专利名称：形状记忆合金密封垫片及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及形状记忆合金密封垫片及其生产工艺。
背景技术：
密封垫片是螺栓法兰连接中保持密封效果的关键元件，在压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等过程工业装置中的应用极为广泛，它的失效是有可能带来灾难性后果的。聚合物密封垫片长期使用后易老化造成应力松弛；普通不锈钢或铝制密封垫片由于弹性模量大，密封效果又受到影响，而且螺栓在长期拉伸状态下也表现出蠕变松弛，普通金属垫片在螺栓松弛后产生的残余变形量无法保证可靠和有效的密封压紧力。近年来，国内外科技工作者在密封垫片材料选择上进行了大量的研究，并提出了利用形状记忆合金的形状记忆效应来提高密封效果的措施，然而这些措施的结构复杂，加工困难，离实际生产应用还有较大差距。形状记忆合金在奥氏体转变温度以上受应力或应变作用下会产生诱发相变行为， 应力(或应变)诱发马氏体相变改变了材料的应力-应变曲线，表现出超弹性性能。目前将形状记忆合金引入密封垫片材料进行研究的工作尚未在国内开展。日本东京电力公司的Tatsuoka等人研究了近等原子比NiTi形状记忆合金的密封垫片的性能，并在2006年美国工程师协会压力容器与管道会议上公布。研究结果表明， NiTi材料在压缩应力作用下，应力-应变曲线表现出明显相变平台；压缩弹性模量比铝制平垫更小；NiTi合金的线膨胀系数比304不锈钢要小；NiTi密封垫片的密封性能要比铝制平垫优越。这一研究结果说明NiTi合金满足在螺栓法兰连接中作为密封垫片的使用要求，然而更多的研究人员，如徐祖耀、黄学文、钱士强、feill KeruLiu Yong, Raghavendra R Adharapurapu等人，发现NiTi合金的压缩行为或许并不是像Tatsuoka等人的研究结果那样，NiTi合金压缩过程中应力-应变曲线并不表现出明显的相变平台。同时，NiTi合金作为一种形状记忆材料，其性能受热-机械处理的影响较大，Tatsuoka等人也未对NiTi形状记忆合金材质的密封垫片制造工艺提出优化或深入研究。现代工业的飞速发展对垫片密封的要求越来越严格，减少泄漏率、延长垫片使用寿命是环境保护、节约能源、安全生产十分迫切的要求，选择新型密封材料来提高螺栓法兰连接的密封性能已经成为一种趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种形状记忆合金密封垫片及其生产工艺，该种垫片利用形状记忆合金的超弹性性能提供螺栓法兰连接的密封压紧力，具有压缩弹性模量小、吸振、耐腐蚀、抗疲劳、承受压力高、安全可靠性好的优点。本发明采用如下技术方案一种形状记忆合金密封垫片，其特征是其材料的重量份数比组份组成包括Ni 53. 25-58. 42，Ti :41. 63—45. 82，Al :0. 1-0. 2，Cu :0. 01-0. 03，V :0. 015—0. 12。
所述形状记忆合金密封垫片的材料的马氏体开始相变温度(Ms)为-20 +40°C， 奥氏体相变结束温度(Af)为0 +50°C。所述形状记忆合金密封垫片的材料的压缩率为2. 7 5%，回弹率为85 96%。所述形状记忆合金密封垫片的材料的压缩弹性模量为2. 5 22GPa。一种形状记忆合金密封垫片的生产工艺，包括以下步骤1)准备形状记忆合金的原料，其重量份数比组份组成包括Ni :53. 25-58. 42，Ti 41. 63-45. 82，Al :0. 1-0. 2，Cu :0. 01-0. 03，V :0. 015-0. 12，并冶炼热轧成板材，板材料厚度为 2-4mm ；2)将薄板材线切割至密封垫片尺寸要求，并将密封垫片双面平磨至1. 4-3. 5mm ；3)将密封垫片进行固溶处理在750 950°C下保温30_60min ；4)采用热-机械处理方式对密封垫片进行超弹性训练，其中处理方式包括预变形和失效；5)将密封垫片表面进行清洁处理，然后投入使用。所最终得到的形状记忆合金密封垫片的材料的马氏体开始相变温度(Ms) 为-20 +40°C，奥氏体相变结束温度(Af)为0 +50°C。所最终得到的形状记忆合金密封垫片的材料的压缩率为2. 7 5%，回弹率为 85 96%。所最终得到的形状记忆合金密封垫片的材料的压缩弹性模量为2. 5 22GPa。本发明积极效果如下本发明所提出的形状记忆合金密封垫片和现有密封垫片相比具有以下特点密封垫片所用形状记忆合金在加载压缩和卸载回弹过程中存在应力或应变诱发的相变行为，相变行为使得该种金属密封垫片比普通金属密封垫片在压缩过程中弹性模量更小，在卸载过程中回弹更大；在螺栓法兰连接中螺栓长期使用后松弛情况下，形状记忆合金密封垫片通过相变行为可确保法兰面的密封压紧力。与其它非金属密封垫片或复合材料垫片相比，形状记忆合金密封垫片还具有承受压力高、抗老化和耐腐蚀的特性。由于形状记忆合金同时具有很好的阻尼特性，因此该种密封垫片作为法兰面贴合体可以起到很好的吸振效果，这对于延长螺栓寿命、确保长期密封效果都有积极作用。
图1是NiTi合金试样降温过程的DSC曲线图。
图2是NiTi合金试样升温过程的DSC曲线图。
图3是实施例1压_■ _回弹曲线图。
图4是实施例2压_■ _回弹曲线图。
图5是实施例3压_■ _回弹曲线图。
图6是实施例4压_■ _回弹曲线图。
图7是实施例5压_■ _回弹曲线图。
具体实施例方式
按ASME B16. 47标准尺寸系确定垫片内、外径尺寸，
实施例1本发明的材料重量份数比组份组成为Ni_58. 25，Ti_41. 45，A1_0. 168， Cu-0. 0256，V-0. 106。本发明生产工艺如下(1)准备热轧成板材，板材成份如上要求，板材料厚度约为2mm ；(2)按ASME B16. 47标准中垫片尺寸要求，将板材线切割成内径48mm，外径 52. 12mm平垫，并双面平磨至1. 45mm ；(3)将垫片进行固溶处理在850°C下保温30min ；(4)对垫片进行超弹性训练，其中时效温度250°C，时长60min ；(5)将垫片表面进行清洁处理，然后投入使用。实施例2本发明的材料重量份数比组份组成为Ni-58. 25，Ti_41. 45，A1_0. 168， Cu-0. 0256，V-0. 106。本发明生产工艺如下(1)准备热轧成板材，板材成份如上要求，板材料厚度约为2mm ；(2)按ASME B16. 47标准中垫片尺寸要求，将板材线切割成内径48mm，外径 52. 12mm平垫，并双面平磨至1. 45mm ；(3)将垫片进行固溶处理在850°C下保温30min ；(4)对垫片进行超弹性训练，其中预变形率0. 2%，时效温度250°C，时长180min ；(5)将垫片表面进行清洁处理，然后投入使用。实施例3本发明的材料重量份数比组份组成为Ni_58. 25，Ti_41. 45，A1_0. 168， Cu-0. 0256，V-0. 106。本发明生产工艺如下(1)准备热轧成板材，板材成份如上要求，板材料厚度约为2mm ； (2)按ASME B16. 47标准中垫片尺寸要求，将板材线切割成内径48mm，外径 52. 12mm平垫，并双面平磨至1. 45mm ；(3)将垫片进行固溶处理在850°C下保温30min ；(4)对垫片进行超弹性训练，其中预变形率0. 2%，时效温度400°C，时长60min ；(5)将垫片表面进行清洁处理，然后投入使用。实施例4本发明的材料重量份数比组份组成为Ni-58. 25，Ti_41. 45，A1_0. 168， Cu-0. 0256，V-0. 106。本发明生产工艺如下(1)准备热轧成板材，板材成份如上要求，板材料厚度约为2mm ；(2)按ASME B16. 47标准中垫片尺寸要求，将板材线切割成内径48mm，外径 52. 12mm平垫，并双面平磨至1. 45mm ；(3)将垫片进行固溶处理在850°C下保温30min ；(4)对垫片进行超弹性训练，其中预变形率0. 7%，时效温度250°C，时长120min ；
(5)将垫片表面进行清洁处理，然后投入使用。实施例5本发明的材料重量份数比组份组成为Ni_58. 25，Ti_41. 45，A1_0. 168， Cu-0. 0256，V-0. 106。本发明生产工艺如下(1)准备热轧成板材，板材成份如上要求，板材料厚度约为2mm ；(2)按ASME B16. 47标准中垫片尺寸要求，将板材线切割成内径48mm，外径 52. 12mm平垫，并双面平磨至1. 45mm ；(3)将垫片进行固溶处理在850°C下保温30min ；(4)对垫片进行超弹性训练，其中预变形率0. 7%，时效温度550°C，时长60min ；(5)将垫片表面进行清洁处理，然后投入使用。垫片试样的相变温度点采用差示扫描量热法测量，相变温度由图1所示的DSC曲线图测得。如表1所示，列出了实施例1 5的相变温度表INiTi合金密封平垫片垫片试样相变温度测量结果
权利要求
1.一种形状记忆合金密封垫片，其特征是其材料的重量份数比组份组成包括Ni 53. 25-58. 42，Ti :41. 63—45. 82，Al :0. 1-0. 2，Cu :0. 01-0. 03，V :0. 015—0. 12。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金密封垫片，其特征在于所述形状记忆合金密封垫片的材料的马氏体开始相变温度(Ms)为-20 +40°C，奥氏体相变结束温度(Af)为 0 +50°C。
3.根据权利要求1所述的形状记忆合金密封垫片，其特征在于所述形状记忆合金密封垫片的材料的压缩率为2. 7 5%，回弹率为85 96%。
4.根据权利要求1所述的形状记忆合金密封垫片，其特征在于所述形状记忆合金密封垫片的材料的压缩弹性模量为2. 5 22GPa。
5.一种形状记忆合金密封垫片的生产工艺，其特征在于1)准备形状记忆合金的原料，其重量份数比组份组成包括Ni:53. 25-58. 42，Ti 41. 63-45. 82，Al :0. 1-0. 2，Cu :0. 01-0. 03，V :0. 015-0. 12，并冶炼热轧成板材，板材料厚度为 2-4mm ；2)将薄板材线切割至密封垫片尺寸要求，并将密封垫片双面平磨至1.4-3. 5mm ；3)将密封垫片进行固溶处理在750 950°C下保温30-60min；4)采用热-机械处理方式对密封垫片进行超弹性训练，其中处理方式包括预变形和失效；5)将密封垫片表面进行清洁处理，然后投入使用。
6.根据权利要求5所述的形状记忆合金密封垫片的生产工艺，其特征在于所最终得到的形状记忆合金密封垫片的材料的马氏体开始相变温度(Ms)为-20 +40°C，奥氏体相变结束温度(Af)为0 +50°C。
7.根据权利要求5所述的形状记忆合金密封垫片的生产工艺，其特征在于所最终得到的形状记忆合金密封垫片的材料的压缩率为2. 7 5%，回弹率为85 96%。
8.根据权利要求5所述的形状记忆合金密封垫片的生产工艺，其特征在于所最终得到的形状记忆合金密封垫片的材料的压缩弹性模量为2. 5 22GPa。
全文摘要
一种形状记忆合金密封垫片，其特征是其材料的重量份数比组份组成包括Ni53.25-58.42，Ti41.63-45.82，Al0.1-0.2，Cu0.01-0.03，V0.015-0.12。本发明利用了NiTi合金的超弹性性能、吸振性能，具有压缩回弹性能好、耐腐蚀、抗疲劳、承受压力高、安全可靠性好。
文档编号F16L23/20GK102409197SQ20111035770
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者巩建鸣, 诸士春, 陆晓峰 申请人:南京工业大学