形状记忆合金防松螺母及其生产工艺 【技术领域】
本发明涉及形状记忆合金防松螺母及其生产工艺。
技术背景
螺纹联接是现代结构和机械设备常用的联接方式之一。一般螺纹联接都具有自锁性，但在受到变载、振动、冲击作用或温度变化较大时，螺纹联接易出现松动，导致预紧力下降，螺纹联接的使用实践及防松性能实验、疲劳强度实验证明，松动失效是承受交变载荷作用的螺纹联接的主要失效形式之一，松动将引起联接预紧力减小甚至丧失，从而降低螺纹联接的质量，造成联接各零件过早地破坏，甚至引发设备故障和人身事故，近年来，国内外科技工作者在螺纹联接防松方面进行了大量的研究，并提出了一些防松技术和措施，取得了一定成效，但这些措施的防松可靠性较差、结构复杂，有时甚至改变联接的可拆卸性质，所以还是没有从本质上解决螺纹联接的松动问题。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种具有防松、防断功能的形状记忆合金(包括NiTi、铜基、铁基形状记忆合金)螺母及其制备工艺。
本发明采用如下技术方案：
本发材料由以下重量份数比组份组成：C 0.01-0.05，Mn 15.0-17.0，Si 4.8-5.2，Cr 8.5-9.5，Ni 6.5-7.5，P 0.01-0.03，S 0.01-0.02，N 0.03-0.05，Fe 60.65-65.05。
本发明生产工艺：(1)按照上述的成分要求备料，并冶炼轧制成带外六角和内圆孔的铁基形状记忆合金棒料；
(2)将棒料进行固溶处理：在950-1150K下保温30-60min；
(3)将棒料进行形状记忆训练；
(4)将棒料截成螺母毛坏，并按规定尺寸的94-96％加工内圆孔；
(5)将螺母扩孔到标准尺寸，实现螺母的应力诱发马氏体相变；
(6)内螺纹的精加工，保证内螺纹具有一定的精度，减少配合的间隙，有效防止螺母加热处理时恢复量地损失。
(7)按预定力距预紧螺母，并把螺母在500-800K下保温15--30min，实行恢复退火处理，然后投入使用。
本发明积极效果如下：本发明所提出的形状记忆合金螺母同现有防松螺母相比具有以下特点：突破了现有防松螺母只在结构上作改进的思维定势，从一个全新角度—螺母制作材料着手，选用新型智能材料—形状记忆合金来研制螺母，利用形状记忆合金的记忆效应，消除螺旋副之间间隙，防止螺母和螺栓在外界动载荷作用下发生不同频率的振动而引起螺旋副的相对转动；同时产生一定形状恢复力，该恢复力所产生的摩擦力矩能进一步防止螺纹和螺栓发生相对转动，从而实现螺纹联接的防松。形状记忆合金材料具有一定的超弹性效应，利用该记忆合金制造螺母，可使螺纹联接中各个螺纹牙处于均匀受力状态，有效地避免螺纹联接在第一、二圈处所发生的过载断裂，达到防断目的。
为了考核记忆合金防松螺母的防松效果，采用综合式振动试验机对记忆合金防松螺母和普通螺母进行了防松对比试验。
在综合振动试验台上，分别将防松螺母和普通螺母在相同的预紧力下与螺栓联接，然后进行动态振动试验，通过测量在不同振动次数下预紧力的损失量来评价铁基合金防松螺母的动态防松性能。
试验步骤如下：
(1)将防松螺母和普通螺母各五个安装到螺栓组试验台两侧，并用5320N的预紧力对各个螺母进行预紧。
(2)对防松螺母进行回复退火处理，用电阻加热到200℃，并保温30min。
(3)设定疲劳试验机所加静、动载荷分别为8.00KN和4.00KN，然后进行疲劳振动，各次振动次数分别为1000、2000、3000、4000、5000、10000、15000、20000、25000、30000…，并测量出防松螺母和普通螺母在振动不同次数后的螺杆残余预紧力。当普通螺母全出现松动后，重新预紧，预紧力仍为5320N，直至防松螺母也出现松动，螺母预紧力减小到零。
试验测量出防松螺母和普通螺母在振动不同次数后的螺栓杆残余预紧力如表1、表2、表3、表4所示。
表1 防松螺母在振动不同次数后的螺杆残余预紧力 单位N 振动次数 1000 2000 3000 4000 5000 10000 15000 20000 试 件 编 号 1 5132 5020 4972 4948 4934 4920 4864 4850 2 5160 5146 5142 5114 5086 5030 4974 4922 3 5020 5006 4992 4992 4964 4810 4684 4558 4 5020 4992 4950 4884 4842 4800 4786 4744 5 5118 5090 5090 5048 5020 4964 4936 4922
表2 防松螺母在振动不同次数后的螺杆残余预紧力 单位：N 振动次数 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 试 件 编 号 1 4850 4780 4710 4626 4528 4430 4346 2 4922 4880 4838 4768 4712 4656 4460 0 3 4558 4502 4474 4418 4390 4334 0 4 4744 4688 4660 4604 4548 4492 4380 5 4922 4866 4838 4824 4768 4712 4544 0
表3 普通螺母在振动不同次数后的螺栓杆残余预紧力 单位：N 振动次数 1000 2000 3000 4000 5000 10000 15000 试 件 编 号 1 4922 4782 4726 4684 4614 4558 0 2 4718 4690 4648 4620 4590 4520 0 3 4221 4095 3997 3941 3885 0 4 4871 4787 4717 4703 4675 4633 0 5 4772 4744 4730 4716 4646 4576 0
表4 普通螺母在振动不同次数后的螺杆残余预紧力 单位：N 振动次数 0 5000 10000 15000 0 5000 10000 15000 试 件 编 号 1 5304 4730 4492 0 5333 4745 4519 0 2 5333 4689 4463 0 5304 4716 4520 0 3 5304 4674 4450 0 5319 4703 4535 0 4 55319 4731 4521 0 5319 4772 4563 0 5 5319 4703 4549 0 5333 4759 4605 0
从试验结果中随机取出两个防松螺母和普通螺母的测试数据从中可以看出，螺纹联接在彻底发生在松动之前，预紧力下降是一个缓慢过程，当受到的振动次数达到一定量后，预紧力急剧下降，螺纹联接发生完全松动。在相同预紧力和振动条件下，普通螺母在振动10000次后发生松动，而铁基形状记忆合金防松螺母防松寿命却达到了50000次。因此，说明防松螺母具有较好的防松性能。
本发明的记忆合金防松螺母可以广泛用于机车车辆、轨道线路、机械设备、桥梁、汽车、石油化工、航空航天等领域的螺栓连接，防止结构因松动而产生的危险、危害和严重后果，对于保证整体结构的安全性和可靠性具有重要意义。
【具体实施方式】
将本发明防松螺母内螺纹按与之相配的螺栓外螺纹尺寸的94-96％加工，然后扩大孔变形至标准螺母内螺纹的尺寸，按规定力矩拧紧后，对本发明螺母进行恢复加热，由于合金的恢复效应，使螺母产生恢复力，实现螺纹联接间隙的消除和自锁摩擦力矩的增大，达到防松目的。
实施例1：本发明材料由以下重量份数比组份组成：C 0.01`，Mn 15.0，Si 4.8，Cr 9.0，Ni 7.0，P 0.01，S 0.01，N 0.03，Fe 63.55。
本发明生产工艺：(1)按照上述的成分要求备料，并冶炼轧制成带外六角和内圆孔的铁基形状记忆合金棒料；
(2)将棒料进行固溶处理：在950K下保温30min；
(3)将棒料进行形状记忆训练；
(4)将棒料截成螺母毛坏，并按规定尺寸的95％加工内圆孔；
(5)将螺母扩孔到标准尺寸，实现螺母的应力诱发马氏体相变；
(6)内螺纹的精加工，保证内螺纹具有一定的精度，减少配合的间隙，有效防止螺母加热处理时恢复量的损失。
(7)按预定力矩预紧螺母，并将螺母在500K下保温15min，实行恢复退火处理，然后投入使用。
实施例2：本发明材料由以下重量份数比组份组成：C 0.03，Mn 17.0，Si 5.0，Cr 8.5，Ni 6.5，P 0.02，S 0.02，N 0.04，Fe 60.65。
本发明生产工艺：(1)按照上述的成分要求备料，并冶炼轧制成带外六角和内圆孔的铁基形状记忆合金棒料；
(2)将棒料进行固溶处理：在1000K下保温45min；
(3)将棒料进行形状记忆训练；
(4)将棒料截成螺母毛坏，并按规定尺寸的96％加工内圆孔；
(5)将螺母扩孔到标准尺寸，实现螺母的应力诱发马氏体相变；
(6)内螺纹的精加工，保证内螺纹具有一定的精度，减少配合的间隙，有效防止螺母加热处理时恢复量的损失。
(7)按预定力矩预紧螺母，并将螺母在650K下保温45min，实行恢复退火处理，然后投入使用。
实施例3：本发明材料由以下重量份数比组份组成：C 0.05，Mn 16.0，Si 5.2，Cr 9.5，Ni 7.5，P 0.03，S 0.015，N 0.05，Fe 65.05。
本发明生产工艺：(1)按照上述的成分要求备料，并冶炼轧制成带外六角和内圆孔的铁基形状记忆合金棒料；
(2)将棒料进行固溶处理：在1150K下保温60min；
(3)将棒料进行形状记忆训练；
(4)将棒料截成螺母毛坏，并按规定尺寸94％加工内圆孔；
(5)将螺母扩孔到标准尺寸，实现螺母的应力诱发马氏体相变；
(6)内螺纹的精加工，保证内螺纹具有一定的精度，减少配合的间隙，有效防止螺母加热处理时恢复量的损失。
(7)按预定力矩预紧螺母，并将螺母在800K下保温30min，实行恢复退火处理，然后投入使用。