Postupak proizvodnje opruga od nikla i titana

Ni-Ti opruge su funkcionalne komponente proizvedene na temelju svojstava nikal-titan legure s memorijom oblika (SMA). Naširoko se koriste u medicini, zrakoplovstvu, elektronici i drugim područjima. Proizvodni proces zahtijeva strogu kontrolu sastava, mikrostrukture i mehaničkih svojstava. Temeljni proces je usredotočen na pet ključnih koraka: priprema materijala - oblikovanje - toplinska obrada - naknadna obrada - ispitivanje učinkovitosti. Specifični proces i ključne tehnologije su sljedeći:

Priprema sirovog materijala jezgre: Priprema šipke/žice od legure nikla i titana

Izvedba jezgre nikl-titan opruga ovisi o ujednačenosti sastava nikl-titan legure (sadržaj nikla je obično 50,5% do 51,2% (atomski omjer) i mora se precizno kontrolirati kako bi se osigurala memorija oblika i superelastičnost). Ova faza je temelj procesa.

Doziranje i taljenje sirovog materijala

Koriste se sirovine visoke čistoće: titanska spužva (čistoća ≥99,7%) i elektrolitski nikal (čistoća ≥99,9%). Projektirani sastav je precizno izvagan (tolerancija mora biti unutar ±0,1% atomskog omjera kako bi se izbjegao temperaturni pomak faznog prijelaza uzrokovan odstupanjem sadržaja nikla).

Proces topljenja: Vakuumsko indukcijsko taljenje (VIM) ili vakuumsko lučno taljenje (VAR) glavna je metoda. Jedan ili dva koraka ponovnog taljenja eliminiraju segregaciju komponenata, što rezultira ujednačenim glavnim ingotom legure nikla i titana (obično 50-150 mm u promjeru).

Ključne kontrole: Vakuum taljenja mora biti ≥1×10⁻³Pa kako bi se spriječila oksidacija legure; brzina hlađenja mora se kontrolirati na 50-100°C/min kako bi se izbjeglo stvaranje grube strukture odljevka.

Prerada plastike: izrada šipki/žica od legura

Legure nikal-titan pokazuju lošu plastičnost na sobnoj temperaturi, zahtijevajući kombinaciju vruće i hladne obrade za proizvodnju opružnih proizvoda (šipke ili žice, s promjerima određenim specifikacijama opruge. Medicinska opružna žica može biti mala od 0,1 mm):

Vruće kovanje/toplo valjanje: Ingot legure se zagrijava na 800-950°C (u području β faze, visokotemperaturno stabilne faze legura nikla i titana). Zatim se vrši kovanje ili valjanje u šipke promjera 20-50 mm, razbijajući lijevanu strukturu i pročišćavajući veličinu zrna.

Hladno izvlačenje/hladno valjanje: Vruće obrađene šipke postupno se hladno izvlače (ili hladno valjaju) do ciljanog promjera, pri čemu se svaka deformacija kontrolira na 5%-15% (kako bi se izbjeglo krto pucanje uzrokovano pretjeranom pojedinačnom deformacijom). Međužarenje (700-800°C, 10-30 minuta) provodi se između dvije faze kako bi se eliminiralo otvrdnjavanje i vratila plastičnost.

Površinska obrada: Nakon hladne obrade izvodi se dekapiranje (mješavina dušične kiseline i fluorovodične kiseline) kako bi se uklonio kamenac s površine oksida i osigurala glatka završna obrada (Ra ≤ 0,8 μm) kako bi se izbjegla koncentracija naprezanja tijekom naknadnog oblikovanja.

Oblikovanje opruga: Proizvodnja oblika jezgre

Različiti procesi oblikovanja odabiru se na temelju strukture opruge (kompresija, napetost, torzija) i zahtjeva za preciznošću. Ključ je osigurati stabilnu geometriju opruge i spriječiti značajne deformacije nakon naknadne toplinske obrade.

Namatanje (glavni proces)

Oprema: Koristi se CNC stroj za namatanje opruga koji precizno kontrolira brzinu namotavanja (50-200 okretaja u minuti), korak (0,1-5 mm) i broj zavoja (1-100). Pogodan je za pravilne opruge, kao što su cilindrični i konusni oblici.

kalup: Trn se odabire na temelju unutarnjeg promjera opruge (uglavnom izrađen od brzoreznog čelika ili karbida kako bi se izbjeglo prianjanje s legurama nikla i titana). Tijekom namotavanja, brzina igle mora odgovarati brzini dodavanja žice kako bi se spriječilo labavo ili preklapanje zavojnica.

Ključni parametri: Napetost namotaja kontrolira se između 10 i 50 MPa (prilagođeno prema promjeru žice) kako bi se izbjegla prekomjerna napetost koja bi mogla dovesti do pretjeranog hladnog otvrdnjavanja i utjecati na naknadne rezultate toplinske obrade.

Posebni procesi oblikovanja (složene strukture)

Za opruge posebnog oblika (kao što su opruge promjenjivog promjera i promjenjivog koraka) koristi se lasersko rezanje (prvo se lim/cijev od legure nikla i titana obrađuje u proizvod, a zatim se oblik opruge reže pomoću fiber lasera, s točnošću od ±0,01 mm).

Mikroopruge (kao što su one koje se koriste u medicinskim vaskularnim stentovima) proizvode se mikroelektroformiranjem ili preciznim injekcijskim prešanjem (zahtijevaju praškaste metalurške praške nikal-titan), ali to je skuplje i prikladno je za visokoprecizne primjene.

Ključna toplinska obrada: pamćenje oblika/superelastičnost

Svojstva jezgre nikl-titan opruga (efekt pamćenja oblika, superelastičnost, temperatura faznog prijelaza) postižu se toplinskom obradom. Ova faza je srž procesa i zahtijeva strogu kontrolu temperature, vremena zadržavanja i brzine hlađenja.

Tretman otopinom: Ublažava unutarnji stres Homogenizira sastav

Namjena: Uklanja unutarnja naprezanja nastala tijekom hladne obrade i osigurava ravnomjernu raspodjelu legirajućih elemenata (Ni i Ti), postavljajući temelje za naknadni tretman starenjem.

Parametri procesa: Zagrijavanje na 900-1050°C (područje β faze), držanje 10-60 minuta (prilagođeno na temelju veličine trupca, kraće vrijeme držanja za žicu i dulje vrijeme držanja za šipku), nakon čega slijedi kaljenje vodom (brzina hlađenja ≥100°C/s) kako bi se spriječilo raspadanje β faze u krtu Ti₂Ni fazu.

Tretman starenja: Regulacija temperature faznog prijelaza i mehanička svojstva

Namjena: Kroz starenje se talože fine sekundarne faze (kao što je Ti₂Ni), prilagođavajući temperaturu faznog prijelaza legure (Af: završna temperatura austenita, obično kontrolirana između -50°C i 100°C, ovisno o primjeni; na primjer, Af za medicinske opruge je obično oko 37°C, što odgovara temperaturi ljudskog tijela), dok se istovremeno poboljšava čvrstoća i superelastičnost.

Parametri procesa: Zagrijavanje na 400-550°C (α' β dvofazno područje), držanje 30-180 minuta, nakon čega slijedi hlađenje zrakom ili peći (brzina hlađenja utječe na veličinu istaložene faze; hlađenje zrakom proizvodi sitnije taloge i veću čvrstoću).

Primjer: Ako opruga treba pokazati superelastičnost na sobnoj temperaturi, temperaturu Af treba kontrolirati ispod sobne temperature (npr. Af = -10°C); ako se želi učinak pamćenja oblika "deformacija na niskim temperaturama-oporavak na visokim temperaturama", Af treba kontrolirati na ciljnu temperaturu oporavka (npr. 60°C).

Oblikovanje: Popravljanje geometrije opruge

Nakon namotavanja, opruga se oblikuje na niskoj temperaturi u kalupu za oblikovanje (obično na 150-300°C 10-30 minuta). Ovo služi za popravljanje geometrijskih parametara opruge, kao što su uspon i broj zavoja, kako bi se spriječilo puzanje tijekom sljedeće uporabe. Ovo se posebno odnosi na precizne medicinske opruge.

Naknadna obrada: Poboljšanje preciznosti i kvalitete površine

Ova faza primarno se bavi odstupanjima u preciznosti i površinskim defektima nakon oblikovanja i toplinske obrade, osiguravajući da opruga zadovoljava zahtjeve montaže i rada.

Završno obrezivanje i dorada

Nakon namatanja, krajevi opruge mogu imati neravnine ili neravnine. Oni zahtijevaju obrezivanje uz pomoć preciznog rezanja brusnim kotačem (za šipke opruge) ili lasersko obrezivanje (za žičane opruge) kako bi se osigurala ravnost krajnje površine (pogreška okomitosti ≤ 0,5°) uz održavanje pogreške visine slobodne opruge unutar ±0,1 mm.

Površinsko ojačanje i zaštita

Poliranje površine: elektrokemijsko poliranje (upotrebom mješavine fosforne kiseline i sumporne kiseline kao elektrolita) ili mehaničko poliranje (upotrebom dijamantnog brusnog kotača) koristi se za smanjenje hrapavosti površine na Ra ≤ 0,2 μm, minimizirajući trošenje kontaktnih dijelova tijekom uporabe (na primjer, medicinske opruge moraju izbjegavati grebanje ljudskog tkiva).

Antikorozivni premaz: Ako se koristi u korozivnim okruženjima (kao što su oceani ili medicinske tekućine), potreban je premaz od titan nitrida (TiN) (putem fizičkog taloženja parom) ili premaz od politetrafluoretilena (PTFE) za povećanje otpornosti na koroziju. (NiTi legure su osjetljive na otpuštanje iona nikla tijekom dugotrajnog uranjanja; otpuštanje iona mora se kontrolirati na ≤ 0,1 μg/cm²/dan.)

Čišćenje i sušenje

Upotrijebite ultrazvučno čišćenje (upotrebom neutralnog sredstva za odmašćivanje, 40-60°C tijekom 10-20 minuta) kako biste uklonili površinsko ulje i ostatke poliranja. Zatim sušite u vakuumskoj sušionici (80-120°C 30 minuta) kako biste spriječili površinsku oksidaciju.

Testiranje izvedbe: osiguranje kvalifikacije proizvoda

NiTi opruge podvrgnute su višedimenzionalnom testiranju performansi. Ključne stavke testa su sljedeće:

Razlike procesa u tipičnim scenarijima primjene

Različita područja imaju različite zahtjeve performansi za opruge od nikla i titana, što zahtijeva ciljane prilagodbe procesa:

Medicinski (npr. vaskularni stentovi, opruge od ortodontske žice): Potrebna je stroga kontrola otapanja iona nikla (dodavanje prevlake TiN), temperature faznog prijelaza (Af ≈ 37°C) i visoka preciznost kalupljenja (lasersko rezanje i elektrokemijsko poliranje);

Zrakoplovstvo (npr. opruge mehanizma za postavljanje satelita): Potrebna je poboljšana otpornost na visoke i niske temperature (temperatura starenja povećana na 500-550°C kako bi se poboljšala stabilnost na visokim temperaturama), sa zahtjevom za vijekom trajanja od zamora od ≥ 1×10⁵ ciklusa;

Elektronika (npr. kontaktne opruge konektora): Potrebna je visoka elastičnost (superelastičnost sobne temperature, Af ≤ 25°C), površina zahtijeva posrebrenje (za povećanje vodljivosti), a za oblikovanje se koriste strojevi za mikro namotavanje (promjer žice ≤ 0,2 mm).

Ukratko, proces proizvodnje opruga od nikla i titana kombinacija je "inženjeringa toplinske obrade precizne proizvodnje znanosti o materijalima". Srž leži u balansiranju svojstava pamćenja oblika, mehaničke stabilnosti i geometrijske preciznosti materijala kroz kontrolu parametara u svakom koraku kako bi se zadovoljili funkcionalni zahtjevi različitih scenarija.