materiale mim acciaio inossidabile 17-4

Panoramica MIM 17-4 PH

Basato sullo standard AISI 17-4 PH, il MIM 17-4 PH è un acciaio inossidabile martensitico indurente per precipitazione. Si distingue per un mix di resistenza alla corrosione e qualità meccaniche.

Uno dei materiali MIM più ampiamente utilizzati nel iniezione di metallo Il settore dello stampaggio è l'acciaio inossidabile 17-4 PH. Questo metallo offre un'eccellente combinazione di resistenza alla corrosione, durezza e resistenza. Le eccezionali qualità del 17-4 consentono di realizzare pezzi complessi con un'ottima resistenza. Inoltre, durante il processo di sinterizzazione viene eseguito un indurimento secondario modificando determinati parametri.

Poiché il 17-4 PH resiste alla corrosione in modo simile al 304L, viene spesso utilizzato in applicazioni che richiedono proprietà meccaniche.

Inoltre, MIM-17-4 PH è identificato da UNS S17400, AISI 630, ASTM A564, AMS 5643 e acciaio inossidabile 17-4 PH.

 

Composizione delle sostanze chimiche

Di seguito è riportata la composizione chimica dell'acciaio inossidabile 17-4, con gli elementi e le rispettive percentuali in peso:

• Ferro (Fe): Saldo (parte rimanente)
• Nichel (Ni): 3,00-5,00%
• Silicon (Si): 1,00%
• Carbonio (C): 0,07%
• Cromo (Cr): 15,50-17,50%
• Niobio (Nb): 0,15-0,45%
• Manganese (Mn): 1,00%
• Rame (Cu): 3,00-5,00%
• Zolfo (S): 0,03%

La composizione garantisce la robustezza del materiale, la resistenza alla corrosione e altre proprietà adatte a varie applicazioni industriali.

L'acciaio inossidabile MIM 17-4 PH presenta in genere qualità meccaniche inferiori del 10-25% rispetto all'acciaio 17-4 PH lavorato. Le cause principali includono:

I difetti di sinterizzazione includono impurità di carbonio persistenti, pori e grani trattenuti.
Perdita di elementi indotta dall'evaporazione: Cr, Cu e Ni.
Inclusione di impurità: O, C e N.

Con il rallentamento della sinterizzazione, la fase austenitica cubica a facce centrate viene stabilizzata da componenti di carbonio e azoto. D'altra parte, la ferrite delta cubica a corpo centrato accelera il ritmo di sinterizzazione. L'acciaio inossidabile 17-4PH subisce reazioni di precipitazione che si traducono in elevata durezza e resistenza, mentre la ferrite delta residua ne riduce la resistenza. Inoltre, durante la fase di raffreddamento dopo la sinterizzazione si forma martensite.

Un componente chiave di Prodotto Mims è ossigeno. L'area superficiale iniziale delle polveri di acciaio inossidabile rivestite con ossidi è elevata e la quantità di ossigeno varia a seconda del metodo di produzione della polvere. Livelli elevati di ossigeno nei componenti in MIM 17-4 PH comportano una scarsa resistenza alla corrosione e caratteristiche meccaniche inferiori, poiché questi ossidi riducono la capacità del cromo di inibire la corrosione.

 

Le proprietà tipiche

Una tecnica sofisticata per la creazione di componenti in acciaio inossidabile complessi e ad alte prestazioni è la fusione MIM. La temperatura di picco, la velocità di riscaldamento, l'ambiente, la durata della permanenza e la granulometria della polvere influenzano il modo in cui l'acciaio inossidabile 17-4 PH sinterizza. Numerosi fattori influenzano la composizione della lega 17-4 PH, che a sua volta influenza le fasi della microstruttura, il comportamento di sinterizzazione e le caratteristiche finali. L'azoto presente nell'atmosfera di processo, l'ossigeno presente nella polvere o nell'atmosfera e il carbonio presente nella polvere o nel legante sono i componenti principali.

 

L'equilibrio ideale tra resistenza, durezza e resistenza alla corrosione rende il 17-4 PH una scelta popolare. I prodotti nei settori dell'elettronica, dell'odontoiatria, della medicina e dell'aerospaziale trovano questo mix di qualità interessante dopo il trattamento termico. Le proprietà meccaniche variano a seconda della composizione, con variazioni di Fe, Ni, Cu e Cr. La temperatura del solidus è di circa 1405 °C e quella del liquidus di circa 1440 °C. Le qualità meccaniche sono sensibili al trattamento termico; l'allungamento a frattura varia dall'8 al 14%, il limite di snervamento da 760 a 1240 MPa, la resistenza alla trazione da 1000 a 1340 MPa e la durezza raggiunge i 43 HRC.

 

L'eccezionale combinazione di resistenza, durezza e resistenza alla corrosione rende l'acciaio inossidabile 17-4 PH la scelta preferita nel settore dello stampaggio a iniezione di metalli. L'acciaio inossidabile martensitico più comunemente temprato per precipitazione è il 17-4 PH.

• Grande forza
• Estremamente difficile
• Eccezionale resistenza alla corrosione
• Resistenza alle fratture
• caratteristiche del trattamento termico e della saldatura

 

Effetti del legante e del deceraggio

Per lo stampaggio a iniezione dell'acciaio inossidabile 17-4 PH vengono utilizzati molti sistemi leganti; i più diffusi sono quelli con il 60% di riempitivo, il 30% di struttura portante e il 10% di tensioattivo.

Poiché gli ingredienti leganti rimanenti alterano i livelli finali di ossigeno o carbonio, il debinding ha un impatto sulle caratteristiche finali. La depolimerizzazione o estrazione con solvente è la fase iniziale del debinding; ad esempio, la paraffina si dissolve in eptano e il polietilenglicole si dissolve in acqua calda. Inoltre, l'acido nitrico fumante viene utilizzato nel debinding catalitico per rimuovere il poliossimetilene. Il modo migliore per rimuovere il legante nella seconda fase del debinding è mantenerlo a una temperatura compresa tra 600 e 1000 °C in un ambiente con idrogeno. Questa fase è talvolta definita fase di avvio della sinterizzazione.

 

Impatto dei parametri di sinterizzazione

Durante la sinterizzazione dell'acciaio inossidabile 17-4 PH, diverse variabili interagiscono per definire la densità, la fase, la microstruttura e le caratteristiche finali. I quattro componenti principali dell'analisi statistica sono il trattamento termico, l'atmosfera di sinterizzazione, la concentrazione iniziale di ossigeno e la dimensione delle particelle.

La temperatura di sinterizzazione è quella che influenza maggiormente la densità sinterizzata.

 

La dimensione delle particelle

La diffusione superficiale è il processo mediante il quale avviene il primo legame delle particelle durante la sinterizzazione; una particella più piccola con una superficie maggiore rafforzerà il legame iniziale. L'adesione delle particelle del polimero principale verrà sostituita dal legame per diffusione superficiale una volta avvenuta la pirolisi del legante. La diffusione al bordo di grano richiede la crescita del collo man mano che il legame di sinterizzazione tra le particelle metalliche aumenta, al fine di creare bordi di grano tra le particelle. Quando si forma il bordo di grano, la dimensione del grano gioca un ruolo importante nella sinterizzazione quando inizia il ritiro e ha un effetto inverso sulla velocità di sinterizzazione. Tuttavia, l'impatto della dimensione iniziale delle particelle può essere contrastato da temperature di picco più elevate o tempi di mantenimento più lunghi.

 

L'atmosfera

Nell'acciaio inossidabile, le opzioni standard dell'ambiente di sinterizzazione includono vuoto, idrogeno, azoto, idrogeno-azoto e argon-idrogeno.


Le due atmosfere di sinterizzazione più diffuse per l'acciaio inossidabile 17-4 PH sono l'idrogeno e il vuoto. Si nota una notevole riduzione dell'ossido quando viene aggiunto carbonio. Sia il silicio che il cromo possono trattenere l'ossigeno senza l'aggiunta di carbonio della grafite. La riduzione dell'ossido avviene quando la temperatura è elevata e il livello di idrogeno è elevato; un basso punto di rugiada garantirà questo processo. L'ossidazione superficiale a freddo che si verifica dopo la sinterizzazione creerà un rivestimento passivo di silicio, ferro e cromo resistente alla corrosione.

Essendo un forte stabilizzatore dell'austenite, l'azoto influisce sullo sviluppo della martensite e sulle caratteristiche finali dell'acciaio inossidabile. Raffreddandosi, l'azoto, solubile nell'austenite, precipita come Cr₂N. Il cromo nella zona del bordo grano verrà impoverito da questo precipitato, causando rapidamente una corrosione localizzata. Di conseguenza, è necessario impedire all'azoto di entrare nell'atmosfera di sinterizzazione e raffreddare i componenti al di sotto di 900 °C a una velocità di 200 °C al minuto. nell'acciaio inossidabile 17-4 PH per prevenire la produzione di nitruro di cromo.

La grafite produce anche basse pressioni parziali di monossido di carbonio nei forni a vuoto, motivo per cui i forni a vuoto in grafite sono efficaci nella sinterizzazione sotto vuoto. A 1300 °C e una bassa pressione parziale di CO di 0,001, può convertire l'ossido di cromo in cromo.

 

 

Temperatura e velocità di riscaldamento

I cicli di sinterizzazione tipici includono processi di eliminazione delle impurità e di combustione del legante, che comportano il riscaldamento e il mantenimento a diverse temperature. Per la riduzione delle impurità, la temperatura ideale è prossima ai 1000 °C, mentre per la rimozione definitiva del polimero è prossima ai 600 °C.

L'acciaio inossidabile 17-4PH subisce un ritiro da sinterizzazione nei test dilatometrici a una temperatura massima di circa 1250 °C, mentre la densità massima (98%) richiede una temperatura massima di 1300 °C. Rame e cromo, tuttavia, evaporano a queste temperature elevate, causando forse una perdita di resistenza al trattamento termico e alla corrosione.

 

Inoltre, la sintesi della delta-ferrite è favorita da temperature più elevate; grazie alla diffusione più rapida, questa fase favorirà la densificazione finale. Colonie di delta-ferrite bianca e aree scure di pori di ossido circolari sono visibili nel seguente grafico della microstruttura del MIM 17-4PH in fase di sinterizzazione.

La microstruttura del MIM 1260 SS17-4

 

Controllo del carbonio

Durante il processo di sinterizzazione, il carbonio è un altro stabilizzante dell'austenite. Maggiore resistenza e durezza saranno ottenute con bassi livelli di carbonio trattenuto nell'acciaio inossidabile 17-4, inferiori allo 0,1% in peso. Le fasi, la densificazione e le caratteristiche meccaniche dell'acciaio inossidabile 17-4 PH saranno tutte influenzate dalla variazione del contenuto di carbonio.

 

La polvere atomizzata del processo MIM, i residui di legante, il ciclo di deceraggio, l'ambiente di sinterizzazione, l'ossigeno iniziale e la temperatura di picco di sinterizzazione sono alcune delle variabili che influenzano il contenuto di carbonio. Il principale fattore determinante del contenuto di carbonio finale durante la sinterizzazione è il livello iniziale di ossigeno. Ad esempio, durante la sinterizzazione a idrogeno di polveri atomizzate con gas 17-4 a 1343 °C si perde lo 0,03% di carbonio. Inoltre, soprattutto a temperature di sinterizzazione più basse, anche i residui di legante possono causare contaminazione da carbonio.

Nella sinterizzazione a idrogeno e sotto vuoto, la resistenza alla trazione dell'acciaio inossidabile 17-4 è influenzata dalle quantità di carbonio trattenute. Sia nel trattamento termico H900 o H1100, sia nella sinterizzazione standard a 1300-1360 °C. L'immagine seguente illustra come la resistenza alla trazione diminuisca sensibilmente all'aumentare del contenuto di carbonio.

 

Mantenere il tempo

Nella sinterizzazione, i tempi di mantenimento alla massima temperatura variano tra 60 e 120 minuti, come mostrato dal grafico seguente che mostra la densità di sinterizzazione in funzione della temperatura e del tempo. Man mano che la temperatura aumenta da 1240 °C a 1360 °C, la densità aumenta progressivamente dal 96,3% al 98,3%. I compatti di sinterizzazione raggiungono la piena densità (98%) dopo 60 minuti di mantenimento. La porosità viene rimossa e il tasso di annichilazione dei pori diminuisce durante questa fase. Le cause principali sono la perdita dei bordi dei grani e la fatica da porosità.

 

Vantaggi del MIM 17-4

Elevata resistenza alla corrosione
Indurimento dovuto all'invecchiamento indotto dal trattamento termico
Resistenza e durata industriale
Eccezionale resistenza al calore
Ideale per la geometria complicata del MIM

 

Caratteristiche meccaniche

Per quanto riguarda i dispositivi strutturali, viene utilizzato il MIM 17-4 PH. Le caratteristiche comparabili preferite sono resistenza, durezza e allungamento. Inoltre, fatica, limite di snervamento e tenacità alla frattura sono fattori che sono influenzati da diverse variabili di lavorazione.

L'immagine seguente riassume i parametri medi del 17-4 PH sulla base dell'analisi statistica di diversi progetti MIM. I parametri di sinterizzazione sono responsabili di circa il 60% della variazione delle proprietà.

 

Secondo lo standard industriale MIM, l'acciaio inossidabile 17-4PH deve avere una resistenza alla trazione minima di 790 MPa, una durezza di 27 HRC dopo la sinterizzazione e una durezza di 1070 MPa e 33 HRC dopo il trattamento termico. Entrambi i requisiti richiedono un allungamento del 4%. La resistenza alla trazione dell'acciaio inossidabile 17-4PH dopo la sinterizzazione a 1350 °C e il trattamento termico H900 è di 1280 MPa per la polvere atomizzata a gas e di 1136 MPa per la polvere atomizzata ad acqua. È importante notare che la polvere atomizzata a gas può raggiungere una resistenza alla trazione dopo trattamento termico di 1485 MPa con un allungamento del 9%.

 

Resistenza alla corrosione

Quattro tipi di acciaio inossidabile sinterizzato (304, 316, 430 e 17-4) vengono sottoposti a prove di corrosione standard in diverse situazioni. I risultati mostrano che il 17-4 è il meno resistente a queste condizioni. Inoltre, poiché i pori sui componenti sinterizzati causano corrosione locale per polarizzazione di concentrazione, il materiale lavorato è più resistente alla corrosione rispetto al materiale sinterizzato. La sinterizzazione a idrogeno e la polvere atomizzata a gas sono due tecniche diffuse per migliorare la resistenza alla corrosione, poiché l'ossigeno residuo rappresenta uno svantaggio.

La resistenza alla corrosione è anche correlata alla biocompatibilità. Rispetto alle leghe di titanio e cobalto, l'acciaio inossidabile 17-4 PH presenta una buona citotossicità, ma non offre una biocompatibilità complessiva competitiva.

 

Mercato delle applicazioni PH per MIM 17-4

L'acciaio inossidabile 17-4 PH offre eccezionali qualità meccaniche a temperature fino a 350 °C. Inoltre, è sufficientemente resistente sia per la produzione di metalli per vasi che per saldature, e deformazioni e scaglie possono essere ridotte riscaldandolo a bassa temperatura per un breve periodo.

Grazie alla sua superiore resistenza alla corrosione e al calore, l'acciaio inossidabile aerospaziale 17-4 è un'ottima scelta per le applicazioni aerospaziali. L'elevata purezza della polvere e la sua densificazione garantiscono la durata dei prodotti MIM 17-4 e riducono al minimo gli errori di produzione.

Veicoli
Il materiale più utilizzato nella produzione di automobili è l'acciaio inossidabile 17-4 perché è facile da lavorare in una varietà di forme. Grazie alla sua notevole durevolezza, la tecnologia di stampaggio a iniezione di metalli aumenta anche la sua capacità di realizzare geometrie complesse.

Clienti
Grazie alla sua eccezionale resistenza alla corrosione, il 17-4 è ampiamente utilizzato nelle applicazioni consumer che utilizzano la tecnologia MIM. Inoltre, l'eccezionale resistenza e durezza di questo materiale garantiscono una funzionalità impeccabile.

Insomma

MIM 17-4 PH compie passi da gigante nell'ottimizzazione delle proprietà strutturali. Offre una varietà di interessanti combinazioni di proprietà di sinterizzazione, adatte a numerose applicazioni. La temperatura di sinterizzazione è il principale fattore determinante per le caratteristiche finali, in relazione al tipo di polvere, alla granulometria, alla densità iniziale, alla durata di mantenimento e ad altri parametri. Inoltre, la fase presente nei materiali sinterizzati influenza le proprietà di sinterizzazione.

Nel frattempo, il trattamento termico post-sinterizzazione, la densità di sinterizzazione e la morfologia di fase influenzano le caratteristiche. Mentre la densità di sinterizzazione determina le caratteristiche, la pressatura isostatica a caldo (HIP) le migliora.

Lo stampaggio a iniezione di metallo (MIM) sta diventando sempre più avanzato con l'acciaio inossidabile 17-4 PH. Per offrire ulteriori applicazioni per il 17-4 PH sinterizzato, JHMIM si affida alla tecnologia MIM.