Металлический порошок из нержавеющей стали 17-4PH для MIM

Обзор

Нержавеющая сталь 17-4PH - это мартенситная нержавеющая сталь с закалкой осаждением, которая содержит около 4% меди по составу. Порошковая металлургия нержавеющей стали 17-4PH является идеальным выбором для литья 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 осадком.

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 для сложных геометрических форм, хорошую формуемость и чистое выгорание с минимальным количеством остатков.

В следующих разделах мы рассмотрим состав, свойства, применение, 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	Весовые %
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 (Р)	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, чтобы обеспечить максимальную коррозионную стойкость и избежать выпадения карбидов. Добавки ниобия и тантала способствуют улучшению структуры зерна во время спекания.

Свойства

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

Таблица: Свойства нержавеющей стали 17-4PH

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

Термическая обработка с закалкой осадками, используемая для достижения таких высоких уровней прочности, включает 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 укрепляют металлическую матрицу, сохраняя при этом пластичность.

В отожженном состоянии без старения нержавеющая сталь 17-4PH имеет более низкие, но все же достойные механические свойства 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 сравнима с мартенситными нержавеющими сталями 410 и 416, обеспечивая полезную устойчивость к атмосферной коррозии и многим мягким химическим веществам. Однако по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями серии 300 она имеет более низкую стойкость.

ПРИМЕНЕНИЯ

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 стоматологические имплантаты
• Автомобили, двигатели, клапаны
• Пресс-формы для литья пластмасс под давлением
• Промышленная оснастка, вырубные/штамповочные инструменты
• Оборудование для пищевой промышленности и фармацевтики
• Нефтехимические насосы, клапаны, контрольно-измерительные приборы
• Потребительские товары, такие как ножи, морское оборудование
• Корпуса часов, оправы для ювелирных изделий

MIM выгодно использовать для производства небольших сложных деталей с хорошими механическими свойствами после спекания. Отличная полируемость 17-4PH также подходит для декоративного применения.

По сравнению с другими сплавами MIM, 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 металлического порошка

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

Стол: Металлический порошок из нержавеющей стали 17-4PH Технические характеристики

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%, ультранизкий уровень углерода
Содержание кислорода	<0,6%, низкое содержание кислорода
Морфологии	Сферические, частично сферические
Кажущаяся плотность	3,0-4,5 г/см3
Плотность при утрамбовке	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, в то время как большие размеры улучшают текучесть и формуемость.

Производство порошков

Порошок 17-4PH изготавливается методом газового распыления или распыления в инертном газе. Также иногда используется 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 скоростью потока газа, конструкцией сопла и другими параметрами процесса.

При водяном распылении для дезинтеграции металлической струи используются струи воды. При этом образуются неравномерные частицы порошка типа "спутник". Для использования в MIM порошок требует дополнительных этапов кондиционирования, чтобы придать ему сферическую форму.

Вакуумные процессы в инертном газе позволяют получить наиболее чистый порошок 17-4PH для высокопроизводительного 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 спецификациям:

• ASTM A564 - Стандарт на проволоку и полосу из нержавеющей стали для закалки осаждением
• ASTM A705 - Стандарт на порошок из кобальт-хром-никель-медного сплава (PH15-7Mo) для закалки 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)
• 15-5Ф - UNS S15500
• X5CrNiCu15-5 - DIN 1.4545
• 1RK91 - AFNOR Z6CNNbCu15-05

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

Поставщики

Металлический порошок из нержавеющей стали 17-4PH для MIM производится на коммерческой основе основными поставщиками специальных сплавов и порошков из нержавеющей стали:

Таблица: Производители порошка из нержавеющей стали 17-4PH

Компания	Брендовые имена
Sandvik	Osprey + Amperit
Praxair	Printsalloy PH
Плотник	Гидрамит PH
Хёган?с	Стеллит 21 + Densimet PH
CNPC	FSM-17-4PH

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

Анализ затрат

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

Для сравнения, порошок из нержавеющей стали 316L стоит $15-$30/кг, а порошки из инструментальной стали (H13, P20) - $12-25/кг.

На готовую деталь MIM материалы составляют 50-70% от стоимости единицы продукции в зависимости от размера и сложности детали. Небольшие детали при больших объемах производства будут иметь меньшую долю затрат на материалы по сравнению с вторичными операциями.

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.
• Поддерживайте соотношение сторон менее 8:1 для сложных форм
• Радиусы 0,25 мм или больше, чтобы избежать концентрации напряжений
• Ворота с толщиной >0,5 мм и поперечным сечением полости >35%
• Анизотропная усадка составляет ~17% по основным осям, ~20% по толщине
• Достижение плотности >92% после спекания для получения требуемых механических свойств

Соображения по обработке

Основные этапы обработки порошкового сырья 17-4PH для литья металлов под давлением включают в себя:

• Микширование:Смешивание порошка и связующих компонентов с высокой скоростью сдвига для получения однородного сырья с равномерной загрузкой порошка около 62-68% по объему.
• Формовка:Использование параметров литья под давлением, подходящих для сырья с высоким содержанием твердых частиц - высокий размер дроби, высокая скорость впрыска, высокое давление удержания.
• Дебиндинг:Растворительное дебридинг с последующим термическим дебридингом для полного удаления связующих компонентов 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/закалка осаждением при необходимости для достижения требуемой прочности.
• Вторичные операции:?Может включать чеканку, сверление, нарезание резьбы, обработку поверхности, нанесение покрытия, лазерную маркировку и т.д.

Сервисные бюро MIM и поставщики платных услуг разработали передовые методы работы с 17-4PH MIM для обеспечения точности размеров и повторяемости механических свойств от детали к детали.

Инспекция и тестирование

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

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

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

Здоровье и безопасность

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

• При работе с порошком надевайте СИЗ - перчатки, средства защиты органов дыхания, щитки для глаз.
• Используйте пылеудаление при уборке просыпавшегося порошка или обработке спеченных деталей.
• Избегайте вдыхания порошковой пыли и паров при плавлении/спекании
• Предотвращайте и обрабатывайте порезы и ссадины, чтобы избежать воздействия частиц металла
• При загрузке порошкового сырья соблюдайте правила безопасного обращения и переноса порошка
• При обработке спеченных деталей используйте неискрящие инструменты и заземляющее оборудование.
• Обеспечьте достаточную вентиляцию и используйте СИЗ при сварке или пайке компонентов 17-4PH
• Утилизируйте в соответствии с местными экологическими нормами и не допускайте попадания порошка в окружающую среду

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

Часто задаваемые вопросы

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

О: 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 формовки.

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

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

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

О: 17-4PH имеет более низкое 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 закаливать нержавеющую сталь 17-4PH несколько раз?

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

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

A: Спеченная поверхность составляет около Ra 3-5 микрон. Полировка и травление позволяют достичь менее 0,5 микрона. Напыление также позволяет получить гладкую поверхность.

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

О: Да, его можно использовать для DMLS и струйного нанесения связующего, но для этого требуются адаптированные параметры по сравнению с MIM. Скорость охлаждения выше, поэтому свойства отличаются.

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

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

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

О: Никель, твердый хром, никель-цинк, олово, медь и покрытия из драгоценных металлов, таких как серебро, золото и родий, хорошо подходят для защиты от коррозии и износа.