17-4PH Metallpulver av rostfritt stål för MIM

Översikt

17-4PH rostfritt stål är ett utskiljningshärdande martensitiskt rostfritt stål som innehåller cirka 4% koppar i sin sammansättning. Det pulvermetallurgiska rostfria stålet 17-4PH är ett idealiskt val för MIM-tillämpningar (Metal Injection Molding) tack vare sin kombination av hög hållfasthet, god korrosionsbeständighet och utmärkta mekaniska egenskaper som kan förbättras ytterligare genom värmebehandling med utskiljningshärdning.

17-4PH-pulver är ett attraktivt alternativ för MIM jämfört med andra konkurrerande legeringar på grund av dess dimensionsstabilitet under sintring och övergripande bearbetningsvänlighet. Delar tillverkade av 17-4PH metallpulver visar hög grön styrka för komplexa geometrier, god formbarhet och ren utbränning med minimala rester.

I följande avsnitt kommer vi att täcka sammansättning, egenskaper, applikationer, specifikationer, leverantörer och andra tekniska detaljer relaterade till 17-4PH rostfritt stålpulver för användning vid formsprutning av metall.

Sammansättning

Den nominella sammansättningen av 17-4PH rostfritt stål visas nedan, med krom, nickel och koppar som de viktigaste legeringselementen:

Tabell: 17-4PH rostfritt stål Sammansättning

Element	Vikt %
Krom (Cr)	15.0 – 17.5
Nickel (Ni)	3.0 – 5.0
Koppar (Cu)	3.0 – 5.0
Niob (Nb) + Tantal (Ta)	0.15 – 0.45
Kisel (Si)	max 1,0
Mangan (Mn)	max 1,0
Kol (C)	max 0,07
Svavel (S)	max 0,03
Fosfor (P)	max 0,04
Järn (Fe)	Balans

 

Kopparinnehållet är den särskiljande faktorn för 17-4PH rostfritt stål jämfört med 17-4, som innehåller 4,0-6,0% koppar. Den lägre kopparhalten i 17-4PH ger bättre duktilitet och slagseghet med bibehållen hög hållfasthet.

Kisel, mangan, kol, svavel och fosfor hålls på spårnivå för att maximera korrosionsbeständigheten och undvika karbidutfällning. Tillsatserna av niob och tantal hjälper till att förfina kornstrukturen under sintringen.

Fastigheter

17-4PH rostfritt stål uppvisar en utmärkt kombination av hög hållfasthet och god duktilitet i det utskiljningshärdade tillståndet. Viktiga egenskaper i H900-läget anges nedan:

Tabell: Egenskaper för rostfritt stål 17-4PH

Fastighet	Värde
Täthet	7,8 g/cm3
Slutlig draghållfasthet	1240-1300 MPa
Utbyteshållfasthet (0,2% offset)	1100-1160 MPa
Elastisk modul	190-210 GPa
Töjning	10-15%
Hårdhet	39-43 HRC
Slagseghet	50-60 J
Utmattningshållfasthet	550 MPa
Skjuvhållfasthet	760 MPa
Tryckhållfasthet	1275 MPa

 

Den utskiljningshärdande värmebehandling som används för att uppnå dessa höga hållfasthetsnivåer innebär lösningsglödgning vid 900-950°C följt av åldring vid 450-500°C. Detta resulterar i mycket fina kopparrika utfällningar som hindrar dislokationsrörelser och stärker metallmatrisen samtidigt som duktiliteten bibehålls.

I lösglödgat tillstånd utan åldring har 17-4PH rostfritt stål lägre men ändå respektabla mekaniska egenskaper i nivå med rostfritt stål i 400-serien. Det ger en bra balans mellan måttlig hållfasthet och duktilitet för fall där fullständig härdning inte krävs.

Korrosionsbeständigheten hos 17-4PH är jämförbar med martensitiska 410 och 416 rostfria stål, vilket ger god beständighet mot atmosfärisk korrosion och många milda kemikalier. Det har dock lägre beständighet jämfört med austenitiska rostfria stål i 300-serien.

Tillämpningar

Den höga hållfastheten efter härdning och det måttliga korrosionsmotståndet gör rostfritt stål 17-4PH till ett populärt val för formsprutade metalldelar för följande användningsområden:

• Flyg- och rymdindustrin samt flygplanskomponenter
• Ortopediska och dentala implantat
• Fordon, motorer, ventiler
• Formsprutningsverktyg för plast
• Industriverktyg, verktyg för stansning/pressning
• Utrustning för livsmedelsbearbetning och läkemedel
• Petrokemiska pumpar, ventiler, instrumentering
• Konsumentprodukter som knivar, marin utrustning
• Klockfodral, smyckesinfattningar

MIM är fördelaktigt för att tillverka små, komplexa detaljer med goda mekaniska egenskaper efter sintring. Den utmärkta polerbarheten hos 17-4PH lämpar sig också för dekorativa tillämpningar.

Jämfört med andra MIM-legeringar erbjuder 17-4PH högre hållfasthet än rostfritt stål 316L, liknande eller bättre hållfasthet än 420 och 17-4 rostfritt med bättre seghet och korrosionsbeständighet som är överlägsen verktygsstål.

Specifikationer för metallpulver

17-4PH rostfritt stålpulver för MIM-råmaterial är kommersiellt tillgängligt i olika storleksintervall, kemier och morfologier. Några vanliga specifikationer anges nedan:

Tabell: 17-4PH rostfritt stål Metallpulver Specifikationer

Attribut	Detaljer
Partiklarnas storlek	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Kemiområde	Enligt AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Kolinnehåll	<0,1%, extremt låga koldioxidutsläpp
Syrehalt	<0,6%, låg syrehalt
Morfologier	Sfärisk, delvis sfärisk
Skenbar densitet	3,0-4,5 g/cm3
Tappdensitet	4,5-5,5 g/cm3
Flödeshastighet	15-35 s/50g

 

Pulverkvaliteten är avgörande för högpresterande MIM-komponenter. Viktiga egenskaper som pulvermorfologi, partikelstorleksfördelning, renhet och pulverflödesbeteende avgör kvaliteten på råmaterialet och de resulterande komponentegenskaperna.

Sfärisk pulvermorfologi ger bästa möjliga flöde och packningsdensitet för MIM. Små partikelstorlekar (<20 um) är att föredra för att fånga fina egenskaper, medan större storlekar förbättrar flöde och formbarhet.

Pulvertillverkning

17-4PH-pulver tillverkas med hjälp av gasatomisering eller inert gasatomiseringsprocesser. Högtrycksvattenatomisering används också ibland.

Vid gasatomisering sönderdelas legeringssmältan i fina droppar av inertgasstrålar med hög hastighet. Dropparna stelnar snabbt till pulverpartiklar med sfärisk form. Partikelstorleksfördelningen styrs via gasflödeshastigheten, munstycksdesignen och andra processparametrar.

Vattenatomisering använder vattenstrålar för att sönderdela metallströmmen. Det ger oregelbundna pulverpartiklar av satellittyp. För MIM-användning kräver pulvret ytterligare konditioneringssteg för att göra det sfäriskt.

Vakuumprocesser med inert gas ger det renaste och mest rena 17-4PH-pulvret för högpresterande MIM-råmaterial. Den inerta gasen förhindrar oxidation av smältan och pulvret.

Standarder och betyg

17-4PH rostfritt stålpulver och MIM-delar uppfyller följande standarder och specifikationer:

• ASTM A564 - Standard för utskiljningshärdande tråd och band av rostfritt stål
• ASTM A705 - Standard för utskiljningshärdande pulver av kobolt-krom-nickel-kopparlegering (PH15-7Mo)
• AMS 5643 - Utskiljningshärdande pulver av rostfritt stål, kvaliteterna PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Rostfritt stål 17-4, utskiljningshärdning
• AMS 5803 - Rostfritt stål 15-5, pulvermetallurgiskt

Tillgängliga produktbeteckningar och motsvarande kvaliteter är:

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

Sammansättningsklasserna uppfyller AMS 5643 Grupp 1 legeringsintervall. Pulver med extremt låg kolhalt med <0,03% C finns också tillgängligt.

Leverantörer

17-4PH rostfritt stålmetallpulver för MIM tillverkas kommersiellt av de största leverantörerna av speciallegeringar och rostfritt stålpulver:

Tabell: 17-4PH rostfritt stålpulver Tillverkare

Företag	Varumärken
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Tryckfärgslegering PH
Snickare	Hydramite PH
Höganäs	Stellit 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

Pulvret kan köpas via metallpulverdistributörer, MIM-servicebyråer, bearbetningsföretag och råvaruleverantörer.

Kostnadsanalys

Pulverkostnaden för 17-4PH rostfritt stål är måttligt hög och varierar från $25-$45 per kg i små kvantiteter. Priset är lägre för större beställningar över 1000 kg.

Som jämförelse kostar pulver av rostfritt stål 316L $15-$30/kg medan pulver av verktygsstål (H13, P20) kostar $12-25/kg.

För den färdiga MIM-delen står material för 50-70% av enhetskostnaden beroende på delens storlek och komplexitet. Mindre detaljer i högre volymer kommer att ha en lägre andel materialkostnad jämfört med sekundära operationer.

Rekommendationer för design

För att framgångsrikt applicera 17-4PH rostfritt stålpulver och uppnå fulla egenskaper bör följande konstruktionsriktlinjer för MIM följas:

• Använd väggtjocklekar på minst 0,3-0,5 mm för tillräcklig styrka
• Bibehåll bildförhållande under 8:1 för komplexa former
• Inkludera radier på 0,25 mm eller större för att undvika spänningskoncentrationer
• Port med >0,5 mm tjocklek och >35% tvärsnitt av hålrumsöppningen
• Anisotropisk krympning är ~17% på huvudaxlarna, ~20% i tjockleksriktningen
• Uppnå >92% densitet efter sintring för erforderliga mekaniska egenskaper

Överväganden om bearbetning

Viktiga bearbetningssteg vid användning av 17-4PH pulverråvaror för formsprutning av metall inkluderar:

• Mixning: Blandning med hög skjuvning av pulver- och bindemedelskomponenter för att bilda en homogen råvara med enhetlig pulverbelastning på cirka 62-68% i volym.
• Gjutning: Använda formsprutningsparametrar som lämpar sig för råmaterial med hög torrhalt - hög sprutstorlek, snabb insprutningshastighet, högt hålltryck.
• Avbindning: Avbindning med lösningsmedel följt av termisk avbindning för att helt avlägsna bindemedelskomponenter och lämna en brun del redo för sintring.
• Sintring: Sintring i vakuum eller vätgasatmosfär till ~1300°C för att uppnå full densitet. Sintringskrympning bör kompenseras i formverktyget.
• Värmebehandling: Lösningsglödgning följt av åldring/utskiljningshärdning enligt behov för att uppnå hållfasthetskraven.
• Sekundär verksamhet: Kan omfatta prägling, borrning, gängning, ytbehandlingar, plätering, lasermärkning etc.

MIM-servicebyråer och bearbetningsföretag har etablerat bästa praxis för 17-4PH MIM för att säkerställa måttnoggrannhet och repeterbara mekaniska egenskaper från del till del.

Inspektion och provning

Några av de inspektions- och testmetoder som används för kvalitetskontroll och validering av 17-4PH MIM-delar är:

• Kemisk analys - ICP och OES för att verifiera sammansättning och gasnivåer
• Partikelstorleksanalys - Laserdiffraktion för att kontrollera pulverstorleksfördelningen
• Densitetstestning - Arkimedes metod och heliumpyknometri
• Dragprovning - ASTM E8, för att erhålla UTS, sträckgräns, töjning
• Hårdhetsprovning - Rockwell och Vickers för att kontrollera hårdheten
• Mikrostruktur - Optisk mikroskopi och SEM för att undersöka faser
• Kornstorlek - ASTM E112, jämförelsemetoder för att bestämma kornstorlek
• Defektanalys - Färgpenetrerande provning för att identifiera ytdefekter

Välutrustade metallurgiska laboratorier har kapacitet att utföra dessa tester i enlighet med internationella teststandarder för metallpulver och industriella delar. Detta säkerställer att specifikationerna följs vid tillverkning av legeringspulver, produktion av MIM-delar och för slutlig kvalificering av delar.

Hälsa och säkerhet

17-4PH rostfritt stålpulver och delar utgör inte några betydande hälsorisker i fast form. Följande rekommenderade metoder bör dock följas vid hantering, bearbetning eller maskinbearbetning av detta material:

• Använd personlig skyddsutrustning - handskar, andningsskydd, ögonskydd vid hantering av pulver
• Använd dammutsug när du rengör pulverspill eller bearbetar sintrade delar
• Undvik att andas in pulverdamm och ångor från smältning/sintring
• Förebygg och behandla skärsår och skrubbsår för att undvika exponering för metallpartiklar
• Följ rutinerna för säker pulverhantering och överföring vid laddning av pulverråvara
• Använd gnistfria verktyg och markutrustning vid bearbetning av sintrade delar
• Se till att ventilationen är tillräcklig och använd personlig skyddsutrustning vid svetsning eller lödning av 17-4PH-komponenter
• Bortskaffa enligt lokala miljöbestämmelser och undvik utsläpp av pulver i miljön

Med sunda rutiner utgör 17-4PH-pulver och MIM-delar inga betydande faror. De största riskerna är potentiell irritation från dammexponering och skärskador från hantering. Korrekt ventilation, användning av personlig skyddsutrustning och säker förvaring minskar dessa risker.

VANLIGA FRÅGOR

F: Vilken partikelstorlek 17-4PH-pulver rekommenderas för MIM?

S: 10-20 mikrometer används vanligtvis, men storlekar från 3-45 mikrometer fungerar beroende på detaljgeometri. Finare pulver <10 um fångar detaljer bättre men kan vara utmanande för gjutning.

F: Kräver 17-4PH-pulver hantering i inert atmosfär?

S: Inte nödvändigtvis, det kan hanteras i luft, men en inert handskbox säkerställer att syre- och fuktnivåerna minimeras för renhet.

F: Vad är skillnaden mellan 17-4 och 17-4PH rostfritt stål?

A: 17-4PH har lägre kopparhalt (3-5% vs. 4-6% i 17-4) vilket ger bättre slagseghet och duktilitet för samma hållfasthetsnivå.

F: Kan man åldershärda 17-4PH rostfritt stål flera gånger?

S: Ja, 17-4PH kan utskiljningshärdas upprepade gånger. Varje cykel återställer den till hög hållfasthet, men duktiliteten kan minska med upprepad åldring.

F: Vad är den typiska ytfinishen som uppnås med 17-4PH MIM-delar?

A: Som sintrad yta är runt Ra 3-5 mikron. Polering och etsning kan uppnå under 0,5 mikron. Plätering ger också släta ytor.

F: Fungerar 17-4PH för 3D-utskrifter i metall jämfört med MIM?

S: Ja, det kan användas för DMLS och bindemedelsstrålning men kräver anpassade parametrar jämfört med MIM. Kylhastigheterna är högre så egenskaperna skiljer sig åt.

F: Vilka typer av efterbearbetning görs vanligen på 17-4PH MIM-delar?

A: Maskinbearbetning, borrning, gängning, slipning, EDM, kulpening, passivering, elektropolering, plätering, värmebehandling, svetsning och lasermärkning.

F: Vilka pläteringsalternativ fungerar bra på rostfritt stål 17-4PH?

A: Elektrolös nickel, hårdkrom, zinknickel, tenn, koppar och ädelmetallplätering som silver, guld och rodium fungerar bra för korrosions- eller slitstyrka.