鎳鈦合金復合材料在節水閥門中的應用

賀國俠

引言：鎳鈦合金復合材料是一種新型復合材料，近年來，隨著現代科學技術的飛速發展，越來越得到廣泛的應用，除了由于航天，航空，軍事，醫療外，民用領域也越來廣泛。文章對鎳鈦合金復合材料在節水閥門中的應用進行了探討。

一、鎳鈦合金的內容

鎳鈦合金是一種形狀記憶合金，形狀記憶合金是能將自身的塑性變形在某一特定溫度 下自動恢復為原始形狀的特種合金。它的伸縮率在20%以上，疲勞壽命達1*10的7次方，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，其耐腐蝕性優于目前最好的醫用不銹鋼，因此可以滿足各類工程和醫學的應用需求，是一種非常優秀的功能材料。

二、金相組織特性

顧名思義，鎳鈦合金是由鎳和鈦組成二元合金，由于受到溫度和機械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結構相，即奧氏體相和馬氏體相。 鎳鈦合金冷卻時的相變順序為母相（奧氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱方形，奧氏體是溫度較高（大于同樣地：即奧氏體開始的溫度）的時候，或者去處載荷（外力去除Deactivation）時的狀態，立方體，堅硬。形狀比較穩定。而馬氏體相是溫度相對較低（小于Mf：即馬氏體結束的溫度）或者加載（受到外力活化）時的狀態，六邊形，具有延展性，反復性，不太穩定，較易變形。

三、鎳鈦合金的特殊性能

1.形狀記憶特性（shape memory）

形狀記憶是當一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，經加熱至Af溫度以下，伴隨逆相變，材料會自動恢復其在母相時的形狀。實際上形狀記憶效應是鎳鈦合金的一個由熱誘發的相變過程。

2.超彈性 （superelastic）

所謂的超彈性是指試樣在外力作用下產生遠大于起彈性極限應變量的應變，在卸載時應變可自動恢復的現象。即在母相狀態下，由于外加應力的作用，導致應力誘發馬氏體相變發生，從而合金表現出不同于普通材料的力學行為，它的彈性極限遠遠大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒有熱參與。

記憶合金除具有獨特的形狀記憶功能外，還具有耐磨損、抗腐蝕、高阻尼和超彈性等優異特點。抗腐蝕性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相仿。

3.抗毒性

鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學組成，即這是一種鎳鈦等原子合金，含約50%的鎳，而已知鎳有致癌和促癌作用。一般情況情況下，表面層鈦氧化充當了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。

四、利用鎳鈦合金復合材料設計制造恒溫節水器的應用

下面簡單介紹利用鎳鈦合金復合材料設計制造恒溫節水器的應用。

現在市場上90%的熱水冷水混合閥芯均采用的感溫包工藝：即閥芯的感溫原理是利用銅屑和石蠟混合后，經過高溫高壓工藝進行密封成型，作為感溫元件，當水溫升高后，感溫包受熱膨脹，推動閥芯位移，減小出水流量，以便達到控制水溫的目的，由于材料成本低廉，易形成大規模生產。但是，由于感溫包是高壓密封的，閥芯長期工作狀態下，由于水溫，腐蝕等因素的影響，易產生泄露，開裂，導致感溫包失效。容易引起燙傷等危險情況的發生。

近年來，日本TOTO 公司研發制造出高端的利用鎳鈦復核感溫材料制成的恒溫彈簧閥芯。其原理就是利用鎳鈦合金記憶彈簧的線性記憶溫度特性，根據溫度的變化，引起彈簧的位移變化，從而改變發新的位移量，達到控制出水溫度的目的，由于鎳鈦合金材料具有抗疲勞壽命強大，耐腐蝕，等優點，其可靠性大大提高。目前在歐美市場上，恒溫水龍頭及混合期已大量使用。據報道，節水效率可提高20%以上。

鑒于以上分析，本人有幸參與研制了國內第一家恒溫閥芯的設計及制造。

由于鎳鈦合金材料的復雜性，金相組織復雜，我們與日本著名的古河公司進行了合作，該公司處于鎳鈦合金研究領域世界前列，其產品在全世界占有率到達70%。

首先我們根據我國現有市場的要求，特別是針對不同地區的環境，水溫，水壓，水質的不同，設定閥芯對水溫的設定，給出鎳鈦復核材料的溫度曲線要求，協同古河公司提供復核規定的具有線性特性的恒溫彈簧。

同時，我們參照同類國外產品，重新設計閥芯，同類產品，日本等國家采用的是復核工程塑料，由于我國目前還沒有成熟的配套產品機加工設備，我們改變為加工性能好切穩定的黃銅。根據水道的的要求用計算機輔助設計出結構圖。

樣機裝配好后，對產品進行了模擬實驗，為此，專門研制了一臺綜合測試儀，可以在較短的時間內對進水，出水溫度，壓力，時間，進行了實驗。實驗初期，發現有個別溫度過高等現象，經過小批量樣機從新對此實驗對比，對日本提供的彈性元件從新進行了標定，剔除了不符合要求的彈簧，確定達到線性要求。

我們隨后積極將樣機送往國內知名企業，海爾，美的進行了可靠性實驗，反復使用次數抗疲勞達到了30000次的國內最好記錄。獲得了一致好評。

目前已研制出8各大類，共20個規格的不同產品，由于使用壽命常，恒溫設定，反應靈敏，特別對老人小孩的保護（防止燙傷）具有明顯的優勢，節水效果明顯。閥芯已于國內知名品牌企業配套，出口德國一，意大利等國家。

我國是一個缺水大國，恒溫閥芯即期節水功效越來越達到社會的認可，希望國家加強在此領域的扶持，特別是在材料研究方面的重視，相信在不遠的將來，必將得到更加廣泛的認可。

（作者單位：陜西省煤炭物資供應公司）