5)真空烧结：在(1～9)×10^-4Pa真空压力下，以1～5℃/min升温速率升温至400～600℃，保温0.5～2h，再以1～10℃/min升温速率升温至1230～1270℃，保温4～8h。