Nikkeli-titaanijousien tuotantoprosessi

Ni-Ti jouset ovat toiminnallisia komponentteja, jotka on valmistettu nikkeli-titaani muotomuistiseoksen (SMA) ominaisuuksien perusteella. Niitä käytetään laajalti lääketieteessä, ilmailussa, elektroniikassa ja muilla aloilla. Tuotantoprosessi vaatii tiukkaa koostumuksen, mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien valvontaa. Ydinprosessi keskittyy viiteen avainvaiheeseen: materiaalin valmistelu - muovaus - lämpökäsittely - jälkikäsittely - suorituskyvyn testaus. Erityisprosessi ja keskeiset tekniikat ovat seuraavat:

Ytimen raaka-aineen valmistelu: Nikkeli-titaaniseoksesta valmistettu sauva/lanka

Nikkeli-titaanijousien ytimen suorituskyky riippuu nikkeli-titaaniseoksen koostumuksen tasaisuudesta (nikkelipitoisuus on tyypillisesti 50,5–51,2 % (atomisuhde) ja sitä on säädettävä tarkasti muodon muistin ja superelastisuuden varmistamiseksi). Tämä vaihe on prosessin perusta.

Raaka-aineen annostelu ja sulatus

Käytetään erittäin puhtaita raaka-aineita: titaanisientä (puhtaus ≥99,7%) ja elektrolyyttistä nikkeliä (puhtaus ≥99,9%). Suunniteltu koostumus punnitaan tarkasti (toleranssin tulee olla ±0,1 %:n atomisuhteessa, jotta vältetään nikkelipitoisuuden poikkeaman aiheuttama faasimuutoslämpötilan poikkeama).

Sulamisprosessi: Tyhjiöinduktiosulatus (VIM) tai tyhjiökaarisulatus (VAR) on yleisin menetelmä. Yksi tai kaksi uudelleensulatusvaihetta eliminoi komponenttien erottelun, mikä johtaa yhtenäiseen nikkeli-titaani-perusseosharkkoon (halkaisijaltaan tyypillisesti 50-150 mm).

Pääohjaimet: Sulatustyhjiön on oltava ≥1 × 10⁻3 Pa lejeeringin hapettumisen estämiseksi; jäähdytysnopeus on säädettävä 50-100°C/min karkean valurakenteen muodostumisen välttämiseksi.

Muovin käsittely: Seostangojen/lankojen valmistus

Nikkeli-titaaniseoksilla on huono plastisuus huoneenlämmössä, mikä vaatii kuumatyöstön ja kylmämuokkauksen yhdistelmää jousiaihioiden (tangot tai langat, joiden halkaisija määräytyvät jousimäärittelyjen mukaan. Lääketieteellinen jousilanka voi olla jopa 0,1 mm):

Kuumatakominen/Kuumavalssaus: Lejeerinkiharkko kuumennetaan 800-950 °C:seen (β-faasialueella, nikkeli-titaaniseosten korkean lämpötilan vakaa faasi). Sitten takotaan tai valssataan tangoiksi, joiden halkaisija on 20-50 mm, jolloin valurakenne hajoaa ja raekokoa jalostetaan.

Kylmäveto/kylmävalssaus: Kuumatyöstetyt tangot kylmävedetään (tai kylmävalssataan) vähitellen tavoitehalkaisijaan asti, jolloin jokainen muodonmuutos on säädetty 5–15 %:iin (liian yksittäisen muodonmuutoksen aiheuttaman hauraan halkeamisen välttämiseksi). Välihehkutus (700-800°C, 10-30 minuuttia) suoritetaan näiden kahden vaiheen välillä työkarkaisun eliminoimiseksi ja plastisuuden palauttamiseksi.

Pintakäsittely: Kylmämuokkauksen jälkeen suoritetaan peittaus (typpihapon ja fluorivetyhapon seos) pinnan oksidihilsettä poistamiseksi ja tasaisen pinnan varmistamiseksi (Ra ≤ 0,8 μm), jotta vältetään jännityksen keskittyminen myöhemmän muovauksen aikana.

Jousimuovaus: Core Shape Manufacturing

Erilaiset muovausprosessit valitaan jousen rakenteen (puristus, jännitys, vääntö) ja tarkkuusvaatimusten perusteella. Tärkeintä on varmistaa vakaa jousigeometria ja estää merkittävä muodonmuutos myöhemmän lämpökäsittelyn jälkeen.

Kierto (pääprosessi)

Varustus: Käytössä on CNC-jousirullauskone, joka ohjaa tarkasti käämitysnopeutta (50-200 rpm), nousua (0,1-5mm) ja kierrosten määrää (1-100). Se sopii tavallisiin jousiin, kuten lieriömäisiin ja kartiomaisiin muotoihin.

Muotti: Kara valitaan jousen sisähalkaisijan perusteella (valmistettu enimmäkseen nopeasta teräksestä tai kovametallista, jotta vältetään tarttuminen nikkeli-titaaniseoksiin). Käämityksen aikana karan nopeuden on vastattava langansyöttönopeutta, jotta vältetään kelojen löystyminen tai päällekkäisyys.

Pääparametrit: Käämijän kireys säädetään välillä 10 - 50 MPa (säädetty langan halkaisijan mukaan), jotta vältetään liiallinen jännitys, joka voi aiheuttaa liiallista kylmäkarkaisua ja vaikuttaa myöhempään lämpökäsittelyn tuloksiin.

Erikoismuovausprosessit (monimutkaiset rakenteet)

Erikoismuotoisille jousille (kuten vaihtelevan halkaisijan ja vaihtelevan nousun jouset) käytetään laserleikkausta (ensin nikkeli-titaaniseoslevy/putki työstetään aihioksi, jonka jälkeen jousen muoto leikataan kuitulaserilla, tarkkuudella ±0,01 mm).

Mikrojouset (kuten lääketieteellisissä vaskulaarisissa stenteissä käytetyt) valmistetaan käyttämällä mikrosähkömuovausta tai tarkkuusruiskuvalua (vaatii nikkeli-titaanijauhemetallurgisia aihioita), mutta tämä on kalliimpaa ja soveltuu erittäin tarkkoihin sovelluksiin.

Tärkeimmät lämpökäsittelyt: Muodon lisääminen/superelastisuus

Nikkeli-titaanijousien ydinominaisuudet (muodon muistiefekti, superelastisuus, faasimuutoslämpötila) saavutetaan lämpökäsittelyllä. Tämä vaihe on prosessin ydin ja vaatii tiukkaa lämpötilan, pitoajan ja jäähdytysnopeuden hallintaa.

Ratkaisuhoito: Lievittää sisäistä stressiä homogenisoi koostumuksen

Tarkoitus: Poistaa kylmämuokkauksen aikana syntyneet sisäiset jännitykset ja varmistaa seosaineiden (Ni ja Ti) tasaisen jakautumisen luoden pohjan myöhemmälle vanhentamiskäsittelylle.

Prosessin parametrit: Kuumennus 900-1050 °C:seen (β-vaihealue), pito 10-60 minuuttia (säädetty aihion koon perusteella, lyhyempi pitoaika langalla ja pidempi pitoaika sauvalla), mitä seuraa vesisammutus (jäähdytysnopeus ≥100 °C/s), jotta estetään β-faasin hajoaminen hauraaksi Ti₂Ni-faasiksi.

Ikääntymisen hoito: Vaiheen siirtymälämpötilan ja mekaanisten ominaisuuksien säätely

Tarkoitus: Vanhenemisen kautta hienoja sekundaarisia faaseja (kuten Ti₂Ni) saostetaan, mikä säätelee lejeeringin faasimuutoslämpötilaa (Af: austeniitin viimeistelylämpötila, tyypillisesti säädellään välillä -50 °C ja 100 °C, riippuen sovelluksesta; esimerkiksi lääkintäjousien Af on tyypillisesti noin 37 °C, mikä vastaa ihmisen kehon lämpötilaa), samalla kun se parantaa lujuutta ja supertaaneisuutta.

Prosessin parametrit: Kuumentaminen 400-550°C:een (α'β-kaksivaiheinen alue), pito 30-180 minuuttia, jonka jälkeen ilma- tai uunijäähdytys (jäähdytysnopeus vaikuttaa saostuneen faasin kokoon; ilmajäähdytys tuottaa hienompia saostumia ja vahvempaa).

Esimerkki: Jos jousella on määrä olla superelastinen huoneenlämpötilassa, Af-lämpötilaa tulisi säätää huoneenlämpötilan alapuolelle (esim. Af = -10 °C); jos halutaan "matalan lämpötilan muodonmuutos-korkean lämpötilan palautuminen" -muotomuistiefekti, Af tulisi säätää palautustavoitteen lämpötilaan (esim. 60 °C).

Muotoilu: Jousigeometrian kiinnitys

Käärimisen jälkeen jousi käy läpi matalan lämpötilan muotoilun muotoilumuotissa (tyypillisesti 150-300 °C:ssa 10-30 minuutin ajan). Tämän tarkoituksena on korjata jousen geometriset parametrit, kuten nousu ja kierrosten lukumäärä, jotta estetään viruminen myöhemmän käytön aikana. Tämä koskee erityisesti tarkkuuslääketieteellisiä jousia.

Jälkikäsittely: Tarkkuuden ja pinnan laadun parantaminen

Tässä vaiheessa käsitellään ensisijaisesti tarkkuuspoikkeamia ja pintavirheitä muotoilun ja lämpökäsittelyn jälkeen, jotta varmistetaan, että jousi täyttää asennus- ja käyttövaatimukset.

Loppu trimmaus ja viimeistely

Käärimisen jälkeen jousen päissä voi olla purseita tai epätasaisuuksia. Nämä vaativat trimmaamista käyttämällä tarkkuushiomalaikan leikkaamista (tankojousille) tai laserleikkausta (vaijerijousille), jotta varmistetaan päätypinnan tasaisuus (kohosuuntausvirhe ≤ 0,5°) samalla kun jousivapaa korkeusvirhe säilyy ±0,1 mm:n sisällä.

Pinnan vahvistaminen ja suojaus

Pinnan kiillotus: Sähkökemiallista kiillotusta (käyttämällä fosforihapon ja rikkihapon seosta elektrolyyttinä) tai mekaanista kiillotusta (käyttäen timanttihiomalaikkaa) käytetään pinnan karheuden vähentämiseksi arvoon Ra ≤ 0,2 μm, minimoiden kosketusosien kuluminen käytön aikana (esimerkiksi lääketieteellisten jousien on vältettävä naarmuuntumista ihmiskudokselle).

Korroosionestopinnoite: Jos sitä käytetään syövyttävissä ympäristöissä (kuten meressä tai lääketieteellisissä nesteissä), titaaninitridi (TiN) pinnoite (fysikaalisella höyrypinnoituksella) tai polytetrafluorieteeni (PTFE) -pinnoite vaaditaan parantamaan korroosionkestävyyttä. (NiTi-lejeeringit ovat alttiita nikkeli-ionien vapautumiselle pitkäaikaisen upotuksen aikana; ionien vapautuminen on säädettävä arvoon ≤ 0,1 μg/cm²/vrk.)

Puhdistus ja kuivaus

Käytä ultraäänipuhdistusta (käyttäen neutraalia rasvanpoistoainetta, 40-60°C 10-20 minuuttia) pintaöljyn ja kiillotusjäämien poistamiseen. Kuivaa sitten tyhjökuivausuunissa (80-120°C 30 minuuttia) pinnan hapettumisen estämiseksi.

Suorituskykytestaus: Tuotteen pätevyyden varmistaminen

NiTi-jouset käyvät läpi moniulotteisen suorituskykytestauksen. Tärkeimmät testikohteet ovat seuraavat:

Prosessierot tyypillisissä sovellusskenaarioissa

Eri aloilla on erilaiset suorituskykyvaatimukset nikkeli-titaanijousille, mikä edellyttää kohdennettuja prosessisäätöjä:

Lääketieteelliset (esim. verisuonistentit, oikomishoidot kaarijouset): Nikkeli-ionien liukenemisen (TiN-pinnoitteen lisääminen), faasimuutoslämpötilan (Af ≈ 37 °C) ja korkean muovaustarkkuuden (laserleikkaus ja sähkökemiallinen kiillotus) tiukkaa valvontaa vaaditaan;

Ilmailu (esim. satelliitin laukaisumekanismin jouset): Vaaditaan parannettua korkean ja matalan lämpötilan kestävyyttä (vanhenemislämpötila nostettu 500-550 °C:seen korkean lämpötilan stabiilisuuden parantamiseksi), ja väsymisikävaatimus on ≥ 1 × 10⁵ sykliä;

Elektroniikka (esim. liittimen kosketinjouset): Vaaditaan suurta joustavuutta (huonelämpötilan superelastisuus, Af ≤ 25°C), pinta vaatii hopeaa (johtavuuden parantamiseksi) ja muovaukseen käytetään mikrorullauskoneita (langan halkaisija ≤ 0,2 mm).

Yhteenvetona voidaan todeta, että nikkeli-titaanijousen tuotantoprosessi on yhdistelmä "materiaalitieteen tarkkuusvalmistuksen lämpökäsittelytekniikkaa". Ydin on tasapainottaa materiaalin muotomuistin ominaisuudet, mekaaninen vakaus ja geometrinen tarkkuus parametrien ohjauksen avulla jokaisessa vaiheessa eri skenaarioiden toiminnallisten vaatimusten täyttämiseksi.