Fiche technique
NITINOL

Introduction

- NITINOL = NICKEL TITANIUM NAVAL ORDONNANCE LABORATORY
- ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME - AMF

GENERALITES

- Cette nuance a la particularité d'être une nuance AMF (à mémoire de forme) suivant NFA 51 080.
- Cette alliage présente une transformation martensitique-austénitique réversible à caractère thermo-élastique.
- En phase martensitique par simple chauffage, cet alliage retrouve sa forme initiale si sa déformation n'excède pas 8%.
- En phase austénitique un effet super élastique est constaté.
- Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont des alliages possédant plusieurs propriétés inédites parmi les matériaux métalliques.
- La capacité de "garder en mémoire" une forme initiale et d'y retourner même après une déformation.
- La possibilité d'alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d'une température critique.
- Un comportement superélastique permettant des allongements sans déformation permanente supérieurs à ceux des autres métaux.
- Parmi les principaux alliages à mémoire de forme, on retrouve toute une variété d'alliages de nickel et de titane comme constituants principaux, en proportions presque égales.
- Bien que le NITINOL ne soit en fait que le nom de l'un de ces "alliages quasi-équiatomiques nickel-titane", cette appellation est devenue couramment utilisée pour désigner l'ensemble de ces alliages, qui ont des propriétés fort semblables.
- Dans une moindre mesure, le laiton et certains alliages cuivre-aluminium possèdent également des propriétés de mémoire de forme.
- Les caractéristiques des AMF proviennent du fait qu'ils ont deux phases cristallographiques, appelées par analogie aux aciers phase martensitique et phase austénitique.
- Le passage d'une phase à une autre se fait soit par changement de température, soit par application d'une contrainte.
- L'intérêt des AMF est que la transformation de phase est displacive (faibles déplacements globaux d'atomes, donc pas de changement même local de la composition chimique) plutôt que diffusive, et surtout qu'elle se fait à volume constant et donc qu'elle est réversible.
- Ce phénomène fait appel aux notions de réaction martensitique-austénitique et de trempe.

APPLICATIONS

Industrie Médicale (alliage biocompatible) :
- Stents (prothèse cardio-vasculaire)
- Agrafes pour fractures osseuses,
- Stérilets,
- Cathéters,
- Pinces chirurgicales,
- Alésoirs dentaires,
- Orthodontie.
Industrie de la micro-mécanique :
- Connectiques,
- Micro-moteurs,
- Manchons d'accouplement,
- Montures de lunettes,
- Vannes thermostatiques,
- Armatures de soutien-gorge.

PROPRIETES PHYSIQUES ET CARACTERISTIQUES MECANIQUES

- EN PHASE AUSTENITIQUE :
- Coefficient de dilatation : 11,0 x 10E-6
- Conductibilité thermique en W/m.k : 18
- Résistivité électrique en µΩ.m : 100
- Rp0,2 : 379 MPa
- Rm : 690-1380 MPa
- A % : 20 à 40
- E : 120
- EN PHASE MARTENSITIQUE :
- Coefficient de dilatation : 6,6 x 10E-6
- Conductibilité thermique en W/m.k : 8,6
- Résistivité électrique en µΩ.m : 80
- Rp0,2 : 138 MPa
- Rm : 690-1380 MPa
- A % : 20 à 40
- E : 50

TRAITEMENT THERMIQUE

- Le traitement thermique peut être réalisé sous air, sous vide, en bain de sel ou tout autre technique de chauffage.
- Les températures de traitement devant être choisies entre 500°C et 550°C , pour des températures plus élevées la résistance à la traction sera beaucoup plus faible.
- Il est préconisé de tremper très rapidement le matériau pour éviter tous phénomènes de vieillissement, par exemple une trempe à l'eau.
- Le temps de traitement doit être suffisant afin que tout le matériau atteigne la température souhaitée. Cela dépend de la masse du montage, du matériel et de la méthode de chauffage.
- Les temps peuvent être moins d'une minute pour le chauffage de petites pièces dans un bain de sel ou avec une matrice de chauffage par exemple.
- Pour des montages ou pièces plus massives, on peut prévoir des temps de traitement plus long (10 à 20 minutes). Il est préconisé de mettre un thermocouple sur la pièce à traiter afin de voir la température réelle.
- L'expérimentation pour déterminer le temps et la température sera nécessaire pour obtenir les meilleurs les résultats.

DISTRIBUTEURS

- AMF (www.nitifrance.com)

INFORMATIONS DIVERSES

1) USINABILITE :
- Le NITINOL est un alliage difficile à usiner car très abrasif dû à l'oxyde de titane de surface. Tous les types d'usinages sont envisageables (fraisage, tournage..) avec toutefois une usure d'outil assez conséquente.
- Il est donc conseillé d'utiliser des outils carbure. Il faut également prévoir une bonne lubrification pour bien refroidir. Enfin le NITINOL est usinable par jet d'eau ou encore par découpe laser.

2) TRANSFORMATION :
Le NITINOL à l'état « Cold work » (écroui soit par tréfilage ou par laminage) n'a pas subit de traitement thermique final. Typiquement les fils ou les tubes en NITINOL ont subit un écrouissage de 30 à 40% durant les dernières étapes de transformation, type tréfilage.
- Pour les produits laminés (feuilles et bandes) cela avoisine les 20% d'écrouissage. Le taux d'écrouissage que le matériau a subit avant le traitement thermique de recuit conditionne la résistance mécanique maxi (ultimate strength) de ce dernier.
Quand le NITINOL est mis en forme et recuit, ce dernier aura des propriétés de superélasticité ou d'effet mémoire.

3) MISE EN FORME ET VIEILLISSEMENT :
- La mise en forme dépend du processus employé pour former le NITINOL.
- Aussi bien à l'état superélastique ou à mémoire de forme, à l'état écroui ou recuit, il est souvent nécessaire de façonner le matériau pour l'application souhaitée.
- Pour cela, il faut utiliser un montage, un mandrin et appliquer une contrainte ainsi qu'un traitement thermique pour mettre en forme, par exemple sous forme d'un ressort.
- Le vieillissement peut être utilisé pour décaler le Af (austénite finish) d'un alliage superélastique. On peut obtenir un vieillissement à 475°C avec un temps assez long.
- Bien entendu, il est tout à fait possible d'effectuer le traitement de mise en forme (gabarit, montage etc.) en même temps que le vieillissement ; plus le temps sera long, plus le Af (austénite finish) sera haut.
- Il est préconisé d'effectuer des tests pour déterminer le meilleur temps de traitement.

4) ETAT DE SURFACE :
- Le NITINOL peut avoir différentes finitions de surface. Ce choix de surface dépendra des performances et de l'esthétisme souhaités pour l'application.
- Cet état de surface joue sur la rugosité, la fatigue, la corrosion, mais aussi sur d'autres propriétés.

5) SURFACE OXYDEE :
Le NITINOL est souvent livré dans cet état. Différentes couleurs possibles :
- Ambre clair,
- Bleu,
- Noir.
- Ces différentes couleurs dépendent du traitement thermique et de l'environnement (gaz, air).
- En général, la surface oxydée est plus lisse que d'autre finition de surface.

6) POLISSAGE MECANIQUE :
- Les fils ou les bandes de NITINOL sont redressés et polis à l'aide d'un abrasif, ce qui donne une surface brillante.
- Elle est reconnue pour son côté esthétique. Cette surface ressemble à l'acier inoxydable.

7) POLISSAGE CHIMIQUE :
- Les fils, les bandes, ou encore les composants sont polis dans un bain d'acide. La rugosité est plus importante que pour une surface oxydée. Par contre des études ont montré que cet état de surface donne une meilleure résistance à la corrosion que pour une surface oxydée ou polie mécaniquement.

8) SABLAGE :
- On peut utiliser une machine à sabler pour augmenter la rugosité et ainsi obtenir une meilleure adhérence d'un polymère (par exemple).

9) ELECTRO-POLISSAGE :
- Des composants en NITINOL, tels que les stents et les filtres qui doivent être implantés, subissent un electro-polissage en phase finale. Ce processus crée une couche particulièrement douce et uniforme d'oxyde qui améliore la biocompatibilité et réduit la corrosion.

10) REVETEMENT :
- Le NITINOL peut être revêtu d'un polymère comme du téflon ou du polyuréthane. Mais le traitement permettant ce revêtement s'effectuant au-delà de 300°C peut diminuer les performances du NITINOL.

11) ELECTRO-DEPOSITION :
- Il est possible de déposer de l'or, de l'argent, du cuivre, ou du nickel sur du NITINOL.
- De nombreuses applications utilisent ce type de revêtement. Il faut par contre veiller à réduire l'excès d'hydrogène en surface afin d'améliorer l'adhérence.

12) SOUDAGE :
- Brasure : la couche d'oxyde du NITINOL étant très dure la soudure devient très délicate et mauvaise.
- Un flux agressif est préconisé pour éliminer cet oxyde.
- Le NITINOL peut être soudé à lui-même tout en veillant à effectuer la soudure sous un gaz inerte.
- Les soudures au laser, TIG et par frottement peuvent donner de bons résultats.
- On peut aussi envisager d'autres techniques comme le collage, le sertissage, l'estampage etc.
- Ou encore utiliser les propriétés du matériau du NITINOL : par exemple déformer mécaniquement à froid un tube.

13) BIOCOMPATIBILITE :
- Les résultats in vivo et in vitro effectués en laboratoire confirme la biocompatibilité et la bonne tenue à la corrosion du NITINOL. Cela est attribué à la couche passive d'oxyde de titane, cela le protège de la corrosion et du rejet de nickel par le patient.

14) STERILISATION :
- Apte tous procédés et techniques de stérilisation.