形狀記憶不鏽鋼管接頭的製作方法

2023-10-18 00:47:54 1

專利名稱：形狀記憶不鏽鋼管接頭的製作方法
技術領域：
本發明的名稱是形狀記憶不鏽鋼管接頭、屬於合金技術領域。
形狀記憶合金受應力作用可以誘導母相向馬氏體相轉變，與此同時合金所作的零件宏觀上發生了一定的變形。如果將上述零件加熱到發生逆轉變溫度以上，馬氏體相逆轉變成母相，相應地零件也隨之恢復了原來的形狀。這種具有形狀記憶功能的合金，稱為形狀記憶合金。鐵基形狀記憶合金中，除鐵鈀合金的馬氏體具有fct結構，鐵鉑及鐵鎳鈷鈦合金的馬氏體為bct結構外，一般鐵基形狀記憶合金馬氏體大多是hcp型2H結構，通常稱為ε馬氏體。最近我們又發現了這種馬氏體的4H、6H、8H結構。母相γ為fcc型3R結構，也可稱為合金奧氏體。γ→ε的馬氏體轉變，其本質是原子堆垛順序的改變。馬氏體相對於母相具有不同類型的組合層錯。
層錯低溫增殖和層錯高溫蛻化構成了馬氏體相變和逆轉變的基本過程。非鐵基的形狀記憶合金如鎳鈦和銅基合金雖然早已應用，但價格昂貴。鐵基形狀記憶合金成本低，操作溫度適中，有著廣闊的發展前景。
在本發明之前與之相關的專利及其特徵列舉如下CN 1064319A成分(wt％)特徵為Mn15-35％，Si0.2-6.5％，Al0.2-8％，Cu0-0.5，Pr、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、La、Ce、Nd、Sm一種或二種以上，量在0.008-0.12％，其餘為鐵和不可避免雜質元素。
JP 170457成分特徵之一為Mn15-40％，Cr、Co一種或兩種，量在1-20％，Si、Ge、Ge、Ga、Nb、V、Ti、Cu、Ni、Mo一種或兩種以上，加入量≤15％，La、Ce、Nd、Sm、Y一種或兩種以上，加入量≤2％。
JP 2270938A(USP5032195)成分特徵Mn15-20％，Si≤3％，Cr≤10％，其餘為鐵和不可避免雜質元素。
JP216946成分特徵Mn15-30％，Cr、Ni一種或兩種，加入量≤15％，Si、Co一種或兩種，≤6％。
JP271761(USP4780154)成分特徵為Mn20-40％；Si3.5-8％，以下元素至少包括其一Cr≤10％，Ni≤10％，Co≤10％，Mo≤2％，C≤1％，Al≤1％，Cu≤1％，其餘為鐵和不可避免雜質元素。
以上三個專利Mn含量在15％以上，合金的過熱敏感性均較大，難於控制其熱加工工藝。另外也不易防鏽，即使加入Cr也難以顯著改善其耐腐蝕性能。下面涉及到的是Mn在15％以下的專利和發表的文獻JP 2301514成分特徵為Cr10-17％，Si3.0-6.0％，以下元素至少一個Mn10-25.0％，Ni≤7.0％，Co2.0-10.0％，Ti、Zr、V、Nb、Mo、Cu等少量，其餘為鐵和不可避免雜質元素。
B.E.Wilde，Corrosion-Nace(1986)，Vol.42，P.678.發表的成分為Cr17-19％，Si0.35-4.79％，Ni8.83-9.07％，Mn1.30-1.53％，Cu0.009 0.20％，N0.011-0.040％，Mo0.019-0.21％。
EP 336157A(JP 2030734A，USP4929289A)成分特徵為Cr0.1-5.0％，Si2.0-8.0％，Mn0.1-14.8％，Co0.1-30％，Ni0.1-2.0％，Cu0.1-3％，N0.01-0.4％，其餘為Fe和不可避免雜質元素。
USP 4933027(EP336175A)，其成分範圍為Cr5-20％，Si2.0-8.0％，以下元素至少1個Mn0.1-14.8％，Ni0.1-2.0％，Co0.1-30.0％，Cu0.1-3.0％，N0.001-0.4％，其餘為鐵和不可避免雜質元素。
EP 0506488A1(claim4)，其成分範圍為Cr16-21％，Si3.0-7.0％，Ni11-21％，以下元素一種或兩種以上Mn0.1-5.0％，Cu0.1-1.0％，N0.001-0.100％，Mo0 1-3 0％，W0.1-3.0％，Ti0.01-1.0％，Zr0.01-2.0％，Hf0.01-2.0％，V0.01-1.0％，Nb0.01-2.0％和Ta0.01-2.0％。
作為實際工程應用的形狀記憶材料，常要求屈服強度高於300MPa，記憶恢復溫度適中(As60-120℃)，耐腐蝕並易於加工成材。上述專利和文獻所列合金難以同時滿足這三方面的要求。為此，我們提出以下新型成分和工藝，具體成分範圍如下Cr12-20％Si3-8％Ni0.1-8％Mn0.1-14.8％Co0.1-20％N0.05-0.4％Ce、La、Sm、Nd、Pm、Eu、Tb、Dy、Pr、Gd、Ho、Er、Tm、Tb、Lu元素中含一種以上，含量為0.01-0.15％。Nb、Ti、V、Zr、Ta、Hf、W、Mo、A1、Cu等元素含一種以上，含量為0.05-2％，其餘為Fe和不可避免的雜質元素。按鐵合金分類，本發明屬於具有形狀記憶性能的不鏽鋼。
本發明與專利CN1064319A、JP170457、JP2270938A、JP216946、JP201761的區別是含Mn≤14.8％，以保證合金具有優良的耐蝕性。本發明與JP2301514、Wilde、EP336157A、USP4933027、EP0506488A1等專利與文獻的區別之一是加入稀土元素RE，主要目的是為了減少元素的枝晶偏折，提高成分分布的均勻性。這樣可明顯增加記憶效應。本發明與JP2301514和Wilde文獻所列合金的區別是加入0.05-0.4％N，目的是降低層錯能、調整相變點，同時還可提高材料的強度。本發明與EP336157A、USP4933027的另外區別是含有碳氮化物形成元素Nb、Ti、V、Zr、Ta、Hf、W、Mo，可以有效降低材料過熱敏感性，並能提高材料的強度。
下面對涉及的合金元素的作用，作一簡單說明。
Cr鐵素體形成元素，主要作用是提高合金耐腐蝕能力。低於5％耐腐蝕作用不顯著，一般Cr＞12.0％可以作為不鏽鋼應用。它對層錯能和相變點的影響呈現較為複雜的規律。低於9％時降低層錯能，大於9％，Cr明顯增加層錯能和降低相變點，同時促進脆性σ相的生成。
Ni能強烈促進奧氏體形成，有降低屈服強度的作用，所以控制鎳含量處於0.1-8％範圍。因鎳增加層錯能，故應當配合加入一定量Si、Mn等降低層錯能元素。
Si能明顯降低層錯能，故一般應增加Si含量。Si低於3％降低層錯能作用較弱，含量超過7％，加工性能惡化。
N是奧氏體形成元素，可以明顯降低層錯能，具有穩定Ms點作用。加入N可部分形成碳氮化物，具有抑制熱敏感性的良好作用。同時N可以提高合金屈服限及抗點蝕能力。但超過0.4％易於形成多量氮化物，使材料脆化，故N含量控制在0.050-0.40％。
Nb包括Ti、Ta、V、Zr、Hf、W等碳氮化合物形成元素，可以固定碳元素，防止鉻的碳化物析出，避免晶界鉻的貧化和晶界腐蝕。同時形成微細碳氮化物可以阻止晶粒長大，防止高溫時合金過熱。加入量過大會造成沿晶脆性，故其含量選擇在0. 05-2％。
Mo加入鉬的目的是提高抗晶間腐蝕和應力腐蝕的能力，Mo低於0.05％不起作用，超出2％則導致記憶性能惡化，所以Mo加入量控制在0.05-2％。
Cu是奧氏體形成元素，能提高合金抗腐蝕能力，但同時提高奧氏體層錯能，過多則會抑制ε馬氏體形成和惡化記憶性能。一般加入銅控制在2％以內。
Al細化晶粒，降低層錯能，提高合金的記憶性能，但Al含量超過2％，加工性能惡化，故Al含量應控在2％之內。
上面定性地說明各元素的作用及成分範圍。具體的組成與搭配需遵守以下三個準則1.必須保證合金的母相是單一的奧氏體相。為此，合金成分(wt％)應滿足以下關係式(Ni+0.5Mn+0.4Co+0.06Cu+0.002N+3)≤
2.必須保證合金具有抗應力腐蝕和點蝕的能力。為此，合金成分(wt％)應滿足關係式Cr+Si＞18；Cr+3.3Mo+30N＞183.必須保證合金具有良好的記憶性能和適中的相變溫度。為此，應加入足夠數量的能降低層錯能的合金元素，需滿足下式7Si+Mn+3Co+100N＞50本發明的記憶不鏽鋼達到的性能指標如下1.比較高的形狀記憶性能。3％拉伸變形，記憶恢復率可達80％。經過適當的熱機械訓練，線性回復可達4％以上。
2.抗應力腐蝕及點蝕，可與304不鏽鋼匹配。
3.屈服強度σ0.2≥300MPa，σb≥650MPa，這一性能指標超過標準304不鏽鋼的水平。
(304不鏽鋼成份(wt％)C≤0.08，Cr18-20，Ni8-12，Mn1-2，N≤0.03力學性能σ0.2＝247MPa，σb＝541MPa，δ＝50％)4.合金具有良好的冷熱壓力加工性能。
5.合金的相變點適中，-40℃≤Ms≤20℃。
表一作為發明合金的實施例。其中符合上述指標的標為「○」，不符合者標以「×」。
本發明的形狀記憶合金，強度高、加工性能好、相變點適中、耐腐蝕性能好。
利用本發明的形狀記憶不鏽鋼製成的形狀記憶管套連接管子採用了特殊的連接結構。JP04069481A提出利用FeMnSi合金管套連接管子時在管套內壁塗敷環氧樹脂用於密封。JP05215277CN提出除在內壁塗密封劑外，還在內壁刻紋，目的是增強緊固連接效果。另外，CN2116140提出封閉式塗敷管連接結構，用於高可靠性連接。上述專利都涉及安裝時要把密封劑塗敷在管套內壁上。這樣施工複雜。本發明提出了新型簡單、實用的管接頭連接結構，如圖1所示。發明結構的特徵是由記憶不鏽鋼或合金套環1、中間密封圈2、環端密封劑3和被連接管4組成。中間密封圈是固定在記憶合金套環內側中部的固態高塑合金環或橡膠環或其它高塑物質環。密封圈的橫截面可以是圓形、橢圓、矩形、梯形或其它異型的。密封劑則是塗敷在記憶合金套環內壁部分近端部的樹脂、水玻璃或可塑的無機膏狀物表一 發明合金的實施例
或固體。上述結構的中間密封圈和環端的密封劑可以同時使用，也可以單獨使用。中間密封圈在安裝管子時可以起軸向前後定位作用，裝配時在中間被兩側管子壓迫緊而密封。密封劑只塗敷在靠近記憶合金環端部的內壁部分面積上。這樣，在保證密封的同時，裝配過程中不致溢至管子內部。記憶合金套環受熱時收縮，固緊管子達到連接的目的。這種管接頭結構簡單、實用、經濟，安裝方便，使用可靠。
實施例被連接的為φ15.9×1mm304奧氏體不鏽鋼管，連接的套環是本發明的形狀記憶不鏽鋼，具體的化學成分(wt％)如下C0.02，Cr12.8，Si5.03，Mo1.02，Ni5.10，Mn14.13，Co3.0，N0.10，Ti0.20，Ce0.02，La0.03，其餘為Fe和其它不可避免的雜質元素。經過訓練的形狀記憶不鏽鋼套環，長度25mm、壁厚1mm，內徑尺寸為φ16±0.05mm。記憶不鏽鋼採用25kg真空感應爐熔煉，澆成圓鑄錠。記憶不鏽鋼錠加熱至1100℃保溫6h，鍛成50×20mm矩形截面的坯料，再熱軋成厚度3mm的鋼帶。酸洗後冷軋至1mm薄板，中間經一次光亮退火。切邊後採用高頻焊接法製成記憶不鏽鋼焊管。用90°角圓形凸錐進行頂管試驗，證明焊縫塑性良好。焊管的訓練加載採用芯棒與兩個外板滾軋方式，空套管的記憶恢復量達2％。安裝連接時僅在記憶不鏽鋼套環兩端部採用樹脂密封劑。然後經煤氣噴燈緩慢加熱一分鐘，記憶套環收縮固緊被連接的304不鏽鋼管。對該連接結構進行水壓試驗，壓力升至50kg/cm2並保持30分鐘，未見異常，不脫不漏。


圖1利用形狀記憶不鏽鋼連接管子的結構方法示意圖其中1-記憶不鏽鋼或合金套環 2-中間密封圈3-環端密封劑4-被連接管
權利要求
1.一種由鐵、錳、矽等構成的形狀記憶不鏽鋼，其特徵在於化學成分(wt％)範圍如下Cr12-20，Si3-8，Ni0.1-8，Mn0.1-14.8，Co0.1-20，N0.05-0.4，C≤0.03鑭系稀土元素La、Se、Sm、Nd、Pm、Zu、Tb、Dy、Pr、Gd、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中一種或一種以上，總量在0.01-0.15，Nb、Ti、V、Zr、Ta、Hf、W、Mo、Al、Cu元素中一種或一種以上，總量在0.05-2，其餘為Fe和不可避免的雜質元素。
2.一種由權利要求1所說的記憶不鏽鋼為主體構成的管連接結構，其特徵在於記憶不鏽鋼或合金套環[1]內側和被連接管[4]的兩個管端之間有中間密封圈[2]，套環[1]兩端內側與被連接管[4]外側之間有環端密封劑[3]。
3.按照權利要求2所說的管連接結構，其特徵在於所說中間密封圈[2]可以是固態高塑合金環、橡膠環或其它高塑物質環，其橫截面可以是圓形、橢圓、矩形、梯形或其它異型的。
4.按照權利要求2所說的管連接結構，其特徵在於所說的環端密封劑[3]可以是樹脂、水玻璃、可塑的無機膏狀物或固體。
5.按照權利要求2所說的管連接結構，其特徵在於所說的中間密封圈[2]和環端密封劑[3]可以同時使用，也可以單獨使用。
全文摘要
本發明的名稱是形狀記憶不鏽鋼管接頭,屬於合金技術領域。現有的鐵基記憶合金在屈服強度、記憶恢復溫度、耐蝕性及加工性能方面等還不算理想,為此,本發明研製了一種添加稀土元素、氮及碳化物形成元素Nb、Ti、V、Zr等的不鏽鋼,使其在形狀記憶性能耐腐蝕性及力學性能等三個方面都有較好的指標。此外,利用本發明的不鏽鋼設計了一種管連接結構,密封性能好,結構簡單,便於實施,可以妥善地解決當前存在的工程實際問題。
文檔編號C22C38/02GK1192517SQ9712614
公開日1998年9月9日 申請日期1997年12月31日 優先權日1997年12月31日
發明者劉文西, 劉道志, 龔方嶽, 王德法 申請人:天津大學國家教形狀記憶材料工程研究中心