Proszek metalowy ze stali nierdzewnej 17-4PH dla MIM

Przegląd

Stal nierdzewna 17-4PH to martenzytyczna stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo, która zawiera około 4% miedzi w swoim składzie. Gatunek stali nierdzewnej 17-4PH do metalurgii proszków jest idealnym wyborem do zastosowań w formowaniu wtryskowym metali (MIM) ze względu na połączenie wysokiej wytrzymałości, dobrej odporności na korozję i doskonałych właściwości mechanicznych, które można dodatkowo poprawić poprzez obróbkę cieplną utwardzania wydzieleniowego.

Proszek 17-4PH stanowi atrakcyjną opcję dla MIM w porównaniu z innymi konkurencyjnymi stopami ze względu na jego stabilność wymiarową podczas spiekania i ogólną łatwość przetwarzania. Części wykonane ze sproszkowanego metalu 17-4PH wykazują wysoką wytrzymałość na zimno dla złożonych geometrii, dobrą formowalność i czyste wypalanie z minimalną ilością pozostałości.

W poniższych sekcjach omówimy skład, właściwości, zastosowania, specyfikacje, dostawców i inne szczegóły techniczne związane z proszkiem ze stali nierdzewnej 17-4PH do stosowania w formowaniu wtryskowym metali.

Skład

Poniżej przedstawiono nominalny skład stali nierdzewnej 17-4PH, z chromem, niklem i miedzią jako głównymi pierwiastkami stopowymi:

Tabela: Skład stali nierdzewnej 17-4PH

Element	Waga %
Chrom (Cr)	15.0 – 17.5
Nikiel (Ni)	3.0 – 5.0
Miedź (Cu)	3.0 – 5.0
Niob (Nb) + tantal (Ta)	0.15 – 0.45
Krzem (Si)	maks. 1,0
Mangan (Mn)	maks. 1,0
Węgiel (C)	maks. 0,07
Siarka (S)	maks. 0,03
Fosfor (P)	maks. 0,04
Żelazo (Fe)	Równowaga

 

Zawartość miedzi jest czynnikiem odróżniającym stal nierdzewną 17-4PH od stali 17-4, która zawiera 4,0-6,0% miedzi. Niższa zawartość miedzi w 17-4PH zapewnia lepszą ciągliwość i właściwości udarnościowe przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości.

Krzem, mangan, węgiel, siarka i fosfor są utrzymywane na śladowych poziomach, aby zmaksymalizować odporność na korozję i uniknąć wytrącania się węglików. Dodatki niobu i tantalu pomagają udoskonalić strukturę ziarna podczas spiekania.

Właściwości

Stal nierdzewna 17-4PH wykazuje doskonałe połączenie wysokiej wytrzymałości i dobrej ciągliwości w stanie utwardzonym wydzieleniowo. Poniżej przedstawiono kluczowe właściwości w stanie H900:

Tabela: Właściwości stali nierdzewnej 17-4PH

Nieruchomość	Wartość
Gęstość	7,8 g/cm3
Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie	1240-1300 MPa
Granica plastyczności (przesunięcie 0,2%)	1100-1160 MPa
Moduł sprężystości	190-210 GPa
Wydłużenie	10-15%
Twardość	39-43 HRC
Odporność na uderzenia	50-60 J
Wytrzymałość zmęczeniowa	550 MPa
Wytrzymałość na ścinanie	760 MPa
Wytrzymałość na ściskanie	1275 MPa

 

Obróbka cieplna polegająca na utwardzaniu wydzieleniowym, stosowana w celu osiągnięcia tych wysokich poziomów wytrzymałości, obejmuje wyżarzanie w roztworze w temperaturze 900-950°C, a następnie starzenie w temperaturze 450-500°C. Powoduje to powstanie bardzo drobnych osadów bogatych w miedź, które utrudniają ruch dyslokacji i wzmacniają metalową matrycę, zachowując jednocześnie plastyczność.

W stanie wyżarzonym roztworowo bez starzenia, stal nierdzewna 17-4PH ma niższe, ale wciąż przyzwoite właściwości mechaniczne na równi ze stalami nierdzewnymi serii 400. Zapewnia dobrą równowagę między umiarkowaną wytrzymałością i plastycznością w przypadkach, w których pełne utwardzenie nie jest wymagane.

Odporność na korozję stali 17-4PH jest porównywalna do martenzytycznych stali nierdzewnych 410 i 416, zapewniając użyteczną odporność na korozję atmosferyczną i wiele łagodnych chemikaliów. Ma jednak niższą odporność w porównaniu do austenitycznych stali nierdzewnych serii 300.

Zastosowania

Wysoka wytrzymałość po hartowaniu i umiarkowana odporność na korozję sprawiają, że stal nierdzewna 17-4PH jest popularnym wyborem dla metalowych części formowanych wtryskowo do następujących zastosowań:

• Komponenty lotnicze i kosmiczne
• Implanty ortopedyczne i dentystyczne
• Motoryzacja, silniki, zawory
• Formy wtryskowe do tworzyw sztucznych
• Narzędzia przemysłowe, narzędzia wykrawające/tłoczące
• Sprzęt do przetwarzania żywności i farmaceutyczny
• Pompy petrochemiczne, zawory, oprzyrządowanie
• Produkty konsumenckie, takie jak noże, sprzęt morski
• Koperty zegarków, oprawy biżuterii

MIM jest korzystny do produkcji małych, złożonych części o dobrych właściwościach mechanicznych po spiekaniu. Doskonała polerowalność 17-4PH nadaje się również do zastosowań dekoracyjnych.

W porównaniu z innymi stopami MIM, 17-4PH oferuje wyższą wytrzymałość niż stal nierdzewna 316L, podobną lub lepszą wytrzymałość niż stal nierdzewna 420 i 17-4 przy lepszej wytrzymałości i odporności na korozję lepszej niż stale narzędziowe.

Specyfikacja proszku metalowego

Proszek ze stali nierdzewnej 17-4PH dla surowca MIM jest dostępny w handlu w różnych zakresach rozmiarów, składach chemicznych i morfologiach. Poniżej przedstawiono niektóre typowe specyfikacje:

Tabela: Specyfikacja proszku metalowego ze stali nierdzewnej 17-4PH

Atrybut	Szczegóły
Rozmiary cząstek	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Zakres chemii	Zgodnie z AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Zawartość węgla	<0,1%, bardzo niska emisja dwutlenku węgla
Zawartość tlenu	<0,6%, niski poziom tlenu
Morfologie	Kulisty, częściowo kulisty
Gęstość pozorna	3,0-4,5 g/cm3
Gęstość kranu	4,5-5,5 g/cm3
Natężenie przepływu	15-35 s/50g

 

Jakość proszku ma kluczowe znaczenie dla wysokiej wydajności części MIM. Kluczowe cechy, takie jak morfologia proszku, rozkład wielkości cząstek, czystość i zachowanie przepływu proszku, określają jakość surowca i wynikające z niego właściwości komponentów.

Sferyczna morfologia proszku zapewnia najlepszy przepływ i gęstość upakowania dla MIM. Małe rozmiary cząstek (<20 um) są preferowane do wychwytywania drobnych elementów, podczas gdy większe rozmiary poprawiają przepływ i formowalność.

Produkcja proszków

Proszek 17-4PH jest wytwarzany przy użyciu procesów atomizacji gazowej lub atomizacji w gazie obojętnym. Czasami stosuje się również atomizację wodną pod wysokim ciśnieniem.

W atomizacji gazowej strumień stopionego stopu jest rozbijany na drobne kropelki przez strumienie gazu obojętnego o dużej prędkości. Kropelki szybko zestalają się w cząstki proszku o kulistym kształcie. Rozkład wielkości cząstek jest kontrolowany przez natężenie przepływu gazu, konstrukcję dyszy i inne parametry procesu.

Atomizacja wodna wykorzystuje strumienie wody do dezintegracji strumienia metalu. Wytwarza ona nieregularne, satelitarne cząstki proszku. Do zastosowań MIM proszek wymaga dodatkowych etapów kondycjonowania, aby nadać mu kulisty kształt.

Próżniowe procesy z gazem obojętnym wytwarzają najbardziej czysty proszek 17-4PH dla wysokowydajnych surowców MIM. Gaz obojętny zapobiega utlenianiu stopu i proszku.

Standardy i oceny

Proszek ze stali nierdzewnej 17-4PH i części MIM spełniają następujące normy i specyfikacje:

• ASTM A564 - Standard dla drutu i taśmy ze stali nierdzewnej utwardzanej wydzieleniowo
• ASTM A705 - Standard dla utwardzanego wydzieleniowo stopu kobalt-chrom-nikiel-miedź (PH15-7Mo) w proszku
• AMS 5643 - Stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo w proszku, gatunki PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Stal nierdzewna 17-4, utwardzana wydzieleniowo
• AMS 5803 - Stal nierdzewna 15-5, metalurgia proszków

Dostępne oznaczenia produktów i ich odpowiedniki to:

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

Gatunki składowe są zgodne z zakresami stopów AMS 5643 Grupa 1. Dostępny jest również proszek o bardzo niskiej zawartości węgla <0,03% C.

Dostawcy

Proszek metalowy ze stali nierdzewnej 17-4PH do MIM jest produkowany komercyjnie przez głównych dostawców specjalistycznych stopów i proszków ze stali nierdzewnej:

Tabela: Producenci proszków ze stali nierdzewnej 17-4PH

Firma	Nazwy marek
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Printsalloy PH
Carpenter	Hydramite PH
Höganäs	Stellite 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

Proszek można nabyć za pośrednictwem dystrybutorów proszków metalowych, biur usług MIM, przetwórców płatnych i dostawców surowców.

Analiza kosztów

Koszt proszku ze stali nierdzewnej 17-4PH jest umiarkowanie wysoki i wynosi od $25-$45 za kg w małych ilościach. Cena jest niższa dla większych zamówień powyżej 1000 kg.

Dla porównania, proszek ze stali nierdzewnej 316L kosztuje $15-$30/kg, podczas gdy proszki ze stali narzędziowej (H13, P20) kosztują $12-25/kg.

W przypadku gotowej części MIM materiały stanowią 50-70% kosztu jednostkowego w zależności od rozmiaru i złożoności części. Mniejsze części w większych ilościach będą miały niższy udział w kosztach materiałów w porównaniu z operacjami wtórnymi.

Zalecenia projektowe

Aby z powodzeniem zastosować proszek ze stali nierdzewnej 17-4PH i uzyskać pełne właściwości, należy przestrzegać następujących wytycznych projektowych dla MIM:

• Aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość, należy stosować ścianki o minimalnej grubości 0,3-0,5 mm.
• Utrzymanie współczynnika proporcji poniżej 8:1 dla złożonych kształtów
• Promienie 0,25 mm lub większe w celu uniknięcia koncentracji naprężeń
• Bramka o grubości >0,5 mm i przekroju otworu >35%
• Skurcz anizotropowy wynosi ~17% na głównych osiach, ~20% w kierunku grubości.
• Osiągnięcie gęstości >92% po spiekaniu dla wymaganych właściwości mechanicznych

Uwagi dotyczące przetwarzania

Kluczowe etapy przetwarzania przy użyciu surowców proszkowych 17-4PH do formowania wtryskowego metali obejmują:

• Miksowanie: Mieszanie składników proszku i spoiwa z wysoką prędkością ścinania w celu utworzenia jednorodnego materiału wsadowego o jednolitym załadunku proszku około 62-68% objętościowo.
• Formowanie: Stosowanie parametrów formowania wtryskowego dostosowanych do surowców o wysokiej zawartości części stałych - duży rozmiar wtrysku, duża prędkość wtrysku, wysokie ciśnienie utrzymywania.
• Debinding: Usuwanie rozpuszczalnika, a następnie usuwanie termiczne w celu całkowitego usunięcia składników spoiwa i pozostawienia brązowej części gotowej do spiekania.
• Spiekanie: Spiekanie w próżni lub atmosferze wodoru do ~1300°C w celu osiągnięcia pełnej gęstości. Skurcz spiekania należy skompensować w oprzyrządowaniu formy.
• Obróbka cieplna: Wyżarzanie w roztworze, a następnie starzenie/utwardzanie wydzieleniowe zgodnie z wymaganiami wytrzymałościowymi.
• Operacje dodatkowe: Może obejmować wybijanie, wiercenie, gwintowanie, obróbkę powierzchni, galwanizację, znakowanie laserowe itp.

Biura usług MIM i podmioty zajmujące się pobieraniem opłat ustaliły najlepsze praktyki dla 17-4PH MIM, aby zapewnić dokładność wymiarową i powtarzalne właściwości mechaniczne każdej części.

Kontrola i testowanie

Niektóre z metod kontroli i testowania stosowanych do kontroli jakości i walidacji części 17-4PH MIM są następujące:

• Analiza chemiczna - ICP i OES w celu weryfikacji składu i poziomu gazu
• Analiza wielkości cząstek - dyfrakcja laserowa do sprawdzania rozkładu wielkości proszku
• Badanie gęstości - metoda Archimedesa i piknometria helowa
• Próba rozciągania - ASTM E8, w celu uzyskania UTS, granicy plastyczności, wydłużenia
• Testowanie twardości - Rockwell i Vickers do sprawdzania twardości
• Mikrostruktura - mikroskopia optyczna i SEM do badania faz
• Wielkość ziarna - ASTM E112, metody porównawcze do określania wielkości ziarna
• Analiza defektów - badanie penetracyjne barwnikiem w celu identyfikacji defektów powierzchni

Dobrze wyposażone laboratoria metalurgiczne mają możliwość przeprowadzania tych testów zgodnie z międzynarodowymi normami testowymi dla proszków metali i części przemysłowych. Zapewnia to zgodność ze specyfikacjami podczas produkcji proszków stopowych, produkcji części MIM i końcowej kwalifikacji części.

Zdrowie i bezpieczeństwo

Proszek i części ze stali nierdzewnej 17-4PH w postaci stałej nie stanowią znaczącego zagrożenia dla zdrowia. Jednak podczas obchodzenia się z tym materiałem, jego przetwarzania lub obróbki należy przestrzegać następujących zalecanych praktyk:

• Podczas pracy z proszkiem należy nosić środki ochrony indywidualnej - rękawice, ochronę dróg oddechowych, osłony oczu.
• Podczas czyszczenia rozsypanego proszku lub obróbki części spiekanych należy używać odciągu pyłu.
• Unikać wdychania pyłów proszkowych i oparów powstających podczas topienia/spiekania.
• Zapobieganie skaleczeniom i otarciom oraz ich leczenie w celu uniknięcia narażenia na cząstki metalu.
• Podczas załadunku materiałów proszkowych należy przestrzegać procedur bezpiecznego obchodzenia się z proszkiem i jego przenoszenia.
• W przypadku obróbki części spiekanych należy używać nieiskrzących narzędzi i sprzętu szlifierskiego.
• Podczas spawania lub lutowania elementów 17-4PH należy zapewnić odpowiednią wentylację i stosować środki ochrony indywidualnej.
• Utylizować zgodnie z lokalnymi przepisami dotyczącymi ochrony środowiska i unikać uwalniania proszku do środowiska.

Przy zachowaniu odpowiednich procedur, proszek 17-4PH i części MIM nie stwarzają żadnych istotnych zagrożeń. Głównymi zagrożeniami są potencjalne podrażnienia wynikające z narażenia na pył i skaleczenia spowodowane obsługą. Właściwa wentylacja, stosowanie środków ochrony indywidualnej i bezpieczne przechowywanie ograniczają te zagrożenia.

FAQ

P: Jaki rozmiar cząstek proszku 17-4PH jest zalecany dla MIM?

O: Powszechnie stosuje się 10-20 mikronów, ale rozmiary od 3-45 mikronów działają w zależności od geometrii części. Drobniejszy proszek <10 um lepiej oddaje szczegóły, ale może być trudny do formowania.

P: Czy proszek 17-4PH wymaga obsługi w atmosferze obojętnej?

O: Niekoniecznie, może być obsługiwany w powietrzu, ale obojętna komora rękawicowa zapewnia zminimalizowanie poziomu tlenu i wilgoci w celu zapewnienia czystości.

P: Jaka jest różnica między stalą nierdzewną 17-4 i 17-4PH?

O: 17-4PH ma niższą zawartość miedzi (3-5% w porównaniu do 4-6% w 17-4), co zapewnia lepszą udarność i plastyczność przy tym samym poziomie wytrzymałości.

P: Czy można wielokrotnie utwardzać stal nierdzewną 17-4PH?

O: Tak, stal 17-4PH może być wielokrotnie utwardzana wydzieleniowo. Każdy cykl przywraca mu wysoką wytrzymałość, ale plastyczność może się zmniejszyć wraz z wielokrotnym starzeniem.

P: Jakie jest typowe wykończenie powierzchni uzyskiwane w przypadku części 17-4PH MIM?

Spiekana powierzchnia ma około Ra 3-5 mikronów. Polerowanie i trawienie może osiągnąć poniżej 0,5 mikrona. Platerowanie również zapewnia gładkie powierzchnie.

P: Czy 17-4PH sprawdza się w druku 3D z metalu w porównaniu do MIM?

O: Tak, może być używany do DMLS i strumieniowania spoiwa, ale wymaga dostosowanych parametrów w porównaniu do MIM. Szybkość chłodzenia jest wyższa, więc właściwości są inne.

P: Jakie rodzaje obróbki końcowej są powszechnie wykonywane na częściach 17-4PH MIM?

O: Obróbka skrawaniem, wiercenie, gwintowanie, szlifowanie, EDM, śrutowanie, pasywacja, elektropolerowanie, galwanizacja, obróbka cieplna, spawanie i znakowanie laserowe.

P: Jakie opcje powlekania dobrze sprawdzają się w przypadku stali nierdzewnej 17-4PH?

O: Nikiel bezprądowy, twardy chrom, nikiel cynkowy, cyna, miedź i metale szlachetne, takie jak srebro, złoto i rod, dobrze sprawdzają się w przypadku odporności na korozję lub zużycie.