Металлический порошок из нержавеющей стали 17-4PH для MIM

Обзор

Нержавеющая сталь 17-4PH - это мартенситная нержавеющая сталь, закаливающаяся осаждением и содержащая в своем составе около 4% меди. Нержавеющая сталь марки 17-4PH, полученная методом порошковой металлургии, является идеальным выбором для применения при литье металлов под давлением (MIM) благодаря сочетанию высокой прочности, хорошей коррозионной стойкости и отличных механических свойств, которые могут быть дополнительно улучшены путем термической обработки с закалкой осаждением.

Порошок 17-4PH является привлекательным вариантом для MIM по сравнению с другими конкурирующими сплавами благодаря стабильности размеров при спекании и общей простоте обработки. Детали, изготовленные из металлического порошка 17-4PH, демонстрируют высокую прочность в зеленом состоянии при сложных геометрических формах, хорошую формуемость и чистое выгорание с минимальным количеством остатков.

В следующих разделах мы рассмотрим состав, свойства, области применения, технические характеристики, поставщиков и другие технические детали, связанные с порошком из нержавеющей стали 17-4PH для использования в литье металлов под давлением.

Состав

Номинальный состав нержавеющей стали 17-4PH приведен ниже, основными легирующими элементами являются хром, никель и медь:

Стол: Состав нержавеющей стали 17-4PH

Элемент	Вес %
Хром (Cr)	15.0 – 17.5
Никель (Ni)	3.0 – 5.0
Медь (Cu)	3.0 – 5.0
Ниобий (Nb) + тантал (Ta)	0.15 – 0.45
Кремний (Si)	не более 1,0
Марганец (Mn)	не более 1,0
Углерод (C)	не более 0,07
Сера (S)	не более 0,03
Фосфор (P)	не более 0,04
Железо (Fe)	Баланс

 

Содержание меди является отличительным фактором для нержавеющей стали 17-4PH по сравнению с 17-4, которая содержит 4,0-6,0% меди. Более низкое содержание меди в 17-4PH обеспечивает лучшую пластичность и ударные свойства при сохранении высокой прочности.

Кремний, марганец, углерод, сера и фосфор содержатся в незначительных количествах, что позволяет повысить коррозионную стойкость и избежать выпадения карбидов. Добавки ниобия и тантала способствуют улучшению зеренной структуры в процессе спекания.

Свойства

Нержавеющая сталь 17-4PH в закаленном состоянии демонстрирует превосходное сочетание высокой прочности и хорошей пластичности. Основные свойства в состоянии H900 приведены ниже:

Таблица: Свойства нержавеющей стали 17-4PH

Недвижимость	Значение
Плотность	7,8 г/см3
Предельная прочность на разрыв	1240-1300 МПа
Предел текучести (смещение 0,2%)	1100-1160 МПа
Модуль упругости	190-210 ГПа
Удлинение	10-15%
Твердость	39-43 HRC
Ударная вязкость	50-60 J
Усталостная прочность	550 МПа
Прочность на сдвиг	760 МПа
Прочность на сжатие	1275 МПа

 

Для достижения таких высоких уровней прочности используется термическая обработка с закалкой осадком, включающая отжиг раствора при 900-950°C с последующим старением при 450-500°C. В результате образуются очень мелкие осадки с высоким содержанием меди, которые препятствуют движению дислокаций и упрочняют металлическую матрицу, сохраняя при этом пластичность.

В отожженном состоянии без старения нержавеющая сталь 17-4PH обладает более низкими, но все же достойными механическими свойствами наравне с нержавеющими сталями серии 400. Она обеспечивает хороший баланс умеренной прочности и пластичности для случаев, когда полная закалка не требуется.

Коррозионная стойкость 17-4PH сопоставима с мартенситными нержавеющими сталями 410 и 416, обеспечивая полезную стойкость к атмосферной коррозии и многим мягким химическим веществам. Однако по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями серии 300 она имеет более низкую стойкость.

Приложения

Высокая прочность после закалки и умеренная коррозионная стойкость делают нержавеющую сталь 17-4PH популярным выбором для изготовления металлических литьевых деталей, применяемых в следующих областях:

• Аэрокосмические и авиационные компоненты
• Ортопедические и зубные имплантаты
• Автомобили, двигатели, клапаны
• Пресс-формы для литья пластмасс под давлением
• Промышленная оснастка, вырубной/штамповочный инструмент
• Оборудование для пищевой промышленности и фармацевтики
• Нефтехимические насосы, клапаны, приборы
• Потребительские товары, такие как ножи, морская фурнитура
• Корпуса часов, оправы для ювелирных изделий

MIM выгодно использовать для изготовления небольших сложных деталей с хорошими механическими свойствами после спекания. Отличная полируемость 17-4PH также позволяет использовать его для декоративных целей.

По сравнению с другими MIM-сплавами, 17-4PH обладает более высокой прочностью, чем нержавеющая сталь 316L, аналогичной или более высокой прочностью, чем нержавеющая сталь 420 и 17-4, лучшей вязкостью и коррозионной стойкостью, превосходящей инструментальные стали.

Технические характеристики металлических порошков

Порошок из нержавеющей стали 17-4PH для MIM-сырья доступен в различных диапазонах размеров, химического состава и морфологии. Ниже приведены некоторые общие характеристики:

Стол: Технические характеристики металлического порошка из нержавеющей стали 17-4PH

Атрибут	Подробности
Размеры частиц	3-5 мкм, 5-9 мкм, 10-20 мкм
Химический ассортимент	Согласно стандартам AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Содержание углерода	<0,1%, сверхнизкий уровень углерода
Содержание кислорода	<0,6%, низкий уровень кислорода
Морфологии	Сферические, частично сферические
Кажущаяся плотность	3,0-4,5 г/см3
Плотность отвода	4,5-5,5 г/см3
Расход	15-35 с/50 г

 

Качество порошка имеет решающее значение для изготовления деталей MIM с высокими эксплуатационными характеристиками. Такие ключевые характеристики, как морфология порошка, распределение частиц по размерам, чистота и текучесть порошка, определяют качество исходного сырья и свойства получаемых деталей.

Сферическая морфология порошка обеспечивает наилучшую текучесть и плотность упаковки для MIM. Малые размеры частиц (<20 мкм) предпочтительны для получения тонких деталей, а большие размеры улучшают текучесть и формуемость.

Производство порошков

Порошок 17-4PH изготавливается методом газового распыления или распыления в инертных газах. Иногда используется также распыление водой под высоким давлением.

При газовом распылении поток расплава сплава распадается на мелкие капли под действием высокоскоростных струй инертного газа. Капли быстро затвердевают, превращаясь в частицы порошка сферической формы. Распределение частиц по размерам регулируется расходом газа, конструкцией сопла и другими параметрами процесса.

При водяном распылении для дезинтеграции потока металла используются струи воды. При этом образуются неравномерные частицы порошка типа "спутник". Для использования в MIM порошок требует дополнительных операций по кондиционированию для придания ему сферической формы.

Вакуумные процессы в инертном газе позволяют получать наиболее чистый порошок 17-4PH для высокоэффективного MIM-сырья. Инертный газ предотвращает окисление расплава и порошка.

Стандарты и оценки

Порошковые и MIM-детали из нержавеющей стали 17-4PH соответствуют следующим стандартам и техническим условиям:

• ASTM A564 - Стандарт на проволоку и ленту из нержавеющей стали для закалки осаждением
• ASTM A705 - Стандарт на порошок из кобальто-хромо-никеле-медного сплава (PH15-7Mo), упрочняющий осаждением
• AMS 5643 - Порошок из нержавеющей стали для закалки осаждением, марки PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Нержавеющая сталь 17-4, закалка осаждением
• AMS 5803 - Нержавеющая сталь 15-5, порошковая металлургия

Доступные обозначения продукции и эквивалентные марки::

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

Составы соответствуют диапазонам сплавов группы 1 по стандарту AMS 5643. Также выпускается порошок с ультранизким содержанием углерода <0,03% C.

Поставщики

Металлический порошок из нержавеющей стали 17-4PH для MIM серийно выпускается основными поставщиками специальных сплавов и порошков из нержавеющей стали:

Таблица: Производители порошка из нержавеющей стали 17-4PH

Компания	Фирменные наименования
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Printsalloy PH
Плотник	Гидрамит PH
Höganäs	Стеллит 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

Порошок можно приобрести через дистрибьюторов металлических порошков, сервисные бюро MIM, толлинговые процессоры и поставщиков сырья.

Анализ затрат

Стоимость порошка из нержавеющей стали 17-4PH умеренно высока и составляет $25-$45 за кг при небольших объемах. При крупных заказах свыше 1000 кг цена ниже.

Для сравнения: стоимость порошка из нержавеющей стали 316L составляет $15-$30/кг, а порошков из инструментальных сталей (H13, P20) - $12-25/кг.

На готовую MIM-деталь материалы составляют 50-70% от стоимости единицы продукции в зависимости от размера и сложности детали. В небольших деталях при больших объемах производства доля затрат на материалы будет ниже, чем на вторичные операции.

Рекомендации по проектированию

Для успешного нанесения порошка из нержавеющей стали 17-4PH и достижения полных свойств необходимо соблюдать следующие рекомендации по проектированию MIM:

• Для обеспечения достаточной прочности используйте минимальную толщину стенок 0,3-0,5 мм
• Поддерживать соотношение сторон менее 8:1 для сложных форм
• Во избежание концентрации напряжений используйте радиусы 0,25 мм и более
• Затвор с толщиной >0,5 мм и поперечным сечением полости >35%
• Анизотропная усадка составляет ~17% по главным осям, ~20% по толщине
• Достижение плотности >92% после спекания для получения требуемых механических свойств

Соображения по обработке

Основные технологические операции при использовании порошкового сырья 17-4PH для литья металлов под давлением включают:

• Смешивание: Перемешивание компонентов порошка и связующего при высоких сдвигах с образованием однородного сырья с равномерной загрузкой порошка около 62-68% по объему.
• Формовка: Использование параметров литья под давлением, подходящих для сырьевых материалов с высоким содержанием твердых частиц - большой размер дроби, высокая скорость впрыска, высокое давление выдержки.
• Дебиндинг: Растворительное дебридинг с последующим термическим дебридингом для полного удаления компонентов связующего и получения коричневой детали, готовой к спеканию.
• Спекание: Спекание в вакууме или в атмосфере водорода до ~1300°C для достижения полной плотности. Усадка при спекании должна быть компенсирована при изготовлении пресс-форм.
• Термическая обработка: Отжиг в растворе с последующим старением и закалкой на осадку, что необходимо для достижения требуемой прочности.
• Вторичные операции: Может включать чеканку, сверление, нарезание резьбы, обработку поверхности, нанесение гальванического покрытия, лазерную маркировку и т.д.

Сервисные бюро и толлинг-процессоры разработали оптимальные методы работы с 17-4PH MIM для обеспечения точности размеров и повторяемости механических свойств от детали к детали.

Проверка и тестирование

Некоторые из методов контроля и испытаний, используемых для контроля качества и подтверждения соответствия деталей 17-4PH MIM, включают в себя:

• Химический анализ - ICP и OES для проверки состава и уровня газа
• Анализ размера частиц - лазерная дифракция для контроля распределения порошка по размерам
• Определение плотности - метод Архимеда и гелиевая пикнометрия
• Испытания на растяжение - ASTM E8, для получения UTS, предела текучести, удлинения
• Испытания на твердость - по Роквеллу и Виккерсу для контроля твердости
• Микроструктура - оптическая микроскопия и СЭМ для исследования фаз
• Размер зерна - ASTM E112, сравнительные методы определения размера зерна
• Анализ дефектов - тестирование методом пенетранта с красителем для выявления поверхностных дефектов

Хорошо оснащенные металлургические лаборатории имеют возможность проводить эти испытания в соответствии с международными стандартами испытаний металлических порошков и промышленных деталей. Это позволяет обеспечить соответствие техническим условиям при изготовлении порошка сплава, производстве MIM-деталей и при окончательной квалификации деталей.

Здоровье и безопасность

Порошок и детали из нержавеющей стали 17-4PH в твердом виде не представляют существенной опасности для здоровья. Тем не менее, при обращении с этим материалом, его обработке или механической обработке следует соблюдать следующие рекомендации:

• При работе с порошком используйте СИЗ - перчатки, средства защиты органов дыхания, защитные очки
• При уборке просыпавшегося порошка или обработке спеченных деталей используйте пылеудаление
• Избегайте вдыхания порошковой пыли и паров, образующихся при плавлении/спекании
• Профилактика и лечение порезов, ссадин во избежание воздействия частиц металла
• При загрузке порошкового сырья соблюдайте правила безопасного обращения с порошком и его переноса
• При обработке спеченных деталей используйте неискрящие инструменты и заземляющее оборудование
• Обеспечьте достаточную вентиляцию и используйте СИЗ при сварке или пайке деталей из 17-4PH
• Утилизировать в соответствии с местными экологическими нормами и не допускать попадания порошка в окружающую среду

При соблюдении правил эксплуатации порошок 17-4PH и детали MIM не представляют значительной опасности. Основными рисками являются возможное раздражение от воздействия пыли и порезы при работе с ними. Правильная вентиляция, использование СИЗ и надежное хранение снижают эти риски.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос: Какой размер частиц порошка 17-4PH рекомендуется для MIM?

Ответ: Обычно используется порошок размером 10-20 мкм, но в зависимости от геометрии детали можно использовать порошок размером 3-45 мкм. Более тонкий порошок <10 мкм лучше передает детали, но может быть сложным для формования.

Вопрос: Требует ли порошок 17-4PH работы в инертной атмосфере?

О: Не обязательно, с ним можно работать на воздухе, но инертный перчаточный ящик обеспечивает минимальное содержание кислорода и влаги для обеспечения чистоты.

Вопрос: В чем разница между нержавеющей сталью 17-4 и 17-4PH?

Ответ: 17-4PH имеет меньшее содержание меди (3-5% против 4-6% в 17-4), что обеспечивает лучшую ударную вязкость и пластичность при том же уровне прочности.

Вопрос: Можно ли проводить многократную закалку нержавеющей стали 17-4PH?

Ответ: Да, 17-4PH может подвергаться многократной закалке. Каждый цикл возвращает ей высокую прочность, но при повторном старении может снизиться пластичность.

Вопрос: Какова типичная шероховатость поверхности, достигаемая при изготовлении MIM-деталей из 17-4PH?

О: Поверхность, подвергнутая спеканию, имеет Ra 3-5 мкм. Полировка и травление позволяют получить менее 0,5 мкм. Напыление также позволяет получить гладкую поверхность.

Вопрос: Работает ли 17-4PH для металлической 3D-печати по сравнению с MIM?

О: Да, он может использоваться для DMLS и струйной обработки связующего, но требует адаптированных параметров по сравнению с MIM. Скорость охлаждения выше, поэтому свойства отличаются.

Вопрос: Какие виды последующей обработки обычно выполняются для деталей из MIM 17-4PH?

A: Механическая обработка, сверление, нарезание резьбы, шлифование, электроэрозионная обработка, упрочнение, пассивация, электрополировка, гальваническое покрытие, термообработка, сварка и лазерная маркировка.

Вопрос: Какие варианты покрытий хорошо подходят для нержавеющей стали 17-4PH?

A: Для обеспечения коррозионной стойкости и износостойкости хорошо подходят никель, твердый хром, никель-цинк, олово, медь, а также покрытия из драгоценных металлов - серебра, золота и родия.