Poudre métallique d'acier inoxydable 17-4PH pour MIM

Vue d'ensemble

L'acier inoxydable 17-4PH est un acier inoxydable martensitique à durcissement par précipitation qui contient environ 4% de cuivre par composition. La nuance d'acier inoxydable 17-4PH obtenue par métallurgie des poudres est un choix idéal pour les applications de moulage par injection de métal (MIM) en raison de sa combinaison de haute résistance mécanique, de bonne résistance à la corrosion et d'excellentes propriétés mécaniques qui peuvent être encore améliorées par des traitements thermiques de durcissement par précipitation.

La poudre de 17-4PH constitue une option intéressante pour le MIM par rapport à d'autres alliages concurrents en raison de sa stabilité dimensionnelle pendant le frittage et de sa facilité générale de traitement. Les pièces fabriquées à partir de poudres métalliques 17-4PH présentent une résistance élevée à l'état vert pour des géométries complexes, une bonne moulabilité et une combustion propre avec un minimum de résidus.

Dans les sections suivantes, nous aborderons la composition, les propriétés, les applications, les spécifications, les fournisseurs et d'autres détails techniques relatifs à la poudre d'acier inoxydable 17-4PH utilisée dans le moulage par injection de métaux.

Composition

La composition nominale de l'acier inoxydable 17-4PH est indiquée ci-dessous, les principaux éléments d'alliage étant le chrome, le nickel et le cuivre :

Table : Composition de l'acier inoxydable 17-4PH

Élément	Poids %
Chrome (Cr)	15.0 – 17.5
Nickel (Ni)	3.0 – 5.0
Cuivre (Cu)	3.0 – 5.0
Niobium (Nb) + Tantale (Ta)	0.15 – 0.45
Silicium (Si)	max 1.0
Manganèse (Mn)	max 1.0
Carbone (C)	max 0,07
Soufre (S)	max 0,03
Phosphore (P)	max 0,04
Fer (Fe)	Équilibre

 

La teneur en cuivre est le facteur qui distingue l'acier inoxydable 17-4PH du 17-4, qui contient 4,0-6,0% de cuivre. La faible teneur en cuivre du 17-4PH lui confère une meilleure ductilité et de meilleures propriétés de résistance aux chocs, tout en conservant une résistance élevée.

Le silicium, le manganèse, le carbone, le soufre et le phosphore sont maintenus à l'état de traces pour maximiser la résistance à la corrosion et éviter la précipitation des carbures. Les ajouts de niobium et de tantale permettent d'affiner la structure du grain pendant le frittage.

Propriétés

L'acier inoxydable 17-4PH présente une excellente combinaison de résistance élevée et de bonne ductilité à l'état durci par précipitation. Les principales propriétés à l'état H900 sont indiquées ci-dessous :

Tableau : Propriétés de l'acier inoxydable 17-4PH

Propriété	Valeur
Densité	7,8 g/cm3
Résistance ultime à la traction	1240-1300 MPa
Limite d'élasticité (décalage de 0,2%)	1100-1160 MPa
Module d'élasticité	190-210 GPa
Élongation	10-15%
Dureté	39-43 HRC
Résistance aux chocs	50-60 J
Résistance à la fatigue	550 MPa
Résistance au cisaillement	760 MPa
Résistance à la compression	1275 MPa

 

Le traitement thermique de durcissement par précipitation utilisé pour atteindre ces niveaux de résistance élevés implique un recuit de mise en solution à 900-950°C suivi d'un vieillissement à 450-500°C. Il en résulte des précipités très fins, riches en cuivre, qui entravent le mouvement des dislocations et renforcent la matrice métallique tout en conservant la ductilité.

À l'état recuit de mise en solution sans vieillissement, l'acier inoxydable 17-4PH présente des propriétés mécaniques inférieures, mais néanmoins respectables, comparables à celles des aciers inoxydables de la série 400. Il offre un bon équilibre entre résistance modérée et ductilité dans les cas où un durcissement complet n'est pas nécessaire.

La résistance à la corrosion du 17-4PH est comparable à celle des aciers inoxydables martensitiques 410 et 416, offrant une bonne résistance à la corrosion atmosphérique et à de nombreux produits chimiques doux. Toutefois, sa résistance est inférieure à celle des aciers inoxydables austénitiques de la série 300.

Applications

La haute résistance après durcissement et la résistance modérée à la corrosion font de l'acier inoxydable 17-4PH un choix populaire pour les pièces métalliques moulées par injection destinées aux applications suivantes :

• Aérospatiale et composants d'aéronefs
• Implants orthopédiques et dentaires
• Automobile, moteurs, soupapes
• Moules d'injection plastique
• Outillage industriel, outils de poinçonnage et d'emboutissage
• Équipements agroalimentaires et pharmaceutiques
• Pompes, vannes et instruments pour la pétrochimie
• Produits de consommation comme les couteaux, la quincaillerie marine
• Boîtes de montres, sertissage de bijoux

Le MIM est avantageux pour produire de petites pièces complexes avec de bonnes propriétés mécaniques telles que frittées. L'excellente aptitude au polissage du 17-4PH le destine également à des applications décoratives.

Par rapport aux autres alliages MIM, le 17-4PH offre une résistance supérieure à celle de l'acier inoxydable 316L, une résistance similaire ou supérieure à celle des aciers inoxydables 420 et 17-4 avec une meilleure ténacité, et une résistance à la corrosion supérieure à celle des aciers à outils.

Spécifications des poudres métalliques

La poudre d'acier inoxydable 17-4PH destinée à l'alimentation du MIM est disponible dans le commerce dans différentes gammes de tailles, de chimies et de morphologies. Certaines spécifications courantes sont présentées ci-dessous :

Table : Acier inoxydable 17-4PH Poudre métallique Spécifications

Attribut	Détails
Taille des particules	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Gamme de produits chimiques	Selon AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Teneur en carbone	<0,1%, très faible teneur en carbone
Teneur en oxygène	<0,6%, faible teneur en oxygène
Morphologies	Sphérique, partiellement sphérique
Densité apparente	3,0-4,5 g/cm3
Densité du robinet	4,5-5,5 g/cm3
Débit	15-35 s/50g

 

La qualité des poudres est essentielle pour obtenir des pièces MIM de haute performance. Des caractéristiques clés telles que la morphologie de la poudre, la distribution de la taille des particules, la pureté et le comportement de l'écoulement de la poudre déterminent la qualité de la matière première et les propriétés des composants qui en résultent.

La morphologie sphérique des poudres offre le meilleur écoulement et la meilleure densité d'emballage pour le MIM. Les particules de petite taille (<20 um) sont préférées pour capturer des caractéristiques fines, tandis que les particules de plus grande taille améliorent l'écoulement et l'aptitude au moulage.

Fabrication de poudres

La poudre de 17-4PH est fabriquée par atomisation de gaz ou de gaz inertes. L'atomisation à l'eau sous haute pression est également utilisée occasionnellement.

Dans l'atomisation au gaz, le flux d'alliage fondu est désintégré en fines gouttelettes par des jets de gaz inertes à grande vitesse. Les gouttelettes se solidifient rapidement en particules de poudre de forme sphérique. La distribution de la taille des particules est contrôlée par le débit de gaz, la conception de la buse et d'autres paramètres du processus.

La pulvérisation d'eau utilise des jets d'eau pour désintégrer le flux de métal. Elle produit des particules de poudre irrégulières, de type satellite. Pour l'utilisation en MIM, la poudre nécessite des étapes de conditionnement supplémentaires pour la rendre sphérique.

Les procédés de gaz inerte sous vide produisent la poudre de 17-4PH la plus propre et la plus pure pour les matières premières MIM à haute performance. Le gaz inerte empêche l'oxydation de la matière fondue et de la poudre.

Normes et grades

Les pièces en poudre et les pièces MIM en acier inoxydable 17-4PH répondent aux normes et spécifications suivantes :

• ASTM A564 - Norme pour les fils et bandes en acier inoxydable durcis par précipitation
• ASTM A705 - Norme pour la poudre d'alliage de cobalt-chrome-nickel-cuivre (PH15-7Mo) durcissant par précipitation
• AMS 5643 - Poudre d'acier inoxydable durcissant par précipitation, grades PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Acier inoxydable 17-4, durcissement par précipitation
• AMS 5803 - Acier inoxydable 15-5, métallurgie des poudres

Les désignations de produits disponibles et les qualités équivalentes sont les suivantes

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

Les qualités de composition sont conformes aux gammes d'alliages du groupe 1 de l'AMS 5643. Une poudre à très faible teneur en carbone avec <0,03% C est également disponible.

Fournisseurs

La poudre métallique d'acier inoxydable 17-4PH pour le MIM est produite commercialement par les principaux fournisseurs de poudres d'alliages spéciaux et d'acier inoxydable :

Tableau : Fabricants de poudre d'acier inoxydable 17-4PH

Entreprise	Marques
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Printsalloy PH
Charpentier	Hydramite PH
Höganäs	Stellite 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

La poudre peut être achetée auprès de distributeurs de poudres métalliques, de bureaux de services MIM, de transformateurs à façon et de fournisseurs de matières premières.

Analyse des coûts

Le coût de la poudre pour l'acier inoxydable 17-4PH est modérément élevé, allant de $25-$45 par kg en petites quantités. Le prix est moins élevé pour les commandes supérieures à 1000 kg.

En comparaison, la poudre d'acier inoxydable 316L coûte $15-$30/kg, tandis que les poudres d'acier à outils (H13, P20) coûtent $12-25/kg.

Pour la pièce MIM finie, les matériaux représentent 50 à 70% du coût unitaire en fonction de la taille et de la complexité de la pièce. Les petites pièces produites en grandes quantités auront une part plus faible du coût des matériaux par rapport aux opérations secondaires.

Recommandations en matière de conception

Pour appliquer avec succès la poudre d'acier inoxydable 17-4PH et obtenir toutes ses propriétés, il convient de suivre les directives de conception suivantes pour le MIM :

• Utiliser des épaisseurs de paroi minimales de 0,3-0,5 mm pour une résistance adéquate
• Maintenir des rapports d'aspect inférieurs à 8:1 pour les formes complexes
• Inclure des rayons de 0,25 mm ou plus pour éviter les concentrations de contraintes.
• Porte d'une épaisseur >0,5 mm et d'une section transversale de l'ouverture de la cavité >35%
• Le retrait anisotrope est de ~17% sur les axes principaux, ~20% dans la direction de l'épaisseur.
• Atteindre une densité >92% après frittage pour les caractéristiques mécaniques requises

Considérations relatives au traitement

Les principales étapes du processus d'utilisation de la poudre de 17-4PH pour le moulage par injection de métaux sont les suivantes :

• Mixage : Mélange à haut cisaillement des composants de la poudre et du liant pour former un produit de départ homogène avec une charge de poudre uniforme d'environ 62-68% en volume.
• Moulage : Utilisation de paramètres de moulage par injection adaptés aux matières premières à forte teneur en solides - taille élevée de la grenaille, vitesse d'injection rapide, pression de maintien élevée.
• Débouclage : Le déliantage par solvant suivi d'un déliantage thermique permet d'éliminer complètement les composants du liant et de laisser la pièce brune prête pour le frittage.
• Frittage : Frittage sous vide ou dans une atmosphère d'hydrogène à ~1300°C pour atteindre la densité maximale. Le retrait du frittage doit être compensé dans l'outillage du moule.
• Traitement thermique : Recuit de mise en solution suivi d'un vieillissement ou d'une trempe par précipitation, selon les exigences de résistance.
• Opérations secondaires : Il peut s'agir de monnayage, de perçage, de taraudage, de traitement de surface, de placage, de marquage au laser, etc.

Les bureaux de service MIM et les transformateurs à façon ont établi les meilleures pratiques pour le MIM 17-4PH afin de garantir la précision des dimensions et la répétabilité des propriétés mécaniques d'une pièce à l'autre.

Inspection et essais

Voici quelques-unes des méthodes d'inspection et d'essai utilisées pour le contrôle de la qualité et la validation des pièces en MIM 17-4PH :

• Analyse chimique - ICP et OES pour vérifier la composition et les niveaux de gaz
• Analyse de la taille des particules - Diffraction laser pour vérifier la distribution de la taille des poudres
• Test de densité - Méthode d'Archimède et pycnométrie à l'hélium
• Essai de traction - ASTM E8, pour obtenir l'UTS, la limite d'élasticité, l'allongement
• Essais de dureté - Rockwell et Vickers pour vérifier la dureté
• Microstructure - microscopie optique et MEB pour examiner les phases
• Taille des grains - ASTM E112, méthodes de comparaison pour déterminer la taille des grains
• Analyse des défauts - Contrôle par ressuage pour identifier les défauts de surface

Les laboratoires métallurgiques bien équipés ont la capacité d'effectuer ces tests conformément aux normes d'essai internationales pour les poudres métalliques et les pièces industrielles. Cela permet de garantir la conformité aux spécifications lors de la fabrication de poudres d'alliage, de la production de pièces MIM et de la qualification des pièces finales.

Santé et sécurité

La poudre et les pièces en acier inoxydable 17-4PH ne présentent pas de risques importants pour la santé à l'état solide. Toutefois, les pratiques recommandées suivantes doivent être observées lors de la manipulation, du traitement ou de l'usinage de ce matériau :

• Porter un EPI - gants, protection respiratoire, lunettes de protection lors de la manipulation de la poudre.
• Utilisez un système d'extraction des poussières pour nettoyer les éclaboussures de poudre ou pour usiner des pièces frittées.
• Éviter de respirer les poussières de poudre et les fumées provenant des opérations de fusion et de frittage.
• Prévenir et traiter les coupures et les abrasions pour éviter l'exposition aux particules métalliques
• Suivre des procédures sûres de manipulation et de transfert des poudres lors du chargement des produits de départ.
• Utiliser des outils ne produisant pas d'étincelles et des équipements au sol pour l'usinage de pièces frittées.
• Assurer une ventilation adéquate et porter des EPI lors du soudage ou du brasage de composants en 17-4PH.
• Éliminer conformément aux réglementations environnementales locales et éviter les rejets de poudres dans l'environnement.

Si les procédures sont respectées, la poudre de 17-4PH et les pièces MIM ne présentent pas de risques significatifs. Les principaux risques sont l'irritation potentielle due à l'exposition à la poussière et les coupures dues à la manipulation. Une ventilation adéquate, l'utilisation d'EPI et un stockage sécurisé atténuent ces risques.

FAQ

Q : Quelle taille de particule de poudre 17-4PH est recommandée pour le MIM ?

R : Les poudres de 10 à 20 microns sont couramment utilisées, mais des poudres de 3 à 45 microns peuvent être utilisées en fonction de la géométrie de la pièce. Les poudres plus fines (<10 um) capturent mieux les détails mais peuvent être difficiles à mouler.

Q : La poudre 17-4PH doit-elle être manipulée sous atmosphère inerte ?

R : Pas nécessairement. Il peut être manipulé à l'air, mais une boîte à gants inerte garantit que les niveaux d'oxygène et d'humidité sont réduits au minimum pour assurer la pureté du produit.

Q : Quelle est la différence entre l'acier inoxydable 17-4 et l'acier inoxydable 17-4PH ?

R : Le 17-4PH a une teneur en cuivre plus faible (3-5% contre 4-6% dans le 17-4), ce qui lui confère une meilleure résistance aux chocs et une meilleure ductilité pour un même niveau de résistance.

Q : Peut-on durcir plusieurs fois l'acier inoxydable 17-4PH ?

R : Oui, le 17-4PH peut être durci par précipitation à plusieurs reprises. Chaque cycle lui redonne une résistance élevée, mais la ductilité peut diminuer avec le vieillissement répété.

Q : Quel est l'état de surface typique obtenu avec les pièces en MIM 17-4PH ?

R : La surface frittée est de l'ordre de Ra 3-5 microns. Le polissage et la gravure permettent d'obtenir une surface inférieure à 0,5 micron. Le placage permet également d'obtenir des surfaces lisses.

Q : Le 17-4PH convient-il mieux à l'impression 3D de métaux qu'à l'impression MIM ?

R : Oui, il peut être utilisé pour le DMLS et le jet de liant, mais il nécessite des paramètres adaptés par rapport au MIM. Les taux de refroidissement étant plus élevés, les propriétés diffèrent.

Q : Quels types de post-traitement sont généralement effectués sur les pièces en MIM 17-4PH ?

A : Usinage, perçage, taraudage, meulage, électroérosion, grenaillage, passivation, électropolissage, placage, traitement thermique, soudage et marquage au laser.

Q : Quelles sont les options de placage qui conviennent le mieux à l'acier inoxydable 17-4PH ?

R : Le nickel chimique, le chrome dur, le zinc-nickel, l'étain, le cuivre et le placage de métaux précieux comme l'argent, l'or et le rhodium conviennent bien pour la résistance à la corrosion ou à l'usure.