Обрывы и обращение прочности при проходном отжиге микропроволоки MP35N (0,02–0,065 мм)

MP35N — сплав кобальт-никель-хром-молибден с хорошей стойкостью к коррозии в биологических жидкостях и к усталости, распространённый материал проводников электродов кардиостимуляторов. Электроды становятся тоньше, и проводящую проволоку протягивают до нескольких десятков микрон. На этом масштабе появляются две проблемы, малозаметные на более толстых размерах: обрывы при волочении, а также прямолинейность и прочность проволоки после отжига.

В статье собраны наши производственные записи по микропроволоке MP35N 0,02–0,065 мм, описаны наблюдения и даётся их объяснение с точки зрения механизмов упрочнения сплава.

Условия производства

Значения прочности — приблизительные, записанные в ходе производства, а не результаты формальной программы испытаний; удлинение после отжига не фиксировалось. Анализ опирается на тенденцию, а не на точность отдельных значений.

Наблюдение 1: при 0,02 мм обрывы сосредоточены в последних волоках

При диаметре более 0,035 мм обрывы при волочении единичны. При 0,02 мм они становятся главной проблемой и группируются в последних волоках.

Прямое следствие — катушки, которые не удаётся намотать до конца. Каждый обрыв досрочно завершает катушку, поэтому масса и длина на катушке колеблются. Для плетения и навивки нужны полные катушки одинаковой длины; больше обрывов — больше соединений и смен катушек на следующих операциях.

Размер дефекта относительно диаметра проволоки. Дефект данного размера занимает большую долю в более тонкой проволоке:

Дефект, пренебрежимый при 0,065 мм, при 0,02 мм уже достаточен, чтобы вызвать обрыв. Поэтому обрывы и сосредоточены в последних волоках: чем ближе проволока к конечному размеру, тем больше любой дефект в относительном выражении.

Факторы исходной заготовки. При прослеживании партий с обрывами сильнее всего проявились три фактора:

1. Допуск на диаметр заготовки. Неравномерный диаметр означает неравномерное обжатие в каждой волоке; участки со слишком большим обжатием рвутся первыми.
2. Поверхностные дефекты. Риски, закаты и вдавленная окалина по ходу проходов смещаются к центру проволоки и проявляются как точки обрыва в последних волоках.
3. Способ выплавки. MP35N содержит титан, который образует твёрдые нитридные и карбидные включения. Эти частицы не деформируются вместе с матрицей и в тонкой проволоке становятся очагами обрыва; в готовых электродах они также частый источник усталостных трещин. Металл вакуумной выплавки с переплавом содержит меньше включений, и они мельче.

ASTM F562 допускает до 1,0 % титана и не регламентирует способ выплавки. Поэтому разные плавки, отвечающие F562, могут заметно по-разному вести себя при волочении до 0,02 мм.

Наблюдение 2: обращение прочности при проходном отжиге

Тянутая микропроволока MP35N имеет выраженную кривизну: отпущенная, она сворачивается в петли и не может сразу идти на плетение или в трубку. Отжиг снимает остаточные напряжения волочения и выпрямляет её.

Результаты для проволоки 0,035 мм после проходного отжига при разных температурах:

Ниже 600 °C проволока эффективно не выпрямляется. С ростом температуры прочность не снижается монотонно, как у большинства металлов, а сначала падает, затем растёт: минимум при 590 °C, а при 700 °C уже выше уровня после волочения.

Обсуждение: два противоположных процесса

При нагреве холоднотянутого MP35N идут два процесса, тянущие прочность в разные стороны.

Снятие напряжений (возврат). Остаточные напряжения волочения релаксируют, дислокации перестраиваются. Проволока выпрямляется и немного теряет прочность. Это быстро: достаточно секунд.

Упрочнение при старении. Наибольшую прочность MP35N получает за счёт холодной деформации плюс старения: холоднодеформированная структура при нагреве дополнительно упрочняется. Обычный режим старения — 540–645 °C в течение 4 ч, то есть время измеряется часами.

Проходной отжиг длится секунды. При более низких температурах старение не успевает развиться, и преобладает снятие напряжений. При более высоких температурах старение ускоряется настолько, что за те же секунды догоняет и обгоняет снятие напряжений:

• 590 °C: снятие напряжений началось, прочность падает примерно на 12 %, но остаточные напряжения сохраняются, и проволока ещё не прямая.
• 650 °C: остаточные напряжения в основном сняты, проволока прямая. Начинает действовать старение, прочность восстанавливается, но остаётся ниже уровня после волочения.
• 700 °C: старение за несколько секунд перекрывает потерю от снятия напряжений, и прочность оказывается примерно на 6 % выше уровня после волочения.

Поэтому в описанных условиях проходного отжига 650 °C — переломная точка: проволока прямая, а прочность ещё не поднялась. Горячее — прочность может выйти за диапазон, который требует конструкция электрода; холоднее — проволока не выпрямляется. Окно узкое, температуру печи нужно держать стабильной.

Эти температуры справедливы только для проходного отжига длительностью в секунды. Садочный отжиг целых бунтов длится часами, старение полностью проходит уже при более низких температурах, и температурная зависимость другая.

Связь с состояниями тонкой проволоки по ASTM F562

ASTM F562 — обычная спецификация на медицинскую проволоку MP35N. Для тонкой проволоки она определяет три состояния: отожжённое, нагартованное «hard» и нагартованное «spring». Наши размеры 0,02–0,035 мм попадают в её самую тонкую ступень (менее 0,0508 мм), а 0,06 и 0,065 мм — в ступень выше.

Прочность задана диапазоном; проволока выше верхней границы тоже не соответствует.

Проволока 0,035 мм после снятия напряжений при 650 °C, около 1500 МПа, — выше диапазона отожжённого состояния и намного ниже минимума «hard». Она не относится ни к одному из трёх состояний.

Удлинение 25–30 % в графе отожжённого состояния относится к проволоке после полного высокотемпературного отжига с рекристаллизацией и разупрочнением. Проволока после снятия напряжений и выпрямления сохраняет бо́льшую часть деформационного упрочнения, и её удлинение намного ниже этого уровня.

Для состояний вне таблицы F562 оставляет механические свойства на согласование между покупателем и поставщиком. Удлинение тонкой проволоки сильно зависит от расчётной длины, поэтому её тоже следует согласовать.

Выводы

1. При волочении MP35N до 0,02 мм обрывы сосредоточены в последних волоках — главным образом потому, что дефекты становятся крупными относительно диаметра проволоки. Допуск на диаметр заготовки, качество поверхности и способ выплавки (уровень включений) определяют, можно ли стабильно производить этот размер.
2. При проходном отжиге длительностью в секунды временное сопротивление проволоки 0,035 мм с ростом температуры сначала падает, затем растёт: примерно −12 % при 590 °C, восстановление при 650 °C, примерно +6 % к уровню после волочения при 700 °C. Причина — разные скорости снятия напряжений и упрочнения при старении.
3. 650 °C — переломная точка, уравновешивающая прямолинейность и прочность. Полученная проволока после снятия напряжений вне состояний «отожжённое», «hard» и «spring» по ASTM F562; её диапазон прочности, удлинение и расчётную длину нужно согласовывать отдельно.
4. Данные — приблизительные производственные значения, выводы опираются на тенденцию. Удлинение после отжига не приводится.