فرآیند تولید فنر نیکل تیتانیوم

چشمه های Ni-Ti اجزای کاربردی هستند که بر اساس خواص آلیاژ حافظه دار شکل نیکل-تیتانیوم (SMA) تولید می شوند. آنها به طور گسترده ای در پزشکی، هوافضا، الکترونیک و سایر زمینه ها استفاده می شوند. فرآیند تولید مستلزم کنترل دقیق ترکیب، ریزساختار و خواص مکانیکی است. فرآیند اصلی حول پنج مرحله کلیدی متمرکز شده است: آماده سازی مواد - تشکیل - عملیات حرارتی - پس از پردازش - تست عملکرد. فرآیند خاص و فناوری های کلیدی به شرح زیر است:

آماده سازی مواد خام اصلی: تهیه میله/سیم آلیاژ نیکل-تیتانیوم

عملکرد هسته فنرهای نیکل تیتانیوم به یکنواختی ترکیب آلیاژ نیکل تیتانیوم بستگی دارد (محتوای نیکل معمولاً 50.5٪ تا 51.2٪ (نسبت اتمی) است و باید دقیقاً کنترل شود تا از حافظه شکل و فوق الاستیسیته اطمینان حاصل شود). این مرحله پایه و اساس فرآیند است.

تناسب و ذوب مواد خام

از مواد اولیه با خلوص بالا استفاده می شود: اسفنج تیتانیوم (با خلوص ≥99.7%) و نیکل الکترولیتی (خلوص ≥99.9%). ترکیب طراحی شده دقیقاً وزن شده است (تلرانس باید در نسبت اتمی ± 0.1٪ باشد تا از تغییر دمای انتقال فاز ناشی از انحراف محتوای نیکل جلوگیری شود).

فرآیند ذوب: ذوب القایی خلاء (VIM) یا ذوب قوس خلاء (VAR) روش اصلی است. یک یا دو مرحله ذوب مجدد جداسازی اجزا را از بین می برد و در نتیجه یک شمش آلیاژ اصلی نیکل-تیتانیوم یکنواخت (معمولاً 50-150 میلی متر قطر) ایجاد می شود.

کنترل های کلیدی: خلاء ذوب باید ≥1×10-3Pa باشد تا از اکسیداسیون آلیاژ جلوگیری شود. برای جلوگیری از تشکیل ساختار ریخته گری درشت، سرعت خنک کننده باید در 50-100 درجه سانتیگراد در دقیقه کنترل شود.

پردازش پلاستیک: ساخت میله/سیم های آلیاژی

آلیاژهای نیکل-تیتانیوم انعطاف پذیری ضعیفی در دمای اتاق از خود نشان می دهند و برای تولید فنرهای فنری (میله یا سیم، با قطر تعیین شده توسط مشخصات فنر) نیاز به ترکیبی از کار گرم و سرد دارند. سیم فنر طبی می تواند به کوچکی 0.1 میلی متر باشد:

آهنگری داغ/نورد گرم: شمش آلیاژ تا 800-950 درجه سانتیگراد گرم می شود (در ناحیه فاز β، فاز پایدار در دمای بالا آلیاژهای نیکل-تیتانیوم). آهنگری یا نورد سپس به میله هایی با قطر 20-50 میلی متر انجام می شود، ساختار ریخته گری را می شکنند و اندازه دانه را اصلاح می کنند.

طراحی سرد / نورد سرد: میله های گرم کار شده به تدریج به قطر هدف سرد کشیده می شوند (یا نورد سرد) و هر تغییر شکل تا 5 تا 15 درصد کنترل می شود (برای جلوگیری از ترک های شکننده ناشی از تغییر شکل بیش از حد منفرد). بازپخت میانی (700-800 درجه سانتیگراد، 10-30 دقیقه) بین دو مرحله برای حذف سخت شدن کار و بازیابی انعطاف پذیری انجام می شود.

درمان سطحی: پس از کار سرد، ترشی (مخلوطی از اسید نیتریک و اسید هیدروفلوئوریک) برای حذف مقیاس اکسید سطح و اطمینان از سطح صاف (Ra ≤ 0.8μm) برای جلوگیری از تمرکز تنش در طول شکل‌گیری بعدی انجام می‌شود.

شکل دهی فنری: ساخت هسته شکل

فرآیندهای مختلف شکل دهی بر اساس ساختار فنر (فشرده، کشش، پیچش) و الزامات دقت انتخاب می شوند. نکته کلیدی اطمینان از هندسه فنر پایدار و جلوگیری از تغییر شکل قابل توجه پس از عملیات حرارتی بعدی است.

سیم پیچی (فرایند اصلی)

تجهیزات: از دستگاه سیم پیچ فنری CNC استفاده می شود که سرعت سیم پیچ (50-200 دور در دقیقه)، گام (0.1-5 میلی متر) و تعداد دور (1-100) را دقیقاً کنترل می کند. برای فنرهای معمولی مانند شکل های استوانه ای و مخروطی مناسب است.

قالب: سنبه بر اساس قطر داخلی فنر (بیشتر از فولاد پرسرعت یا کاربید برای جلوگیری از چسبندگی با آلیاژهای نیکل تیتانیوم) انتخاب می شود. در طول سیم پیچی، سرعت سنبه باید با سرعت تغذیه سیم مطابقت داشته باشد تا از شل شدن یا همپوشانی سیم پیچ ها جلوگیری شود.

پارامترهای کلیدی: کشش سیم‌پیچ بین 10 تا 50 مگاپاسکال (بر اساس قطر سیم تنظیم می‌شود) کنترل می‌شود تا از کشش بیش از حدی که می‌تواند باعث سخت شدن بیش از حد سرد شود و بر نتایج عملیات حرارتی بعدی تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.

فرآیندهای شکل دهی ویژه (ساختارهای پیچیده)

برای فنرهای با شکل خاص (مانند قطر متغیر و فنرهای گام متغیر)، از برش لیزری استفاده می‌شود (ابتدا، ورق/لوله آلیاژ نیکل-تیتانیوم به صورت خالی پردازش می‌شود و سپس شکل فنر با استفاده از لیزر فیبر با دقت 0.01 ± میلی‌متر بریده می‌شود).

میکرو فنرها (مانند آنهایی که در استنت‌های عروقی پزشکی استفاده می‌شوند) با استفاده از قالب‌گیری میکروالکتروفرمینگ یا تزریق دقیق (نیاز به مواد متالورژی پودر نیکل-تیتانیوم) تولید می‌شوند، اما این گران‌تر است و برای کاربردهای با دقت بالا مناسب است.

عملیات حرارتی کلیدی: ایجاد حافظه شکل / فوق الاستیسیته

خواص اصلی فنرهای نیکل تیتانیوم (اثر حافظه شکل، فوق الاستیسیته، دمای انتقال فاز) از طریق عملیات حرارتی به دست می آید. این مرحله هسته اصلی فرآیند است و نیاز به کنترل دقیق دما، زمان نگهداری و سرعت خنک شدن دارد.

راه حل درمان: استرس داخلی را تسکین می دهد ترکیب را همگن می کند

هدف: تنش‌های داخلی ایجاد شده در حین کار سرد را حذف می‌کند و توزیع یکنواخت عناصر آلیاژی (نیکل و تیتانیم) را تضمین می‌کند و پایه‌ای را برای عملیات پیری بعدی ایجاد می‌کند.

پارامترهای فرآیند: حرارت دادن به 900-1050 درجه سانتیگراد (منطقه فاز β)، نگهداری به مدت 10-60 دقیقه (تنظیم بر اساس اندازه بیلت، زمان نگهداری کوتاهتر برای سیم و زمان نگهداری طولانی تر برای میله)، به دنبال آن خاموش کردن آب (نرخ خنک کننده ≥100 درجه سانتیگراد در ثانیه) برای جلوگیری از تجزیه فاز β به فاز شکننده Ti2.

درمان پیری: تنظیم دمای انتقال فاز و خواص مکانیکی

هدف: از طریق پیری، فازهای ثانویه ریز (مانند Ti2Ni) رسوب می‌کنند و دمای انتقال فاز آلیاژ را تنظیم می‌کنند (Af: دمای پایان آستنیت، معمولاً بین 50- تا 100 درجه سانتی‌گراد، بسته به کاربرد کنترل می‌شود؛ برای مثال، Af برای فنرهای پزشکی معمولاً حدود 37 درجه سانتی‌گراد است)، در حالی که با استحکام فوق‌العاده‌ای با دمای بدن انسان مطابقت دارد.

پارامترهای فرآیند: حرارت دادن تا 400-550 درجه سانتیگراد (منطقه دوفاز α'β)، نگهداری به مدت 30-180 دقیقه و به دنبال آن خنک سازی هوا یا کوره (نرخ خنک کننده بر اندازه فاز رسوبی تأثیر می گذارد؛ خنک کننده هوا رسوبات ریزتر و استحکام بالاتری تولید می کند).

مثال: اگر قرار است فنر در دمای اتاق فوق الاستیسیته از خود نشان دهد، دمای Af باید زیر دمای اتاق کنترل شود (به عنوان مثال، Af = -10 درجه سانتیگراد). اگر اثر حافظه شکل "تغییر شکل در دمای پایین - بازیابی دمای بالا" مورد نظر باشد، Af باید تا دمای بازیابی هدف (مثلاً 60 درجه سانتیگراد) کنترل شود.

شکل دهی: اصلاح هندسه فنر

پس از سیم پیچی، فنر تحت شکل دهی در دمای پایین در قالب شکل دهی قرار می گیرد (معمولاً در دمای 150-300 درجه سانتی گراد به مدت 10-30 دقیقه). این برای رفع پارامترهای هندسی فنر، مانند گام و تعداد دور، برای جلوگیری از خزش در طول استفاده بعدی است. این به ویژه برای فنرهای پزشکی دقیق کاربرد دارد.

پس پردازش: بهبود دقت و کیفیت سطح

این مرحله در درجه اول به انحرافات دقت و عیوب سطحی پس از شکل‌دهی و عملیات حرارتی می‌پردازد و اطمینان حاصل می‌کند که فنر الزامات مونتاژ و عملیاتی را برآورده می‌کند.

پایان برش و تکمیل

پس از سیم پیچی، انتهای فنر ممکن است دارای سوراخ یا ناهمواری باشد. برای اطمینان از صافی سطح انتهایی (خطای عمود ≤ 0.5 درجه) در حالی که خطای ارتفاع بدون فنر در ± 0.1 میلی متر حفظ می شود، نیاز به پیرایش با استفاده از برش چرخ سنگ زنی دقیق (برای فنرهای میله ای) یا برش لیزری (برای فنرهای سیمی) دارند.

تقویت و حفاظت سطح

پرداخت سطح: پولیش الکتروشیمیایی (با استفاده از مخلوط اسید فسفریک و اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت) یا پرداخت مکانیکی (با استفاده از چرخ سنگ زنی الماس) برای کاهش زبری سطح به Ra ≤ 0.2μm، به حداقل رساندن سایش قسمت های تماس در حین استفاده استفاده می شود (به عنوان مثال، فنرهای پزشکی باید از خراشیدن بافت انسانی جلوگیری کنند).

پوشش ضد خوردگی: اگر در محیط های خورنده (مانند اقیانوس یا مایعات پزشکی) استفاده شود، یک پوشش نیترید تیتانیوم (TiN) (از طریق رسوب فیزیکی بخار) یا پوشش پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی لازم است. (آلیاژهای NiTi در طول غوطه‌وری طولانی‌مدت نسبت به آزاد شدن یون نیکل حساس هستند؛ انتشار یون باید تا 0.1 میکروگرم بر سانتی‌متر مربع در روز کنترل شود.)

تمیز کردن و خشک کردن

از تمیز کردن اولتراسونیک (با استفاده از یک ماده چربی زدا خنثی، 40-60 درجه سانتیگراد به مدت 10-20 دقیقه) برای پاک کردن روغن سطح و باقی مانده پولیش استفاده کنید. سپس برای جلوگیری از اکسیداسیون سطحی، در فر خشک کن خلاء (80 تا 120 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه) خشک کنید.

تست عملکرد: اطمینان از صلاحیت محصول

فنرهای NiTi تحت آزمایش عملکرد چند بعدی قرار می گیرند. موارد کلیدی آزمون به شرح زیر است:

تفاوت‌های فرآیند در سناریوهای کاربردی معمولی

زمینه های مختلف الزامات عملکرد متفاوتی برای فنرهای نیکل تیتانیوم دارند که نیاز به تنظیمات هدفمند فرآیند دارند:

پزشکی (به عنوان مثال، استنت های عروقی، فنرهای ارتودنسی آرچ وایر): کنترل دقیق انحلال یون نیکل (افزودن پوشش TiN)، دمای انتقال فاز (Af ≈ 37 درجه سانتیگراد)، و دقت قالب گیری بالا (برش لیزری و پرداخت الکتروشیمیایی) مورد نیاز است.

هوافضا (به عنوان مثال، فنرهای مکانیزم استقرار ماهواره): مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و پایین بهبود یافته مورد نیاز است (دمای پیری به 500-550 درجه سانتیگراد افزایش یافت تا پایداری در دمای بالا افزایش یابد)، با نیاز به عمر خستگی ≥ 1×105 چرخه.

الکترونیک (به عنوان مثال، فنرهای تماس رابط): الاستیسیته بالا مورد نیاز است (فوق الاستیسیته دمای اتاق، Af ≤ 25 درجه سانتیگراد)، سطح به آبکاری نقره (برای افزایش رسانایی) نیاز دارد، و از دستگاه های میکرو سیم پیچ (قطر سیم ≤ 0.2 میلی متر) برای قالب گیری استفاده می شود.

به طور خلاصه، فرآیند تولید فنر نیکل-تیتانیوم ترکیبی از "مهندسی عملیات حرارتی تولید دقیق علم مواد" است. هسته اصلی در ایجاد تعادل بین خواص حافظه شکل مواد، پایداری مکانیکی و دقت هندسی از طریق کنترل پارامترها در هر مرحله برای برآوردن نیازهای عملکردی سناریوهای مختلف است.