Nikkel-titan fjærproduksjonsprosess

Ni-Ti fjærer er funksjonelle komponenter produsert basert på egenskapene til nikkel-titan formminnelegering (SMA). De er mye brukt innen medisinsk, romfart, elektronikk og andre felt. Produksjonsprosessen krever streng kontroll av sammensetning, mikrostruktur og mekaniske egenskaper. Kjerneprosessen er sentrert rundt fem nøkkeltrinn: materialforberedelse - forming - varmebehandling - etterbehandling - ytelsestesting. Den spesifikke prosessen og nøkkelteknologiene er som følger:

Forberedelse av kjerneråmateriale: Nikkel-titanlegeringsstang/trådforberedelse

Kjerneytelsen til nikkel-titan-fjærer avhenger av jevnheten til nikkel-titan-legeringens sammensetning (nikkelinnholdet er typisk 50,5 % til 51,2 % (atomforhold) og må kontrolleres nøyaktig for å sikre formminne og superelastisitet). Dette stadiet er grunnlaget for prosessen.

Råvareproporsjonering og smelting

Råvarer med høy renhet brukes: titansvamp (renhet ≥99,7 %) og elektrolytisk nikkel (renhet ≥99,9 %). Den utformede sammensetningen veies nøyaktig (toleransen må være innenfor ±0,1 % atomforhold for å unngå faseovergangstemperaturdrift forårsaket av avvik i nikkelinnhold).

Smelteprosess: Vakuuminduksjonssmelting (VIM) eller vakuumbuesmelting (VAR) er den vanlige metoden. Ett eller to omsmeltingstrinn eliminerer komponentsegregering, noe som resulterer i en ensartet nikkel-titan-mesterlegering (vanligvis 50-150 mm i diameter).

Tastekontroller: Smeltevakuum må være ≥1×10⁻³Pa for å forhindre legeringsoksidasjon; kjølehastigheten må kontrolleres til 50-100°C/min for å unngå dannelse av grov støpestruktur.

Plastbehandling: Lage legeringsstenger/tråder

Nikkel-titanlegeringer viser dårlig plastisitet ved romtemperatur, og krever en kombinasjon av varmbearbeiding og kaldbearbeiding for å produsere fjæremner (staver eller ledninger, med diametre bestemt av fjærspesifikasjoner. Medisinsk fjærtråd kan være så liten som 0,1 mm):

Varmsmiing/varmvalsing: Legeringsblokken varmes opp til 800-950°C (i β-faseområdet, den høytemperaturstabile fasen til nikkel-titanium-legeringer). Smiing eller valsing utføres deretter til stenger med diametre på 20-50 mm, bryter ned støpestrukturen og foredler kornstørrelsen.

Kald tegning/kaldrulling: De varmbearbeidede stengene blir gradvis kaldtrukket (eller kaldvalset) til måldiameteren, med hver deformasjon kontrollert til 5%-15% (for å unngå sprø sprekkdannelse forårsaket av overdreven enkeltdeformasjon). Mellomgløding (700-800°C, 10-30 minutter) utføres mellom de to stadiene for å eliminere arbeidsherding og gjenopprette plastisiteten.

Overflatebehandling: Etter kaldbearbeiding utføres beising (en blanding av salpetersyre og flussyre) for å fjerne overflateoksidbelegg og sikre en jevn overflatefinish (Ra ≤ 0,8μm) for å unngå spenningskonsentrasjon under etterfølgende forming.

Fjærforming: Produksjon av kjerneform

Ulike formingsprosesser velges basert på fjærens struktur (kompresjon, strekk, torsjon) og presisjonskrav. Nøkkelen er å sikre stabil fjærgeometri og forhindre betydelig deformasjon etter påfølgende varmebehandling.

Vikling (mainstream-prosess)

Utstyr: Det brukes en CNC-fjærviklingsmaskin som nøyaktig kontrollerer viklingshastigheten (50-200 rpm), stigning (0,1-5 mm) og antall omdreininger (1-100). Den er egnet for vanlige fjærer, som sylindriske og koniske former.

Mugg: En dor velges basert på fjærens indre diameter (for det meste laget av høyhastighetsstål eller karbid for å unngå adhesjon med nikkel-titanium-legeringer). Under vikling må spindelhastigheten passe til trådmatingshastigheten for å forhindre løse eller overlappende spoler.

Nøkkelparametere: Viklespenningen kontrolleres mellom 10 og 50 MPa (justert i henhold til tråddiameteren) for å unngå overdreven spenning som kan overdreven kaldherding og påvirke påfølgende varmebehandlingsresultater.

Spesielle formingsprosesser (komplekse strukturer)

For spesialformede fjærer (som fjærer med variabel diameter og variabel stigning) brukes laserskjæring (først bearbeides nikkel-titanlegeringsplate/rør til et emne, og deretter kuttes fjærformen ved hjelp av en fiberlaser, med en nøyaktighet på ±0,01 mm).

Mikrofjærer (som de som brukes i medisinske vaskulære stenter) produseres ved hjelp av mikro-elektroforming eller presisjonssprøytestøping (krever nikkel-titan pulvermetallurgiemner), men dette er dyrere og er egnet for høypresisjonsapplikasjoner.

Key Heat Treatment: Formidling av Shape Memory/Superelastisitet

Kjerneegenskapene til nikkel-titanfjærer (formminneeffekt, superelastisitet, faseovergangstemperatur) oppnås gjennom varmebehandling. Dette stadiet er kjernen i prosessen og krever streng kontroll av temperatur, holdetid og kjølehastighet.

Løsningsbehandling: Lindrer indre stress Homogeniserer sammensetning

Formål: Fjerner indre spenninger som genereres under kaldbearbeiding og sikrer jevn fordeling av legeringselementer (Ni og Ti), og legger grunnlaget for etterfølgende aldringsbehandling.

Prosessparametere: Oppvarming til 900-1050°C (β-faseregion), holding i 10-60 minutter (justert basert på emnestørrelse, kortere holdetid for wire og lengre holdetid for stang), etterfulgt av bråkjøling av vann (kjølehastighet ≥100°C/s) for å forhindre dekomponering av β-Ti-fasen til den sprø fasen.

Aldringsbehandling: Regulering av faseovergangstemperatur og mekaniske egenskaper

Formål: Gjennom aldring utfelles fine sekundære faser (som Ti₂Ni), som justerer legeringens faseovergangstemperatur (Af: austenitt-finishtemperatur, vanligvis kontrollert mellom -50°C og 100°C, avhengig av bruksområdet; for eksempel er Af for medisinske fjærer typisk rundt 37°C, matcher menneskekroppstemperaturen), mens den samtidig er superimprovisk.

Prosessparametere: Oppvarming til 400-550°C (α'β-dobbeltfaseområde), hold i 30-180 minutter, etterfulgt av luft- eller ovnskjøling (avkjølingshastigheten påvirker størrelsen på den utfelte fasen; luftkjøling gir finere utfellinger og høyere styrke).

Eksempel: Hvis fjæren skal utvise superelastisitet ved romtemperatur, bør Af-temperaturen kontrolleres under romtemperatur (f.eks. Af = -10°C); hvis "lavtemperaturdeformasjon-høytemperaturgjenvinning" formminneeffekten er ønsket, bør Af kontrolleres til målgjenopprettingstemperaturen (f.eks. 60°C).

Forming: Fiksering av fjærgeometrien

Etter vikling gjennomgår fjæren lavtemperaturforming i en formingsform (typisk ved 150-300°C i 10-30 minutter). Dette er for å fikse fjærens geometriske parametere, slik som stigning og antall omdreininger, for å forhindre kryp ved etterfølgende bruk. Dette gjelder spesielt medisinske presisjonsfjærer.

Etterbehandling: Forbedrer presisjon og overflatekvalitet

Dette stadiet adresserer først og fremst presisjonsavvik og overflatedefekter etter forming og varmebehandling, og sikrer at fjæren oppfyller monterings- og driftskrav.

Slutttrimming og etterbehandling

Etter vikling kan fjærendene ha grader eller ujevnheter. Disse krever trimming ved bruk av presisjonsslipeskive (for stangfjærer) eller lasertrimming (for trådfjærer) for å sikre endeflatens flathet (perpendikularitetsfeil ≤ 0,5°) mens den fjærfrie høydefeilen opprettholdes innenfor ±0,1 mm.

Overflateforsterkning og beskyttelse

Overflatepolering: Elektrokjemisk polering (bruker en blanding av fosforsyre og svovelsyre som elektrolytt) eller mekanisk polering (ved hjelp av en diamantslipeskive) brukes for å redusere overflateruhet til Ra ≤ 0,2μm, og minimerer slitasje på kontaktdeler under bruk (for eksempel må medisinske fjærer unngå riper av menneskelig vev).

Anti-korrosjon belegg: Hvis det brukes i korrosive miljøer (som havet eller medisinske væsker), kreves et belegg av titannitrid (TiN) (via fysisk dampavsetning) eller polytetrafluoretylen (PTFE) for å øke korrosjonsbestandigheten. (NiTi-legeringer er mottakelige for nikkelionfrigjøring under langvarig nedsenking; ionefrigjøring må kontrolleres til ≤ 0,1 μg/cm²/dag.)

Rengjøring og tørking

Bruk ultralydrengjøring (med et nøytralt avfettingsmiddel, 40-60°C i 10-20 minutter) for å fjerne overflateolje og poleringsrester. Tørk deretter i en vakuumtørkeovn (80-120°C i 30 minutter) for å forhindre overflateoksidasjon.

Ytelsestesting: Sikre produktkvalifisering

NiTi-fjærer gjennomgår flerdimensjonal ytelsestesting. Viktige testelementer er som følger:

Prosessforskjeller i typiske applikasjonsscenarier

Ulike felt har forskjellige ytelseskrav for nikkel-titan fjærer, som krever målrettede prosessjusteringer:

Medisinsk (f.eks. vaskulære stenter, ortodontiske buetrådfjærer): Streng kontroll av nikkelionoppløsning (tilsetning av TiN-belegg), faseovergangstemperatur (Af ≈ 37°C) og høy presisjon i støping (laserskjæring og elektrokjemisk polering) er nødvendig;

Luftfart (f.eks. fjærer for satellittutplasseringsmekanismer): Forbedret høy- og lavtemperaturmotstand er nødvendig (aldringstemperaturen økt til 500-550°C for å forbedre stabiliteten ved høye temperaturer), med et utmattelseslevetid på ≥ 1×10⁵-sykluser;

Elektronikk (f.eks. kontaktfjærer): Det kreves høy elastisitet (romtemperatur superelastisitet, Af ≤ 25°C), overflaten krever sølvplettering (for å forbedre ledningsevnen), og mikroviklingsmaskiner (tråddiameter ≤ 0,2 mm) brukes til støping.

Oppsummert er produksjonsprosessen for nikkel-titanfjær en kombinasjon av "materialvitenskap presisjonsproduksjon varmebehandlingsteknikk." Kjernen ligger i å balansere materialets formminneegenskaper, mekaniske stabilitet og geometriske presisjon gjennom parameterkontroll på hvert trinn for å møte funksjonskravene til forskjellige scenarier.