Polvere di metallo in acciaio inossidabile 17-4PH per MIM

Panoramica

L'acciaio inossidabile 17-4PH è un acciaio inossidabile martensitico indurente per precipitazione che contiene circa 4% di rame per composizione. Il grado di metallurgia delle polveri dell'acciaio inossidabile 17-4PH è la scelta ideale per le applicazioni di stampaggio a iniezione di metalli (MIM), grazie alla sua combinazione di elevata resistenza, buona resistenza alla corrosione ed eccellenti proprietà meccaniche che possono essere ulteriormente migliorate con trattamenti termici di indurimento per precipitazione.

La polvere di 17-4PH rappresenta un'opzione interessante per il MIM rispetto ad altre leghe concorrenti, grazie alla sua stabilità dimensionale durante la sinterizzazione e alla facilità di lavorazione complessiva. I pezzi prodotti con polveri metalliche 17-4PH dimostrano un'elevata resistenza a verde per geometrie complesse, una buona stampabilità e una combustione pulita con residui minimi.

Nelle sezioni che seguono verranno trattati la composizione, le proprietà, le applicazioni, le specifiche, i fornitori e altri dettagli tecnici relativi alla polvere di acciaio inossidabile 17-4PH da utilizzare nello stampaggio a iniezione dei metalli.

Composizione

La composizione nominale dell'acciaio inossidabile 17-4PH è riportata di seguito, con cromo, nichel e rame come principali elementi di lega:

Tabella: Composizione dell'acciaio inossidabile 17-4PH

Elemento	% Peso
Cromo (Cr)	15.0 – 17.5
Nichel (Ni)	3.0 – 5.0
Rame (Cu)	3.0 – 5.0
Niobio (Nb) + Tantalio (Ta)	0.15 – 0.45
Silicio (Si)	max 1.0
Manganese (Mn)	max 1.0
Carbonio (C)	max 0,07
Zolfo (S)	max 0,03
Fosforo (P)	max 0,04
Ferro (Fe)	Equilibrio

Il contenuto di rame è il fattore che distingue l'acciaio inossidabile 17-4PH dal 17-4, che contiene 4,0-6,0% di rame. La minore quantità di rame nel 17-4PH garantisce una migliore duttilità e proprietà di impatto, pur mantenendo un'elevata resistenza.

Silicio, manganese, carbonio, zolfo e fosforo sono mantenuti a livelli minimi per massimizzare la resistenza alla corrosione ed evitare la precipitazione di carburi. Le aggiunte di niobio e tantalio contribuiscono a perfezionare la struttura dei grani durante la sinterizzazione.

Proprietà

L'acciaio inossidabile 17-4PH presenta un'eccellente combinazione di elevata resistenza e buona duttilità allo stato indurito per precipitazione. Di seguito sono riportate le principali proprietà allo stato H900:

Tabella: Proprietà dell'acciaio inossidabile 17-4PH

Proprietà	Valore
Densità	7,8 g/cm3
Resistenza alla trazione massima	1240-1300 MPa
Resistenza allo snervamento (Offset dello 0,2%)	1100-1160 MPa
Modulo di elasticità	190-210 GPa
Allungamento	10-15%
Durezza	39-43 HRC
Resistenza agli urti	50-60 J
Resistenza alla fatica	550 MPa
Resistenza al taglio	760 MPa
Resistenza alla compressione	1275 MPa

Il trattamento termico di indurimento per precipitazione utilizzato per ottenere questi livelli di resistenza elevati prevede una ricottura in soluzione a 900-950¡"C seguita da un invecchiamento a 450-500¡"C. In questo modo si ottengono precipitati molto fini e ricchi di rame che ostacolano il movimento delle dislocazioni e rafforzano la matrice metallica mantenendo la duttilità.

Nella condizione di ricottura in soluzione senza invecchiamento, l'acciaio inossidabile 17-4PH ha proprietà meccaniche inferiori ma comunque rispettabili, al pari degli acciai inossidabili della serie 400. Offre un buon equilibrio tra resistenza moderata e duttilità per i casi in cui non è richiesta la tempra completa.

La resistenza alla corrosione del 17-4PH è paragonabile a quella degli acciai inossidabili martensitici 410 e 416, offrendo un'utile resistenza alla corrosione atmosferica e a molte sostanze chimiche leggere. Tuttavia, presenta una resistenza inferiore rispetto agli acciai inossidabili austenitici della serie 300.

APPLICAZIONI

L'elevata resistenza dopo l'indurimento e la moderata resistenza alla corrosione rendono l'acciaio inossidabile 17-4PH una scelta popolare per i pezzi stampati a iniezione in metallo destinati alle seguenti applicazioni:

• Componenti aerospaziali e aeronautici
• Impianti ortopedici e dentali
• Automotive, motori, valvole
• Stampi a iniezione di plastica
• Utensili industriali, utensili di punzonatura/taglio
• Attrezzature per il settore alimentare e farmaceutico
• Pompe, valvole e strumentazione petrolchimica
• Prodotti di consumo come coltelli, ferramenta per la nautica
• Custodie per orologi, incastonature per gioielli

Il MIM è vantaggioso per produrre pezzi piccoli e complessi con buone proprietà meccaniche come sinterizzati. L'eccellente lucidabilità del 17-4PH lo rende adatto anche ad applicazioni decorative.

Rispetto alle altre leghe MIM, il 17-4PH offre una resistenza superiore a quella dell'acciaio inox 316L, una resistenza simile o superiore a quella dell'inox 420 e 17-4 con una migliore tenacità e una resistenza alla corrosione superiore a quella degli acciai per utensili.

Specifiche della polvere di metallo

La polvere di acciaio inossidabile 17-4PH per materie prime MIM è disponibile in commercio in varie gamme dimensionali, chimiche e morfologiche. Di seguito sono riportate alcune specifiche comuni:

Tavolo: Specifiche della polvere metallica di acciaio inossidabile 17-4PH

Attributo	Dettagli
Dimensioni delle particelle	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Gamma chimica	Per AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Contenuto di carbonio	<0,1%, carbonio ultra basso
Contenuto di ossigeno	<0,6%, ossigeno basso
Morfologie	Sferico, parzialmente sferico
Densità apparente	3,0-4,5 g/cm3
Densità del materiale compattato	4,5-5,5 g/cm3
Portata	15-35 s/50g

La qualità della polvere è fondamentale per ottenere componenti MIM ad alte prestazioni. Caratteristiche chiave come la morfologia della polvere, la distribuzione delle dimensioni delle particelle, la purezza e il comportamento del flusso della polvere determinano la qualità del materiale di partenza e le proprietà del componente risultante.

La morfologia sferica della polvere offre la migliore fluidità e densità di impaccamento per il MIM. Le piccole dimensioni delle particelle (<20 um) sono preferibili per catturare le caratteristiche fini, mentre le dimensioni maggiori migliorano il flusso e la modellabilità.

Produzione di polveri

La polvere di 17-4PH viene prodotta con processi di atomizzazione a gas o a gas inerte. Occasionalmente si utilizza anche l'atomizzazione ad acqua ad alta pressione.

Nell'atomizzazione a gas, il flusso di lega fusa viene disintegrato in goccioline sottili da getti di gas inerte ad alta velocità. Le goccioline si solidificano rapidamente in particelle di polvere di forma sferica. La distribuzione delle dimensioni delle particelle è controllata dalla portata del gas, dal design dell'ugello e da altri parametri di processo.

L'atomizzazione ad acqua utilizza getti d'acqua per la disintegrazione del flusso di metallo. Produce particelle di polvere irregolari, di tipo satellitare. Per l'uso MIM, la polvere richiede ulteriori fasi di condizionamento per renderla sferica.

I processi con gas inerte sotto vuoto producono la polvere 17-4PH più pulita e pura per le materie prime MIM ad alte prestazioni. Il gas inerte impedisce l'ossidazione della fusione e della polvere.

Standard e voti

Le parti in polvere e MIM in acciaio inox 17-4PH soddisfano i seguenti standard e specifiche:

• ASTM A564 - Standard per fili e nastri di acciaio inossidabile induriti per precipitazione
• ASTM A705 - Standard per la polvere di lega di cobalto-cromo-nichel-rame (PH15-7Mo) indurita per precipitazione
• AMS 5643 - Polvere di acciaio inossidabile indurito per precipitazione, gradi PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Acciaio inox 17-4, tempra per precipitazione
• AMS 5803 - Acciaio inox 15-5, metallurgia delle polveri

Le denominazioni di prodotto disponibili e i gradi equivalenti sono:

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

I gradi di composizione sono conformi alle gamme di leghe del Gruppo 1 AMS 5643. È disponibile anche polvere a bassissimo tenore di carbonio con <0,03% C.

Fornitori

La polvere metallica di acciaio inossidabile 17-4PH per MIM è prodotta commercialmente dai principali fornitori di leghe speciali e polveri di acciaio inossidabile:

Tabella: Produttori di polvere di acciaio inossidabile 17-4PH

Azienda	Nomi commerciali
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Lega per stampe PH
Falegname	Idramite PH
Håkon	Stellite 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

La polvere può essere acquistata presso i distributori di polveri metalliche, gli uffici di assistenza MIM, i trasformatori e i fornitori di materie prime.

Analisi dei costi

Il costo della polvere per l'acciaio inossidabile 17-4PH è moderatamente alto, e varia da $25-$45 al kg in piccole quantità. Il prezzo è inferiore per ordini più grandi, superiori a 1000 kg.

In confronto, la polvere di acciaio inossidabile 316L costa $15-$30/kg, mentre le polveri di acciaio per utensili (H13, P20) costano $12-25/kg.

Per il pezzo MIM finito, i materiali rappresentano il 50-70% del costo unitario, a seconda delle dimensioni e della complessità del pezzo. I pezzi più piccoli e i volumi più elevati avranno una quota minore di costi dei materiali rispetto alle operazioni secondarie.

Raccomandazioni di progettazione

Per applicare con successo la polvere di acciaio inossidabile 17-4PH e ottenere tutte le proprietà, è necessario seguire le seguenti linee guida per la progettazione MIM:

• Per una resistenza adeguata, utilizzare spessori minimi di 0,3-0,5 mm.
• Mantenere rapporti di aspetto inferiori a 8:1 per forme complesse
• Includere raggi di 0,25 mm o superiori per evitare concentrazioni di sollecitazioni.
• Cancello con spessore >0,5 mm e sezione trasversale dell'apertura della cavità >35%
• Il ritiro anisotropo è di ~17% sugli assi principali, ~20% sulla direzione dello spessore.
• Raggiungere una densità >92% dopo la sinterizzazione per le meccaniche richieste

Considerazioni sull'elaborazione

Le fasi di lavorazione principali dell'utilizzo di materie prime in polvere 17-4PH per lo stampaggio a iniezione di metalli comprendono:

• Miscelazione:Miscelazione ad alto taglio dei componenti della polvere e del legante per formare una materia prima omogenea con un carico di polvere uniforme di circa 62-68% in volume.
• Stampaggio:Utilizzo di parametri di stampaggio a iniezione adatti a materie prime ad alto contenuto di solidi: dimensioni elevate dei pallini, velocità di iniezione elevata, alta pressione di mantenimento.
• Sbavatura:Il deceraggio con solvente è seguito da un deceraggio termico per rimuovere completamente i componenti del legante e lasciare il pezzo marrone pronto per la sinterizzazione.
• Sinterizzazione:Sinterizzazione sotto vuoto o in atmosfera di idrogeno a ~1300¡"C per ottenere la massima densità. Il ritiro da sinterizzazione deve essere compensato nella costruzione degli stampi.
• Trattamento termico:Ricottura in soluzione seguita da tempra per invecchiamento/precipitazione, come richiesto per raggiungere i requisiti di resistenza.
• Operazioni secondarie:Possono includere coniatura, foratura, maschiatura, trattamenti superficiali, placcatura, marcatura laser, ecc.

Gli uffici di servizio MIM e le aziende di lavorazione hanno stabilito le migliori pratiche per il MIM 17-4PH per garantire l'accuratezza dimensionale e la ripetibilità delle proprietà meccaniche da pezzo a pezzo.

Ispezione e test

Alcuni dei metodi di ispezione e test utilizzati per il controllo qualità e la convalida dei pezzi MIM 17-4PH sono:

• Analisi chimica - ICP e OES per verificare la composizione e i livelli di gas
• Analisi granulometrica - Diffrazione laser per controllare la distribuzione granulometrica della polvere
• Test di densità - Metodo di Archimede e picnometria ad elio
• Test di trazione - ASTM E8, per ottenere UTS, resistenza allo snervamento, allungamento
• Test di durezza - Rockwell e Vickers per controllare la durezza
• Microstruttura - Microscopia ottica e SEM per esaminare le fasi
• Granulometria - ASTM E112, metodi di confronto per la determinazione della granulometria
• Analisi dei difetti - Test con colorante penetrante per identificare i difetti superficiali

I laboratori metallurgici ben attrezzati sono in grado di eseguire questi test in conformità agli standard internazionali per le polveri metalliche e le parti industriali. Ciò garantisce la conformità alle specifiche durante la produzione di polveri di lega, la produzione di pezzi MIM e la qualificazione finale dei pezzi.

Salute e sicurezza

La polvere e le parti in acciaio inossidabile 17-4PH non presentano rischi significativi per la salute in forma solida. Tuttavia, durante la manipolazione, la lavorazione o la trasformazione di questo materiale è necessario osservare le seguenti pratiche consigliate:

• Indossare DPI - guanti, protezione delle vie respiratorie, schermi oculari durante la manipolazione della polvere.
• Utilizzare l'aspirazione della polvere quando si puliscono le fuoriuscite di polvere o si lavorano parti sinterizzate.
• Evitare di respirare le polveri e i fumi delle operazioni di fusione/sinterizzazione.
• Prevenire e trattare tagli e abrasioni per evitare l'esposizione a particelle metalliche.
• Seguire le procedure di manipolazione e trasferimento della polvere in condizioni di sicurezza durante il caricamento del materiale in polvere.
• Se si lavorano parti sinterizzate, utilizzare utensili non scintillanti e attrezzature rettificate.
• Assicurare un'adeguata ventilazione e indossare DPI durante la saldatura o la brasatura di componenti in 17-4PH.
• Smaltire secondo le normative ambientali locali ed evitare il rilascio di polvere nell'ambiente.

Con procedure corrette, la polvere di 17-4PH e le parti MIM non presentano rischi significativi. I rischi principali sono la potenziale irritazione dovuta all'esposizione alla polvere e i tagli dovuti alla manipolazione. Una ventilazione adeguata, l'uso di DPI e uno stoccaggio sicuro riducono questi rischi.

FAQ

D: Quale dimensione delle particelle della polvere 17-4PH è consigliata per il MIM?

R: Di solito si usano 10-20 micron, ma si possono usare formati da 3 a 45 micron a seconda della geometria del pezzo. La polvere più fine, <10 um, cattura meglio i dettagli, ma può essere impegnativa per lo stampaggio.

D: La polvere 17-4PH deve essere trattata in atmosfera inerte?

R: Non necessariamente, può essere maneggiato in aria, ma una camera a guanti inerte assicura che i livelli di ossigeno e umidità siano ridotti al minimo per garantire la purezza.

D: Qual è la differenza tra l'acciaio inossidabile 17-4 e 17-4PH?

R: Il 17-4PH ha un contenuto di rame inferiore (3-5% rispetto al 4-6% del 17-4) che conferisce una migliore tenacità e duttilità agli urti a parità di resistenza.

D: È possibile temprare più volte l'acciaio inossidabile 17-4PH?

R: Sì, il 17-4PH può essere temprato per precipitazione ripetutamente. Ogni ciclo lo riporta ad alta resistenza, ma la duttilità può diminuire con l'invecchiamento ripetuto.

D: Qual è la finitura superficiale tipica ottenuta con i pezzi MIM 17-4PH?

R: La superficie sinterizzata è di circa 3-5 micron. La lucidatura e l'incisione possono raggiungere meno di 0,5 micron. Anche la placcatura produce superfici lisce.

D: Il 17-4PH funziona per la stampa 3D in metallo rispetto al MIM?

R: Sì, può essere utilizzato per il DMLS e il binder jetting, ma richiede parametri adattati rispetto al MIM. Le velocità di raffreddamento sono più elevate e le proprietà differiscono.

D: Quali tipi di post-trattamento vengono comunemente eseguiti sui pezzi MIM 17-4PH?

R: Lavorazione, foratura, maschiatura, rettifica, elettroerosione, pallinatura, passivazione, elettrolucidatura, placcatura, trattamento termico, saldatura e marcatura laser.

D: Quali opzioni di placcatura funzionano bene con l'acciaio inossidabile 17-4PH?

R: Il nichel chimico, il cromo duro, lo zinco nichel, lo stagno, il rame e la placcatura in metalli preziosi come l'argento, l'oro e il rodio funzionano bene per la resistenza alla corrosione o all'usura.