Processo di produzione delle molle in nichel-titanio

Molle Ni-Ti sono componenti funzionali realizzati sulla base delle proprietà della lega a memoria di forma di nichel-titanio (SMA). Sono ampiamente utilizzati in campo medico, aerospaziale, elettronico e in altri campi. Il processo di produzione richiede un controllo rigoroso della composizione, della microstruttura e delle proprietà meccaniche. Il processo principale è incentrato su cinque fasi chiave: preparazione del materiale - formatura - trattamento termico - post-elaborazione - test delle prestazioni. Il processo specifico e le tecnologie chiave sono i seguenti:

Preparazione della materia prima del nucleo: preparazione della barra/filo in lega di nichel-titanio

Le prestazioni principali delle molle in nichel-titanio dipendono dall'uniformità della composizione della lega di nichel-titanio (il contenuto di nichel è tipicamente compreso tra il 50,5% e il 51,2% (rapporto atomico) e deve essere controllato con precisione per garantire memoria di forma e superelasticità). Questa fase è la base del processo.

Dosaggio e fusione delle materie prime

Vengono utilizzate materie prime di elevata purezza: spugna di titanio (purezza ≥ 99,7%) e nichel elettrolitico (purezza ≥ 99,9%). La composizione progettata viene pesata con precisione (la tolleranza deve essere compresa tra ±0,1% del rapporto atomico per evitare la deriva della temperatura di transizione di fase causata dalla deviazione del contenuto di nichel).

Processo di fusione: La fusione ad induzione sotto vuoto (VIM) o la fusione ad arco sotto vuoto (VAR) è il metodo tradizionale. Una o due fasi di rifusione eliminano la segregazione dei componenti, dando come risultato un lingotto uniforme della lega principale di nichel-titanio (tipicamente di 50-150 mm di diametro).

Controlli chiave: Il vuoto di fusione deve essere ≥1×10⁻³Pa per prevenire l'ossidazione della lega; la velocità di raffreddamento deve essere controllata a 50-100°C/min per evitare la formazione di strutture di fusione grossolane.

Lavorazione della plastica: produzione di barre/fili in lega

Le leghe di nichel-titanio mostrano scarsa plasticità a temperatura ambiente, richiedendo una combinazione di lavorazione a caldo e lavorazione a freddo per produrre grezzi per molle (aste o fili, con diametri determinati dalle specifiche della molla. Il filo per molle medicali può essere piccolo fino a 0,1 mm):

Forgiatura a caldo/Laminazione a caldo: Il lingotto della lega viene riscaldato a 800-950°C (nella regione della fase β, la fase stabile alle alte temperature delle leghe di nichel-titanio). Viene quindi eseguita la forgiatura o la laminazione in barre con diametro di 20-50 mm, scomponendo la struttura fusa e affinando la dimensione del grano.

Trafilatura a freddo/Laminazione a freddo: Le barre lavorate a caldo vengono gradualmente trafilate a freddo (o laminate a freddo) fino al diametro desiderato, con ciascuna deformazione controllata al 5%-15% (per evitare fessurazioni fragili causate da un'eccessiva deformazione singola). Tra le due fasi viene eseguita una ricottura intermedia (700-800°C, 10-30 minuti) per eliminare l'incrudimento e ripristinare la plasticità.

Trattamento superficiale: Dopo la lavorazione a freddo, viene eseguito il decapaggio (una miscela di acido nitrico e acido fluoridrico) per rimuovere le incrostazioni di ossido superficiale e garantire una finitura superficiale liscia (Ra ≤ 0,8μm) per evitare la concentrazione di stress durante la successiva formatura.

Formatura di molle: produzione di forme di nucleo

Diversi processi di formatura vengono selezionati in base alla struttura della molla (compressione, tensione, torsione) e ai requisiti di precisione. La chiave è garantire una geometria stabile della molla e prevenire deformazioni significative dopo il successivo trattamento termico.

Avvolgimento (processo tradizionale)

Attrezzatura: Viene utilizzata una macchina avvolgitrice per molle CNC, che controlla con precisione la velocità di avvolgimento (50-200 giri/min), il passo (0,1-5 mm) e il numero di giri (1-100). È adatto per molle regolari, come forme cilindriche e coniche.

Muffa: Un mandrino viene selezionato in base al diametro interno della molla (per lo più realizzato in acciaio rapido o carburo per evitare l'adesione con le leghe di nichel-titanio). Durante l'avvolgimento, la velocità del mandrino deve corrispondere alla velocità di avanzamento del filo per evitare bobine allentate o sovrapposte.

Parametri chiave: La tensione di avvolgimento è controllata tra 10 e 50 MPa (regolata in base al diametro del filo) per evitare una tensione eccessiva che potrebbe causare un eccessivo indurimento a freddo e influenzare i successivi risultati del trattamento termico.

Processi di formatura speciali (strutture complesse)

Per le molle di forma speciale (come molle a diametro e passo variabile), viene utilizzato il taglio laser (prima, il foglio/tubo in lega di nichel-titanio viene trasformato in un pezzo grezzo, quindi la forma della molla viene tagliata utilizzando un laser a fibra, con una precisione di ±0,01 mm).

Le micromolle (come quelle utilizzate negli stent vascolari medici) sono prodotte utilizzando microelettroformatura o stampaggio a iniezione di precisione (che richiedono grezzi metallurgici delle polveri di nichel-titanio), ma questo è più costoso ed è adatto per applicazioni di alta precisione.

Trattamento termico chiave: conferire memoria di forma/superelasticità

Le proprietà fondamentali delle molle in nichel-titanio (effetto memoria di forma, superelasticità, temperatura di transizione di fase) vengono ottenute attraverso il trattamento termico. Questa fase è il cuore del processo e richiede un controllo rigoroso della temperatura, del tempo di mantenimento e della velocità di raffreddamento.

Trattamento in soluzione: allevia lo stress interno omogeneizza la composizione

Scopo: Elimina le tensioni interne generate durante la lavorazione a freddo e garantisce una distribuzione uniforme degli elementi di lega (Ni e Ti), ponendo le basi per il successivo trattamento di invecchiamento.

Parametri di processo: Riscaldamento a 900-1050°C (regione della fase β), mantenimento per 10-60 minuti (regolato in base alle dimensioni della billetta, tempo di mantenimento più breve per il filo e tempo di mantenimento più lungo per la barra), seguito da tempra in acqua (velocità di raffreddamento ≥100°C/s) per prevenire la decomposizione della fase β nella fragile fase Ti₂Ni.

Trattamento di invecchiamento: Regolazione della temperatura di transizione di fase e proprietà meccaniche

Scopo: Attraverso l'invecchiamento, le fasi secondarie fini (come Ti₂Ni) vengono precipitate, regolando la temperatura di transizione di fase della lega (Af: temperatura di finitura dell'austenite, tipicamente controllata tra -50°C e 100°C, a seconda dell'applicazione; ad esempio, Af per le molle mediche è tipicamente intorno a 37°C, corrispondente alla temperatura del corpo umano), migliorando contemporaneamente resistenza e superelasticità.

Parametri di processo: Riscaldamento a 400-550°C (regione a doppia fase α' β), mantenimento per 30-180 minuti, seguito da raffreddamento ad aria o in forno (la velocità di raffreddamento influisce sulla dimensione della fase precipitata; il raffreddamento ad aria produce precipitati più fini e con una resistenza maggiore).

Esempio: Se la molla deve mostrare superelasticità a temperatura ambiente, la temperatura Af dovrebbe essere controllata al di sotto della temperatura ambiente (ad esempio, Af = -10°C); se si desidera l'effetto di memoria di forma "deformazione a bassa temperatura-recupero ad alta temperatura", Af deve essere controllato alla temperatura di recupero target (ad esempio, 60°C).

Formatura: fissare la geometria della molla

Dopo l'avvolgimento, la molla viene sottoposta a modellatura a bassa temperatura in uno stampo di sagomatura (tipicamente a 150-300°C per 10-30 minuti). Questo serve a fissare i parametri geometrici della molla, come passo e numero di spire, per evitare lo scorrimento durante l'uso successivo. Ciò è particolarmente applicabile alle molle medicali di precisione.

Post-elaborazione: miglioramento della precisione e della qualità della superficie

Questa fase affronta principalmente le deviazioni di precisione e i difetti superficiali dopo la formatura e il trattamento termico, garantendo che la molla soddisfi i requisiti operativi e di assemblaggio.

Fine del taglio e della finitura

Dopo l'avvolgimento, le estremità della molla potrebbero presentare sbavature o irregolarità. Questi richiedono una rifinitura utilizzando una mola di precisione (per molle ad asta) o una rifinitura laser (per molle a filo) per garantire la planarità della superficie finale (errore di perpendicolarità ≤ 0,5°) mantenendo l'errore di altezza libera della molla entro ±0,1 mm.

Rafforzamento e protezione della superficie

Lucidatura della superficie: la lucidatura elettrochimica (utilizzando una miscela di acido fosforico e acido solforico come elettrolita) o la lucidatura meccanica (utilizzando una mola diamantata) viene utilizzata per ridurre la ruvidità superficiale a Ra ≤ 0,2μm, riducendo al minimo l'usura sulle parti di contatto durante l'uso (ad esempio, le molle mediche devono evitare di graffiare i tessuti umani).

Rivestimento anticorrosione: Se utilizzato in ambienti corrosivi (come l'oceano o fluidi medici), è necessario un rivestimento in nitruro di titanio (TiN) (tramite deposizione fisica di vapore) o politetrafluoroetilene (PTFE) per migliorare la resistenza alla corrosione. (Le leghe NiTi sono sensibili al rilascio di ioni nichel durante l'immersione a lungo termine; il rilascio di ioni deve essere controllato a ≤ 0,1 μg/cm²/giorno.)

Pulizia e asciugatura

Utilizzare la pulizia ad ultrasuoni (usando un agente sgrassante neutro, 40-60°C per 10-20 minuti) per rimuovere l'olio superficiale e i residui di lucidatura. Quindi, asciugare in un forno sotto vuoto (80-120°C per 30 minuti) per prevenire l'ossidazione della superficie.

Test delle prestazioni: garantire la qualificazione del prodotto

Le molle NiTi sono sottoposte a test prestazionali multidimensionali. Gli elementi chiave del test sono i seguenti:

Differenze di processo negli scenari applicativi tipici

Campi diversi hanno requisiti prestazionali diversi per le molle in nichel-titanio, che richiedono aggiustamenti mirati del processo:

Medicina (ad es. stent vascolari, molle per archi ortodontici): Sono richiesti un controllo rigoroso della dissoluzione degli ioni nichel (aggiunta di rivestimento TiN), della temperatura di transizione di fase (Af ≈ 37°C) e un'elevata precisione di stampaggio (taglio laser e lucidatura elettrochimica);

Aerospaziale (ad esempio, molle del meccanismo di dispiegamento dei satelliti): È necessaria una migliore resistenza alle alte e basse temperature (temperatura di invecchiamento aumentata a 500-550°C per migliorare la stabilità alle alte temperature), con un requisito di vita a fatica di ≥ 1×10⁵ cicli;

Elettronica (ad es. molle di contatto del connettore): È richiesta un'elevata elasticità (superelasticità a temperatura ambiente, Af ≤ 25°C), la superficie richiede placcatura in argento (per migliorare la conduttività) e per lo stampaggio vengono utilizzate macchine per microavvolgimento (diametro del filo ≤ 0,2 mm).

In sintesi, il processo di produzione delle molle in nichel-titanio è una combinazione di "scienza dei materiali, produzione di precisione, ingegneria del trattamento termico". L'obiettivo principale sta nel bilanciare le proprietà di memoria di forma del materiale, stabilità meccanica e precisione geometrica attraverso il controllo dei parametri in ogni fase per soddisfare i requisiti funzionali di diversi scenari.