Proces výroby nikl-titanové pružiny

Ni-Ti pružiny jsou funkční komponenty vyrobené na základě vlastností slitiny nikl-titan s tvarovou pamětí (SMA). Jsou široce používány v lékařství, letectví, elektronice a dalších oborech. Výrobní proces vyžaduje přísnou kontrolu složení, mikrostruktury a mechanických vlastností. Základní proces se soustředí kolem pěti klíčových kroků: příprava materiálu – tvarování – tepelné zpracování – následné zpracování – testování výkonu. Konkrétní proces a klíčové technologie jsou následující:

Příprava základní suroviny: Příprava tyče/drátu ze slitiny niklu a titanu

Výkon jádra nikl-titanových pružin závisí na stejnoměrnosti složení nikl-titanové slitiny (obsah niklu je typicky 50,5 % až 51,2 % (atomový poměr) a musí být přesně řízen, aby byla zajištěna tvarová paměť a superelasticita). Tato fáze je základem procesu.

Dávkování a tavení surovin

Používají se vysoce čisté suroviny: titanová houba (čistota ≥99,7 %) a elektrolytický nikl (čistota ≥99,9 %). Navržené složení je přesně zváženo (tolerance musí být v rozmezí ±0,1 % atomového poměru, aby se zabránilo posunu teploty fázového přechodu způsobenému odchylkou obsahu niklu).

Proces tavení: Hlavní metodou je vakuové indukční tavení (VIM) nebo vakuové obloukové tavení (VAR). Jeden nebo dva přetavovací kroky eliminují segregaci komponent, což vede k jednotnému ingotu nikl-titanové předslitiny (typicky o průměru 50-150 mm).

Klíčové ovládací prvky: Tavicí vakuum musí být ≥1×10⁻³Pa, aby se zabránilo oxidaci slitiny; rychlost ochlazování musí být řízena na 50-100°C/min, aby se zabránilo tvorbě hrubé struktury odlitku.

Zpracování plastů: Výroba slitinových tyčí/drátů

Slitiny niklu a titanu vykazují nízkou plasticitu při pokojové teplotě, což vyžaduje kombinaci tváření za tepla a tváření za studena k výrobě pružinových polotovarů (tyčí nebo drátů, s průměry určenými specifikacemi pružiny. Lékařský pružinový drát může být malý až 0,1 mm):

Kování za tepla/válcování za tepla: Slitinový ingot se zahřeje na 800-950 °C (v oblasti fáze β, vysokoteplotně stabilní fáze slitin niklu a titanu). Kování nebo válcování se pak provádí do tyčí o průměru 20-50 mm, rozruší se litá struktura a zjemní se zrnitost.

Tažení za studena/Válcování za studena: Tyče opracované za tepla jsou postupně taženy za studena (nebo válcovány za studena) na cílový průměr, přičemž každá deformace je řízena na 5 % až 15 % (aby se zabránilo křehkému praskání způsobenému nadměrnou jednotlivou deformací). Mezi dvěma fázemi se provádí mezižíhání (700-800 °C, 10-30 minut), aby se eliminovalo mechanické zpevňování a obnovila se plasticita.

Povrchová úprava: Po opracování za studena se provádí moření (směs kyseliny dusičné a kyseliny fluorovodíkové), aby se odstranily povrchové oxidy a zajistila se hladká povrchová úprava (Ra ≤ 0,8μm), aby se zabránilo koncentraci napětí při následném tváření.

Tváření pružin: Výroba tvaru jádra

Různé tvářecí procesy jsou voleny na základě struktury pružiny (tlak, tah, kroucení) a požadavků na přesnost. Klíčové je zajistit stabilní geometrii pružiny a zabránit výrazné deformaci po následném tepelném zpracování.

Navíjení (hlavní proces)

Vybavení: Je použit CNC pružinový navíječ, který přesně řídí rychlost navíjení (50-200 ot./min), stoupání (0,1-5 mm) a počet otáček (1-100). Je vhodný pro pravidelné pružiny, jako jsou válcové a kuželové tvary.

Plíseň: Trn se vybírá na základě vnitřního průměru pružiny (většinou vyrobený z rychlořezné oceli nebo karbidu, aby se zabránilo přilnavosti ke slitinám niklu a titanu). Během navíjení musí rychlost vřetena odpovídat rychlosti podávání drátu, aby se zabránilo uvolnění nebo překrytí cívek.

Klíčové parametry: Napětí vinutí je řízeno mezi 10 a 50 MPa (upraveno podle průměru drátu), aby se zabránilo nadměrnému napětí, které by mohlo způsobit nadměrné vytvrzení za studena a ovlivnit následné výsledky tepelného zpracování.

Speciální tvářecí procesy (složité struktury)

U pružin speciálního tvaru (jako jsou pružiny s proměnným průměrem a proměnným stoupáním) se používá řezání laserem (nejprve se plech/trubka z nikl-titanové slitiny zpracuje na polotovar a poté se tvar pružiny vyřeže pomocí vláknového laseru s přesností ±0,01 mm).

Mikropružiny (jako ty, které se používají v lékařských vaskulárních stentech) se vyrábějí pomocí mikroelektroformování nebo přesného vstřikování (vyžaduje polotovary z práškové nikl-titanové metalurgie), ale je to dražší a je vhodné pro vysoce přesné aplikace.

Klíčové tepelné zpracování: Předání tvarové paměti/superelasticity

Základní vlastnosti nikl-titanových pružin (efekt tvarové paměti, superelasticita, teplota fázového přechodu) jsou dosaženy tepelným zpracováním. Tato fáze je jádrem procesu a vyžaduje přísnou kontrolu teploty, doby zdržení a rychlosti chlazení.

Řešení: Zmírňuje vnitřní stres Homogenizuje složení

Účel: Odstraňuje vnitřní pnutí vznikající při tváření za studena a zajišťuje rovnoměrné rozložení legujících prvků (Ni a Ti), čímž je položen základ pro následné ošetření stárnutím.

Parametry procesu: Zahřívání na 900-1050 °C (oblast fáze β), udržování po dobu 10-60 minut (upraveno na základě velikosti polotovaru, kratší doby zdržení pro drát a delší doby zdržení pro tyč), následované ochlazením vodou (rychlost chlazení ≥100 °C/s), aby se zabránilo rozkladu fáze β na křehkou fázi Ti₂Ni.

Léčba stárnutí: Regulace teploty fázového přechodu a mechanických vlastností

Účel: Stárnutím se vysrážejí jemné sekundární fáze (jako je Ti₂Ni), čímž se upraví teplota fázového přechodu slitiny (Af: povrchová teplota austenitu, typicky řízená mezi -50 °C a 100 °C, v závislosti na aplikaci; například Af pro lékařské pružiny je typicky kolem 37 °C, což odpovídá teplotě lidského těla), a současně se zlepší pevnost a superelasticita.

Parametry procesu: Zahřátí na 400-550°C (α' β dvoufázová oblast), udržení po dobu 30-180 minut, následované ochlazením vzduchem nebo pecí (rychlost ochlazování ovlivňuje velikost vysrážené fáze, chlazení vzduchem vytváří jemnější precipitáty a vyšší pevnost).

Příklad: Pokud má pružina vykazovat superelasticitu při pokojové teplotě, měla by být teplota Af řízena pod pokojovou teplotou (např. Af = -10°C); pokud je žádoucí efekt tvarové paměti "deformace při nízké teplotě - zotavení při vysoké teplotě", Af by měl být řízen na cílovou teplotu zotavení (např. 60 °C).

Formování: Upevnění geometrie pružiny

Po navinutí se pružina podrobí nízkoteplotnímu tvarování ve tvarovací formě (typicky při 150-300°C po dobu 10-30 minut). Tím se zafixují geometrické parametry pružiny, jako je stoupání a počet závitů, aby se zabránilo tečení při následném použití. To platí zejména pro přesné lékařské pružiny.

Post-processing: Zlepšení přesnosti a kvality povrchu

Tato fáze řeší především odchylky přesnosti a povrchové vady po tváření a tepelném zpracování, čímž zajišťuje, že pružina splňuje montážní a provozní požadavky.

Konec ořezávání a dokončování

Po navinutí mohou mít konce pružiny otřepy nebo nerovnosti. Ty vyžadují oříznutí pomocí přesného řezání brusným kotoučem (u tyčových pružin) nebo laserového oříznutí (pro drátěné pružiny), aby byla zajištěna rovinnost koncového povrchu (chyba kolmosti ≤ 0,5°) při zachování chyby volné výšky pružiny v rozmezí ±0,1 mm.

Zpevnění a ochrana povrchu

Leštění povrchu: Elektrochemické leštění (s použitím směsi kyseliny fosforečné a kyseliny sírové jako elektrolytu) nebo mechanické leštění (s použitím diamantového brusného kotouče) se používá ke snížení drsnosti povrchu na Ra ≤ 0,2 μm, čímž se minimalizuje opotřebení kontaktních částí během používání (například lékařské pružiny musí zabránit poškrábání lidské tkáně).

Antikorozní nátěr: Při použití v korozivním prostředí (jako je oceán nebo lékařské tekutiny) je ke zvýšení odolnosti proti korozi vyžadován povlak z nitridu titanu (TiN) (prostřednictvím fyzikálního napařování) nebo povlak z polytetrafluorethylenu (PTFE). (Slitiny NiTi jsou citlivé na uvolňování niklových iontů během dlouhodobého ponoření; uvolňování iontů musí být řízeno na ≤ 0,1 μg/cm²/den.)

Čištění a sušení

K odstranění povrchového oleje a zbytků leštění použijte ultrazvukové čištění (s použitím neutrálního odmašťovacího prostředku, 40-60°C po dobu 10-20 minut). Poté vysušte ve vakuové sušárně (80-120°C po dobu 30 minut), aby se zabránilo oxidaci povrchu.

Testování výkonnosti: Zajištění kvalifikace produktu

Pružiny NiTi procházejí vícerozměrným testováním výkonu. Klíčové položky testu jsou následující:

Procesní rozdíly v typických aplikačních scénářích

Různé obory mají různé požadavky na výkon nikl-titanových pružin, což vyžaduje cílené úpravy procesu:

Lékařské (např. vaskulární stenty, ortodontické obloukové pružiny): Je vyžadována přísná kontrola rozpouštění niklových iontů (přidání povlaku TiN), teplota fázového přechodu (Af ≈ 37°C) a vysoká přesnost lisování (řezání laserem a elektrochemické leštění);

Letectví (např. pružiny mechanismu rozmístění satelitu): Je požadována zlepšená odolnost vůči vysokým a nízkým teplotám (teplota stárnutí zvýšená na 500-550 °C pro zvýšení stability při vysokých teplotách), s požadavkem na únavovou životnost ≥ 1×10⁵ cyklů;

Elektronika (např. kontaktní pružiny konektoru): Je požadována vysoká elasticita (superelasticita při pokojové teplotě, Af ≤ 25°C), povrch vyžaduje stříbření (pro zvýšení vodivosti) a pro lisování se používají mikronavíječky (průměr drátu ≤ 0,2 mm).

Stručně řečeno, proces výroby nikl-titanových pružin je kombinací "nauky o materiálech precizního výrobního inženýrství tepelného zpracování." Jádro spočívá ve vyvážení vlastností materiálu s tvarovou pamětí, mechanickou stabilitou a geometrickou přesností prostřednictvím řízení parametrů v každém kroku, aby byly splněny funkční požadavky různých scénářů.