Framställningsprocess för nickel-titanfjäder

Ni-Ti fjädrar är funktionella komponenter tillverkade baserat på egenskaperna hos nickel-titan formminneslegering (SMA). De används ofta inom medicin, flyg, elektronik och andra områden. Produktionsprocessen kräver strikt kontroll av sammansättning, mikrostruktur och mekaniska egenskaper. Kärnprocessen är centrerad kring fem nyckelsteg: materialberedning - formning - värmebehandling - efterbearbetning - prestandatestning. Den specifika processen och nyckelteknologierna är följande:

Beredning av kärnråmaterial: Stång/trådberedning av nickel-titaniumlegering

Kärnprestandan hos nickel-titaniumfjädrar beror på likformigheten i nickel-titan-legeringens sammansättning (nickelhalten är typiskt 50,5 % till 51,2 % (atomförhållande) och måste kontrolleras exakt för att säkerställa formminne och superelasticitet). Detta steg är grunden för processen.

Råvaruproportionering och smältning

Råmaterial med hög renhet används: titansvamp (renhet ≥99,7%) och elektrolytiskt nickel (renhet ≥99,9%). Den designade sammansättningen vägs exakt (toleransen måste ligga inom ±0,1 % atomförhållande för att undvika fasövergångstemperaturdrift orsakad av avvikelse i nickelhalten).

Smältprocess: Vakuuminduktionssmältning (VIM) eller vakuumbågsmältning (VAR) är den vanliga metoden. Ett eller två omsmältningssteg eliminerar komponentsegregering, vilket resulterar i ett enhetligt nickel-titan-masterlegeringsgöt (vanligtvis 50-150 mm i diameter).

Nyckelkontroller: Smältvakuum måste vara ≥1×10⁻³Pa för att förhindra legeringsoxidation; kylhastigheten måste styras till 50-100°C/min för att undvika bildning av grov gjutstruktur.

Plastbearbetning: Tillverkning av legeringsstänger/trådar

Nickel-titan-legeringar uppvisar dålig plasticitet vid rumstemperatur, vilket kräver en kombination av varmbearbetning och kallbearbetning för att producera fjäderämnen (stavar eller trådar, med diametrar som bestäms av fjäderspecifikationer. Medicinsk fjädertråd kan vara så liten som 0,1 mm):

Varmsmidning/varmvalsning: Legeringsgötet upphettas till 800-950°C (i β-fasområdet, den högtemperaturstabila fasen av nickel-titaniumlegeringar). Smide eller valsning utförs sedan till stavar med diametrar på 20-50 mm, vilket bryter ner den gjutna strukturen och förfinar kornstorleken.

Kallritning/Kallvalsning: De varmbearbetade stängerna kalldras gradvis (eller kallvalsas) till måldiametern, med varje deformation kontrollerad till 5%-15% (för att undvika spröd sprickbildning orsakad av överdriven enkel deformation). Mellanglödgning (700-800°C, 10-30 minuter) utförs mellan de två stegen för att eliminera arbetshärdning och återställa plasticiteten.

Ytbehandling: Efter kallbearbetning utförs betning (en blandning av salpetersyra och fluorvätesyra) för att avlägsna ytoxidavlagringar och säkerställa en jämn ytfinish (Ra ≤ 0,8μm) för att undvika spänningskoncentration under efterföljande formning.

Spring Forming: Core Shape Manufacturing

Olika formningsprocesser väljs utifrån fjäderns struktur (kompression, spänning, vridning) och precisionskrav. Nyckeln är att säkerställa stabil fjädergeometri och förhindra betydande deformation efter efterföljande värmebehandling.

Lindning (Mainstream Process)

Utrustning: En CNC-fjäderlindningsmaskin används som exakt kontrollerar lindningshastigheten (50-200 rpm), stigningen (0,1-5 mm) och antalet varv (1-100). Den är lämplig för vanliga fjädrar, såsom cylindriska och koniska former.

Mögel: En dorn väljs utifrån fjäderns innerdiameter (mest gjord av snabbstål eller hårdmetall för att undvika vidhäftning med nickel-titaniumlegeringar). Under lindning måste dornhastigheten matcha trådmatningshastigheten för att förhindra lösa eller överlappande spolar.

Nyckelparametrar: Lindningsspänningen kontrolleras mellan 10 och 50 MPa (justeras efter tråddiameter) för att undvika överdriven spänning som kan överdriven kallhärdning och påverka efterföljande värmebehandlingsresultat.

Särskilda formningsprocesser (komplexa strukturer)

För specialformade fjädrar (såsom fjädrar med variabel diameter och variabel stigning) används laserskärning (först bearbetas plåt/rör av nickel-titaniumlegering till ett ämne, och sedan skärs fjäderformen med en fiberlaser, med en noggrannhet på ±0,01 mm).

Mikrofjädrar (som de som används i medicinska vaskulära stentar) tillverkas med hjälp av mikroelektroformning eller precisionsformsprutning (kräver nickel-titanpulvermetallurgiämnen), men detta är dyrare och lämpar sig för högprecisionstillämpningar.

Nyckelvärmebehandling: Ge formminne/superelasticitet

Kärnegenskaperna hos nickel-titanfjädrar (formminneseffekt, superelasticitet, fasövergångstemperatur) uppnås genom värmebehandling. Detta steg är kärnan i processen och kräver strikt kontroll av temperatur, hålltid och kylhastighet.

Lösningsbehandling: Lindrar inre stress Homogeniserar sammansättning

Syfte: Avlägsnar inre spänningar som genereras under kallbearbetning och säkerställer jämn fördelning av legeringselement (Ni och Ti), vilket lägger grunden för efterföljande åldringsbehandling.

Processparametrar: Uppvärmning till 900-1050°C (β-fasregion), håll i 10-60 minuter (justeras baserat på ämnesstorlek, kortare hålltid för tråd och längre hålltid för stång), följt av vattenkylning (kylhastighet ≥100°C/s) för att förhindra nedbrytning av β Ti-fasen till den spröda fasen.

Åldrandebehandling: Reglering av fasövergångstemperatur och mekaniska egenskaper

Syfte: Genom åldring fälls fina sekundära faser (som Ti₂Ni) ut, vilket justerar legeringens fasövergångstemperatur (Af: austenit finishtemperatur, vanligtvis kontrollerad mellan -50°C och 100°C, beroende på applikationen; till exempel är Af för medicinska fjädrar typiskt runt 37°C, matchar människokroppens temperatur), samtidigt som den är extremt improviserad.

Processparametrar: Uppvärmning till 400-550°C (α'β-dubbelfasregion), håll i 30-180 minuter, följt av luft- eller ugnskylning (kylningshastigheten påverkar storleken på den utfällda fasen; luftkylning ger finare fällningar och högre styrka).

Exempel: Om fjädern ska uppvisa superelasticitet vid rumstemperatur, bör Af-temperaturen kontrolleras under rumstemperatur (t.ex. Af = -10°C); om formminneseffekten "lågtemperaturdeformation-högtemperaturåtervinning" önskas, bör Af regleras till målåtervinningstemperaturen (t.ex. 60°C).

Formning: Fixering av fjädergeometrin

Efter lindning genomgår fjädern lågtemperaturformning i en formningsform (typiskt vid 150-300°C i 10-30 minuter). Detta för att fixera fjäderns geometriska parametrar, såsom stigning och antal varv, för att förhindra krypning under efterföljande användning. Detta är särskilt tillämpligt på medicinska precisionsfjädrar.

Efterbearbetning: Förbättring av precision och ytkvalitet

Detta steg tar i första hand upp precisionsavvikelser och ytdefekter efter formning och värmebehandling, vilket säkerställer att fjädern uppfyller monterings- och driftkrav.

Sluttrimning och efterbehandling

Efter lindning kan fjäderns ändar ha grader eller ojämnheter. Dessa kräver trimning med precisionsslipning (för stångfjädrar) eller lasertrimning (för trådfjädrar) för att säkerställa ändytans planhet (vinkelräthetsfel ≤ 0,5°) samtidigt som det fjäderfria höjdfelet bibehålls inom ±0,1 mm.

Ytförstärkning och skydd

Ytpolering: Elektrokemisk polering (med en blandning av fosforsyra och svavelsyra som elektrolyt) eller mekanisk polering (med en diamantslipskiva) används för att minska ytjämnheten till Ra ≤ 0,2μm, vilket minimerar slitage på kontaktdelar under användning (till exempel medicinska fjädrar måste undvika repor av mänsklig vävnad).

Anti-korrosionsbeläggning: Om den används i korrosiva miljöer (som havet eller medicinska vätskor), krävs en beläggning av titannitrid (TiN) (via fysisk ångavsättning) eller polytetrafluoreten (PTFE) för att förbättra korrosionsbeständigheten. (NiTi-legeringar är känsliga för nickeljonfrigöring under långvarig nedsänkning; jonfrisättning måste kontrolleras till ≤ 0,1 μg/cm²/dag.)

Rengöring och torkning

Använd ultraljudsrengöring (med ett neutralt avfettningsmedel, 40-60°C i 10-20 minuter) för att avlägsna ytolja och polerrester. Torka sedan i en vakuumtorkugn (80-120°C i 30 minuter) för att förhindra ytoxidation.

Prestandatestning: Säkerställa produktkvalificering

NiTi-fjädrar genomgår flerdimensionell prestandatestning. Viktiga testpunkter är följande:

Processskillnader i typiska tillämpningsscenarier

Olika områden har olika prestandakrav för nickel-titanfjädrar, vilket kräver riktade processjusteringar:

Medicinsk (t.ex. vaskulära stentar, ortodontiska bågtrådsfjädrar): Strikt kontroll av nickeljonupplösning (tillägg av TiN-beläggning), fasövergångstemperatur (Af ≈ 37°C) och hög formprecision (laserskärning och elektrokemisk polering) krävs;

Flyg- (t.ex. fjädrar för satellitutbyggnadsmekanismer): Förbättrad hög- och lågtemperaturbeständighet krävs (åldringstemperaturen ökad till 500-550°C för att förbättra högtemperaturstabiliteten), med ett utmattningslivskrav på ≥ 1×10⁵ cykler;

Elektronik (t.ex. kontaktfjädrar): Hög elasticitet krävs (rumstemperatur superelasticitet, Af ≤ 25°C), ytan kräver silverplätering (för att förbättra ledningsförmågan), och mikrolindningsmaskiner (tråddiameter ≤ 0,2 mm) används för formning.

Sammanfattningsvis är nickel-titanfjäderproduktionsprocessen en kombination av "materialvetenskaplig precisionstillverkning värmebehandlingsteknik." Kärnan ligger i att balansera materialets formminnesegenskaper, mekaniska stabilitet och geometriska precision genom parameterkontroll vid varje steg för att möta funktionskraven i olika scenarier.