matériau mim acier inoxydable 17-4

Aperçu du MIM 17-4 PH

Conforme à la norme AISI 17-4 PH, l'acier inoxydable MIM 17-4 PH est un acier martensitique à durcissement structural. Il se distingue par une combinaison de résistance à la corrosion et de qualités mécaniques.

L'un des matériaux MIM les plus utilisés dans le injection de métal Le secteur du moulage utilise l'acier inoxydable 17-4 PH. Ce métal présente un excellent compromis entre résistance à la corrosion, dureté et robustesse. Les qualités exceptionnelles du 17-4 permettent la fabrication de pièces complexes et résistantes. De plus, un durcissement secondaire est obtenu lors du frittage par modification de certains paramètres.

Comme l'acier 17-4 PH résiste à la corrosion de manière similaire à l'acier 304L, il est fréquemment utilisé dans les applications nécessitant des propriétés mécaniques.

De plus, le MIM-17-4 PH est identifié par UNS S17400, AISI 630, ASTM A564, AMS 5643 et acier inoxydable 17-4 PH.

 

Composition chimique

La composition chimique de l'acier inoxydable 17-4 est indiquée ci-dessous, avec les éléments et leurs pourcentages pondéraux respectifs :

• Fer (Fe) : Solde (partie restante)
• Nickel (Ni) : 3,00-5,00%
• Silicium (Si) : 1,00%
• Carbone (C) : 0,07%
• Chrome (Cr) : 15,50-17,50%
• Niobium (Nb) : 0,15-0,45%
• Manganèse (Mn) : 1,00%
• Cuivre (Cu) : 3,00-5,00%
• Soufre (S) : 0,03%

Sa composition garantit la résistance du matériau, sa résistance à la corrosion et d'autres propriétés adaptées à diverses applications industrielles.

L'acier inoxydable 17-4 PH moulé par injection (MIM) présente généralement des qualités mécaniques inférieures de 10 à 25 % à celles de l'acier inoxydable 17-4 PH forgé. Les principales causes sont les suivantes :

Les défauts de frittage comprennent des impuretés de carbone persistantes, des pores et des grains résiduels.
Perte d'éléments due à l'évaporation : Cr, Cu et Ni.
Inclusions d'impuretés : O, C et N.

Lors du frittage, la phase austénitique cubique à faces centrées est stabilisée par le carbone et l'azote. En revanche, la ferrite delta cubique centrée accélère le frittage. L'acier inoxydable 17-4PH subit des réactions de précipitation qui lui confèrent une dureté et une résistance élevées, tandis que la ferrite delta résiduelle diminue sa résistance. De plus, de la martensite se forme lors du refroidissement après frittage.

Un élément clé de Produit MimL'oxygène est un élément essentiel. La surface initiale des poudres d'acier inoxydable recouvertes d'oxydes est élevée, et la quantité d'oxygène varie selon le procédé de fabrication. Un taux d'oxygène élevé dans les pièces en acier inoxydable 17-4 PH fabriquées par moulage par injection de métal (MIM) entraîne une faible résistance à la corrosion et des caractéristiques mécaniques inférieures, car ces oxydes neutralisent l'effet anticorrosion du chrome.

 

Les propriétés typiques

Le procédé MIM est une technique sophistiquée permettant de fabriquer des pièces complexes en acier inoxydable haute performance. La température maximale, la vitesse de chauffage, l'environnement, la durée de maintien et la granulométrie de la poudre influencent le frittage de l'acier inoxydable 17-4 PH. De nombreux facteurs influent sur la composition de l'alliage 17-4 PH, ce qui a un impact sur les phases de la microstructure, le comportement au frittage et les caractéristiques finales. L'azote provenant de l'atmosphère de procédé, l'oxygène de la poudre ou de l'atmosphère et le carbone de la poudre ou du liant sont les principaux composants.

 

L'équilibre idéal entre résistance, dureté et résistance à la corrosion fait du 17-4 PH un choix populaire. Les produits des secteurs de l'électronique, de la dentisterie, de la médecine et de l'aérospatiale apprécient ce mélange de qualités après traitement thermique. Ses propriétés varient selon sa composition, notamment en Fe, Ni, Cu et Cr. La température de solidus est d'environ 1405 °C et celle de liquidus d'environ 1440 °C. Les propriétés mécaniques sont sensibles au traitement thermique : l'allongement à la rupture varie de 8 à 14 %, la limite d'élasticité de 760 à 1240 MPa, la résistance à la traction de 1000 à 1340 MPa et la dureté atteint 43 HRC.

 

L'acier inoxydable 17-4 PH, grâce à son exceptionnelle combinaison de résistance, de dureté et de résistance à la corrosion, est un matériau de choix dans l'industrie du moulage par injection de métal. L'acier inoxydable martensitique le plus couramment durci par précipitation est le 17-4 PH.

• Grande force
• Extrêmement dur
• Excellente résistance à la corrosion
• Résistance aux fractures
• caractéristiques du traitement thermique et du soudage

 

Effets du liant et du déliant

Pour le moulage par injection d'acier inoxydable 17-4 PH, de nombreux systèmes de liants sont utilisés ; les plus populaires sont composés de 60 % de charge, 30 % de structure et 10 % de tensioactif.

Comme les résidus de liant modifient les teneurs finales en oxygène et en carbone, le déliantage influe sur les caractéristiques finales. La dépolymérisation ou l'extraction par solvant constitue la première étape du déliantage ; par exemple, la paraffine se dissout dans l'heptane et le polyéthylène glycol dans l'eau chaude. De plus, l'acide nitrique fumant est utilisé lors du déliantage catalytique pour éliminer le polyoxyméthylène. La meilleure façon d'éliminer le liant lors de la seconde étape du déliantage est de maintenir le matériau à une température de 600 à 1 000 °C sous atmosphère d'hydrogène. Cette phase est parfois appelée phase d'amorçage du frittage.

 

Impact des paramètres de frittage

Plusieurs variables interagissent lors du frittage de l'acier inoxydable 17-4 PH et déterminent sa densité, sa phase, sa microstructure et ses caractéristiques finales. Les quatre principaux paramètres de l'analyse statistique sont le traitement thermique, l'atmosphère de frittage, la concentration initiale en oxygène et la granulométrie.

La température de frittage est le facteur qui influence le plus la densité du produit fritté.

 

La taille des particules

La diffusion de surface est le processus par lequel se forme la première liaison entre les particules lors du frittage ; une particule plus petite, présentant une surface spécifique plus importante, renforcera la liaison initiale. L'adhérence des particules du polymère principal est remplacée par une liaison par diffusion de surface après la pyrolyse du liant. La diffusion aux joints de grains nécessite la croissance des ponts intergranulaires à mesure que la liaison par frittage entre les particules métalliques augmente, afin de créer des joints de grains. Lors de la formation du joint de grain, la taille des grains joue un rôle majeur dans le frittage dès le début du retrait, et elle a un effet inverse sur la vitesse de frittage. Cependant, l'impact de la taille initiale des particules peut être compensé par des températures maximales plus élevées ou des temps de maintien plus longs.

 

L'atmosphère

Dans le cas de l'acier inoxydable, les options standard d'environnement de frittage comprennent le vide, l'hydrogène, l'azote, l'hydrogène-azote et l'argon-hydrogène.


Les deux atmosphères de frittage les plus courantes pour l'acier inoxydable 17-4 PH sont l'hydrogène et le vide. L'ajout de carbone entraîne une diminution notable de la teneur en oxyde. Le silicium et le chrome peuvent tous deux fixer l'oxygène sans ajout de carbone ni de graphite. La réduction de l'oxyde se produit à haute température et forte concentration d'hydrogène ; un point de rosée bas favorise ce processus. L'oxydation superficielle à froid qui survient après le frittage crée une couche passive de silicium, de fer et de chrome qui résiste à la corrosion.

L'azote, puissant stabilisateur d'austénite, influe sur le développement de la martensite et les caractéristiques finales de l'acier inoxydable. Lors du refroidissement, l'azote, soluble dans l'austénite, précipite sous forme de Cr₂N. Ce précipité appauvrit le chrome aux joints de grains, provoquant une corrosion localisée rapide. Il est donc impératif d'empêcher l'azote de pénétrer dans l'atmosphère de frittage et de refroidir les composants en dessous de 900 °C à une vitesse de 200 °C par minute, notamment pour l'acier inoxydable 17-4 PH, afin de prévenir la formation de nitrure de chrome.

Le graphite génère également de faibles pressions partielles de monoxyde de carbone dans les fours sous vide, ce qui explique le succès des fours sous vide à graphite pour le frittage sous vide. À 1 300 °C et sous une faible pression partielle de CO de 0,001, il permet la conversion de l'oxyde de chrome en chrome.

 

 

Température et vitesse de chauffage

Les cycles de frittage classiques comprennent des étapes d'élimination des impuretés et de combustion du liant, impliquant un chauffage et un maintien à différentes températures. Pour la réduction des impuretés, la température idéale se situe aux alentours de 1 000 °C, tandis que pour l'élimination complète du polymère, elle est proche de 600 °C.

L'acier inoxydable 17-4PH subit un retrait au frittage lors des essais de dilatométrie à un taux maximal d'environ 1250 °C, tandis que la pleine densité (98 %) nécessite une température maximale de 1300 °C. Le cuivre et le chrome s'évaporent cependant à ces températures élevées, ce qui peut entraîner une perte de résistance au traitement thermique et à la corrosion.

 

De plus, la synthèse de la ferrite delta est favorisée par des températures plus élevées ; grâce à une diffusion plus rapide, cette phase contribue à la densification finale. Des colonies blanches de ferrite delta et des zones sombres de pores d'oxyde circulaires sont visibles sur le graphique de microstructure suivant du MIM 17-4PH en cours de frittage.

La microstructure de l'acier inoxydable 1260 SS17-4 MIM

 

Contrôle du carbone

Lors du frittage, le carbone contribue également à la stabilisation de l'austénite. Une résistance et une dureté supérieures sont obtenues avec de faibles teneurs en carbone résiduel dans l'acier inoxydable 17-4, inférieures à 0,1 % en poids. Les phases, la densification et les caractéristiques mécaniques de l'acier inoxydable 17-4 PH sont toutes influencées par la variation de la teneur en carbone.

 

Le procédé MIM (moulage par injection de gaz) comprend plusieurs variables qui influencent la teneur en carbone : la poudre atomisée, les résidus de liant, le cycle de déliantage, l’environnement de frittage, la teneur initiale en oxygène et la température maximale de frittage. Le principal facteur déterminant la teneur finale en carbone lors du frittage est la teneur initiale en oxygène. Par exemple, une perte de 0,03 % de carbone est observée lors du frittage sous hydrogène de poudres atomisées 17-4 à 1 343 °C. De plus, notamment à basse température de frittage, les résidus de liant peuvent également être à l’origine d’une contamination par le carbone.

Lors du frittage sous hydrogène et sous vide, la résistance à la traction de l'acier inoxydable 17-4 est influencée par la teneur en carbone résiduel. Ceci est valable aussi bien pour les traitements thermiques H900 ou H1100 que pour le frittage standard entre 1300 et 1360 °C. L'image ci-dessous illustre la diminution notable de la résistance à la traction avec l'augmentation de la teneur en carbone.

 

Maintenir le temps

Lors du frittage, les temps de maintien à la température maximale se situent entre 60 et 120 minutes, comme l'indique le graphique de la densité après frittage en fonction de la température et du temps ci-dessous. Lorsque la température augmente de 1240 °C à 1360 °C, la densité progresse de 96,3 % à 98,3 %. Les pièces frittées atteignent leur densité maximale (98 %) après 60 minutes de maintien. La porosité est éliminée et le taux de disparition des pores diminue durant cette phase. La disparition des joints de grains et la fatigue des pores en sont les principales causes.

 

Avantages du MIM 17-4

Haute résistance à la corrosion
durcissement par vieillissement induit par traitement thermique
robustesse et durabilité industrielles
Résistance exceptionnelle à la chaleur
Idéal pour la géométrie complexe du MIM

 

Caractéristiques mécaniques

Pour les pièces structurelles, on utilise l'acier MIM 17-4 PH. Les caractéristiques comparables les plus recherchées sont la résistance, la dureté et l'allongement. Par ailleurs, la résistance à la fatigue, la limite d'élasticité et la ténacité à la rupture sont des paramètres qui dépendent de plusieurs variables de fabrication.

L'image ci-dessous résume les paramètres moyens du 17-4 PH d'après une analyse statistique de plusieurs projets MIM. Les paramètres de frittage expliquent environ 60 % de la variation des propriétés.

 

Selon la norme industrielle MIM, l'acier inoxydable 17-4 PH doit présenter une résistance à la traction minimale de 790 MPa et une dureté de 27 HRC après frittage, et une dureté de 1070 MPa et une dureté de 33 HRC après traitement thermique. Un allongement de 4 % est requis dans les deux cas. La résistance à la traction de l'acier inoxydable 17-4 PH après frittage à 1350 °C et traitement thermique H900 est de 1280 MPa pour la poudre atomisée au gaz et de 1136 MPa pour la poudre atomisée à l'eau. Il est à noter que la poudre atomisée au gaz permet d'atteindre une résistance à la traction de 1485 MPa après traitement thermique, avec un allongement de 9 %.

 

Résistance à la corrosion

Quatre types d'acier inoxydable fritté (304, 316, 430 et 17-4) sont soumis à des essais de corrosion standard dans diverses conditions. Les résultats montrent que l'acier 17-4 est le moins résistant. De plus, la porosité des composants frittés induisant une corrosion localisée par polarisation de concentration, les matériaux forgés présentent une meilleure résistance à la corrosion que les matériaux frittés. Le frittage sous hydrogène et la pulvérisation de poudre gazeuse sont deux techniques courantes pour améliorer la résistance à la corrosion, l'oxygène résiduel constituant un inconvénient.

La résistance à la corrosion est également liée à la biocompatibilité. Comparé aux alliages de titane et de cobalt, l'acier inoxydable 17-4 PH présente une bonne cytotoxicité, mais sa biocompatibilité globale est moins avantageuse.

 

Marché des applications PH pour MIM 17-4

L'acier inoxydable 17-4 PH offre des qualités mécaniques exceptionnelles jusqu'à 350 °C. De plus, sa durabilité le rend idéal pour la fabrication de vases et les soudures ; un chauffage bref à basse température permet de limiter les déformations et l'oxydation.

Grâce à sa résistance supérieure à la corrosion et à la chaleur, l'acier inoxydable 17-4 de qualité aérospatiale est un excellent choix pour les applications aérospatiales. La grande pureté et la densification de la poudre garantissent la durée de vie des produits MIM 17-4 et minimisent les variations d'erreur.

Véhicules
L'acier inoxydable 17-4 est le matériau le plus utilisé dans la production automobile en raison de sa facilité de mise en forme. Grâce à sa grande durabilité, la technologie de moulage par injection de métal permet également de réaliser des géométries complexes.

Clients
Grâce à son exceptionnelle résistance à la corrosion, l'acier 17-4 est largement utilisé dans les applications grand public faisant appel à la technologie MIM. De plus, sa résistance et sa dureté exceptionnelles garantissent un fonctionnement sans faille.

En conclusion

Le MIM 17-4 PH permet d'optimiser considérablement les propriétés structurales. Pour de nombreuses applications appropriées, il offre diverses combinaisons intéressantes de propriétés après frittage. La température de frittage est le principal facteur déterminant des caractéristiques finales, comparativement au type de poudre, à la granulométrie, à la densité à cru, à la durée de maintien et à d'autres paramètres. De plus, la phase présente dans les matériaux frittés influence leurs propriétés.

Par ailleurs, le traitement thermique post-frittage, la densité après frittage et la morphologie des phases influent sur les caractéristiques du matériau. Si la densité après frittage détermine ces caractéristiques, le pressage isostatique à chaud (PIC) les améliore.

Le moulage par injection de métal (MIM) est de plus en plus performant avec l'acier inoxydable 17-4 PH. Afin de proposer de nouvelles applications pour l'acier fritté 17-4 PH, JHMIM s'appuie sur la technologie MIM.