Polvo metálico de acero inoxidable 17-4PH para MIM

Visión general

El acero inoxidable 17-4PH es un acero inoxidable martensítico de endurecimiento por precipitación que contiene aproximadamente 4% de cobre en su composición. El grado pulvimetalúrgico del acero inoxidable 17-4PH es una opción ideal para aplicaciones de moldeo por inyección de metal (MIM) debido a su combinación de alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y excelentes propiedades mecánicas que pueden mejorarse aún más mediante tratamientos térmicos de endurecimiento por precipitación.

El polvo de 17-4PH constituye una opción atractiva para el MIM frente a otras aleaciones competidoras por su estabilidad dimensional durante la sinterización y su facilidad general de procesamiento. Las piezas fabricadas con materias primas de polvo metálico 17-4PH presentan una elevada resistencia en verde para geometrías complejas, una buena moldeabilidad y un quemado limpio con residuos mínimos.

En las siguientes secciones cubriremos la composición, propiedades, aplicaciones, especificaciones, proveedores y otros detalles técnicos relacionados con el polvo de acero inoxidable 17-4PH para su uso en el moldeo por inyección de metales.

Composición

A continuación se muestra la composición nominal del acero inoxidable 17-4PH, con cromo, níquel y cobre como principales elementos de aleación:

Tabla: Composición del acero inoxidable 17-4PH

Elemento	Peso %
Cromo (Cr)	15.0 – 17.5
Níquel (Ni)	3.0 – 5.0
Cobre (Cu)	3.0 – 5.0
Niobio (Nb) + Tántalo (Ta)	0.15 – 0.45
Silicio (Si)	máx. 1,0
Manganeso (Mn)	máx. 1,0
Carbono (C)	máx. 0,07
Azufre (S)	máx. 0,03
Fósforo (P)	máx. 0,04
Hierro (Fe)	Saldo

 

El contenido de cobre es el factor distintivo del acero inoxidable 17-4PH frente al 17-4, que contiene 4,0-6,0% de cobre. El menor contenido de cobre del 17-4PH mejora la ductilidad y las propiedades de impacto, al tiempo que mantiene una alta resistencia.

El silicio, el manganeso, el carbono, el azufre y el fósforo se mantienen en niveles mínimos para maximizar la resistencia a la corrosión y evitar la precipitación de carburos. Las adiciones de niobio y tántalo ayudan a refinar la estructura del grano durante la sinterización.

Propiedades

El acero inoxidable 17-4PH presenta una excelente combinación de alta resistencia y buena ductilidad en el estado endurecido por precipitación. A continuación se indican las propiedades clave en el estado H900:

Tabla: Propiedades del acero inoxidable 17-4PH

Propiedad	Valor
Densidad	7,8 g/cm3
Resistencia a la tracción	1240-1300 MPa
Límite elástico (0,2% offset)	1100-1160 MPa
Módulo elástico	190-210 GPa
Alargamiento	10-15%
Dureza	39-43 HRC
Resistencia al impacto	50-60 J
Resistencia a la fatiga	550 MPa
Resistencia al cizallamiento	760 MPa
Resistencia a la compresión	1275 MPa

 

El tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación utilizado para alcanzar estos altos niveles de resistencia implica un recocido en solución a 900-950°C seguido de un envejecimiento a 450-500°C. El resultado son precipitados muy finos ricos en cobre que dificultan el movimiento de las dislocaciones y refuerzan la matriz metálica al tiempo que conservan la ductilidad.

En la condición de recocido por disolución sin envejecimiento, el acero inoxidable 17-4PH tiene propiedades mecánicas inferiores pero aún respetables, a la par con los aceros inoxidables de la serie 400. Proporciona un buen equilibrio entre resistencia moderada y ductilidad para los casos en que no se requiere un endurecimiento completo. Ofrece un buen equilibrio entre resistencia moderada y ductilidad para los casos en los que no se requiere un endurecimiento completo.

La resistencia a la corrosión del 17-4PH es comparable a la de los aceros inoxidables martensíticos 410 y 416, ofreciendo una resistencia útil a la corrosión atmosférica y a muchos productos químicos suaves. Sin embargo, su resistencia es inferior a la de los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300.

Aplicaciones

La alta resistencia tras el endurecimiento y la moderada resistencia a la corrosión hacen del acero inoxidable 17-4PH una elección popular para piezas metálicas moldeadas por inyección que sirven para las siguientes aplicaciones:

• Componentes aeroespaciales y aeronáuticos
• Implantes ortopédicos y dentales
• Automoción, motores, válvulas
• Moldes de inyección de plástico
• Herramientas industriales, herramientas de punzonado/estampado
• Equipos para la industria alimentaria y farmacéutica
• Bombas petroquímicas, válvulas, instrumentación
• Productos de consumo, como cuchillos y herramientas marinas
• Cajas de reloj, engastes de joyas

El MIM es ventajoso para producir piezas pequeñas y complejas con buenas propiedades mecánicas sinterizadas. La excelente capacidad de pulido del 17-4PH también lo hace idóneo para aplicaciones decorativas.

En comparación con otras aleaciones MIM, el 17-4PH ofrece una resistencia superior a la del acero inoxidable 316L, similar o superior a la de los aceros inoxidables 420 y 17-4 con mejor tenacidad, y una resistencia a la corrosión superior a la de los aceros para herramientas.

Especificaciones del polvo metálico

El polvo de acero inoxidable 17-4PH para materia prima MIM está disponible comercialmente en varios rangos de tamaño, químicas y morfologías. A continuación se indican algunas especificaciones comunes:

Tabla: Especificaciones del polvo metálico de acero inoxidable 17-4PH

Atributo	Detalles
Tamaño de las partículas	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Gama química	Según AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Contenido en carbono	<0,1%, carbono ultrabajo
Contenido de oxígeno	<0.6%, oxígeno bajo
Morfologías	Esférica, parcialmente esférica
Densidad aparente	3,0-4,5 g/cm3
Densidad del grifo	4,5-5,5 g/cm3
Caudal	15-35 s/50g

 

La calidad del polvo es fundamental para obtener piezas MIM de alto rendimiento. Características clave como la morfología del polvo, la distribución del tamaño de las partículas, la pureza y el comportamiento de flujo del polvo determinan la calidad de la materia prima y las propiedades resultantes de los componentes.

La morfología esférica del polvo proporciona la mejor fluidez y densidad de empaquetamiento para el MIM. Se prefieren los tamaños de partícula pequeños (<20 um) para capturar características finas, mientras que los tamaños más grandes mejoran el flujo y la moldeabilidad.

Fabricación de polvo

El polvo de 17-4PH se fabrica mediante procesos de atomización con gas o gas inerte. También se utiliza ocasionalmente la atomización con agua a alta presión.

En la atomización con gas, la corriente de aleación fundida se desintegra en finas gotitas mediante chorros de gas inerte a alta velocidad. Las gotitas se solidifican rápidamente en partículas de polvo con forma esférica. La distribución del tamaño de las partículas se controla mediante el caudal de gas, el diseño de la boquilla y otros parámetros del proceso.

La atomización con agua utiliza chorros de agua para la desintegración de la corriente metálica. Produce partículas de polvo irregulares, de tipo satélite. Para su uso en MIM, el polvo requiere pasos adicionales de acondicionamiento para hacerlo esférico.

Los procesos de gas inerte al vacío producen el polvo 17-4PH más limpio y puro para materias primas MIM de alto rendimiento. El gas inerte evita la oxidación de la masa fundida y el polvo.

Normas y calificaciones

El polvo de acero inoxidable 17-4PH y las piezas MIM cumplen las siguientes normas y especificaciones:

• ASTM A564 - Norma para alambre y fleje de acero inoxidable endurecido por precipitación
• ASTM A705 - Norma para polvo de aleación de cobalto-cromo-níquel-cobre (PH15-7Mo) endurecido por precipitación.
• AMS 5643 - Polvo de acero inoxidable endurecido por precipitación, grados PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Acero inoxidable 17-4, endurecido por precipitación
• AMS 5803 - Acero inoxidable 15-5, pulvimetalúrgico

Las designaciones de producto disponibles y los grados equivalentes son:

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

Los grados de composición cumplen las gamas de aleación AMS 5643 Grupo 1. También hay disponible polvo de carbono ultrabajo con <0,03% C.

Proveedores

El polvo metálico de acero inoxidable 17-4PH para MIM es producido comercialmente por los principales proveedores de aleaciones especiales y polvo de acero inoxidable:

Tabla: Fabricantes de polvo de acero inoxidable 17-4PH

Empresa	Marcas
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Printsalloy PH
Carpintero	Hidramita PH
Höganäs	Stellite 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

El polvo puede adquirirse a través de distribuidores de polvo metálico, oficinas de servicios MIM, procesadores de peaje y proveedores de materias primas.

Análisis de costes

El coste del polvo de acero inoxidable 17-4PH es moderadamente alto, oscilando entre $25-$45 por kg en pequeñas cantidades. El precio es inferior para pedidos superiores a 1.000 kg.

En comparación, el polvo de acero inoxidable 316L cuesta $15-$30/kg, mientras que los polvos de acero para herramientas (H13, P20) cuestan $12-25/kg.

En la pieza acabada de MIM, los materiales representan entre el 50 y el 70% del coste unitario, en función del tamaño y la complejidad de la pieza. Las piezas más pequeñas y de mayor volumen tendrán una menor proporción de coste de materiales frente a las operaciones secundarias.

Recomendaciones de diseño

Para aplicar con éxito el polvo de acero inoxidable 17-4PH y conseguir todas sus propiedades, deben seguirse las siguientes directrices de diseño para MIM:

• Utilice espesores de pared mínimos de 0,3-0,5 mm para una resistencia adecuada
• Mantener las relaciones de aspecto por debajo de 8:1 para formas complejas
• Incluir radios de 0,25 mm o superiores para evitar concentraciones de tensiones.
• Puerta con >0,5 mm de espesor y >35% de sección transversal de la abertura de la cavidad
• La contracción anisotrópica es de ~17% en los ejes principales, ~20% en la dirección del espesor
• Alcanza una densidad >92% tras la sinterización para las mecánicas requeridas

Consideraciones sobre el tratamiento

Los pasos de procesamiento clave en el uso de materias primas en polvo 17-4PH para el moldeo por inyección de metal incluyen:

• Mezclando: Mezcla de alto cizallamiento de los componentes de polvo y aglutinante para formar una materia prima homogénea con una carga de polvo uniforme en torno a 62-68% en volumen.
• Moldeado: Utilización de parámetros de moldeo por inyección adecuados para materias primas con alta carga de sólidos: tamaño de inyección elevado, velocidad de inyección rápida, presión de mantenimiento elevada.
• Debinding: Desencolado con disolvente seguido de desencolado térmico para eliminar completamente los componentes aglutinantes y dejar la pieza marrón lista para la sinterización.
• Sinterización: Sinterización en vacío o atmósfera de hidrógeno a ~1300°C para alcanzar la densidad total. La contracción por sinterización debe compensarse en el utillaje del molde.
• Tratamiento térmico: Recocido por disolución seguido de endurecimiento por envejecimiento/precipitación según sea necesario para alcanzar los requisitos de resistencia.
• Operaciones secundarias: Puede incluir acuñado, taladrado, roscado, tratamientos superficiales, chapado, marcado por láser, etc.

Las oficinas de servicios MIM y los procesadores de peaje han establecido las mejores prácticas para el MIM 17-4PH con el fin de garantizar la precisión dimensional y la repetibilidad de las propiedades mecánicas pieza a pieza.

Inspección y pruebas

Algunos de los métodos de inspección y ensayo utilizados para el control de calidad y la validación de piezas MIM 17-4PH son:

• Análisis químicos - ICP y OES para verificar la composición y los niveles de gas
• Análisis granulométrico - Difracción láser para comprobar la distribución granulométrica del polvo
• Pruebas de densidad - método de Arquímedes y picnometría con helio
• Ensayo de tracción - ASTM E8, para obtener UTS, límite elástico, alargamiento
• Ensayos de dureza - Rockwell y Vickers para comprobar la dureza
• Microestructura - Microscopía óptica y SEM para examinar las fases
• Granulometría - ASTM E112, métodos de comparación para determinar la granulometría
• Análisis de defectos - Prueba de líquidos penetrantes para identificar defectos superficiales

Los laboratorios metalúrgicos bien equipados tienen capacidad para realizar estos ensayos de acuerdo con las normas internacionales de ensayo para polvos metálicos y piezas industriales. Esto garantiza el cumplimiento de las especificaciones durante la fabricación de polvos de aleación, la producción de piezas MIM y la cualificación final de las piezas.

Salud y seguridad

El polvo y las piezas de acero inoxidable 17-4PH no suponen ningún riesgo significativo para la salud en estado sólido. Sin embargo, deben observarse las siguientes prácticas recomendadas al manipular, procesar o mecanizar este material:

• Utilizar EPI - guantes, protección respiratoria, protectores oculares al manipular el polvo
• Utilice aspiración de polvo cuando limpie derrames de polvo o mecanice piezas sinterizadas
• Evitar respirar los polvos y humos procedentes de las operaciones de fusión/sinterización
• Prevenir y tratar cortes, abrasiones para evitar la exposición a partículas metálicas
• Siga los procedimientos seguros de manipulación y transferencia de polvo si carga materia prima en polvo.
• Utilizar herramientas que no produzcan chispas y equipos rectificados si se mecanizan piezas sinterizadas.
• Asegúrese de que haya una ventilación adecuada y utilice EPI al soldar componentes de 17-4PH.
• Elimínese de acuerdo con la normativa medioambiental local y evítese la liberación de polvo al medio ambiente.

Con procedimientos adecuados, el polvo 17-4PH y las piezas MIM no plantean riesgos significativos. Los principales riesgos son la irritación potencial por exposición al polvo y los cortes por manipulación. Una ventilación adecuada, el uso de EPI y un almacenamiento seguro mitigan estos riesgos.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Qué tamaño de partícula de polvo 17-4PH se recomienda para el MIM?

R: Normalmente se utilizan de 10 a 20 micras, pero los tamaños de 3 a 45 micras funcionan dependiendo de la geometría de la pieza. El polvo más fino, <10 um, capta mejor los detalles, pero puede ser difícil de moldear.

P: ¿Es necesario manipular el polvo 17-4PH en atmósfera inerte?

R: No necesariamente, puede manipularse en el aire, pero una guantera inerte garantiza que los niveles de oxígeno y humedad se reduzcan al mínimo para garantizar la pureza.

P: ¿Cuál es la diferencia entre el acero inoxidable 17-4 y el 17-4PH?

R: El 17-4PH tiene menor contenido de cobre (3-5% frente a 4-6% en el 17-4), lo que le confiere mayor tenacidad al impacto y ductilidad para el mismo nivel de resistencia.

P: ¿Se puede templar varias veces el acero inoxidable 17-4PH?

R: Sí, el 17-4PH puede endurecerse por precipitación repetidamente. Cada ciclo le devuelve una alta resistencia, pero la ductilidad puede disminuir con el envejecimiento repetido.

P: ¿Cuál es el acabado superficial típico que se consigue con las piezas MIM de 17-4PH?

R: La superficie sinterizada con asfalto es de alrededor de Ra 3-5 micras. El pulido y el grabado pueden lograr menos de 0,5 micras. El chapado también produce superficies lisas.

P: ¿Funciona el 17-4PH para la impresión 3D en metal en comparación con el MIM?

R: Sí, puede utilizarse para DMLS y binder jetting, pero requiere parámetros adaptados en comparación con el MIM. Las velocidades de enfriamiento son más altas, por lo que las propiedades difieren.

P: ¿Qué tipos de posprocesamiento se suelen realizar en las piezas MIM de 17-4PH?

R: Mecanizado, taladrado, roscado, rectificado, electroerosión, granallado, pasivado, electropulido, chapado, tratamiento térmico, soldadura y marcado por láser.

P: ¿Qué opciones de chapado funcionan bien sobre el acero inoxidable 17-4PH?

R: El níquel químico, el cromo duro, el zinc níquel, el estaño, el cobre y el chapado de metales preciosos como la plata, el oro y el rodio funcionan bien para la resistencia a la corrosión o al desgaste.