Polvo de acero inoxidable 316L para impresión 3D en metal
El polvo de acero inoxidable 316L es un tipo de polvo de acero inoxidable que contiene molibdeno y tiene un bajo contenido de carbono. Es un acero inoxidable austenítico al cromo-níquel que presenta una alta resistencia y excelentes propiedades de resistencia a la corrosión. El polvo 316L se utiliza ampliamente para aplicaciones de impresión 3D o fabricación aditiva en sectores como el aeroespacial, el médico, la automoción y la fabricación en general.
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Índice
Visión general
El polvo de acero inoxidable 316L es un tipo de polvo de acero inoxidable que contiene molibdeno y tiene un bajo contenido de carbono. Es un acero inoxidable austenítico al cromo-níquel que presenta una alta resistencia y excelentes propiedades de resistencia a la corrosión. El polvo 316L se utiliza ampliamente para aplicaciones de impresión 3D o fabricación aditiva en sectores como el aeroespacial, el médico, la automoción y la fabricación en general.
Algunas propiedades y características clave del polvo 316L son:
Composición: Hierro, cromo, níquel, molibdeno, manganeso, silicio, carbono, fósforo, azufre
Forma de las partículas: Esférica, alta fluidez
Tamaño de las partículas: 15-45 micras, tamaños submicrónicos disponibles
Densidad: Aprox. 7,9 g/cc
Punto de fusión: 1381-1400°C
Características principales: Resistencia a la corrosión, resistencia al calor, soldabilidad, solidez, biocompatibilidad
Nombres comerciales comunes: 316L, 1.4404, 1.4435
El polvo 316L puede utilizarse para imprimir piezas resistentes y duraderas con geometrías complejas mediante diversos procesos de impresión 3D como el sinterizado selectivo por láser (SLS), el sinterizado directo de metal por láser (DMLS), la fusión por haz de electrones (EBM), el chorro de aglutinante, etc.
Tipos de polvos 316L
Existen varios tipos principales de polvos de acero inoxidable 316L:
Polvo 316L atomizado con gas
- Producido mediante un proceso de atomización con gas inerte
- Partículas esféricas de superficie lisa
- Fluye fácilmente, se empaqueta densamente para su impresión
- Buena distribución y compactación
- Se utiliza ampliamente para la impresión 3D por láser y por chorro aglutinante
Polvo 316L atomizado en agua
- Fabricado con chorros de agua a alta presión
- Forma irregular de las partículas
- Superficie porosa, alto contenido de oxígeno
- Menor coste en comparación con el polvo atomizado con gas
- Se utiliza sobre todo para aplicaciones de prensado y sinterizado
Polvo 316L atomizado por plasma
- Fabricado con atomización por plasma
- Partículas muy esféricas
- Distribución controlada del tamaño de las partículas
- Se utiliza en aplicaciones críticas que requieren alta densidad
- Caro en comparación con otros métodos de atomización
Polvo 316L reciclado
- Polvo no utilizado recuperado de construcciones 3D
- Puede tener formas y tamaños de partículas mezclados
- Necesita tamizado y procesado adicional
- Opción de menor coste para aplicaciones no críticas
- Preocupación por la contaminación de construcciones anteriores
316L Composición del polvo
El acero inoxidable 316L obtiene su resistencia a la corrosión del cromo y el molibdeno aleados con hierro. Esta es la composición elemental del polvo 316L:
| Elemento | Gama de composición |
|---|---|
| Hierro (Fe) | Saldo |
| Cromo (Cr) | 16-18% |
| Níquel (Ni) | 10-14% |
| Molibdeno (Mo) | 2-3% |
| Manganeso (Mn) | ≤ 2% |
| Silicio (Si) | ≤ 1% |
| Carbono (C) | ≤ 0,03% |
| Fósforo (P) | ≤ 0,045% |
| Azufre (S) | ≤ 0,03% |
El bajo contenido de carbono reduce la precipitación de carburos durante la soldadura y mejora la resistencia a la corrosión. La adición de molibdeno mejora el comportamiento frente a la corrosión por picaduras y grietas en entornos con cloruros.
La composición se ajusta a grados nacionales e internacionales como UNS S31603, W.Nr 1.4404, AISI 316L e ISO 5832-1. También son posibles aleaciones personalizadas para requisitos especializados.
Propiedades y características clave
El polvo 316L posee una combinación única de propiedades excepcionales que lo hacen adecuado para diversas aplicaciones críticas de alto rendimiento en todos los sectores.
Resistencia a la corrosión Excelente resistencia a las picaduras, la corrosión por intersticios y el agrietamiento por corrosión bajo tensión en ácidos, álcalis, sales y productos químicos orgánicos.
Propiedades mecánicas Alto límite elástico y de tracción, junto con buena ductilidad y resistencia al impacto
Resistencia al calor Puede soportar un servicio continuo de hasta ~900°C y una exposición intermitente superior para determinadas aplicaciones.
Soldabilidad Fácilmente soldable y menos propenso a la sensibilización durante la soldadura en comparación con los grados no estabilizados.
Biocompatibilidad No tóxico con alta biocompatibilidad para su uso en implantes y dispositivos médicos
He aquí una tabla comparativa de las principales propiedades del polvo 316 frente al 316L:
| Propiedad | 316 Polvo | Polvo 316L |
|---|---|---|
| Densidad (g/cc) | 7.9 | 7.9 |
| Punto de fusión (°C) | 1375-1400 | 1381-1400 |
| Resistencia a la tracción (MPa) | ≥ 515 | ≥ 485 |
| Límite elástico (MPa) | ≥ 170 | ≥ 170 |
| Alargamiento (%) | ≥ 40 | ≥ 35 |
| Módulo de elasticidad (GPa) | 193 | 193 |
| Conductividad térmica (W/m-K) | 16.2 | 16.2 |
| Expansión térmica (μm/m-°C) | 15-16.5 | 15-16.5 |
| Resistencia a la corrosión | Muy buena | Excelente |
| Número de equivalencia de resistencia a las picaduras (PREN) | 24-26 | 25-27 |
| Permeabilidad magnética | No magnético | No magnético |
| Biocompatibilidad | Bien | Excelente |
La mayor resistencia a la corrosión del polvo de 316L puede atribuirse al mayor PREN y al menor contenido de carbono en comparación con el polvo de 316. El 316L también ofrece una mejor biocompatibilidad y se utiliza preferentemente para implantes permanentes en el cuerpo humano.
Aplicaciones del polvo 316L
Algunas de las aplicaciones comunes en las que el polvo 316L encuentra un uso generalizado incluyen:
Fabricación aditiva Impresión SLS/DMLS/EBM de piezas metálicas de uso final en los sectores aeroespacial, médico, de automoción, herramientas, etc.
Implantes biomédicos Fabricación de implantes como prótesis de rodilla y cadera, barras vertebrales, accesorios dentales, etc.
Equipos de procesamiento de alimentos Válvulas, racores, elementos de fijación, piezas de maquinaria para las industrias alimentaria y farmacéutica
Industria de transformación química
Impulsores de bombas, carcasas, cuerpos de válvulas y otros componentes húmedos
Aplicaciones marinas
Ejes, accesorios, acoplamientos, bridas, hélices utilizados en entornos marinos
El 316L ofrece un rendimiento excepcional en este amplio espectro de aplicaciones gracias a su extraordinaria resistencia a la corrosión unida a una gran solidez.
A continuación se muestran ejemplos de algunas piezas de 316L impresas mediante fabricación aditiva:
| Industria | Piezas típicas AM |
|---|---|
| Aeroespacial | Álabes de turbina, soportes estructurales, impulsores |
| Automoción | Fijaciones personalizadas, sensores, piezas ligeras del chasis |
| Médico | Instrumentos quirúrgicos, prótesis, implantes |
| Herramientas | Moldes de inyección, matrices de extrusión, plantillas y utillajes |
Especificaciones del polvo 316L
El polvo 316L utilizado para AM debe cumplir, o superar, las siguientes especificaciones:
Distribución del tamaño de las partículas
| Tamaño (μm) | Distribución (%) |
|---|---|
| 20-63 | ≥ 95 |
| 15-45 | Óptimo |
Densidad aparente Normalmente 4,0-4,8 g/cc
Caudal
Caudalímetro Hall > 15 seg/50g
Composición química Según las especificaciones del grado 316L antes mencionadas
Microestructura
Totalmente austenítico, ausencia de larguerillos y satélites
Forma de las partículas Morfología predominantemente esférica
Textura de la superficie Superficie lisa de las partículas
Contenido de oxígeno Mayoritariamente <1000 ppm
Magnetización de saturación < 3,1 emu/g
Los fabricantes de polvo 316L de renombre producen material que cumple o supera estas especificaciones para AM. Cada lote viene con un Certificado de Análisis de pruebas independientes.
Proveedores de polvo 316L
Algunos de los principales proveedores mundiales de polvo de acero inoxidable 316L son:
| Empresa | Capacidad de producción | Coste por KG |
|---|---|---|
| Sandvik Osprey | 200 Tm anuales | $50-90 |
| Aditivo para carpinteros | A medida | $75-150 |
| Praxair | 100 Tm anuales | $40-80 |
| Höganäs | 500 toneladas anuales | $30-60 |
| CNPC Polvo | 1000 Tm anuales | $25-50 |
Las aleaciones personalizadas con distribuciones granulométricas especiales o controles químicos más estrictos pueden costar 20-50% más que las composiciones de polvo 316L estándar.
En cuanto al precio, el polvo de 316L atomizado con gas apto para AM suele costar entre $30-150 por kg, dependiendo de la calidad, el tamaño del lote y la región geográfica. Las calidades atomizadas con agua y plasma ocupan los extremos inferior y superior de esta gama.
Ventajas e inconvenientes del polvo 316L para la fabricación aditiva
Ventajas del polvo 316L
Excelente resistencia a la corrosión Hasta 25-30% mejor resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en comparación con el polvo 316
Biocompatible y no tóxico Seguro para el contacto prolongado con la piel y para su uso en implantes médicos
Alta resistencia mecánica Resistencia a la tracción >485 MPa que iguala y supera las propiedades del 316L fundido/forjado
Excelente comportamiento ante la fatiga Límite de fatiga muy elevado que da lugar a una larga vida útil de los componentes
Piezas más ligeras El menor peso de los componentes se traduce en una mayor eficiencia del combustible en los vehículos
Estabilidad a altas temperaturas
Puede resistir temperaturas superiores a 650°C en determinadas aplicaciones
Fácil soldabilidad Compatible con casi todos los procesos de soldadura. Ideal para reparaciones y postprocesado.
Superficies más lisas Superficies as-printed que requieren menos acabado y retrabajo
Relación coste-eficacia Comparable en coste al acero inoxidable 316 y más barato que las aleaciones exóticas
Posibilidad de aleaciones personalizadas Puede diseñar composiciones de polvo adaptadas a una aplicación determinada
Prototipos más rápidos y baratos No se necesitan herramientas duras como matrices de fundición y mecanizado
Desventajas del uso de polvo 316L para AM
Comportamiento mecánico anisótropo
Varía en función de la dirección de construcción. Es necesario tener en cuenta el diseño y las pruebas.
Posibles defectos internos
Falta de fusión, partículas sin fundir, porosidad. Depende del proceso de AM utilizado.
Necesidades de postprocesado La eliminación de soportes, el mecanizado de acabado, el recocido, etc. pueden aumentar el coste.
Tamaño limitado de las piezas Limitado por las dimensiones de la cámara de fabricación (en constante mejora con las nuevas máquinas)
Restricciones de orientación Algunas geometrías necesitan estructuras de soporte y pueden limitar la libertad de diseño
Variabilidad de la propiedad
La reutilización/reciclaje del polvo puede dar lugar a propiedades inferiores de un lote a otro.
Limitaciones del acabado superficial Puede fluctuar más que los métodos tradicionales de mecanizado sustractivo
Coste de equipos y material Elevada inversión en equipos. Grandes cantidades de polvo necesarias para piezas grandes.
Falta de normas de diseño Campo en rápida evolución. Se requieren pruebas de cualificación continuas.
Comparación entre polvos de acero inoxidable 316L vs 17-4PH vs 15-5 PH
El polvo de acero inoxidable 316L se ha convertido en la primera opción para muchas aplicaciones de fabricación aditiva que necesitan un buen rendimiento mecánico junto con una alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, para aplicaciones más exigentes, los polvos estructurales de alta resistencia como el 17-4PH y el 15-5 PH se utilizan cada vez más.
A continuación se muestra la comparación de estas aleaciones de acero inoxidable en cuanto a propiedades clave del polvo relevantes para la AM:
| Propiedad del polvo | ACERO INOXIDABLE 316L | 17-4PH SS | 15-5 PH SS |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la corrosión | Excelente | Moderado | Moderado |
| Resistencia a la tracción | 485-550 MPa | 1050-1200 MPa | 1050-1150 MPa |
| Límite elástico | 170-340 MPa | 900-1100 MPa | 900-1000 MPa |
| Alargamiento | 35-50% | 8-13% | 10-16% |
| Resistencia a la fatiga | 170-200 MPa | 500-700 MPa | 550-650 MPa |
| Estabilidad a altas temperaturas | Feria | Excelente | Excelente |
| Soldabilidad | Excelente | Feria | Bien |
| Coste por Kg | $30-150 | $150-250 | $100-200 |
De esta comparación de productos podemos extraer las siguientes conclusiones:
- El 316L no tiene parangón en cuanto a resistencia a la corrosión y soldabilidad.
- Cuando la resistencia a la corrosión es mayor, 17-4PH y 15-5 PH son mejores.
- El polvo de acero inoxidable 17-4PH ofrece la mejor resistencia a la fluencia a altas temperaturas
- 15-5PH ofrece el equilibrio óptimo entre resistencia y soldabilidad/mecanizabilidad
- El 316L es la opción más rentable, mientras que el 17-4PH en polvo es relativamente caro
Seleccionando cuidadosamente el grado adecuado para una aplicación, los compradores pueden obtener la combinación ideal de propiedades y relación rendimiento-coste.
Preguntas frecuentes
He aquí las respuestas a algunas preguntas frecuentes sobre el polvo de acero inoxidable 316L para procesos de AM:
¿Qué procesos de fabricación aditiva utilizan polvo 316L?
El polvo 316L es compatible con los principales procesos de AM directa de metales que pueden imprimir metales. Entre ellos se incluyen:
- Fusión de lecho de polvo - SLS, DMLS, SLM
- Deposición de energía dirigida - LENS, EBAM, revestimiento láser
- Deposición de metales ligados - Binder jetting
¿Cuáles son los defectos habituales de las piezas de 316L en AM? ¿Cómo pueden evitarse?
Algunos defectos de piezas 316L encontrados incluyen:
- Falta de fusión - Insuficiente fusión del polvo. Aumentar la potencia/velocidad del láser
- Porosidad del gas - Optimizar los patrones de exploración. Utilizar prensado isostático en caliente
- Fisuración - Modificar las estructuras de soporte. Optimizar las tensiones térmicas
- Partículas sin fundir - Asegúrese de que las capas de polvo son uniformes. Tamizar adecuadamente.
¿Qué tamaño de partícula es ideal para el polvo de 316L en AM?
Se recomiendan de 15 a 45 micras para la mayoría de los procesos AM. El polvo más fino se esparce mejor, pero puede afectar al flujo y al repintado. Las partículas más gruesas son menos compactables.
¿Qué tratamiento posterior se suele hacer para las piezas de 316L AM?
Los pasos de postprocesado ayudan a mejorar las propiedades finales de la pieza:
- Eliminación del soporte mediante mecanizado/rectificado
- Prensado isostático en caliente para eliminar huecos internos.
- Recocido por disolución y envejecimiento para refinar la microestructura
- Acabado de superficies como mecanizado CNC y pulido
¿Qué normas debe cumplir el polvo 316L para AM?
Aunque las normas siguen evolucionando, las más importantes son:
- ASTM F3049 - Polvos metálicos AM
- ASTM F3056 - Caracterización de polvos metálicos AM
- ASTM F3301 - Propiedades para piezas aditivadas
- ISO/ASTM 52904 - Parámetros de proceso
¿Se pueden soldar o reparar las piezas de 316L después de la fabricación aditiva?
Sí, el 316L se puede soldar muy bien y los componentes fabricados en AM se pueden soldar, reparar y posprocesar utilizando técnicas como la soldadura TIG. El desarrollo de procedimientos adecuados es vital para obtener soldaduras sin defectos.
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