Proces výroby nikel-titánovej pružiny

Ni-Ti pružiny sú funkčné komponenty vyrobené na základe vlastností zliatiny niklu a titánu s tvarovou pamäťou (SMA). Sú široko používané v medicíne, letectve, elektronike a iných oblastiach. Výrobný proces vyžaduje prísnu kontrolu zloženia, mikroštruktúry a mechanických vlastností. Základný proces sa sústreďuje okolo piatich kľúčových krokov: príprava materiálu – tvarovanie – tepelné spracovanie – následné spracovanie – testovanie výkonu. Špecifický proces a kľúčové technológie sú nasledovné:

Príprava suroviny na jadro: Príprava tyče/drôtu zo zliatiny niklu a titánu

Výkon jadra nikel-titánových pružín závisí od rovnomernosti zloženia zliatiny niklu a titánu (obsah niklu je zvyčajne 50,5 % až 51,2 % (atómový pomer) a musí byť presne kontrolovaný, aby sa zabezpečila tvarová pamäť a superelasticita). Táto fáza je základom procesu.

Dávkovanie a tavenie surovín

Používajú sa vysoko čisté suroviny: titánová špongia (čistota ≥99,7 %) a elektrolytický nikel (čistota ≥99,9 %). Navrhnuté zloženie je presne odvážené (tolerancia musí byť v rozmedzí ±0,1% atómového pomeru, aby sa zabránilo posunu teploty fázového prechodu spôsobenému odchýlkou ​​obsahu niklu).

Proces tavenia: Hlavnou metódou je vákuové indukčné tavenie (VIM) alebo tavenie vákuovým oblúkom (VAR). Jeden alebo dva kroky pretavenia eliminujú segregáciu komponentov, výsledkom čoho je jednotný ingot niklovej a titánovej predzliatiny (zvyčajne s priemerom 50-150 mm).

Kľúčové ovládacie prvky: Taviace vákuum musí byť ≥1×10⁻³Pa, aby sa zabránilo oxidácii zliatiny; rýchlosť ochladzovania musí byť riadená na 50-100°C/min, aby sa predišlo vytvoreniu hrubej štruktúry odliatku.

Spracovanie plastov: Výroba zliatinových tyčí/drôtov

Zliatiny niklu a titánu vykazujú slabú plasticitu pri izbovej teplote, čo si vyžaduje kombináciu spracovania za tepla a spracovania za studena, aby sa vyrobili pružinové polotovary (tyče alebo drôty s priemermi určenými špecifikáciami pružín. Drôt lekárskej pružiny môže mať len 0,1 mm):

Kovanie za tepla/valcovanie za tepla: Zliatinový ingot sa zahreje na 800 až 950 °C (v oblasti fázy β, vysokoteplotne stabilnej fázy zliatin niklu a titánu). Kovanie alebo valcovanie sa potom vykonáva do tyčí s priemerom 20-50 mm, pričom sa rozbíja liata štruktúra a zjemňuje sa zrnitosť.

Ťahanie za studena/valcovanie za studena: Tyče opracované za tepla sa postupne ťahajú za studena (alebo valcujú za studena) na cieľový priemer, pričom každá deformácia je riadená na 5 % - 15 % (aby sa zabránilo krehkému praskaniu spôsobenému nadmernou jednotlivou deformáciou). Medzi týmito dvoma fázami sa vykonáva stredné žíhanie (700-800 °C, 10-30 minút), aby sa eliminovalo vytvrdzovanie a obnovila sa plasticita.

Povrchová úprava: Po spracovaní za studena sa vykoná morenie (zmes kyseliny dusičnej a kyseliny fluorovodíkovej), aby sa odstránili povrchové oxidy a zabezpečila sa hladká povrchová úprava (Ra ≤ 0,8 μm), aby sa zabránilo koncentrácii napätia počas následného tvárnenia.

Pružinové tvarovanie: Výroba tvaru jadra

Na základe štruktúry pružiny (stlačenie, ťah, krútenie) a požiadaviek na presnosť sa vyberajú rôzne procesy tvárnenia. Kľúčom je zabezpečiť stabilnú geometriu pružiny a zabrániť výraznej deformácii po následnom tepelnom spracovaní.

Navíjanie (hlavný proces)

Vybavenie: Používa sa CNC pružinový navíjač, ktorý presne riadi rýchlosť navíjania (50-200 ot./min), stúpanie (0,1-5 mm) a počet závitov (1-100). Je vhodný pre bežné pružiny, ako sú valcové a kužeľové tvary.

Pleseň: Tŕň sa vyberá na základe vnútorného priemeru pružiny (väčšinou vyrobený z rýchloreznej ocele alebo karbidu, aby sa zabránilo adhézii so zliatinami niklu a titánu). Počas navíjania sa rýchlosť tŕňa musí zhodovať s rýchlosťou podávania drôtu, aby sa zabránilo uvoľneniu alebo prekrytiu cievok.

Kľúčové parametre: Napätie vinutia je kontrolované medzi 10 a 50 MPa (nastavené podľa priemeru drôtu), aby sa zabránilo nadmernému napätiu, ktoré by mohlo spôsobiť nadmerné vytvrdzovanie za studena a ovplyvniť následné výsledky tepelného spracovania.

Špeciálne procesy tvárnenia (komplexné štruktúry)

Pre špeciálne tvarované pružiny (ako sú pružiny s premenlivým priemerom a premenlivým stúpaním) sa používa rezanie laserom (najprv sa plech/rúrka zo zliatiny niklu a titánu spracuje na polotovar a potom sa tvar pružiny vyreže pomocou vláknového lasera s presnosťou ±0,01 mm).

Mikropružiny (napríklad tie, ktoré sa používajú v lekárskych cievnych stentoch) sa vyrábajú pomocou mikroelektroformovania alebo presného vstrekovania (vyžaduje polotovary z práškovej metalurgie niklu a titánu), je to však drahšie a je vhodné pre vysoko presné aplikácie.

Kľúčové tepelné spracovanie: Dodanie tvarovej pamäte/superelasticity

Základné vlastnosti nikel-titánových pružín (efekt tvarovej pamäte, superelasticita, teplota fázového prechodu) sa dosahujú tepelným spracovaním. Táto fáza je jadrom procesu a vyžaduje prísnu kontrolu teploty, doby zdržania a rýchlosti chladenia.

Riešenie: Zmierňuje vnútorný stres Homogenizuje zloženie

Účel: Odstraňuje vnútorné pnutie vznikajúce pri spracovaní za studena a zabezpečuje rovnomerné rozloženie legujúcich prvkov (Ni a Ti), čím sa vytvára základ pre následné ošetrenie starnutím.

Parametre procesu: Zahriatie na 900-1050 °C (oblasť fázy β), udržiavanie 10-60 minút (upravené na základe veľkosti polotovaru, kratšia doba zdržania drôtu a dlhšia doba zdržania tyče), po ktorom nasleduje ochladenie vodou (rýchlosť chladenia ≥100 °C/s), aby sa zabránilo rozkladu fázy β na krehkú fázu Ti₂Ni.

Liečba starnutia: Regulácia teploty fázového prechodu a mechanických vlastností

Účel: Starnutím sa vyzrážajú jemné sekundárne fázy (ako je Ti₂Ni), čím sa upraví teplota fázového prechodu zliatiny (Af: povrchová teplota austenitu, zvyčajne regulovaná medzi -50 °C a 100 °C, v závislosti od aplikácie; napríklad Af pre lekárske pružiny je zvyčajne okolo 37 °C, čo zodpovedá teplote ľudského tela), pričom sa súčasne zlepšuje pevnosť a superelasticita.

Parametre procesu: Zahriatie na 400-550°C (α' β dvojfázová oblasť), udržiavanie 30-180 minút, po ktorom nasleduje chladenie vzduchom alebo pecou (rýchlosť chladenia ovplyvňuje veľkosť zrážanej fázy, ochladzovanie vzduchom vytvára jemnejšie zrazeniny a vyššiu pevnosť).

Príklad: Ak má pružina vykazovať superelasticitu pri izbovej teplote, teplota Af by mala byť regulovaná pod izbovú teplotu (napr. Af = -10 °C); ak sa požaduje efekt tvarovej pamäte "nízkoteplotná deformácia - obnova pri vysokej teplote", Af by sa mal regulovať na cieľovú teplotu zotavenia (napr. 60 °C).

Formovanie: Upevnenie geometrie pružiny

Po navinutí sa pružina podrobí nízkoteplotnému tvarovaniu v tvarovacej forme (typicky pri 150-300°C po dobu 10-30 minút). Toto slúži na zafixovanie geometrických parametrov pružiny, ako je stúpanie a počet závitov, aby sa zabránilo tečeniu počas následného použitia. To platí najmä pre presné medicínske pružiny.

Post-processing: Zlepšenie presnosti a kvality povrchu

Táto etapa primárne rieši odchýlky presnosti a povrchové chyby po tvarovaní a tepelnom spracovaní, čím sa zabezpečuje, že pružina spĺňa montážne a prevádzkové požiadavky.

Koniec orezávania a dokončovania

Po navinutí môžu mať konce pružiny otrepy alebo nerovnosti. Tieto vyžadujú orezávanie pomocou presného rezania brúsnym kotúčom (pre tyčové pružiny) alebo laserového orezávania (pre drôtené pružiny), aby sa zabezpečila rovinnosť koncového povrchu (chyba kolmosti ≤ 0,5°) pri zachovaní chyby voľnej výšky pružiny v rozmedzí ±0,1 mm.

Posilnenie a ochrana povrchu

Leštenie povrchu: Elektrochemické leštenie (s použitím zmesi kyseliny fosforečnej a kyseliny sírovej ako elektrolytu) alebo mechanické leštenie (s použitím diamantového brúsneho kotúča) sa používa na zníženie drsnosti povrchu na Ra ≤ 0,2 μm, čím sa minimalizuje opotrebovanie kontaktných častí počas používania (napríklad lekárske pružiny musia zabrániť poškriabaniu ľudského tkaniva).

Antikorózny náter: Ak sa používa v korozívnom prostredí (ako je oceán alebo lekárske tekutiny), na zvýšenie odolnosti proti korózii je potrebný povlak z nitridu titánu (TiN) (prostredníctvom fyzického nanášania pár) alebo povlak z polytetrafluóretylénu (PTFE). (Zliatiny NiTi sú náchylné na uvoľňovanie iónov niklu počas dlhodobého ponorenia; uvoľňovanie iónov musí byť kontrolované na ≤ 0,1 μg/cm²/deň.)

Čistenie a sušenie

Na odstránenie povrchového oleja a zvyškov lesku použite ultrazvukové čistenie (s použitím neutrálneho odmasťovacieho prostriedku, 40-60°C po dobu 10-20 minút). Potom vysušte vo vákuovej sušiarni (80-120 °C počas 30 minút), aby ste zabránili oxidácii povrchu.

Testovanie výkonnosti: Zabezpečenie kvalifikácie produktu

Pružiny NiTi prechádzajú viacrozmerným testovaním výkonu. Kľúčové testovacie položky sú nasledovné:

Procesné rozdiely v typických aplikačných scenároch

Rôzne oblasti majú rôzne výkonnostné požiadavky na nikel-titánové pružiny, čo si vyžaduje cielené úpravy procesu:

Lekárske (napr. cievne stenty, ortodontické oblúkové pružiny): Vyžaduje sa prísna kontrola rozpúšťania iónov niklu (pridanie povlaku TiN), teplota fázového prechodu (Af ≈ 37 °C) a vysoká presnosť lisovania (rezanie laserom a elektrochemické leštenie);

Letectvo (napr. pružiny mechanizmu rozmiestnenia satelitov): Vyžaduje sa zlepšená odolnosť voči vysokým a nízkym teplotám (teplota starnutia zvýšená na 500-550 °C, aby sa zvýšila stabilita pri vysokej teplote), s požiadavkou na únavovú životnosť ≥ 1×10⁵ cyklov;

Elektronika (napr. kontaktné pružiny konektora): Vyžaduje sa vysoká elasticita (superelasticita pri izbovej teplote, Af ≤ 25°C), povrch vyžaduje postriebrenie (na zvýšenie vodivosti) a na lisovanie sa používajú mikronavíjacie stroje (priemer drôtu ≤ 0,2 mm).

Stručne povedané, proces výroby nikel-titánových pružín je kombináciou „vedy o materiáloch precíznej výroby techniky tepelného spracovania“. Jadro spočíva vo vyvážení vlastností materiálu s tvarovou pamäťou, mechanickou stabilitou a geometrickou presnosťou prostredníctvom riadenia parametrov v každom kroku, aby sa splnili funkčné požiadavky rôznych scenárov.