17-4PH roestvrijstalen metaalpoeder voor MIM

Overzicht

17-4PH roestvrij staal is een precipitatiehardend martensitisch roestvrij staal dat qua samenstelling ongeveer 4% koper bevat. De poedermetallurgische kwaliteit 17-4PH roestvrij staal is een ideale keuze voor metaalspuitgiettoepassingen (MIM) vanwege de combinatie van hoge sterkte, goede corrosieweerstand en uitstekende mechanische eigenschappen die verder kunnen worden verbeterd door warmtebehandelingen met precipitatieharding.

17-4PH-poeder biedt een aantrekkelijke optie voor MIM ten opzichte van andere concurrerende legeringen vanwege de maatvastheid tijdens het sinteren en het algemene verwerkingsgemak. Onderdelen gemaakt van 17-4PH metaalpoedergrondstoffen vertonen een hoge groene sterkte voor complexe geometrieën, goede vormbaarheid en een schone uitbranding met minimaal residu.

In de volgende secties behandelen we de samenstelling, eigenschappen, toepassingen, specificaties, leveranciers en andere technische details met betrekking tot 17-4PH roestvrij staalpoeder voor gebruik bij metaalspuitgieten.

Samenstelling

De nominale samenstelling van 17-4PH roestvrij staal wordt hieronder weergegeven, met chroom, nikkel en koper als de belangrijkste legeringselementen:

Tabel: 17-4PH roestvrijstalen samenstelling

Element	Gewicht %
Chroom (Cr)	15.0 – 17.5
Nikkel (Ni)	3.0 – 5.0
Koper (Cu)	3.0 – 5.0
Niobium (Nb) + Tantaal (Ta)	0.15 – 0.45
Silicium (Si)	maximaal 1,0
Mangaan (Mn)	maximaal 1,0
Koolstof (C)	maximaal 0,07
Zwavel (S)	maximaal 0,03
Fosfor (P)	maximaal 0,04
Ijzer (Fe)	Evenwicht

 

Het kopergehalte is de onderscheidende factor voor 17-4PH roestvrij staal versus 17-4, dat 4,0-6,0% koper bevat. Het lagere kopergehalte in 17-4PH zorgt voor betere ductiliteit en slagvastheid, terwijl de hoge sterkte behouden blijft.

Silicium, mangaan, koolstof, zwavel en fosfor worden op sporenniveau gehouden om de corrosieweerstand te maximaliseren en carbideprecipitatie te voorkomen. De toevoegingen van niobium en tantaal helpen de korrelstructuur tijdens het sinteren te verfijnen.

Eigenschappen

17-4PH roestvrij staal vertoont een uitstekende combinatie van hoge sterkte en goede ductiliteit in door precipitatie geharde toestand. De belangrijkste eigenschappen in de H900-conditie worden hieronder weergegeven:

Tabel: Eigenschappen van 17-4PH roestvrij staal

Eigendom	Waarde
Dikte	7,8 g/cm3
Ultieme treksterkte	1240-1300 MPa
Opbrengststerkte (0,2% offset)	1100-1160 MPa
Elasticiteitsmodulus	190-210 GPa
Verlenging	10-15%
Hardheid	39-43 HRC
Impactsterkte	50-60 J
Vermoeidheid Sterkte	550 MPa
Afschuifsterkte	760 MPa
Druksterkte	1275 MPa

 

De warmtebehandeling door precipitatieharding die wordt gebruikt om deze hoge sterkteniveaus te bereiken, omvat oplossingsgloeien bij 900-950°C, gevolgd door veroudering bij 450-500°C. Dit resulteert in zeer fijne, koperrijke neerslagen die de dislocatiebeweging belemmeren en de metaalmatrix versterken terwijl de ductiliteit behouden blijft.

In de oplossingsgegloeide toestand zonder veroudering heeft 17-4PH roestvrij staal lagere maar nog steeds respectabele mechanische eigenschappen, vergelijkbaar met roestvrij staal uit de 400-serie. Het biedt een goede balans tussen gemiddelde sterkte en taaiheid voor gevallen waarin volledige uitharding niet vereist is.

De corrosieweerstand van 17-4PH is vergelijkbaar met martensitisch roestvrij staal 410 en 416 en biedt een bruikbare weerstand tegen atmosferische corrosie en veel milde chemicaliën. Het heeft echter een lagere weerstand vergeleken met austenitisch roestvast staal uit de 300-serie.

Toepassingen

De hoge sterkte na uitharding en de matige corrosieweerstand maken 17-4PH roestvrij staal tot een populaire keuze voor metalen spuitgietonderdelen voor de volgende toepassingen:

• Lucht- en ruimtevaartonderdelen
• Orthopedische en tandheelkundige implantaten
• Automotive, motoren, kleppen
• Kunststof spuitgietmatrijzen
• Industrieel gereedschap, pons-/stempelgereedschap
• Voedselverwerking en farmaceutische apparatuur
• Petrochemische pompen, kleppen, instrumentatie
• Consumentenproducten zoals messen, maritieme hardware
• Horlogekasten, sieradeninstellingen

MIM is voordelig voor het produceren van kleine, complexe onderdelen met goede mechanische eigenschappen als gesinterd. De uitstekende polijstbaarheid van 17-4PH is ook geschikt voor decoratieve toepassingen.

Vergeleken met andere MIM-legeringen biedt 17-4PH een hogere sterkte dan 316L roestvrij staal, een vergelijkbare of betere sterkte dan 420 en 17-4 roestvrij staal met een betere taaiheid en een corrosieweerstand die superieur is aan gereedschapsstaal.

Metaalpoederspecificaties

17-4PH roestvrij staalpoeder voor MIM-grondstoffen is in de handel verkrijgbaar in verschillende groottebereiken, chemische eigenschappen en morfologieën. Hieronder vindt u enkele veelvoorkomende specificaties:

Tabel: Specificaties 17-4PH roestvrij staal metaalpoeder

Attribuut	Details
Deeltjesgroottes	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Chemie bereik	Volgens AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Koolstofgehalte	<0,1%, ultralaag koolstofgehalte
Zuurstofgehalte	<0,6%, weinig zuurstof
Morfologieën	Bolvormig, gedeeltelijk bolvormig
Schijnbare dichtheid	3,0-4,5 g/cm3
Tik op dichtheid	4,5-5,5 g/cm3
Stroomsnelheid	15-35 s/50g

 

Poederkwaliteit is van cruciaal belang voor hoogwaardige MIM-onderdelen. Belangrijke kenmerken zoals poedermorfologie, deeltjesgrootteverdeling, zuiverheid en poederstroomgedrag bepalen de kwaliteit van de grondstof en de resulterende componenteigenschappen.

De bolvormige poedermorfologie biedt de beste stromings- en pakkingsdichtheid voor MIM. Kleine deeltjesgroottes (<20 µm) hebben de voorkeur voor het vastleggen van fijne kenmerken, terwijl grotere deeltjes de vloei en vormbaarheid verbeteren.

Poeder productie

17-4PH-poeder wordt vervaardigd met behulp van gasverneveling of inerte gasvernevelingsprocessen. Waterverneveling onder hoge druk wordt ook af en toe gebruikt.

Bij gasverneveling wordt de smeltstroom van de legering uiteengevallen in fijne druppeltjes door inerte gasstralen met hoge snelheid. De druppeltjes stollen snel tot poederdeeltjes met een bolvorm. De deeltjesgrootteverdeling wordt geregeld via het gasdebiet, het mondstukontwerp en andere procesparameters.

Waterverneveling maakt gebruik van waterstralen voor de desintegratie van de metaalstroom. Het produceert onregelmatige poederdeeltjes van het satelliettype. Voor MIM-gebruik heeft het poeder extra conditioneringsstappen nodig om het bolvormig te maken.

Vacuümprocessen met inerte gassen produceren het meest schone en zuivere 17-4PH-poeder voor hoogwaardige MIM-grondstoffen. Het inerte gas voorkomt oxidatie van de smelt en het poeder.

Normen en kwaliteiten

17-4PH roestvrijstalen poeder- en MIM-onderdelen voldoen aan de volgende normen en specificaties:

• ASTM A564 – Standaard voor precipitatiehardende roestvrijstalen draad en strip
• ASTM A705 – Standaard voor precipitatiehardend poeder van kobalt-chroom-nikkel-koperlegering (PH15-7Mo)
• AMS 5643 – Neerslaghardend roestvrij staalpoeder, kwaliteiten PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 – Roestvast staal 17-4, precipitatieharding
• AMS 5803 – Roestvast staal 15-5, poedermetallurgie

Beschikbare productaanduidingen en gelijkwaardige kwaliteiten zijn:

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

Samenstellingskwaliteiten voldoen aan de legeringsreeksen van AMS 5643 Groep 1. Poeder met een ultralaag koolstofgehalte met <0,03% C is ook verkrijgbaar.

Leveranciers

17-4PH roestvrij staal metaalpoeder voor MIM wordt commercieel geproduceerd door de belangrijkste leveranciers van speciale legeringen en roestvrij staalpoeder:

Tabel: Fabrikanten van roestvrij staalpoeder 17-4PH

Bedrijf	Merknamen
Sandvik	Visarend + Amperit
Praxair	Printlegering PH
Timmerman	Hydramiet PH
Hogenäs	Stelliet 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

Het poeder kan worden gekocht via metaalpoederdistributeurs, MIM-servicebureaus, loonverwerkers en leveranciers van grondstoffen.

Kostenanalyse

De poederkosten voor 17-4PH roestvrij staal zijn redelijk hoog, variërend van $25-$45 per kg in kleine hoeveelheden. Bij grotere bestellingen boven de 1000 kg is de prijs lager.

Ter vergelijking: 316L roestvrij staalpoeder kost $15-$30/kg, terwijl gereedschapsstaalpoeders (H13, P20) $12-25/kg kosten.

Voor het voltooide MIM-onderdeel zijn de materialen verantwoordelijk voor 50-70% van de eenheidskosten, afhankelijk van de grootte en complexiteit van het onderdeel. Kleinere onderdelen in grotere volumes zullen een lager aandeel in de materiaalkosten hebben dan secundaire bewerkingen.

Ontwerpaanbevelingen

Om 17-4PH roestvrij staalpoeder met succes toe te passen en volledige eigenschappen te bereiken, moeten de volgende ontwerprichtlijnen voor MIM worden gevolgd:

• Gebruik een minimale wanddikte van 0,3-0,5 mm voor voldoende sterkte
• Handhaaf een beeldverhouding van minder dan 8:1 voor complexe vormen
• Houd rekening met stralen van 0,25 mm of groter om spanningsconcentraties te voorkomen
• Poort met >0,5 mm dikte en >35% doorsnede van de spouwopening
• Anisotrope krimp is ~17% op de hoofdassen, ~20% op de dikterichting
• Bereik een dichtheid van >92% na het sinteren voor de vereiste mechanische eigenschappen

Overwegingen bij verwerking

De belangrijkste verwerkingsstappen bij het gebruik van 17-4PH-poedergrondstoffen voor het spuitgieten van metaal zijn onder meer:

• Mengen: Mengen met hoge afschuiving van poeder- en bindmiddelcomponenten om een homogene grondstof te vormen met een uniforme poederlading van ongeveer 62-68% per volume.
• Vormgeven: Met behulp van spuitgietparameters die geschikt zijn voor het laden van grondstoffen met een hoog vastestofgehalte – hoge shotgrootte, hoge injectiesnelheid, hoge houddruk.
• Ontbinden: Ontbinden met oplosmiddel gevolgd door thermisch ontbinden om de bindmiddelcomponenten volledig te verwijderen en het bruine deel klaar te laten voor sinteren.
• Sinteren: Sinteren in vacuüm of waterstofatmosfeer tot ~1300°C om volledige dichtheid te bereiken. Sinterkrimp moet worden gecompenseerd bij het bewerken van matrijzen.
• Hittebehandeling: Oplossingsgloeien gevolgd door veroudering/precipitatieharden zoals vereist om de sterkte-eisen te bereiken.
• Secundaire operaties: Kan bestaan uit munten, boren, tappen, oppervlaktebehandelingen, plateren, lasermarkeren enz.

MIM-servicebureaus en tolverwerkers hebben best practices voor 17-4PH MIM opgesteld om maatnauwkeurigheid en herhaalbare mechanische eigenschappen van onderdeel tot onderdeel te garanderen.

Inspectie en testen

Enkele van de inspectie- en testmethoden die worden gebruikt voor kwaliteitscontrole en validatie van 17-4PH MIM-onderdelen zijn:

• Chemische analyse – ICP en OES om de samenstelling en gasniveaus te verifiëren
• Analyse van de deeltjesgrootte – Laserdiffractie om de verdeling van de poedergrootte te controleren
• Dichtheidstesten - Archimedes-methode en heliumpycnometrie
• Trekproeven – ASTM E8, om UTS, vloeigrens en rek te verkrijgen
• Hardheidstesten – Rockwell en Vickers om de hardheid te controleren
• Microstructuur – Optische microscopie en SEM om fasen te onderzoeken
• Korrelgrootte – ASTM E112, vergelijkingsmethoden om de korrelgrootte te bepalen
• Defectanalyse – Kleurpenetratietesten om oppervlaktedefecten te identificeren

Goed uitgeruste metallurgische laboratoria hebben de capaciteiten om deze tests uit te voeren in overeenstemming met de internationale testnormen voor metaalpoeders en industriële onderdelen. Dit zorgt ervoor dat de specificaties worden nageleefd tijdens de productie van legeringspoeder, de productie van MIM-onderdelen en voor de uiteindelijke kwalificatie van onderdelen.

Gezondheid en veiligheid

17-4PH roestvrij staalpoeder en onderdelen vormen in vaste vorm geen significante gezondheidsrisico's. Bij het hanteren, verwerken of machinaal bewerken van dit materiaal moeten echter de volgende aanbevolen praktijken in acht worden genomen:

• Draag PPE – handschoenen, ademhalingsbescherming, oogbescherming bij het hanteren van poeder
• Gebruik stofafzuiging bij het opruimen van gemorst poeder of het bewerken van gesinterde onderdelen
• Vermijd het inademen van poederstof en dampen afkomstig van smelt-/sinterwerkzaamheden
• Voorkom en behandel snij- en schaafwonden om blootstelling aan metaaldeeltjes te voorkomen
• Volg de veilige procedures voor het hanteren en overbrengen van poeder bij het laden van poedergrondstoffen
• Gebruik vonkvrij gereedschap en grondapparatuur bij het bewerken van gesinterde onderdelen
• Zorg voor voldoende ventilatie en draag persoonlijke beschermingsmiddelen bij het lassen of solderen van 17-4PH-componenten
• Voer het product af volgens de plaatselijke milieuvoorschriften en vermijd het vrijkomen van poeder in het milieu

Met goede procedures vormen 17-4PH-poeder- en MIM-onderdelen geen significante gevaren. De belangrijkste risico's zijn mogelijke irritatie door blootstelling aan stof en snijwonden bij het hanteren. Goede ventilatie, het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen en een veilige opslag beperken deze risico's.

FAQ

Vraag: Welke deeltjesgrootte 17-4PH-poeder wordt aanbevolen voor MIM?

A: Meestal wordt 10-20 micron gebruikt, maar formaten van 3-45 micron werken afhankelijk van de geometrie van het onderdeel. Fijner <10 um poeder legt details beter vast, maar kan een uitdaging zijn bij het vormen.

Vraag: Moet 17-4PH-poeder in een inerte atmosfeer worden verwerkt?

A: Niet noodzakelijkerwijs, het kan in de lucht worden gehanteerd, maar een inert handschoenenkastje zorgt ervoor dat het zuurstof- en vochtniveau tot een minimum wordt beperkt voor de zuiverheid.

Vraag: Wat is het verschil tussen 17-4 en 17-4PH roestvrij staal?

A: 17-4PH heeft een lager kopergehalte (3-5% versus 4-6% in 17-4), wat een betere slagvastheid en taaiheid oplevert bij hetzelfde sterkteniveau.

Vraag: Kun je 17-4PH roestvrij staal meerdere keren verouderen?

A: Ja, 17-4PH kan herhaaldelijk door neerslag worden verhard. Elke cyclus brengt het terug naar hoge sterkte, maar de ductiliteit kan afnemen bij herhaalde veroudering.

Vraag: Wat is de typische oppervlakteafwerking die wordt bereikt met 17-4PH MIM-onderdelen?

A: Het as-gesinterde oppervlak is ongeveer Ra 3-5 micron. Polijsten en etsen kan minder dan 0,5 micron bereiken. Plating produceert ook gladde oppervlakken.

Vraag: Werkt 17-4PH voor 3D-printen van metaal in vergelijking met MIM?

A: Ja, het kan worden gebruikt voor DMLS en het spuiten van bindmiddelen, maar vereist aangepaste parameters versus MIM. De koelsnelheden zijn hoger, waardoor de eigenschappen verschillen.

Vraag: Welke soorten nabewerking worden gewoonlijk uitgevoerd op 17-4PH MIM-onderdelen?

A: Bewerking, boren, tappen, slijpen, EDM, kogelstralen, passiveren, elektrolytisch polijsten, plateren, warmtebehandeling, lassen en lasermarkeren.

Vraag: Welke plateringsopties werken goed boven 17-4PH roestvrij staal?

A: Stroomloos nikkel, hard chroom, zinknikkel, tin, koper en edele metalen zoals zilver, goud en rhodium werken goed voor corrosie- of slijtvastheid.