17-4PH kovový prášek z nerezové oceli pro MIM

Přehled

Nerezová ocel 17-4PH je precipitačně kalená martenzitická nerezová ocel, která svým složením obsahuje přibližně 4% mědi. Nerezová ocel 17-4PH pro práškovou metalurgii je ideální volbou pro aplikace vstřikování kovů (MIM) díky kombinaci vysoké pevnosti, dobré odolnosti proti korozi a vynikajících mechanických vlastností, které lze dále zlepšit tepelným zpracováním precipitačním kalením.

Prášek 17-4PH je atraktivní volbou pro MIM oproti jiným konkurenčním slitinám díky své rozměrové stabilitě při spékání a celkově snadnému zpracování. Díly vyrobené z kovových práškových surovin 17-4PH vykazují vysokou pevnost v zeleném stavu pro složité geometrie, dobrou tvarovatelnost a čisté vyhoření s minimem zbytků.

V následujících kapitolách se budeme zabývat složením, vlastnostmi, aplikacemi, specifikacemi, dodavateli a dalšími technickými detaily týkajícími se prášku z nerezové oceli 17-4PH pro použití při vstřikování kovů.

Složení

Níže je uvedeno jmenovité složení nerezové oceli 17-4PH, přičemž hlavními legujícími prvky jsou chrom, nikl a měď:

Tabulka: Složení nerezové oceli 17-4PH

Živel	Hmotnost %
Chrom (Cr)	15.0 – 17.5
nikl (Ni)	3.0 – 5.0
měď (Cu)	3.0 – 5.0
Niob (Nb) + tantal (Ta)	0.15 – 0.45
křemík (Si)	max. 1,0
mangan (Mn)	max. 1,0
uhlík (C)	max. 0,07
síra (S)	max. 0,03
fosfor (P)	max. 0,04
železo (Fe)	Zůstatek

 

Obsah mědi je rozlišujícím faktorem pro nerezovou ocel 17-4PH oproti oceli 17-4, která obsahuje 4,0-6,0% mědi. Nižší obsah mědi v oceli 17-4PH zajišťuje lepší tažnost a rázové vlastnosti při zachování vysoké pevnosti.

Křemík, mangan, uhlík, síra a fosfor jsou udržovány na stopových hodnotách, aby se maximalizovala odolnost proti korozi a zabránilo se srážení karbidů. Přídavky niobu a tantalu pomáhají zjemnit strukturu zrn během spékání.

Vlastnosti

Nerezová ocel 17-4PH vykazuje vynikající kombinaci vysoké pevnosti a dobré tažnosti v precipitačně kaleném stavu. Níže jsou uvedeny klíčové vlastnosti ve stavu H900:

Tabulka: Vlastnosti nerezové oceli 17-4PH

Vlastnictví	Hodnota
Hustota	7,8 g/cm3
Maximální pevnost v tahu	1240-1300 MPa
Mez kluzu (posun 0,2%)	1100-1160 MPa
Elastický modul	190-210 GPa
Prodloužení	10-15%
Tvrdost	39-43 HRC
Nárazová houževnatost	50-60 J
Únavová pevnost	550 MPa
Smyková pevnost	760 MPa
Pevnost v tlaku	1275 MPa

 

Tepelné zpracování srážením, které se používá k dosažení těchto vysokých pevností, zahrnuje žíhání roztokem při 900-950 °C a následné stárnutí při 450-500 °C. Výsledkem jsou velmi jemné precipitáty bohaté na měď, které brání pohybu dislokací a zpevňují kovovou matrici při zachování tažnosti.

Ve stavu žíhaném roztokem bez stárnutí má nerezová ocel 17-4PH nižší, ale stále slušné mechanické vlastnosti, které jsou srovnatelné s nerezovými ocelemi řady 400. Poskytuje dobrou rovnováhu mezi mírnou pevností a tažností pro případy, kdy není nutné plné kalení.

Korozní odolnost oceli 17-4PH je srovnatelná s martenzitickými nerezovými ocelemi 410 a 416 a poskytuje užitečnou odolnost proti atmosférické korozi a mnoha mírným chemikáliím. Ve srovnání s austenitickými nerezovými ocelemi řady 300 má však nižší odolnost.

Aplikace

Díky vysoké pevnosti po vytvrzení a mírné odolnosti proti korozi je nerezová ocel 17-4PH oblíbenou volbou pro kovové vstřikované díly, které slouží k následujícím aplikacím:

• Letecké a letecké součásti
• Ortopedické a zubní implantáty
• Automobilový průmysl, motory, ventily
• Plastové vstřikovací formy
• Průmyslové nástroje, děrovací/lisovací nástroje
• Potravinářská a farmaceutická zařízení
• Petrochemická čerpadla, ventily, přístrojové vybavení
• Spotřební zboží, jako jsou nože, lodní hardware
• Pouzdra hodinek, šperky

Metoda MIM je výhodná pro výrobu malých, složitých dílů s dobrými mechanickými vlastnostmi po spékání. Vynikající leštitelnost materiálu 17-4PH je vhodná i pro dekorativní aplikace.

V porovnání s jinými slitinami MIM nabízí 17-4PH vyšší pevnost než nerezová ocel 316L, podobnou nebo lepší pevnost než nerezové oceli 420 a 17-4 s lepší houževnatostí a odolností proti korozi vyšší než nástrojové oceli.

Specifikace kovového prášku

Prášek z nerezové oceli 17-4PH pro MIM suroviny je komerčně dostupný v různých rozměrových řadách, chemickém složení a morfologii. Níže jsou uvedeny některé běžné specifikace:

Tabulka: Specifikace kovového prášku z nerezové oceli 17-4PH

Atribut	Podrobnosti
Velikost částic	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Rozsah chemie	Podle AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Obsah uhlíku	<0,1%, velmi nízký obsah uhlíku
Obsah kyslíku	<0,6%, nízký obsah kyslíku
Morfologie	Sférické, částečně sférické
Zdánlivá hustota	3,0-4,5 g/cm3
Hustota poklepání	4,5-5,5 g/cm3
Průtoková rychlost	15-35 s/50g

 

Kvalita prášku je pro vysoce výkonné díly MIM kritická. Klíčové vlastnosti, jako je morfologie prášku, distribuce velikosti částic, čistota a tokové chování prášku, určují kvalitu výchozí suroviny a výsledné vlastnosti součástek.

Sférická morfologie prášku zajišťuje nejlepší tok a hustotu balení pro MIM. Malé velikosti částic (<20 um) jsou upřednostňovány pro zachycení jemných rysů, zatímco větší velikosti zlepšují tok a tvarovatelnost.

Výroba prášku

Prášek 17-4PH se vyrábí pomocí atomizace plynem nebo inertním plynem. Příležitostně se používá také vysokotlaká vodní atomizace.

Při plynové atomizaci se proud taveniny slitiny rozpadá na jemné kapičky pomocí vysokorychlostních proudů inertního plynu. Kapky rychle tuhnou na částice prášku s kulovitým tvarem. Distribuce velikosti částic se řídí pomocí průtoku plynu, konstrukce trysky a dalších parametrů procesu.

Vodní atomizace využívá k rozkladu proudu kovu vodní paprsky. Vznikají nepravidelné částice prášku satelitního typu. Pro použití v MIM vyžaduje prášek další kroky úpravy, aby se stal kulovitým.

Vakuové procesy s inertním plynem produkují nejčistší a nejpřísnější prášek 17-4PH pro vysoce výkonné MIM suroviny. Inertní plyn zabraňuje oxidaci taveniny a prášku.

Standardy a známky

Práškové díly z nerezové oceli 17-4PH a díly MIM splňují následující normy a specifikace:

• ASTM A564 - Norma pro dráty a pásy z nerezové oceli kalené srážením
• ASTM A705 - Norma pro práškovou slitinu kobaltu, chromu, niklu a mědi (PH15-7Mo), vytvrzenou srážením
• AMS 5643 - Prášek z nerezové oceli tvrditelné srážením, třídy PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Nerezová ocel 17-4, srážkové kalení
• AMS 5803 - Nerezová ocel 15-5, prášková metalurgie

Dostupná označení výrobků a ekvivalentní třídy jsou:

• 17-4PH - UNS S17400 (nejběžnější)
• 15-5PH - UNS S15500
• X5CrNiCu15-5 - DIN 1.4545
• 1RK91 - AFNOR Z6CNNbCu15-05

Třídy složení odpovídají skupině 1 slitin AMS 5643. K dispozici je také prášek s velmi nízkým obsahem uhlíku s <0,03% C.

Dodavatelé

Kovový prášek z nerezové oceli 17-4PH pro MIM komerčně vyrábějí hlavní dodavatelé speciálních slitin a prášků z nerezové oceli:

Tabulka: Výrobci prášku z nerezové oceli 17-4PH

Společnost	Názvy značek
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Printsalloy PH
Tesař	Hydramit PH
Höganäs	Stellite 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

Prášek lze zakoupit u distributorů kovových prášků, servisních kanceláří MIM, zpracovatelů a dodavatelů vstupních surovin.

Analýza nákladů

Cena prášku z nerezové oceli 17-4PH je středně vysoká a pohybuje se v rozmezí $25-$45 za kg v malých množstvích. U větších objednávek nad 1000 kg je cena nižší.

Pro srovnání, prášek z nerezové oceli 316L stojí $15-$30/kg, zatímco prášky z nástrojové oceli (H13, P20) stojí $12-25/kg.

U hotového dílu MIM tvoří materiál 50-70% jednotkových nákladů v závislosti na velikosti a složitosti dílu. Menší díly ve větších objemech budou mít nižší podíl nákladů na materiál ve srovnání se sekundárními operacemi.

Doporučení k návrhu

Pro úspěšnou aplikaci prášku z nerezové oceli 17-4PH a dosažení plných vlastností je třeba dodržet následující pokyny pro konstrukci MIM:

• Pro dostatečnou pevnost používejte minimální tloušťku stěny 0,3-0,5 mm.
• Zachování poměru stran pod 8:1 pro složité tvary
• Zahrnout poloměry 0,25 mm nebo větší, aby se zabránilo koncentraci napětí.
• Brána s tloušťkou >0,5 mm a průřezem otvoru dutiny >35%
• Anizotropní smrštění je ~17% na hlavních osách, ~20% ve směru tloušťky.
• Dosažení hustoty >92% po spékání pro požadované mechanické vlastnosti

Úvahy o zpracování

Klíčové kroky zpracování při použití práškových surovin 17-4PH pro vstřikování kovů zahrnují:

• Míchání: Míchání práškových a pojivových složek ve vysokém smyku za účelem vytvoření homogenní suroviny s rovnoměrným objemovým obsahem prášku přibližně 62-68%.
• Formování: Použití parametrů vstřikování vhodných pro vstupní suroviny s vysokým obsahem pevných látek - vysoká velikost výstřiků, vysoká vstřikovací rychlost, vysoký udržovací tlak.
• Debinding: Odbednění rozpouštědlem a následné tepelné odbednění pro úplné odstranění složek pojiva a zanechání hnědého dílu připraveného ke spékání.
• Spékání: Spékání ve vakuu nebo vodíkové atmosféře při ~1300 °C pro dosažení plné hustoty. Smršťování při spékání by mělo být kompenzováno v nástrojích forem.
• Tepelné zpracování: Žíhání v roztoku s následným stárnutím/precipitačním kalením podle potřeby k dosažení požadavků na pevnost.
• Sekundární operace: Může zahrnovat ražení, vrtání, řezání závitů, povrchové úpravy, pokovování, laserové značení atd.

Servisní kanceláře a zpracovatelé MIM zavedli osvědčené postupy pro MIM 17-4PH, aby zajistili rozměrovou přesnost a opakovatelné mechanické vlastnosti jednotlivých dílů.

Kontrola a testování

Některé z kontrolních a zkušebních metod používaných pro kontrolu kvality a validaci dílů 17-4PH MIM jsou:

• Chemická analýza - ICP a OES k ověření složení a obsahu plynu
• Analýza velikosti částic - laserová difrakce pro kontrolu distribuce velikosti prášku
• Zkouška hustoty - Archimédova metoda a heliová pyknometrie
• Zkouška tahem - ASTM E8, pro získání UTS, meze kluzu, prodloužení
• Zkoušky tvrdosti - Rockwell a Vickers ke kontrole tvrdosti
• Mikrostruktura - optická mikroskopie a SEM ke zkoumání fází
• Zrnitost - ASTM E112, srovnávací metody pro stanovení zrnitosti
• Analýza defektů - penetrační zkouška barvivem k identifikaci povrchových defektů

Dobře vybavené metalurgické laboratoře jsou schopny provádět tyto zkoušky v souladu s mezinárodními zkušebními normami pro kovové prášky a průmyslové díly. To zajišťuje shodu se specifikacemi při výrobě práškových slitin, výrobě dílů MIM a při kvalifikaci finálních dílů.

Zdraví a bezpečnost

Prášek a díly z nerezové oceli 17-4PH nepředstavují v pevné formě žádné významné zdravotní riziko. Při manipulaci, zpracování nebo obrábění tohoto materiálu je však třeba dodržovat následující doporučené postupy:

• Při manipulaci s práškem používejte osobní ochranné prostředky - rukavice, ochranu dýchacích cest a očí.
• Při čištění rozsypaného prášku nebo při obrábění slinutých dílů používejte odsávání prachu.
• Vyhněte se vdechování prachu a výparů z tavení a spékání prášku.
• Prevence a ošetření řezných ran, odřenin, aby se zabránilo expozici kovovým částicím.
• Při nakládání práškových surovin dodržujte postupy bezpečné manipulace a přenosu prášku.
• Při obrábění slinutých dílů používejte nejiskřící nástroje a broušené zařízení.
• Při svařování nebo pájení součástí 17-4PH zajistěte dostatečné větrání a používejte osobní ochranné pomůcky.
• Likvidujte v souladu s místními předpisy o životním prostředí a zabraňte uvolňování prášku do životního prostředí.

Při správných postupech nepředstavuje prášek 17-4PH a díly MIM žádné významné nebezpečí. Hlavními riziky jsou potenciální podráždění z expozice prachu a pořezání při manipulaci. Správné větrání, používání OOP a bezpečné skladování tato rizika zmírňují.

FAQ

Otázka: Jaká velikost částic prášku 17-4PH se doporučuje pro MIM?

Odpověď: Běžně se používá 10-20 mikronů, ale v závislosti na geometrii dílu se používají velikosti 3-45 mikronů. Jemnější prášek <10 um lépe zachytí detaily, ale může být náročný pro lisování.

Otázka: Vyžaduje prášek 17-4PH manipulaci v inertní atmosféře?

Odpověď: Ne nutně, lze s ním manipulovat na vzduchu, ale inertní rukavicový box zajišťuje, že hladina kyslíku a vlhkosti je minimalizována, aby byla zajištěna čistota.

Otázka: Jaký je rozdíl mezi nerezovou ocelí 17-4 a 17-4PH?

Odpověď: 17-4PH má nižší obsah mědi (3-5% oproti 4-6% v 17-4), což zajišťuje lepší rázovou houževnatost a tažnost při stejné úrovni pevnosti.

Otázka: Lze nerezovou ocel 17-4PH opakovaně kalit?

Odpověď: Ano, materiál 17-4PH lze opakovaně srážkově kalit. Každý cyklus mu vrátí vysokou pevnost, ale tažnost se může opakovaným stárnutím snížit.

Otázka: Jaká je typická povrchová úprava dílů 17-4PH MIM?

A: Asinterovaný povrch má Ra 3-5 mikronů. Leštěním a leptáním lze dosáhnout Ra pod 0,5 mikronu. Hladké povrchy se vytvářejí také pokovením.

Otázka: Funguje materiál 17-4PH pro kovový 3D tisk ve srovnání s MIM?

Odpověď: Ano, lze jej použít pro DMLS a tryskání pojiva, ale vyžaduje upravené parametry oproti MIM. Rychlost chlazení je vyšší, takže vlastnosti se liší.

Otázka: Jaké typy následného zpracování se běžně provádějí u dílů 17-4PH MIM?

Odpověď: Obrábění, vrtání, řezání závitů, broušení, elektroerozivní obrábění, kuličkování, pasivace, elektrolytické leštění, pokovování, tepelné zpracování, svařování a laserové značení.

Otázka: Jaké možnosti pokovení se hodí na nerezovou ocel 17-4PH?

Odpověď: Pro odolnost proti korozi nebo opotřebení se dobře hodí bezelektrický nikl, tvrdý chrom, zinkový nikl, cín, měď a pokovení drahými kovy, jako je stříbro, zlato a rhodium.