Produktionsproces for nikkel-titanium fjeder

Ni-Ti fjedre er funktionelle komponenter fremstillet baseret på egenskaberne af nikkel-titanium formhukommelseslegering (SMA). De er meget udbredt inden for medicinsk, rumfart, elektronik og andre områder. Produktionsprocessen kræver streng kontrol af sammensætning, mikrostruktur og mekaniske egenskaber. Kerneprocessen er centreret omkring fem nøgletrin: materialeforberedelse - formning - varmebehandling - efterbearbejdning - præstationstest. Den specifikke proces og nøgleteknologier er som følger:

Forberedelse af kerneråmateriale: Nikkel-titaniumlegeringsstang/trådforberedelse

Kerneydelsen af nikkel-titanium-fjedre afhænger af ensartetheden af nikkel-titanium-legeringens sammensætning (nikkelindholdet er typisk 50,5 % til 51,2 % (atomforhold) og skal kontrolleres præcist for at sikre formhukommelse og superelasticitet). Denne fase er grundlaget for processen.

Råstofproportionering og smeltning

Der anvendes højrente råvarer: titansvamp (renhed ≥99,7%) og elektrolytisk nikkel (renhed ≥99,9%). Den designede sammensætning vejes nøjagtigt (tolerancen skal være inden for ±0,1 % atomforhold for at undgå faseovergangstemperaturdrift forårsaget af afvigelse af nikkelindhold).

Smelteproces: Vakuuminduktionssmeltning (VIM) eller vakuumbuesmeltning (VAR) er den almindelige metode. Et eller to omsmeltningstrin eliminerer komponentadskillelse, hvilket resulterer i en ensartet nikkel-titanium-masterlegering (typisk 50-150 mm i diameter).

Nøglekontroller: Smeltevakuum skal være ≥1×10⁻³Pa for at forhindre legeringsoxidation; afkølingshastigheden skal styres til 50-100°C/min for at undgå dannelsen af ​​grov støbestruktur.

Plastforarbejdning: Fremstilling af legeringsstænger/tråde

Nikkel-titanium-legeringer udviser dårlig plasticitet ved stuetemperatur, hvilket kræver en kombination af varmbearbejdning og koldbearbejdning for at fremstille fjederemner (stænger eller tråde, med diametre bestemt af fjederspecifikationer. Medicinsk fjedertråd kan være så lille som 0,1 mm):

Varmsmedning/varmvalsning: Legeringsbarren opvarmes til 800-950°C (i β-faseområdet, den højtemperaturstabile fase af nikkel-titanium-legeringer). Smedning eller valsning udføres derefter til stænger med diametre på 20-50 mm, nedbryder den støbte struktur og forfiner kornstørrelsen.

Koldtegning/Koldvalsning: De varmtbearbejdede stænger bliver gradvist koldttrukket (eller koldvalset) til måldiameteren, med hver deformation kontrolleret til 5%-15% (for at undgå sprøde revner forårsaget af overdreven enkelt deformation). Mellemudglødning (700-800°C, 10-30 minutter) udføres mellem de to trin for at eliminere arbejdshærdning og genoprette plasticiteten.

Overfladebehandling: Efter koldbearbejdning udføres bejdsning (en blanding af salpetersyre og flussyre) for at fjerne overfladeoxidbelægninger og sikre en glat overfladefinish (Ra ≤ 0,8μm) for at undgå spændingskoncentration under efterfølgende formning.

Fjederformning: Fremstilling af kerneform

Forskellige formningsprocesser vælges ud fra fjederens struktur (kompression, spænding, vridning) og præcisionskrav. Nøglen er at sikre stabil fjedergeometri og forhindre betydelig deformation efter efterfølgende varmebehandling.

Vikling (mainstream-proces)

Udstyr: Der anvendes en CNC fjederopviklingsmaskine, som præcist styrer opviklingshastigheden (50-200 rpm), stigning (0,1-5 mm) og antal vindinger (1-100). Den er velegnet til almindelige fjedre, såsom cylindriske og koniske former.

Skimmelsvamp: En dorn vælges ud fra fjederens indvendige diameter (for det meste lavet af højhastighedsstål eller hårdmetal for at undgå vedhæftning med nikkel-titanium-legeringer). Under vikling skal dornhastigheden passe til trådfremføringshastigheden for at forhindre løse eller overlappende spoler.

Nøgleparametre: Viklespændingen styres mellem 10 og 50 MPa (justeret i henhold til tråddiameteren) for at undgå overdreven spænding, der kan overdreven koldhærdning og påvirke efterfølgende varmebehandlingsresultater.

Særlige formningsprocesser (komplekse strukturer)

Til specialformede fjedre (såsom fjedre med variabel diameter og variabel stigning) anvendes laserskæring (først bearbejdes nikkel-titanium-legeringsplade/rør til et emne, og derefter skæres fjederformen ved hjælp af en fiberlaser, med en nøjagtighed på ±0,01 mm).

Mikrofjedre (såsom dem, der bruges i medicinske vaskulære stenter) fremstilles ved hjælp af mikro-elektroformning eller præcisionssprøjtestøbning (kræver nikkel-titanium-pulvermetallurgiemner), men dette er dyrere og er velegnet til højpræcisionsanvendelser.

Nøglevarmebehandling: Giver formhukommelse/superelasticitet

Kerneegenskaberne for nikkel-titanium-fjedre (formhukommelseseffekt, superelasticitet, faseovergangstemperatur) opnås gennem varmebehandling. Dette trin er kernen i processen og kræver streng kontrol af temperatur, holdetid og afkølingshastighed.

Opløsningsbehandling: Lindrer indre stress Homogeniserer sammensætning

Formål: Fjerner indre spændinger, der genereres under koldbearbejdning og sikrer ensartet fordeling af legeringselementer (Ni og Ti), hvilket lægger grundlaget for efterfølgende ældningsbehandling.

Proces parametre: Opvarmning til 900-1050°C (β-faseområde), holde i 10-60 minutter (justeret baseret på emnestørrelse, kortere holdetid for tråd og længere holdetid for stang), efterfulgt af vandkøling (afkølingshastighed ≥100°C/s) for at forhindre nedbrydning af β Ti-fasen til den skøre fase.

Aldringsbehandling: Regulering af faseovergangstemperatur og mekaniske egenskaber

Formål: Gennem ældning udfældes fine sekundære faser (såsom Ti₂Ni), som justerer legeringens faseovergangstemperatur (Af: austenit finishtemperatur, typisk kontrolleret mellem -50°C og 100°C, afhængigt af anvendelsen; for eksempel er Af til medicinske fjedre typisk omkring 37°C, hvilket matcher menneskets kropstemperatur), mens den samtidig er superimprovisk.

Proces parametre: Opvarmning til 400-550°C (α'β-dobbeltfaseområde), holdt i 30-180 minutter, efterfulgt af luft- eller ovnkøling (afkølingshastigheden påvirker størrelsen af den udfældede fase; luftkøling giver finere bundfald og højere styrke).

Eksempel: Hvis fjederen skal udvise superelasticitet ved stuetemperatur, bør Af-temperaturen kontrolleres under stuetemperatur (f.eks. Af = -10°C); hvis "lavtemperatur-deformation-højtemperaturgenvinding"-formhukommelseseffekten ønskes, bør Af styres til målgendannelsestemperaturen (f.eks. 60°C).

Formning: Fastgørelse af fjedergeometrien

Efter opvikling gennemgår fjederen lavtemperaturformning i en formeform (typisk ved 150-300°C i 10-30 minutter). Dette er for at fiksere fjederens geometriske parametre, såsom stigning og antal omdrejninger, for at forhindre krybning under efterfølgende brug. Dette er især anvendeligt til medicinske præcisionsfjedre.

Efterbehandling: Forbedring af præcision og overfladekvalitet

Dette trin adresserer primært præcisionsafvigelser og overfladefejl efter formning og varmebehandling, hvilket sikrer, at fjederen opfylder monterings- og driftskrav.

Sluttrimning og efterbehandling

Efter vikling kan fjederens ender have grater eller ujævnheder. Disse kræver trimning ved hjælp af præcisionsslibeskive (til stangfjedre) eller lasertrimning (for trådfjedre) for at sikre endefladens fladhed (vinkelrethedsfejl ≤ 0,5°), mens den fjederfri højdefejl opretholdes inden for ±0,1 mm.

Overfladeforstærkning og beskyttelse

Overfladepolering: Elektrokemisk polering (ved hjælp af en blanding af fosforsyre og svovlsyre som elektrolyt) eller mekanisk polering (ved hjælp af en diamantslibeskive) bruges til at reducere overfladeruheden til Ra ≤ 0,2μm, hvilket minimerer slid på kontaktdele under brug (f.eks. skal medicinske fjedre undgå ridser af menneskeligt væv).

Anti-korrosionsbelægning: Hvis det bruges i ætsende miljøer (såsom havet eller medicinske væsker), kræves en belægning af titaniumnitrid (TiN) (via fysisk dampaflejring) eller polytetrafluorethylen (PTFE) belægning for at øge korrosionsbestandigheden. (NiTi-legeringer er modtagelige for nikkelionfrigivelse under langvarig nedsænkning; ionfrigivelse skal kontrolleres til ≤ 0,1 μg/cm²/dag.)

Rengøring og tørring

Brug ultralydsrensning (ved hjælp af et neutralt affedtningsmiddel, 40-60°C i 10-20 minutter) for at fjerne overfladeolie og polerrester. Tør derefter i en vakuumtørreovn (80-120°C i 30 minutter) for at forhindre overfladeoxidation.

Ydelsestest: Sikring af produktkvalifikation

NiTi-fjedre gennemgår multidimensionel ydeevnetest. De vigtigste testpunkter er som følger:

Procesforskelle i typiske applikationsscenarier

Forskellige felter har forskellige ydeevnekrav til nikkel-titanium fjedre, hvilket kræver målrettede procesjusteringer:

Medicinsk (f.eks. vaskulære stents, ortodontiske buetrådsfjedre): Streng kontrol af nikkelionopløsning (tilsætning af TiN-belægning), faseovergangstemperatur (Af ≈ 37°C) og høj støbepræcision (laserskæring og elektrokemisk polering) er påkrævet;

Luft- og rumfart (f.eks. fjedre til satellitindsættelsesmekanismer): Forbedret høj- og lavtemperaturmodstand er påkrævet (ældningstemperaturen øget til 500-550°C for at forbedre højtemperaturstabiliteten), med et udmattelseslevetid på ≥ 1×10⁵-cyklusser;

Elektronik (f.eks. kontaktfjedre): Der kræves høj elasticitet (superelasticitet ved stuetemperatur, Af ≤ 25°C), overfladen kræver forsølvning (for at øge ledningsevnen), og mikroviklingsmaskiner (tråddiameter ≤ 0,2 mm) bruges til støbning.

Sammenfattende er nikkel-titanium-fjederproduktionsprocessen en kombination af "materialevidenskab præcisionsfremstilling varmebehandlingsteknik." Kernen ligger i at balancere materialets formhukommelsesegenskaber, mekaniske stabilitet og geometriske præcision gennem parameterkontrol ved hvert trin for at opfylde funktionskravene i forskellige scenarier.