MIM-Material Edelstahl 17-4

MIM 17-4 PH Übersicht

MIM 17-4 PH basiert auf dem Standard AISI 17-4 PH und ist ein martensitischer, ausscheidungshärtender Edelstahl. Er zeichnet sich durch eine Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften aus.

Eines der am häufigsten verwendeten MIM-Materialien in der Metallspritzguss Im Formgebungsbereich ist Edelstahl 17-4 PH der ideale Werkstoff. Dieses Metall zeichnet sich durch eine hervorragende Kombination aus Korrosionsbeständigkeit, Härte und Festigkeit aus. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von 17-4 ermöglichen komplexe Teile mit hoher Festigkeit. Darüber hinaus wird während des Sinterprozesses durch die Anpassung bestimmter Parameter eine Sekundärhärtung erreicht.

Da 17-4 PH ähnlich korrosionsbeständig ist wie 304L, wird es häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen mechanische Eigenschaften erforderlich sind.

Darüber hinaus wird MIM-17-4 PH durch UNS S17400, AISI 630, ASTM A564, AMS 5643 und Edelstahl 17-4 PH identifiziert.

 

Zusammensetzung der Chemikalien

Die chemische Zusammensetzung von Edelstahl 17-4 ist unten mit Elementen und ihren jeweiligen Gewichtsprozenten aufgeführt:

• Eisen (Fe): Saldo (verbleibender Anteil)
• Nickel (Ni): 3,00-5,00 %
• Silizium (Si): 1,00 %
• Kohlenstoff (C): 0,07 %
• Chrom (Cr): 15,50–17,50 %
• Niob (Nb): 0,15–0,45 %
• Mangan (Mn): 1,00 %
• Kupfer (Cu): 3,00-5,00 %
• Schwefel (S): 0,03 %

Die Zusammensetzung gewährleistet die Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und andere Eigenschaften des Materials, die für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet sind.

MIM 17-4 PH Edelstahl weist typischerweise um 10–25 % schlechtere mechanische Eigenschaften auf als geschmiedeter 17-4 PH. Die Hauptursachen sind:

Zu den Sinterfehlern zählen verbleibende Kohlenstoffverunreinigungen, zurückgebliebene Poren und Körner.
Durch Verdampfung verursachter Verlust der Elemente: Cr, Cu und Ni.
Einschluss von Verunreinigungen: O, C und N.

Bei verlangsamtem Sintern wird die kubisch-flächenzentrierte Austenitphase durch Kohlenstoff- und Stickstoffkomponenten stabilisiert. kubisch-raumzentrierter Delta-Ferrit hingegen beschleunigt den Sinterprozess. Edelstahl 17-4PH unterliegt Ausscheidungsreaktionen, die zu hoher Härte und Festigkeit führen, während restlicher Delta-Ferrit die Festigkeit verringert. Zusätzlich entsteht Martensit während der Abkühlungsphase nach dem Sintern.

Ein Schlüsselelement von Mim-Produkts ist Sauerstoff. Die anfängliche Oberfläche von mit Oxiden beschichteten Edelstahlpulvern ist groß, und der Sauerstoffgehalt variiert je nach Pulverherstellungsverfahren. Hohe Sauerstoffwerte in MIM 17-4 PH-Teilen führen zu geringer Korrosionsbeständigkeit und schlechteren mechanischen Eigenschaften, da diese Oxide die korrosionshemmende Wirkung von Chrom beeinträchtigen.

 

Die typischen Eigenschaften

MIM ist eine hochentwickelte Technik zur Herstellung komplexer, leistungsstarker Edelstahlteile. Spitzentemperatur, Heizrate, Umgebung, Haltedauer und Pulverpartikelgröße beeinflussen das Sintern von Edelstahl 17-4 PH. Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Zusammensetzung der 17-4 PH-Legierung, die wiederum die Mikrostrukturphasen, das Sinterverhalten und die endgültigen Eigenschaften beeinflusst. Stickstoff aus der Prozessatmosphäre, Sauerstoff aus dem Pulver bzw. der Atmosphäre und Kohlenstoff aus dem Pulver bzw. Bindemittel sind die Hauptbestandteile.

 

Die ideale Balance aus Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit macht 17-4 PH zu einer beliebten Wahl. Produkte aus den Bereichen Elektronik, Zahnmedizin, Medizin und Luft- und Raumfahrt überzeugen durch die Kombination der Eigenschaften nach der Wärmebehandlung. Die Zusammensetzung variiert je nach Zusammensetzung mit Änderungen bei Fe, Ni, Cu und Cr. Die Solidustemperatur liegt bei etwa 1405 °C, die Liquidustemperatur bei etwa 1440 °C. Die mechanischen Eigenschaften reagieren auf die Wärmebehandlung; die Bruchdehnung liegt zwischen 8 und 14 %, die Streckgrenze zwischen 760 und 1240 MPa, die Zugfestigkeit zwischen 1000 und 1340 MPa und die Härte erreicht 43 HRC.

 

Die außergewöhnliche Kombination aus Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit macht Edelstahl 17-4 PH zu einer bevorzugten Wahl in der Metallspritzgussindustrie. Der am häufigsten ausscheidungsgehärtete martensitische Edelstahl ist 17-4 PH.

• Große Stärke
• Extrem hart
• Hervorragende Korrosionsbeständigkeit
• Zähigkeit bei Brüchen
• Eigenschaften der Wärmebehandlung und des Schweißens

 

Auswirkungen von Bindemittel und Entbinderung

Für das Spritzgießen von Edelstahl 17-4 PH werden viele Bindemittelsysteme verwendet; die gängigsten sind 60 % Füllstoff, 30 % Grundgerüst und 10 % Tensid.

Da Bindemittelreste den endgültigen Sauerstoff- oder Kohlenstoffgehalt verändern, beeinflusst die Entbinderung die endgültigen Eigenschaften. Der erste Schritt der Entbinderung ist die Depolymerisation oder Lösungsmittelextraktion. Paraffinwachs löst sich beispielsweise in Heptan und Polyethylenglykol in heißem Wasser. Darüber hinaus wird bei der katalytischen Entbinderung rauchende Salpetersäure verwendet, um Polyoxymethylen zu entfernen. Die beste Methode zur Entfernung des Bindemittels in der zweiten Entbinderungsstufe besteht darin, das Material in einer Wasserstoffumgebung bei 600 bis 1000 °C zu halten. Diese Phase wird manchmal als Sinterstartphase bezeichnet.

 

Einfluss der Sinterparameter

Beim Sintern von Edelstahl 17-4 PH beeinflussen verschiedene Variablen die endgültige Dichte, Phase, Mikrostruktur und Eigenschaften. Die vier Hauptkomponenten der statistischen Analyse sind Wärmebehandlung, Sinteratmosphäre, anfängliche Sauerstoffkonzentration und Partikelgröße.

Den größten Einfluss auf die Sinterdichte hat die Sintertemperatur.

 

Die Größe der Partikel

Oberflächendiffusion ist der Prozess, durch den die erste Partikelbindung beim Sintern stattfindet; ein kleineres Partikel mit größerer Oberfläche verstärkt die anfängliche Bindung. Die Partikelhaftung des Hauptpolymers wird durch Oberflächendiffusionsbindung ersetzt, sobald die Binderpyrolyse stattfindet. Korngrenzendiffusion erfordert ein Halswachstum, da die Sinterbindung zwischen Metallpartikeln zunimmt, um Korngrenzen zwischen den Partikeln zu bilden. Wenn sich die Korngrenze bildet, spielt die Korngröße eine wichtige Rolle beim Sintern, wenn die Schrumpfung beginnt, und hat einen umgekehrten Effekt auf die Sinterrate. Der Einfluss der anfänglichen Partikelgröße kann jedoch durch höhere Spitzentemperaturen oder längere Haltezeiten ausgeglichen werden.

 

Die Atmosphäre

Bei Edelstahl umfassen die Standard-Sinterumgebungsoptionen Vakuum, Wasserstoff, Stickstoff, Wasserstoff-Stickstoff und Argon-Wasserstoff.


Die beiden gängigsten Sinteratmosphären für Edelstahl 17-4 PH sind Wasserstoff und Vakuum. Durch die Zugabe von Kohlenstoff kommt es zu einem deutlichen Rückgang der Oxidkonzentration. Sowohl Silizium als auch Chrom können Sauerstoff auch ohne die Kohlenstoffzugabe von Graphit binden. Die Oxidreduktion erfolgt bei hohen Temperaturen und hohem Wasserstoffgehalt; ein niedriger Taupunkt gewährleistet diesen Prozess. Die kalte Oberflächenoxidation nach dem Sintern erzeugt eine passive, korrosionsbeständige Beschichtung aus Silizium, Eisen und Chrom.

Als starker Austenitstabilisator beeinflusst Stickstoff die Martensitbildung und die endgültigen Eigenschaften von Edelstahl. Beim Abkühlen scheidet sich der im Austenit lösliche Stickstoff als Cr2N aus. Das Chrom im Korngrenzenbereich wird durch diesen Niederschlag dezimiert, was zu schneller lokaler Korrosion führt. Daher muss verhindert werden, dass Stickstoff in die Sinteratmosphäre gelangt, und die Komponenten müssen mit einer Geschwindigkeit von 200 °C pro Minute auf unter 900 °C abgekühlt werden. Dies gilt beispielsweise für Edelstahl 17-4 PH, um die Bildung von Chromnitrid zu verhindern.

Graphit erzeugt in Vakuumöfen außerdem niedrige Kohlenmonoxid-Partialdrücke, weshalb Graphit-Vakuumöfen beim Vakuumsintern erfolgreich sind. Bei 1300 °C und einem niedrigen CO-Partialdruck von 0,001 kann es Chromoxid in Chrom umwandeln.

 

 

Temperatur und Heizrate

Typische Sinterzyklen umfassen die Beseitigung von Verunreinigungen und das Ausbrennen des Bindemittels, die das Erhitzen und Halten bei verschiedenen Temperaturen beinhalten. Zur Reduzierung von Verunreinigungen liegt die ideale Temperatur bei etwa 1000 °C, während sie zur endgültigen Polymerentfernung bei etwa 600 °C liegt.

Edelstahl 17-4PH erfährt bei Dilatometrietests eine Sinterschrumpfung mit einer Spitzenrate von etwa 1250 °C, während für die volle Dichte (98 %) eine Spitzentemperatur von 1300 °C erforderlich ist. Kupfer und Chrom verdampfen jedoch bei diesen hohen Temperaturen, was möglicherweise zu einem Verlust der Wärmebehandlungs- und Korrosionsbeständigkeit führt.

 

Darüber hinaus wird die Synthese von Delta-Ferrit durch höhere Temperaturen unterstützt; durch schnellere Diffusion trägt diese Phase zur endgültigen Verdichtung bei. Im folgenden Mikrostrukturdiagramm von MIM 17-4PH beim Sintern sind weiße Delta-Ferrit-Kolonien und dunkle Bereiche kreisförmiger Oxidporen sichtbar.

Die Mikrostruktur von 1260 SS17-4 MIM

 

Kontrolle von Kohlenstoff

Während des Sinterprozesses wirkt Kohlenstoff als weiterer Austenitstabilisator. Höhere Festigkeit und Härte werden durch einen niedrigen Restkohlenstoffgehalt in 17-4 (unter 0,1 Gewichtsprozent) erreicht. Die Phasen, die Verdichtung und die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl 17-4 PH werden durch die Änderung des Kohlenstoffgehalts beeinflusst.

 

Das im MIM-Prozess verwendete zerstäubte Pulver, Bindemittelrückstände, der Entbinderungszyklus, die Sinterumgebung, der anfängliche Sauerstoffgehalt und die maximale Sintertemperatur sind einige der Variablen, die den Kohlenstoffgehalt beeinflussen. Der Hauptfaktor für den endgültigen Kohlenstoffgehalt während des Sinterns ist der anfängliche Sauerstoffgehalt. Beispielsweise gehen beim Wasserstoffsintern von 17-4 gaszerstäubten Pulvern bei 1343 °C 0,03 % Kohlenstoff verloren. Darüber hinaus können Bindemittelrückstände, insbesondere bei niedrigeren Sintertemperaturen, ebenfalls zu Kohlenstoffverunreinigungen führen.

Beim Wasserstoff- und Vakuumsintern wird die Zugfestigkeit von Edelstahl 17-4 durch den Gehalt an Kohlenstoff beeinflusst. Dies geschieht entweder bei der Wärmebehandlung H900 oder H1100 oder beim Standardsintern bei 1300 bis 1360 °C. Die folgende Abbildung veranschaulicht, wie die Zugfestigkeit mit steigendem Kohlenstoffgehalt deutlich abnimmt.

 

Zeit beibehalten

Beim Sintern betragen die Haltezeiten bei höchster Temperatur zwischen 60 und 120 Minuten. Dies ist aus dem folgenden Diagramm der Sinterdichte im Verhältnis zu Temperatur und Zeit ersichtlich. Bei steigender Temperatur von 1240 °C auf 1360 °C steigt die Dichte von 96,3 % auf 98,3 %. Die Sinterpresslinge erreichen nach 60 Minuten Haltezeit ihre volle Dichte (98 %). Porosität wird entfernt und die Porenauflösungsrate verringert sich während dieser Phase. Der Verlust von Korngrenzen und Porositätsermüdung sind die Hauptursachen.

 

Vorteile von MIM 17-4

Hohe Korrosionsbeständigkeit
Wärmebehandlungsinduzierte Aushärtung
Industrielle Stärke und Haltbarkeit
Hervorragende Hitzebeständigkeit
Ideal für die komplizierte Geometrie von MIM

 

Mechanische Eigenschaften

Für Strukturbauteile wird MIM 17-4 PH verwendet. Bevorzugte vergleichbare Eigenschaften sind Festigkeit, Härte und Dehnung. Darüber hinaus sind Ermüdung, Streckgrenze und Bruchzähigkeit Aspekte, die von verschiedenen Verarbeitungsvariablen beeinflusst werden.

Die folgende Abbildung fasst die durchschnittlichen Parameter von 17-4 PH basierend auf der statistischen Analyse mehrerer MIM-Projekte zusammen. Sinterparameter sind für etwa 60 % der Eigenschaftsabweichungen verantwortlich.

 

Gemäß dem MIM-Industriestandard muss Edelstahl 17-4 PH eine Mindestzugfestigkeit von 790 MPa, eine Härte von 27 HRC nach dem Sintern und eine Härte von 1070 MPa und 33 HRC nach der Wärmebehandlung aufweisen. 4 % Dehnung für beide. Die Zugfestigkeit von Edelstahl 17-4PH nach Sintern bei 1350 °C und H900-Wärmebehandlung beträgt 1280 MPa für gaszerstäubtes Pulver und 1136 MPa für wasserzerstäubtes Pulver. Es ist zu beachten, dass gaszerstäubtes Pulver eine wärmebehandelte Zugfestigkeit von 1485 MPa bei 9 % Dehnung erreichen kann.

 

Korrosionsbeständigkeit

Vier Arten von gesintertem Edelstahl (304, 316, 430 und 17-4) werden unter verschiedenen Bedingungen Standardkorrosionstests unterzogen. Die Ergebnisse zeigen, dass 17-4 diesen Bedingungen am wenigsten beständig ist. Da Poren in gesinterten Bauteilen lokale Korrosion durch Konzentrationspolarisation verursachen, ist Schmiedematerial korrosionsbeständiger als Sintermaterial. Wasserstoffsintern und gasverdüstes Pulver sind zwei beliebte Techniken zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, da Restsauerstoff ein Nachteil ist.

Die Korrosionsbeständigkeit hängt auch mit der Biokompatibilität zusammen. Im Vergleich zu Titan- und Kobaltlegierungen weist Edelstahl 17-4 PH eine gute Zytotoxizität auf, weist jedoch keine vergleichbare Gesamtbiokompatibilität auf.

 

PH-Anwendungsmarkt für MIM 17-4

Edelstahl 17-4 PH bietet hervorragende mechanische Eigenschaften bei Temperaturen bis zu 350 °C. Darüber hinaus ist er sowohl für Vasenmetall als auch für Schweißnähte beständig genug, und durch kurzzeitiges Erhitzen auf niedrige Temperaturen können Verformungen und Verzunderungen reduziert werden.

Aufgrund seiner hervorragenden Korrosions- und Hitzebeständigkeit ist Edelstahl 17-4 eine hervorragende Wahl für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Hohe Pulverreinheit und -verdichtung können die Lebensdauer von MIM 17-4-Produkten gewährleisten und Fehleränderungen minimieren.

Fahrzeuge
Das am häufigsten verwendete Material im Automobilbau ist Edelstahl 17-4, da es sich einfach in verschiedene Formen verarbeiten lässt. Dank der hohen Haltbarkeit ermöglicht das Metallspritzgussverfahren auch die Herstellung komplexer Geometrien.

Kunden
Aufgrund seiner außergewöhnlichen Korrosionsbeständigkeit wird 17-4 häufig in Verbraucheranwendungen mit MIM-Technologie eingesetzt. Darüber hinaus garantieren die außergewöhnliche Festigkeit und Härte dieses Materials eine fehlerfreie Funktionalität.

Abschließend

MIM 17-4 PH ermöglicht erstaunliche Fortschritte bei der Optimierung der Struktureigenschaften. Für zahlreiche geeignete Anwendungen bietet es eine Vielzahl attraktiver Kombinationen von Sintereigenschaften. Die Sintertemperatur ist der wichtigste Faktor für die endgültigen Eigenschaften im Vergleich zu Pulvertyp, Partikelgröße, Gründichte, Haltedauer und anderen Parametern. Darüber hinaus beeinflusst die in Sintermaterialien vorhandene Phase die Sintereigenschaften.

Gleichzeitig beeinflussen die Wärmebehandlung nach dem Sintern, die Sinterdichte und die Phasenmorphologie die Eigenschaften. Während die Sinterdichte die Eigenschaften bestimmt, werden sie durch heißisostatisches Pressen (HIP) verbessert.

Metallspritzguss (MIM) wird mit Edelstahl 17-4 PH immer fortschrittlicher. Um weitere Anwendungsmöglichkeiten für gesinterten 17-4 PH zu bieten, stützt sich JHMIM auf die MIM-Technologiebasis.