ニッケルチタンばねの製造工程

Date：2025-10-02

ニッケルチタンスプリングニッケルチタン形状記憶合金（SMA）の特性をもとに製造された機能部品です。医療、航空宇宙、エレクトロニクスなどの分野で広く使用されています。製造プロセスでは、組成、微細構造、機械的特性を厳密に制御する必要があります。中心となるプロセスは、材料の準備、成形、熱処理、後処理、性能テストという 5 つの主要なステップを中心としています。具体的なプロセスと主要テクノロジーは次のとおりです。

コア原料の準備: ニッケルチタン合金ロッド/ワイヤーの準備

ニッケルチタンスプリングのコア性能は、ニッケルチタン合金の組成の均一性に依存します (ニッケル含有量は通常 50.5% ～ 51.2% (原子比) であり、形状記憶と超弾性を確保するには正確に制御する必要があります)。この段階はプロセスの基礎です。

原料の配分と溶解

スポンジチタン（純度99.7％以上）と電解ニッケル（純度99.9％以上）の高純度原料を使用しています。設計された組成は正確に計量されます（ニッケル含有量の偏差によって引き起こされる相転移温度のドリフトを避けるために、許容誤差は原子比 ±0.1% 以内でなければなりません）。

溶解プロセス: 真空誘導溶解（VIM）または真空アーク溶解（VAR）が主流です。 1 回または 2 回の再溶解ステップで成分の偏析がなくなり、均一なニッケルチタン母合金インゴット (通常は直径 50 ～ 150 mm) が得られます。

主要なコントロール: 合金の酸化を防ぐために、溶解真空は 1×10-3Pa 以上でなければなりません。粗大な鋳造組織の形成を避けるために、冷却速度は 50 ～ 100°C/min に制御する必要があります。

プラスチック加工：合金棒・線材の製造

ニッケルチタン合金は室温では可塑性が低いため、ばねブランク（ばねの仕様によって直径が決定されるロッドまたはワイヤ。医療用ばねワイヤは最小 0.1 mm）を製造するには、熱間加工と冷間加工を組み合わせる必要があります。

熱間鍛造/熱間圧延: 合金インゴットは 800 ～ 950°C (ニッケルチタン合金の高温安定相である β 相領域) に加熱されます。次に、鍛造または圧延を行って直径 20 ～ 50 mm のロッドを作り、鋳造組織を破壊し、結晶粒度を微細化します。

冷間引抜/冷間圧延: 熱間加工されたロッドは、各変形を 5% ～ 15% に制御しながら、目標直径まで徐々に冷間引抜 (または冷間圧延) されます (過度の単一変形による脆性亀裂を避けるため)。加工硬化を除去し、可塑性を回復するために、2 つの段階の間に中間焼鈍 (700 ～ 800 °C、10 ～ 30 分) が実行されます。

表面処理: 冷間加工後、酸洗（硝酸とフッ酸の混合）を行い、表面の酸化スケールを除去し、後の成形時の応力集中を避けるため、滑らかな表面仕上げ（Ra≦0.8μm）を確保します。

スプリングフォーミング：コア形状の製造

ばねの構造（圧縮、張力、ねじり）と精度の要件に基づいて、さまざまな成形プロセスが選択されます。重要なのは、安定したスプリング形状を確保し、その後の熱処理後の大きな変形を防ぐことです。

巻線（本流工程）

装備: CNCスプリング巻線機を使用し、巻取り速度（50～200rpm）、ピッチ（0.1～5mm）、巻き数（1～100）を精密に制御します。円筒形や円錐形などの通常のバネに適しています。

金型: マンドレルはスプリングの内径に基づいて選択されます（ニッケルチタン合金との付着を避けるために、主に高速度鋼または超硬で作られています）。巻き取り中、コイルの緩みや重なりを防ぐために、マンドレルの速度はワイヤの送り速度と一致する必要があります。

主要なパラメータ: 過剰な冷間硬化やその後の熱処理結果に影響を与える可能性のある過剰な張力を避けるために、巻線張力は 10 ～ 50 MPa の間で制御されます (ワイヤの直径に応じて調整されます)。

特殊成形加工（複雑構造）

異形ばね（可変径・不等ピッチばねなど）の場合は、レーザー切断加工（ニッケルチタン合金板・チューブをブランク加工し、ファイバーレーザーでばね形状を±0.01mmの精度で切断）を使用します。

マイクロスプリング (医療用血管ステントに使用されるものなど) は、マイクロ電鋳または精密射出成形 (ニッケルチタン粉末冶金ブランクが必要) を使用して製造されますが、これはより高価であり、高精度の用途に適しています。

重要な熱処理：形状記憶・超弾性の付与

ニッケルチタンばねの核となる特性（形状記憶効果、超弾性、相転移温度）は、熱処理によって得られます。この段階はプロセスの中核であり、温度、保持時間、冷却速度を厳密に制御する必要があります。

固溶化処理：内部応力を緩和し、組成を均一化します。

目的: 冷間加工中に発生する内部応力を除去し、合金元素 (Ni および Ti) の均一な分布を確保し、その後の時効処理の基礎を築きます。

プロセスパラメータ: 900〜1050°C（β相領域）に加熱し、10〜60分間保持（ビレットサイズに基づいて調整、ワイヤの場合は保持時間を短く、ロッドの場合は保持時間を長くします）した後、水焼入れ（冷却速度≧100°C/s）して、β相が脆いTi₂Ni相に分解するのを防ぎます。

エイジングケア： 相転移温度と機械的特性の制御

目的: 時効により微細な二次相（Ti₂Niなど）が析出し、合金の相転移温度（Af：オーステナイト終了温度。用途に応じて通常-50℃～100℃に制御される。例えば、医療用ばねのAfは通常約37℃で、人間の体温に一致する）を調整しながら、同時に強度と超弾性を向上させる。

プロセスパラメータ: 400 ～ 550°C (α' β 二相領域) に加熱し、30 ～ 180 分間保持した後、空冷または炉冷します (冷却速度は析出相のサイズに影響します。空冷するとより微細な析出物が生成され、強度が高くなります)。

例: ばねが室温で超弾性を示す場合、Af 温度は室温以下に制御する必要があります (例: Af = -10°C)。「低温変形-高温回復」の形状記憶効果が必要な場合は、Af を目標回復温度 (例: 60°C) に制御する必要があります。

成形: スプリングの形状を固定する

巻き付け後、成形金型内で低温成形（通常150～300℃で10～30分）を行います。これは、ピッチや巻き数などのスプリングの幾何学的パラメータを修正し、その後の使用時のクリープを防ぐためです。これは特に医療用精密バネに当てはまります。

後処理: 精度と表面品質の向上

この段階では主に、成形および熱処理後の精度の偏差や表面欠陥に対処し、ばねが組み立ておよび動作要件を満たしていることを確認します。

端部のトリミングと仕上げ

巻き上げ後のスプリング端部にバリや凹凸が生じる場合があります。これらは、端面の平坦度（直角度誤差 ≤ 0.5°）を確保しながら、ばねの自由高さの誤差を ±0.1 mm 以内に維持するために、精密砥石切断（棒ばねの場合）またはレーザートリミング（線ばねの場合）を使用したトリミングが必要です。

表面の強化と保護

表面研磨：電気化学研磨（電解液としてリン酸と硫酸の混合物を使用）または機械研磨（ダイヤモンド砥石を使用）を使用して表面粗さをRa≤0.2μmに低減し、使用中の接触部分の摩耗を最小限に抑えます（たとえば、医療用スプリングは人体の組織を傷つけないようにする必要があります）。

防食コーティング: 腐食環境 (海洋や薬液など) で使用する場合は、耐食性を高めるために窒化チタン (TiN) コーティング (物理蒸着による) またはポリテトラフルオロエチレン (PTFE) コーティングが必要です。 (NiTi 合金は、長期間の浸漬中にニッケルイオンの放出を受けやすいため、イオン放出は 0.1 μg/cm2/日以下に制御する必要があります。)

洗浄と乾燥

超音波洗浄（中性脱脂剤使用、40～60℃、10～20分）で表面の油分や磨き残しを除去します。その後、表面の酸化を防ぐため、真空乾燥オーブン（80～120℃、30分）で乾燥させます。

性能試験: 製品の適格性を確認する

NiTi スプリングは多次元の性能テストを受けています。主なテスト項目は次のとおりです。

検出カテゴリ	試験項目	試験方法と規格	資格要件
組成と構造	ニッケル含有量	誘導結合プラズマ発光分光法 (ICP-OES)	50.5%～51.2%(原子比)
	微細構造	金属顕微鏡・透過型電子顕微鏡（TEM）	粒径 ≤10μm、明らかな第二相凝集なし
機械的性質	超弾性（室温）	万能試験機繰返し荷重（ひずみ5％）	残留ひずみ ≤ 0.5%、サイクル安定性 ≥ 1000 回
	形状記憶効果	加熱冷却サイクル試験（回復率測定）	形状回復率 ≥98%
幾何学的精度	ピッチ、回転数、自由高さ	レーザー直径ゲージ・三次元測定機	寸法誤差 ≤ ±0.02mm
安全性能	ニッケルイオン溶解（医療用）	模擬体液浸漬試験 (ISO 10993-15)	≤0.1μg/cm2・d
	疲労寿命	疲労試験機（負荷周波数1～10Hz）	疲労寿命 ≥1×10⁶ times (under rated load)