CN109604945A - 一种干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能材料和器件的制造领域，具体是一种干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法。该方法是采用记忆合金棒材，经过热墩、机加、热处理、表面处理等工序制成螺栓半成品，此时螺栓螺杆的直径大于安装板孔直径2.0％～2.8％，然后在记忆合金材料的马氏体相变开始温度以下，将螺杆通过冷旋锻或低温拉伸后均匀变细，直径减小2.2％～3.0％，同时螺杆变长；使用时，将螺杆顺利插入安装孔，随后升温，当温度升高到记忆合金逆马氏体转变温度以上，记忆合金螺杆产生形状恢复、直径均匀增大，同时螺杆变短。此时，形状记忆合金螺栓与安装孔过盈配合，形成一个均匀的、不小于1％的干涉量，从而实现形状记忆合金紧固件的干涉配合。

Description

一种干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料和器件的制造领域，具体是一种干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法。
背景技术
紧固件的干涉配合是提高连接结构疲劳寿命的重要措施之一。随着机械装备设计寿命的提高，先进装备上大量地应用干涉配合螺栓连接。紧固件干涉配合的本质是连接装配中紧固件与连接孔产生过盈，装配后在孔的周围产生预压应力，在交变载荷的作用下，使孔边缘处应力变化的幅度显著降低，进而抑制或推迟疲劳裂纹的产生和扩展，提高连接结构的疲劳寿命和连接强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，制备出的干涉配合记忆合金紧固件的干涉量稳定，能够避免过盈装配中外力带来的损伤，最大能产生接近3％干涉量、可靠性高。
本发明的技术方案是：
一种干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，具体步骤如下：
(1)采用TiNi基记忆合金棒材，经过墩头+机加或直接采用机加方法制备记忆合金紧固件的半成品；
(2)在马氏体相变开始点温度以下，采用冷旋锻或低温拉伸的方法，对紧固件的螺杆部分进行减径制成干涉配合形状记忆合金紧固件成品。
所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，制造工艺流程为：形状记忆合金铸锭熔炼→均热化处理→开坯锻造→棒材热轧→拉拔或旋锻→校直→无心磨→头部成型→热处理→棒材性能检验→机加→螺杆低温减径→装配→加热恢复。
所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，制造工艺流程具体为：采用真空感应熔炼制备TiNi基记忆合金铸锭→铸锭在900±10℃/4～6h均热化处理→铸锭在800～900℃开坯锻造→棒材在800～900℃热轧→热轧棒材在700～800℃拉拔或旋锻→电加热校直→无心磨工艺制备TiNi基记忆合金棒材，车床下料→头部成型→热处理→棒材性能检验→机加→螺杆低温减径→装配→加热完成过盈装配。
所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，在机加与螺杆低温减径之间，根据实际需要可进行表面处理：表面氧化处理或表面涂覆有机绝缘减磨涂层。
所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，头部成型工艺采用下料热墩头，或者采用机加工艺加工紧固件头部。
所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，螺杆低温减径工艺采用室温冷旋锻或者在低温环境中拉伸。
所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，形状记忆合金紧固件的材料采用TiNiFe、TiNiNb或TiNi的棒材。
所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，在-100℃～300℃温度下使用的干涉配合形状记忆合金紧固件，采用TiNiFe记忆合金，紧固件半成品的冷变形采用低温拉伸，温度为液氮温度、变形量为2～3.3％，紧固件成品的储存温度为液氮温度、装配恢复温度为-100℃到室温；
在20℃～200℃温度下使用的干涉配合形状记忆合金紧固件，采用TiNi记忆合金，紧固件半成品的冷变形采用低温拉伸或室温冷旋锻，温度为0℃～30℃、变形量为2～3.3％，紧固件成品的储存温度为30℃以下、装配恢复温度为≥120℃；
在-40℃～300℃温度下使用的干涉配合形状记忆合金紧固件，采用TiNiNb记忆合金，紧固件半成品的冷变形采用低温拉伸，温度为-50℃～-80℃、变形量为3～4.3％，紧固件成品的储存温度为45℃以下、装配恢复温度为≥200℃。
本发明的设计思想是：
形状记忆合金是一类具有形状记忆效应的金属材料，这类材料在较低温度下经受“塑性”变形，随后，当温度升高到某一温度以上时，材料会恢复到原来的形状。本发明利用记忆合金的形状记忆效应，采用记忆合金材料制成能满足使用性能要求的干涉配合紧固件(如：航空高锁螺栓、沉头螺栓等)。
本发明干涉配合形状记忆合金紧固件有以下优点：
(1)形状记忆功能是记忆合金材料的固有特性，记忆合金紧固件恢复应变及其产生的干涉量稳定、均匀，不受其它因素的影响，可靠性高。
(2)本发明将记忆合金紧固件安装到装配孔后，利用形状记忆功能，记忆合金紧固件直径增大，避免过盈装配中外力带来的损伤或带有锥度的螺杆造成的干涉量不均匀。
(3)理论上，记忆合金最大能产生接近3％的径向形变，本发明在记忆合金紧固件设计上可以给出一定的装配间隙，装配安装极为方便，避免装配中施力过程对孔壁的损伤。
具体实施方式
在具体实施过程中，以沉头螺栓为例的制备方法是：采用记忆合金棒材，经过热墩、机加、热处理、表面处理等工序制成螺栓半成品，此时螺栓螺杆的直径大于安装板孔直径2.0％～2.8％，然后在记忆合金材料的马氏体相变开始温度以下，将螺杆通过冷旋锻或低温拉伸后均匀变细，直径减小2.2％～3.0％，同时螺杆变长；使用时，将螺杆顺利插入安装孔，随后升温，当温度升高到记忆合金逆马氏体转变温度以上，记忆合金螺杆产生形状恢复、直径均匀增大，同时螺杆变短。此时，形状记忆合金螺栓与安装孔过盈配合，形成一个均匀的、不小于1％的干涉量，从而实现形状记忆合金紧固件的干涉配合。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，采用φ15mm的Ti-49.2at.％Ni棒材，采用数控车床和铣床，按设计图纸加工干涉记忆合金紧固件半成品，紧固件半成品螺杆的直径为6.1mm，将记忆合金紧固件半成品进行热处理，热处理制度为500℃、30min。将热处理后的紧固件螺杆部分在室温下(20℃)旋锻到5.95mm。使用时，将螺杆直径为5.95mm的记忆合金紧固件插入6.00mm的安装孔中旋紧螺母，将热风枪加热温度设置在200℃(此时，热风枪出口温度在120～130℃)，采用热风枪对记忆合金紧固件加热3～20分钟，此时记忆合金螺杆直径增大，与安装孔产生过盈配合，在安装孔周围产生较大应力，该应力使连接组件的疲劳寿命显著提高。
实施例2
本实施例中，采用φ12mm的TiNiFe棒材，采用车床60mm长下料，采用热墩机和热墩模具，在850℃下墩出螺栓头，采用数控车床和铣床，按设计图纸加工φ10mm的干涉记忆合金紧固件半成品，紧固件半成品螺杆的直径为10.26mm、长度为30mm。将记忆合金紧固件半成品进行热处理，热处理制度为750℃、30min；将热处理后的记忆合金紧固件表面喷涂聚四氟乙烯(PTFE)涂层，涂层厚度约20μm，涂层在室温下表干2小时，然后固化处理。将带有PTFE涂层的紧固件螺杆部分在液氮中下低温拉伸变形8.5％，这时螺杆的直径减小到9.96mm。将拉伸变形的TiNiFe记忆合金紧固件在液氮温度中保存。使用时将螺杆直径为9.96mm的TiNiFe记忆合金紧固件从液氮中取出，插入10.00mm的安装孔中旋紧螺母，30秒后，记忆合金螺杆直径增大，与安装孔产生过盈配合，在安装孔周围产生较大应力，使连接组件的疲劳寿命显著提高。

Claims (8)

1.一种干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)采用TiNi基记忆合金棒材，经过墩头+机加或直接采用机加方法制备记忆合金紧固件的半成品；
(2)在马氏体相变开始点温度以下，采用冷旋锻或低温拉伸的方法，对紧固件的螺杆部分进行减径制成干涉配合形状记忆合金紧固件成品。
2.按照权利要求1所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，制造工艺流程为：形状记忆合金铸锭熔炼→均热化处理→开坯锻造→棒材热轧→拉拔或旋锻→校直→无心磨→头部成型→热处理→棒材性能检验→机加→螺杆低温减径→装配→加热恢复。
3.按照权利要求1所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，制造工艺流程具体为：采用真空感应熔炼制备TiNi基记忆合金铸锭→铸锭在900±10℃/4～6h均热化处理→铸锭在800～900℃开坯锻造→棒材在800～900℃热轧→热轧棒材在700～800℃拉拔或旋锻→电加热校直→无心磨工艺制备TiNi基记忆合金棒材，车床下料→头部成型→热处理→棒材性能检验→机加→螺杆低温减径→装配→加热完成过盈装配。
4.按照权利要求2或3所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，在机加与螺杆低温减径之间，根据实际需要可进行表面处理：表面氧化处理或表面涂覆有机绝缘减磨涂层。
5.按照权利要求2或3所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，头部成型工艺采用下料热墩头，或者采用机加工艺加工紧固件头部。
6.按照权利要求2或3所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，螺杆低温减径工艺采用室温冷旋锻或者在低温环境中拉伸。
7.按照权利要求1所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，形状记忆合金紧固件的材料采用TiNiFe、TiNiNb或TiNi的棒材。
8.按照权利要求1、2、3或7所述的干涉配合形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，在-100℃～300℃温度下使用的干涉配合形状记忆合金紧固件，采用TiNiFe记忆合金，紧固件半成品的冷变形采用低温拉伸，温度为液氮温度、变形量为2～3.3％，紧固件成品的储存温度为液氮温度、装配恢复温度为-100℃到室温；
在20℃～200℃温度下使用的干涉配合形状记忆合金紧固件，采用TiNi记忆合金，紧固件半成品的冷变形采用低温拉伸或室温冷旋锻，温度为0℃～30℃、变形量为2～3.3％，紧固件成品的储存温度为30℃以下、装配恢复温度为≥120℃；
在-40℃～300℃温度下使用的干涉配合形状记忆合金紧固件，采用TiNiNb记忆合金，紧固件半成品的冷变形采用低温拉伸，温度为-50℃～-80℃、变形量为3～4.3％，紧固件成品的储存温度为45℃以下、装配恢复温度为≥200℃。
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