Nikkel-titanium veerproductieproces

Ni-Ti-veren zijn functionele componenten vervaardigd op basis van de eigenschappen van nikkel-titanium vormgeheugenlegering (SMA). Ze worden veel gebruikt in de medische wereld, de ruimtevaart, de elektronica en andere gebieden. Het productieproces vereist strikte controle op samenstelling, microstructuur en mechanische eigenschappen. Het kernproces is gecentreerd rond vijf belangrijke stappen: materiaalvoorbereiding - vorming - warmtebehandeling - nabewerking - prestatietests. Het specifieke proces en de belangrijkste technologieën zijn als volgt:

Voorbereiding van de kerngrondstof: Voorbereiding van de staaf/draad van een nikkel-titaniumlegering

De kernprestaties van nikkel-titaniumveren zijn afhankelijk van de uniformiteit van de samenstelling van de nikkel-titaniumlegering (het nikkelgehalte is doorgaans 50,5% tot 51,2% (atoomverhouding) en moet nauwkeurig worden gecontroleerd om vormgeheugen en superelasticiteit te garanderen). Deze fase vormt de basis van het proces.

Doseren en smelten van grondstoffen

Er worden zeer zuivere grondstoffen gebruikt: titaniumspons (zuiverheid ≥99,7%) en elektrolytisch nikkel (zuiverheid ≥99,9%). De ontworpen samenstelling wordt nauwkeurig gewogen (de tolerantie moet binnen de atomaire verhouding van ± 0,1% liggen om faseovergangstemperatuurafwijking veroorzaakt door afwijkingen in het nikkelgehalte te voorkomen).

Smeltproces: Vacuüm-inductiesmelten (VIM) of vacuümboogsmelten (VAR) is de reguliere methode. Eén of twee hersmeltstappen elimineren de segregatie van de componenten, wat resulteert in een uniforme nikkel-titanium-masterlegeringsstaaf (doorgaans een diameter van 50-150 mm).

Belangrijkste bedieningselementen: Het smeltvacuüm moet ≥1×10⁻³Pa zijn om oxidatie van de legering te voorkomen; De koelsnelheid moet worden gecontroleerd op 50-100°C/min om de vorming van een grove gietstructuur te voorkomen.

Kunststofverwerking: het maken van gelegeerde staven/draden

Nikkel-titaanlegeringen vertonen een slechte plasticiteit bij kamertemperatuur, waardoor een combinatie van warm werken en koud werken nodig is om verenplano's te produceren (staven of draden, met diameters bepaald door veerspecificaties. Medische verendraad kan zo klein zijn als 0,1 mm):

Heet smeden/heet walsen: De legeringsstaaf wordt verwarmd tot 800-950°C (in het β-fasegebied, de stabiele fase bij hoge temperaturen van nikkel-titaanlegeringen). Vervolgens wordt het smeden of walsen uitgevoerd tot staven met een diameter van 20-50 mm, waardoor de gegoten structuur wordt afgebroken en de korrelgrootte wordt verfijnd.

Koudtrekken/koudwalsen: De warmbewerkte staven worden geleidelijk koudgetrokken (of koudgewalst) tot de doeldiameter, waarbij elke vervorming wordt beperkt tot 5% -15% (om brosse scheuren veroorzaakt door overmatige enkele vervorming te voorkomen). Tussen de twee fasen wordt tussentijds gloeien (700-800°C, 10-30 minuten) uitgevoerd om werkverharding te elimineren en de plasticiteit te herstellen.

Oppervlaktebehandeling: Na het koud bewerken wordt het beitsen (een mengsel van salpeterzuur en fluorwaterstofzuur) uitgevoerd om de oxideaanslag op het oppervlak te verwijderen en een gladde oppervlakteafwerking te garanderen (Ra ≤ 0,8 μm) om spanningsconcentratie tijdens het daaropvolgende vormen te voorkomen.

Veervorming: productie van kernvormen

Er worden verschillende vormprocessen geselecteerd op basis van de structuur van de veer (compressie, spanning, torsie) en precisie-eisen. De sleutel is het garanderen van een stabiele veergeometrie en het voorkomen van aanzienlijke vervorming na daaropvolgende warmtebehandeling.

Wikkelen (mainstreamproces)

Uitrusting: Er wordt gebruik gemaakt van een CNC-veerwikkelmachine, die de opwindsnelheid (50-200 rpm), de spoed (0,1-5 mm) en het aantal windingen (1-100) nauwkeurig regelt. Het is geschikt voor reguliere veren, zoals cilindrische en conische vormen.

Schimmel: Een doorn wordt geselecteerd op basis van de binnendiameter van de veer (meestal gemaakt van snelstaal of carbide om hechting met nikkel-titaniumlegeringen te voorkomen). Tijdens het wikkelen moet de doornsnelheid overeenkomen met de draadaanvoersnelheid om losse of overlappende spoelen te voorkomen.

Belangrijkste parameters: De wikkelspanning wordt geregeld tussen 10 en 50 MPa (aangepast aan de draaddiameter) om overmatige spanning te voorkomen die overmatige koudeharding zou kunnen veroorzaken en de daaropvolgende warmtebehandelingsresultaten zou kunnen beïnvloeden.

Speciale vormprocessen (complexe structuren)

Voor speciaal gevormde veren (zoals veren met variabele diameter en veren met variabele spoed) wordt lasersnijden gebruikt (eerst wordt een plaat/buis van een nikkel-titaniumlegering verwerkt tot een plano, en vervolgens wordt de veervorm gesneden met behulp van een fiberlaser, met een nauwkeurigheid van ± 0,01 mm).

Microveren (zoals die worden gebruikt in medische vasculaire stents) worden geproduceerd met behulp van micro-elektroforming of precisiespuitgieten (waarvoor nikkel-titaniumpoedermetallurgische plano's nodig zijn), maar dit is duurder en geschikt voor toepassingen met hoge precisie.

Belangrijke warmtebehandeling: vormgeheugen/superelasticiteit verlenen

De kerneigenschappen van nikkel-titaniumveren (vormgeheugeneffect, superelasticiteit, faseovergangstemperatuur) worden bereikt door middel van warmtebehandeling. Deze fase vormt de kern van het proces en vereist een strikte controle van de temperatuur, de bewaartijd en de afkoelsnelheid.

Oplossingsbehandeling: verlicht interne stress Homogeniseert de samenstelling

Doel: Verwijdert interne spanningen die ontstaan tijdens koudvervormen en zorgt voor een uniforme verdeling van legeringselementen (Ni en Ti), waardoor de basis wordt gelegd voor daaropvolgende verouderingsbehandeling.

Procesparameters: Verwarmen tot 900-1050 °C (β-fasegebied), 10-60 minuten vasthouden (aangepast op basis van de knuppelgrootte, kortere houdtijd voor draad en langere houdtijd voor staaf), gevolgd door afschrikken met water (afkoelsnelheid ≥100 °C/s) om ontleding van de β-fase in de brosse Ti₂Ni-fase te voorkomen.

Verouderingsbehandeling: Regelen van de faseovergangstemperatuur en mechanische eigenschappen

Doel: Door veroudering worden fijne secundaire fasen (zoals Ti₂Ni) neergeslagen, waardoor de faseovergangstemperatuur van de legering wordt aangepast (Af: austenietafwerkingstemperatuur, doorgaans geregeld tussen -50 °C en 100 °C, afhankelijk van de toepassing; Af voor medische veren ligt bijvoorbeeld doorgaans rond de 37 °C, wat overeenkomt met de menselijke lichaamstemperatuur), terwijl tegelijkertijd de sterkte en superelasticiteit worden verbeterd.

Procesparameters: Verwarmen tot 400-550°C (α'β tweefasig gebied), 30-180 minuten vasthouden, gevolgd door lucht- of ovenkoeling (de koelsnelheid beïnvloedt de grootte van de neergeslagen fase; luchtkoeling produceert fijnere neerslag en hogere sterkte).

Voorbeeld: Als de veer superelasticiteit moet vertonen bij kamertemperatuur, moet de Af-temperatuur onder kamertemperatuur worden geregeld (bijvoorbeeld Af = -10°C); als het vormgeheugeneffect "vervorming bij lage temperatuur - herstel bij hoge temperatuur" gewenst is, moet Af worden geregeld op de beoogde hersteltemperatuur (bijvoorbeeld 60 ° C).

Vormen: de veergeometrie repareren

Na het opwinden ondergaat de veer een vormgeving bij lage temperatuur in een vormmal (typisch bij 150-300°C gedurende 10-30 minuten). Dit is om de geometrische parameters van de veer vast te leggen, zoals de spoed en het aantal windingen, om kruip tijdens later gebruik te voorkomen. Dit is met name van toepassing op medische precisieveren.

Nabewerking: verbetering van de precisie en oppervlaktekwaliteit

In deze fase worden voornamelijk precisieafwijkingen en oppervlaktedefecten na het vormen en de warmtebehandeling aangepakt, waardoor wordt gegarandeerd dat de veer voldoet aan de montage- en operationele vereisten.

Einde van het trimmen en afwerken

Na het opwinden kunnen de uiteinden van de veer bramen of oneffenheden vertonen. Deze vereisen trimmen met behulp van precisieslijpschijfsnijden (voor staafveren) of lasertrimmen (voor draadveren) om de vlakheid van het eindoppervlak te garanderen (loodrechtheidsfout ≤ 0,5°) terwijl de veervrije hoogtefout binnen ± 0,1 mm wordt gehandhaafd.

Oppervlakteversteviging en bescherming

Oppervlaktepolijsten: Elektrochemisch polijsten (met een mengsel van fosforzuur en zwavelzuur als elektrolyt) of mechanisch polijsten (met behulp van een diamantslijpschijf) wordt gebruikt om de oppervlakteruwheid te verminderen tot Ra ≤ 0,2 μm, waardoor slijtage van contactonderdelen tijdens gebruik wordt geminimaliseerd (medische veren moeten bijvoorbeeld voorkomen dat er krassen op menselijk weefsel komen).

Anticorrosieve coating: Bij gebruik in corrosieve omgevingen (zoals de oceaan of medische vloeistoffen) is een coating van titaniumnitride (TiN) (via fysische dampafzetting) of polytetrafluorethyleen (PTFE) coating vereist om de corrosieweerstand te verbeteren. (NiTi-legeringen zijn gevoelig voor het vrijkomen van nikkelionen tijdens langdurige onderdompeling; het vrijkomen van ionen moet worden gecontroleerd tot ≤ 0,1 μg/cm²/dag.)

Reinigen en drogen

Gebruik ultrasoon reinigen (met een neutraal ontvettingsmiddel, 40-60°C gedurende 10-20 minuten) om oppervlakteolie en polijstresten te verwijderen. Vervolgens drogen in een vacuümdroogoven (80-120°C gedurende 30 minuten) om oppervlakteoxidatie te voorkomen.

Prestatietesten: zorgen voor productkwalificatie

NiTi-veren ondergaan multidimensionale prestatietests. De belangrijkste testitems zijn als volgt:

Procesverschillen in typische toepassingsscenario's

Verschillende vakgebieden hebben verschillende prestatie-eisen voor nikkel-titaniumveren, waardoor gerichte procesaanpassingen nodig zijn:

Medisch (bijv. vasculaire stents, orthodontische boogdraadveren): Strenge controle van het oplossen van nikkelionen (toevoeging van TiN-coating), faseovergangstemperatuur (Af ≈ 37°C) en hoge gietprecisie (lasersnijden en elektrochemisch polijsten) zijn vereist;

Lucht- en ruimtevaart (bijv. veren voor satellietinzetmechanismen): Er is een verbeterde weerstand tegen hoge en lage temperaturen nodig (verouderingstemperatuur verhoogd tot 500-550°C om de stabiliteit bij hoge temperaturen te verbeteren), met een vereiste levensduur tegen vermoeiing van ≥ 1×10⁵ cycli;

Elektronica (bijv. contactveren van connectoren): Er is een hoge elasticiteit vereist (superelasticiteit bij kamertemperatuur, Af ≤ 25°C), het oppervlak vereist verzilvering (om de geleidbaarheid te verbeteren) en voor het vormen worden microwikkelmachines (draaddiameter ≤ 0,2 mm) gebruikt.

Samenvattend is het productieproces van nikkel-titaniumveren een combinatie van "materiaalwetenschap, precisieproductie en warmtebehandeling." De kern ligt in het balanceren van de vormgeheugeneigenschappen, mechanische stabiliteit en geometrische precisie van het materiaal door middel van parametercontrole bij elke stap om te voldoen aan de functionele vereisten van verschillende scenario's.