专利名称：用于低频减振的TiNi合金板簧及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于低频减振的板簧及其制备方法的技术领域，具体涉及的是一种采用TiNi形状记忆合金材料制备的板簧及其制备方法。
背景技术：
航空航天器、舰船、汽车和大量的机械装置经常存在振动，如其中的电路板的紧固系统在振动下其紧固力会下降，造成线路板的失效、松动或者振动加剧等问题，严重影响系统的安全性和可靠性。又如在工程机械发动机在工作过程中也常常会引起振动，这些振动严重影响到工程机械的整机可靠性和使用寿命，同时也降低了操作的舒适性和工作效率。目前，通常采用弹性较好的钢材(如65Mn钢)所制成的弹簧片或者橡胶等解决该类问题，但是由于钢制弹簧片的阻尼特性差、容易变形，而橡胶存在易老化、不耐腐蚀、不抗温差和不抗油等缺点，因而它们均不能有效地解决减振防松的问题，于是就必须寻找更有效的减振方法，和更符合理想减振板簧特性的材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前采用钢或橡胶材料制备的减振板簧存在阻尼特性差、容易变形、易老化、不耐腐蚀等缺点的问题，从而提供了一种用于低频减振的TiNi合金板簧及其制备方法，它提供的是一种新型的、低频减振效果更为优秀的TiNi合金板簧，它的基本原理在于利用TiNi合金的应力诱发马氏体相变所导致的超弹性性能，通过适当的热机械处理，使得板簧具有优良的阻尼特性和低频减振功能，适用于航空航天器、舰船、汽车和大量机械装置中的低频减振。
本发明的TiNi合金板簧采用TiNi形状记忆合金材料，所述合金材料的钛镍两种元素的原子比在45∶55～55∶45之间，所述合金材料的含氧量小于万分之五原子分数，所述合金材料的含碳量小于万分之七原子分数，所述合金材料的含氢量小于万分之五原子分数。
本发明TiNi合金板簧的制备方法按以下步骤进行一、合金冶炼先将原料金属钛和金属镍除湿并除去表面杂质及有机物，然后将处理后的金属钛和金属镍按一定的比例置入到熔炼炉中熔炼，然后浇入铸模形成合金铸锭，所述金属钛和金属镍的配比及其纯度必须使熔炼后的合金材料满足以下要求(I)、所述合金材料的钛镍两种元素的原子比在45∶55～55∶45之间，(II)、所述合金材料的含氧量要小于万分之五原子分数，(III)、所述合金材料的含碳量要小于万分之七原子分数，(IV)、所述合金材料的含氢量要小于万分之五原子分数；二、铸锭均匀化退火对上述合金铸锭进行均匀化退火处理然后随炉冷却，退火温度为850～950℃(摄氏度)，保温时间为9～11小时；三、锻造对上述进行退火后的合金铸锭进行加热的始锻温度为830～870℃、终锻温度为730～770℃，锻造后合金铸锭变成多个棒材；四、热轧将上述锻后的棒材经过多道次热轧形成板材，热轧的温度范围为800～850℃；五、冷轧先除去上述热轧后板材表面的氧化膜，然后再经过多道次冷轧—中间退火—冷轧工艺，获得所需厚度的冷轧态板材，冷轧过程中最后一道冷轧使板材的厚度减少15～20％；六、整平采用约束淬火对上述冷轧态板材进行整平定型和软化处理，约束淬火工艺的过程为将上述冷轧态板材在845～855℃的温度范围内保温10～15分钟后进行水淬处理；七、切割用线切割或激光切割工艺将整平后的板材按所需板簧的展开图下料，板簧的长度方向与板材的轧制方向相同；八、构件成型采用模热压工艺对切割后所获的板材进行构件成型处理，首先在0～10℃的温度下将切割后的板材固定在依据所需板簧的形状而制备的模具内，然后将上述带有板材的模具放置在温度为440～460℃的加热炉中保温1～20min后再从炉中取出进行水淬处理，最后将板材从模具上卸下即获得所需板簧。
合金冶炼→铸锭均匀化退火→锻造都是常规方法的工艺过程，步骤二铸锭均匀化退火的目的是为消除合金铸锭微区成分的不均匀性；步骤五所获得的冷轧态板材的厚度决定于需要制备的板簧的厚度，而板簧的厚度决定于它所应用的场合，例如应用于电路板紧固系统时板簧的厚度薄，而应用于机械发动机的整体减振时板簧的厚度相对厚；步骤六的整平处理是为了软化板材，便于切割和成型；步骤七中，线切割的加工精度要不小于0.02mm(毫米)，“板簧的长度方向与板材的轧制方向相同”是为了保证板簧的工作部位(例如板簧的圆弧凸起)具有最佳的材料性能；步骤八构件成型中的模具要依据板簧的形状来确定，而板簧的形状主要取决于它所应用的场合。上述提到的多道次冷轧—中间退火—冷轧工艺的过程为(1)对处理后的板材进行第一道冷轧使板材的厚度减少10～25％，(2)对冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为700～850℃，退火时间为15分钟～2小时，(3)对退火后的板材再次进行冷轧使板材的厚度减少10～25％，(4)重复执行步骤(1)至(3)，直到使板材达到要求的尺寸。
TiNi形状记忆合金经过特殊热机械处理后，在母相状态下由于应力诱发马氏体相变而呈现出优良的超弹性性能和阻尼特性，在其应力—应变曲线上存在应力平台，因此在受外力作用时，随着变形量的增加，其所能提供的应力保持恒定，直至超出其应变范围。所以本发明采用TiNi形状记忆合金制成的减振防松板簧具有非线性迟滞特性，可以有效地应用于电路板紧固系统、易振动的机械装置等需要低频减震和紧固防松的场所，其紧固力强而且恒定；同时TiNi形状记忆合金也具备较好的抗疲劳特性，用其制成的板簧可直接依靠材料本身的特性实现所需的功能，因此可以大大简化板簧的结构、减小板簧的体积、减轻板簧的重量；TiNi形状记忆合金还具备不易老化、耐腐蚀的特性。本发明制备TiNi合金板簧的工艺方法简单、易操作、灵活性强。
图1是具体实施方式
六所制备的TiNi合金板簧与采用65Mn钢制备的板簧在用于线路板固定的低频减震系统时，低频减振效果的比较示意图；图2是具体实施方式
六中所要制备的TiNi合金板簧的展开示意图；图3是具体实施方式
六所制备的成型以后的TiNi合金板簧的结构示意图；图4是具体实施方式
六中，步骤八构件成型所采用的模具的结构示意图；图5是具体实施方式
六中，步骤八构件成型所用模具的凸模6的上表面俯视图；图6是具体实施方式
七所制备的板簧的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本具体实施方式
的板簧采用TiNi形状记忆合金材料，所述合金材料的钛镍两种元素的原子比在45∶55～55∶45之间，所述合金材料的含氧量小于万分之五原子分数，所述合金材料的含碳量小于万分之七原子分数，所述合金材料的含氢量小于万分之五原子分数。
具体实施例方式
二在本具体实施方式
中，所述合金材料的钛镍两种元素的原子比为45.1∶55。所述钛镍两种元素的原子比依据不同应用场合对TiNi合金板簧的性能要求而确定。
具体实施例方式
三在本具体实施方式
中，所述合金材料的钛镍两种元素的原子比为54.8∶45。
具体实施例方式
四在本具体实施方式
中，所述合金材料的钛镍两种元素的原子比为49.2∶50.8。
具体实施例方式
五本具体实施方式
的制备方法按以下步骤进行一、合金冶炼先将原料金属钛和金属镍除湿并除去表面杂质及有机物，然后将处理后的金属钛和金属镍按一定的比例置入到熔炼炉中熔炼，然后浇入铸模形成合金铸锭，所述金属钛和金属镍的配比及其纯度必须使熔炼后的合金材料满足以下要求(I)、所述合金材料的钛镍两种元素的原子比在45∶55～55∶45之间，(II)、所述合金材料的含氧量要小于万分之五原子分数，(III)、所述合金材料的含碳量要小于万分之七原子分数，(IV)、所述合金材料的含氢量要小于万分之五原子分数；二、铸锭均匀化退火对上述合金铸锭进行均匀化退火处理然后随炉冷却，退火温度为850～950℃，保温时间为9～11小时；三、锻造对上述进行退火后的合金铸锭进行加热的始锻温度为830～870℃、终锻温度为730～770℃，锻造后合金铸锭变成多个棒材；四、热轧将上述锻后的棒材经过多道次热轧形成板材，热轧的温度范围为800～850℃；五、冷轧先除去上述热轧后板材表面的氧化膜，然后再经过多道次冷轧—中间退火—冷轧工艺，获得所需厚度的冷轧态板材，冷轧过程中最后一道冷轧使板材的厚度减少15～20％；六、整平采用约束淬火对上述冷轧态板材进行整平定型和软化处理，约束淬火工艺的过程为将上述冷轧态板材在845～855℃的温度范围内保温10～15分钟后进行水淬处理；七、切割用线切割或激光切割工艺将整平后的板材按所需板簧的展开图下料，板簧的长度方向与板材的轧制方向相同；八、构件成型采用模热压工艺对切割后所获的板材进行构件成型处理，首先在0～10℃的温度下将切割后的板材固定在依据所需板簧的形状而制备的模具内，然后将上述带有板材的模具放置在温度为440～460℃的加热炉中保温1～20min后再从炉中取出进行水淬处理，最后将板材从模具上卸下即获得所需板簧。本具体实施方式
中步骤七线切割的加工精度要不小于0.02mm；多道次冷轧—中间退火—冷轧工艺的过程为(1)对处理后的板材进行第一道冷轧使板材的厚度减少10～25％，(2)对冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为700～850℃，退火时间为15分钟～2小时，(3)对退火后的板材再次进行冷轧使板材的厚度减少10～25％，(4)重复执行步骤(1)至(3)，直到使板材达到要求的尺寸。
具体实施例方式
六本具体实施方式
与具体实施方式
五的不同点是一、合金冶炼∶熔炼后的合金材料中钛镍两种元素的原子比为49.2∶50.8，所述金属钛选择纯度为99.97wt％(重量百分比)的海绵钛，所述金属镍选择纯度为99.97wt％的电解镍，熔炼炉采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉；二、铸锭均匀化退火退火温度为850℃，保温时间为10小时；三、锻造锻造的始锻温度为850℃、终锻温度的范围为750℃，锻造后的棒材的直径为20毫米；四、热轧所述板材厚度为1毫米，热轧的温度为850℃；五、冷轧用浓硝酸除去上述热轧后板材表面的氧化膜，所述冷轧态板材的厚度为0.3±0.01mm，中间退火过程的温度为750℃，退火时间为0.5小时；六、整平约束淬火工艺的过程为将上述冷轧态板材在850℃时保温10分钟后进行水淬处理；七、切割采用线切割工艺将整平后的板材按所需板簧的展开图下料(如图2)，线切割的加工精度要不小于0.02mm；八、构件成型此步骤所用的模具如图4所示，加热炉的温度为450℃，保温时间为10分钟。如图2所示，步骤七中所述板簧(如图3所示)的展开板由连接板3和多个悬臂板2组成，悬臂板2的一边与连接板3相连接且连接部分的长度L1小于所述连接板3这一边的长度L2，所述悬臂板2与连接板3相连接的折角处1采用直径为1毫米的圆弧过渡(用于折叠时防裂)，悬臂板2用于形成凸起4(如图3所示)并在低频减振中起固定作用，根据具体需要确定悬臂板2的个数，即凸起4的个数；如图4和图5所示，步骤八中所述模具由凹模5、凸模6、折角压板7、五个第一螺栓8和两个第二螺栓9构成，凹模5的下表面设有多个圆弧凹槽5-1，凸模6的上表面设有多个圆弧凸台6-1和螺栓通孔62，凹模5的下表面与凸模6的上表面连接并且圆弧凹槽5-1和圆弧凸台6-1相互咬合，所述板簧的凸起4处于圆弧凹槽5-1和圆弧凸台6-1之间，五个第一螺栓8穿过凹模5插入到凸模6上表面的螺栓通孔6-2中使得凹模5和凸模6固定连接在一起，凸模6的中心开有一个矩形通孔6-3，折角压板7从凸模6的下表面插入到螺栓通孔6-3中并穿过凸模6进入到凹模5中，通过两个第二螺栓9使折角压板7与凸模6固定连接在一起，所述板簧的连接板3处于折角压板7与凸模6之间。其他步骤与具体实施方式
五相同。采用本具体实施方式
制备的TiNi合金板簧(如图3所示)可以用于线路板固定的低频减震系统，具有结构简单，体积小，重量轻，易于加工和安装等优点；如图1所示本具体实施制备的TiNi合金板簧的减振性能是普通65Mn钢板簧的3倍以上，图中横坐标为振动时间，纵坐标为振动加速度。
具体实施例方式
七本具体实施方式
与具体实施方式
六的不同点是步骤一合金冶炼熔炼后的合金材料中钛镍两种元素的原子比为49.4∶50.6；如图6所示，本具体实施所要制备板簧只有一个半弧形凸起10，所以步骤七中的展开图是一个矩形，步骤八中所用到的模具可以依照具体实施方式
六中的模具制作，即只要在凹模和凸模上设计一个互相咬合的凹槽和凸台就可以用来制备本具体实施方式
所需的板簧了，所述板簧的厚度为1厘米。其他步骤与具体实施方式
六相同。本具体实施方式
所要制备的板簧用于工程机械发动机的整体减震。
权利要求
1.用于低频减振的TiNi合金板簧，其特征在于它采用TiNi形状记忆合金材料，所述合金材料的钛镍两种元素的原子比在45∶55～55∶45之间，所述合金材料的含氧量小于万分之五原子分数，所述合金材料的含碳量小于万分之七原子分数，所述合金材料的含氢量小于万分之五原子分数。
2.根据权利要求1所述的用于低频减振的TiNi合金板簧，其特征在于所述合金材料的钛镍两种元素的原子比为45.1∶55。
3.根据权利要求1所述的用于低频减振的TiNi合金板簧，其特征在于所述合金材料的钛镍两种元素的原子比为54.8∶45。
4.根据权利要求1所述的用于低频减振的TiNi合金板簧，其特征在于所述合金材料的钛镍两种元素的原子比为49.2∶50.8。
5.用于低频减振的TiNi合金板簧的制备方法，其特征在于它按以下步骤进行一、合金冶炼先将原料金属钛和金属镍除湿并除去表面杂质及有机物，然后将处理后的金属钛和金属镍按一定的比例置入到熔炼炉中熔炼，然后浇入铸模形成合金铸锭，所述金属钛和金属镍的配比及其纯度必须使熔炼后的合金材料满足以下要求(I)、所述合金材料的钛镍两种元素的原子比在45∶55～55∶45之间，(II)、所述合金材料的含氧量要小于万分之五原子分数，(III)、所述合金材料的含碳量要小于万分之七原子分数，(IV)、所述合金材料的含氢量要小于万分之五原子分数；二、铸锭均匀化退火对上述合金铸锭进行均匀化退火处理然后随炉冷却，退火温度为850～950℃，保温时间为9～11小时；三、锻造对上述进行退火后的合金铸锭进行加热的始锻温度为830～870℃、终锻温度为730～770℃，锻造后合金铸锭变成多个棒材；四、热轧将上述锻后的棒材经过多道次热轧形成板材，热轧的温度范围为800～850℃；五、冷轧先除去上述热轧后板材表面的氧化膜，然后再经过多道次冷轧—中间退火—冷轧工艺，获得所需厚度的冷轧态板材，冷轧过程中最后一道冷轧使板材的厚度减少15～20％；六、整平采用约束淬火对上述冷轧态板材进行整平定型和软化处理，约束淬火工艺的过程为将上述冷轧态板材在845～855℃的温度范围内保温10～15分钟后进行水淬处理；七、切割用线切割或激光切割工艺将整平后的板材按所需板簧的展开图下料，板簧的长度方向与板材的轧制方向相同；八、构件成型采用模热压工艺对切割后所获的板材进行构件成型处理，首先在0～10℃的温度下将切割后的板材固定在依据所需板簧的形状而制备的模具内，然后将上述带有板材的模具放置在温度为440～460℃的加热炉中保温1～20min后再从炉中取出进行水淬处理，最后将板材从模具上卸下即获得所需板簧。
6.根据权利要求5所述的用于低频减振的TiNi合金板簧的制备方法，其特征在于步骤五中多道次冷轧—中间退火—冷轧工艺的过程为(1)对处理后的板材进行第一道冷轧使板材的厚度减少10～25％，(2)对冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为700～850℃，退火时间为15分钟～2小时，(3)对退火后的板材再次进行冷轧使板材的厚度减少10～25％，(4)重复执行步骤(1)至(3)，直到使板材达到要求的尺寸。
7.根据权利要求5或6所述的用于低频减振的TiNi合金板簧的制备方法，其特征在于步骤一、合金冶炼熔炼后的合金材料中钛镍两种元素的原子比为49.2∶50.8，所述金属钛选择纯度为99.97wt％的海绵钛，所述金属镍选择纯度为99.97wt％的电解镍，熔炼炉采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉；二、铸锭均匀化退火退火温度为850℃，保温时间为10小时；三、锻造锻造的始锻温度为850℃、终锻温度的范围为750℃；四、热轧热轧的温度为850℃；五、冷轧用浓硝酸除去上述热轧后板材表面的氧化膜，中间退火过程的温度为750℃，退火时间为0.5小时；六、整平约束淬火工艺的过程为将上述冷轧态板材在850℃时保温10分钟后进行水淬处理；七、切割采用线切割工艺将整平后的板材按所需板簧的展开图下料；八、构件成型加热炉的温度为450℃，保温时间为10分钟。
8.根据权利要求5所述的用于低频减振的TiNi合金板簧的制备方法，其特征在于步骤一合金冶炼熔炼后的合金材料中钛镍两种元素的原子比为49.4∶50.6。
全文摘要
用于低频减振的TiNi合金板簧及其制备方法，它涉及一种用于低频减振的板簧及其制备方法的技术领域，它是为了解决目前采用钢或橡胶材料制备的减振板簧存在阻尼特性差、容易变形、易老化、不耐腐蚀等缺点的问题。本发明板簧采用TiNi形状记忆合金材料，其中钛镍两种元素的原子比在45∶55～55∶45之间；其制备方法是一、合金冶炼；二、铸锭均匀化退火；三、锻造；四、热轧；五、冷轧；六、整平；七、切割；八、构件成型。本发明的板簧具有非线性迟滞特性，可以有效地应用于电路板紧固系统、易振动的机械装置等需要低频减震和紧固防松的场所，其紧固力强而且恒定；同时它也具有较好的抗疲劳特性、不易老化和耐腐蚀的优点。
文档编号C22F1/18GK1752246SQ20051001044
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月19日 优先权日2005年10月19日
发明者蔡伟, 孟祥龙, 赵兴科, 吴冶, 陈枫, 赵连城 申请人:哈尔滨工业大学