materiał mim stal nierdzewna 17-4

Przegląd MIM 17-4 PH

MIM 17-4 PH to stal nierdzewna martenzytyczna, utwardzana wydzieleniowo, zgodna z normą AISI 17-4 PH. Charakteryzuje się połączeniem odporności na korozję i właściwości mechanicznych.

Jeden z najczęściej stosowanych materiałów MIM w wtrysk metalu W sektorze formowania wtryskowego stosuje się stal nierdzewną 17-4 PH. Metal ten charakteryzuje się doskonałym połączeniem odporności na korozję, twardości i wytrzymałości. Wyjątkowe właściwości stali 17-4 umożliwiają produkcję złożonych elementów o wysokiej wytrzymałości. Ponadto, w procesie spiekania przeprowadza się wtórne hartowanie poprzez modyfikację określonych parametrów.

Ponieważ stop 17-4 PH jest odporny na korozję podobnie jak 304L, jest często stosowany w zastosowaniach wymagających właściwości mechanicznych.

Ponadto MIM-17-4 PH jest identyfikowany zgodnie z normami UNS S17400, AISI 630, ASTM A564, AMS 5643 i stalą nierdzewną 17-4 PH.

 

Skład chemikaliów

Poniżej przedstawiono skład chemiczny stali nierdzewnej 17-4 wraz z pierwiastkami i ich odpowiednimi procentami wagowymi:

• Żelazo (Fe): Saldo (pozostała część)
• Nikiel (Ni): 3,00-5,00%
• Krzem (Si): 1,00%
• Węgiel (C): 0,07%
• Chrom (Cr): 15,50-17,50%
• Niob (Nb): 0,15-0,45%
• Mangan (Mn): 1,00%
• Miedź (Cu): 3,00-5,00%
• Siarka (S): 0,03%

Skład zapewnia wytrzymałość materiału, odporność na korozję i inne właściwości przydatne w różnych zastosowaniach przemysłowych.

Stal nierdzewna MIM 17-4 PH ma zazwyczaj właściwości mechaniczne o 10–25% gorsze niż stal nierdzewna 17-4 PH do obróbki plastycznej. Główne przyczyny to:

Wadami spiekania są pozostające zanieczyszczenia węglowe, zatrzymane pory i ziarna.
Utrata pierwiastków: Cr, Cu i Ni na skutek parowania.
Zawartość zanieczyszczeń: O, C i N.

Wraz ze spowalnianiem spiekania, faza austenitu sześciennego centrowanego na powierzchni jest stabilizowana przez węgiel i azot. Z drugiej strony, sześcienny ferryt delta centrowany na powierzchni przyspiesza tempo spiekania. Stal nierdzewna 17-4PH ulega reakcjom wydzieleniowym, które skutkują wysoką twardością i wytrzymałością, podczas gdy resztkowy ferryt delta obniża wytrzymałość. Dodatkowo, podczas fazy chłodzenia po spiekaniu powstaje martenzyt.

Kluczowy element Produkt Mims to tlen. Początkowa powierzchnia proszków stali nierdzewnej powlekanych tlenkami jest duża, a ilość tlenu zmienia się w zależności od metody produkcji proszku. Wysoki poziom tlenu w elementach MIM 17-4 PH prowadzi do niskiej odporności na korozję i gorszych właściwości mechanicznych, ponieważ tlenki te pozbawiają chrom zdolności hamowania korozji.

 

Typowe właściwości

MIM to zaawansowana technika tworzenia skomplikowanych, wysokowydajnych elementów ze stali nierdzewnej. Temperatura szczytowa, szybkość nagrzewania, środowisko, czas utrzymywania oraz wielkość cząstek proszku wpływają na proces spiekania stali nierdzewnej 17-4 PH. Na skład stopu 17-4 PH wpływa wiele czynników, co z kolei wpływa na fazy mikrostruktury, proces spiekania i ostateczne właściwości. Głównymi składnikami są azot z atmosfery procesowej, tlen z proszku lub atmosfery oraz węgiel z proszku lub spoiwa.

 

Idealna równowaga między wytrzymałością, twardością i odpornością na korozję sprawia, że ​​17-4 PH jest popularnym wyborem. Produkty z branży elektronicznej, stomatologicznej, medycznej i lotniczej znajdują to połączenie właściwości atrakcyjnych po obróbce cieplnej. Różnią się one w zależności od składu, ze zmianami zawartości Fe, Ni, Cu i Cr. Temperatura solidusu wynosi około 1405°C, a likwidusu około 1440°C. Właściwości mechaniczne są wrażliwe na obróbkę cieplną; wydłużenie przy zerwaniu waha się od 8 do 14%, granica plastyczności od 760 do 1240 MPa, wytrzymałość na rozciąganie od 1000 do 1340 MPa, a twardość sięga 43 HRC.

 

Wyjątkowe połączenie wytrzymałości, twardości i odporności na korozję sprawia, że ​​stal nierdzewna 17-4 PH jest preferowanym wyborem w branży formowania wtryskowego metali. Martenzytyczna stal nierdzewna, która jest najczęściej utwardzana wydzieleniowo, to 17-4 PH.

• Wielka siła
• Bardzo trudne
• Doskonała odporność na korozję
• Wytrzymałość na pęknięcia
• charakterystyka obróbki cieplnej i spawania

 

Efekty spoiwa i usuwania spoiwa

Do formowania wtryskowego stali nierdzewnej 17-4 PH stosuje się wiele układów spoiw; najpopularniejsze z nich to 60% wypełniacza, 30% szkieletu i 10% środka powierzchniowo czynnego.

Ponieważ resztki składników lepiszcza zmieniają końcowy poziom tlenu lub węgla, proces debindowania ma wpływ na końcowe właściwości. Depolimeryzacja, czyli ekstrakcja rozpuszczalnikiem, to początkowy etap debindowania; na przykład parafina rozpuszcza się w heptanie, a glikol polietylenowy w gorącej wodzie. Ponadto, w katalitycznym debindowaniu stosuje się dymiący kwas azotowy w celu usunięcia polioksymetylenu. Najlepszym sposobem na usunięcie lepiszcza w drugim etapie debindowania jest jego przetrzymanie w temperaturze od 600 do 1000°C w środowisku wodorowym. Ten etap jest czasami nazywany etapem rozpoczęcia spiekania.

 

Wpływ parametrów spiekania

Podczas spiekania stali nierdzewnej 17-4 PH oddziałuje na siebie szereg zmiennych, które definiują końcową gęstość, fazę, mikrostrukturę i właściwości. Cztery główne elementy analizy statystycznej to obróbka cieplna, atmosfera spiekania, początkowe stężenie tlenu i wielkość cząstek.

Temperatura spiekania ma największy wpływ na gęstość spieku.

 

Wielkość cząsteczek

Dyfuzja powierzchniowa to proces, w którym następuje pierwsze wiązanie cząstek podczas spiekania; mniejsza cząstka o większej powierzchni wzmocni początkowe wiązanie. Adhezja cząstek polimeru szkieletowego zostanie zastąpiona wiązaniem dyfuzyjnym powierzchniowym po pirolizie spoiwa. Dyfuzja granic ziaren wymaga wzrostu szyjki, ponieważ wiązania spiekowe między cząstkami metalu rosną, aby utworzyć granice ziaren między cząstkami. Po utworzeniu granicy ziaren, rozmiar ziarna odgrywa kluczową rolę w spiekaniu, gdy rozpoczyna się skurcz, i ma odwrotny wpływ na szybkość spiekania. Jednakże wpływ początkowej wielkości cząstek można zniwelować poprzez wyższe temperatury szczytowe lub dłuższe czasy przetrzymywania.

 

Atmosfera

W przypadku stali nierdzewnej standardowe opcje środowiska spiekania obejmują próżnię, wodór, azot, wodór-azot i argon-wodór.


Dwie najpopularniejsze atmosfery spiekania stali nierdzewnej 17-4 PH to wodór i próżnia. Dodanie węgla powoduje zauważalny spadek zawartości tlenków. Zarówno krzem, jak i chrom mogą wiązać tlen bez dodatku węgla w graficie. Redukcja tlenków zachodzi w wysokiej temperaturze i przy wysokim stężeniu wodoru; niski punkt rosy gwarantuje ten proces. Utlenianie powierzchni na zimno, które następuje po spiekaniu, tworzy pasywną powłokę krzemu, żelaza i chromu, odporną na korozję.

Jako silny stabilizator austenitu, azot wpływa na rozwój martenzytu i ostateczne właściwości stali nierdzewnej. Podczas chłodzenia azot, rozpuszczalny w austenicie, wytrąca się w postaci Cr2N. Chrom w obszarze granic ziaren zostanie wyczerpany przez ten osad, co spowoduje szybką korozję lokalną. W związku z tym należy zapobiec przedostawaniu się azotu do atmosfery spiekania i schładzać elementy poniżej 900°C z szybkością 200°C na minutę w stali nierdzewnej 17-4 PH, aby zapobiec powstawaniu azotku chromu.

Grafit wytwarza również niskie ciśnienia parcjalne tlenku węgla w piecach próżniowych, dlatego grafitowe piece próżniowe sprawdzają się w spiekaniu próżniowym. W temperaturze 1300°C i przy niskim ciśnieniu parcjalnym CO wynoszącym 0,001, grafit może przekształcić tlenek chromu w chrom.

 

 

Temperatura i szybkość nagrzewania

Typowe cykle spiekania obejmują procesy eliminacji zanieczyszczeń i wypalania spoiwa, które obejmują nagrzewanie i utrzymywanie w różnych temperaturach. Idealna temperatura dla redukcji zanieczyszczeń wynosi około 1000°C, a dla całkowitego usunięcia polimeru około 600°C.

Stal nierdzewna 17-4PH ulega skurczowi spiekowemu w badaniu dylatometrycznym z maksymalną szybkością około 1250°C, podczas gdy dla pełnej gęstości (98%) wymagana jest temperatura szczytowa 1300°C. Miedź i chrom będą jednak parować w tych wysokich temperaturach, co może prowadzić do utraty odporności na obróbkę cieplną i korozję.

 

Dodatkowo, synteza ferrytu delta jest wspomagana przez wyższe temperatury; dzięki szybszej dyfuzji faza ta wspomaga ostateczne zagęszczenie. Na poniższym wykresie mikrostruktury MIM 17-4PH po spiekaniu widoczne są białe kolonie ferrytu delta i ciemne obszary okrągłych porów tlenkowych.

Mikrostruktura 1260 SS17-4 MIM

 

Kontrola węgla

W procesie spiekania węgiel jest kolejnym stabilizatorem austenitu. Wyższa wytrzymałość i twardość zostaną osiągnięte dzięki niskiej zawartości węgla resztkowego w stali 17-4, poniżej 0,1% wagowo. Zmiana zawartości węgla będzie miała wpływ na fazy, zagęszczenie i właściwości mechaniczne stali nierdzewnej 17-4 PH.

 

Na zawartość węgla w procesie MIM wpływają między innymi: rozpylony proszek, pozostałości spoiwa, cykl usuwania lepiszcza, środowisko spiekania, początkowy tlen oraz szczytowa temperatura spiekania. Głównym czynnikiem decydującym o ostatecznej zawartości węgla podczas spiekania jest początkowy poziom tlenu. Na przykład, podczas spiekania wodorowego rozpylonych proszków 17-4 w temperaturze 1343°C traci się 0,03% węgla. Ponadto, szczególnie w niższych temperaturach spiekania, pozostałości spoiwa mogą również powodować zanieczyszczenie węglem.

W procesie spiekania wodorowego i próżniowego, wytrzymałość na rozciąganie stali nierdzewnej 17-4 zależy od ilości zatrzymywanego węgla. Zarówno w procesie obróbki cieplnej H900 lub H1100, jak i w procesie standardowego spiekania w temperaturze 1300–1360°C. Poniższy rysunek ilustruje, jak wyraźnie spada wytrzymałość na rozciąganie wraz ze wzrostem zawartości węgla.

 

Utrzymywanie czasu

Podczas spiekania, czas wygrzewania w najwyższej temperaturze mieści się w przedziale od 60 do 120 minut, co wynika z poniższego wykresu gęstości spieku w funkcji temperatury i czasu. Wraz ze wzrostem temperatury od 1240°C do 1360°C, gęstość wzrasta z 96,3% do 98,3%. Wypraski spiekane osiągają pełną gęstość (98%) po 60 minutach wygrzewania. W tej fazie usuwana jest porowatość, a tempo anihilacji porów maleje. Głównymi przyczynami są utrata granic ziaren i zmęczenie porów.

 

Korzyści z MIM 17-4

Wysoka odporność na korozję
Utwardzanie starzeniowe wywołane obróbką cieplną
Wytrzymałość i trwałość przemysłowa
Wyjątkowa odporność na ciepło
Idealny do skomplikowanej geometrii MIM

 

Charakterystyka mechaniczna

W przypadku elementów konstrukcyjnych stosuje się materiał MIM 17-4 PH. Do najczęściej porównywanych cech należą wytrzymałość, twardość i wydłużenie. Ponadto zmęczenie materiału, granica plastyczności i odporność na pękanie to parametry, na które wpływa wiele zmiennych procesowych.

Poniższy rysunek podsumowuje średnie parametry 17-4 PH na podstawie analizy statystycznej kilku projektów MIM. Parametry spiekania odpowiadają za około 60% zmienności właściwości.

 

Zgodnie z normą branżową MIM, stal nierdzewna 17-4 PH musi mieć minimalną wytrzymałość na rozciąganie 790 MPa, twardość 27 HRC po spiekaniu oraz twardość 1070 MPa i 33 HRC po obróbce cieplnej. Wydłużenie dla obu wynosi 4%. Wytrzymałość na rozciąganie stali nierdzewnej 17-4PH po spiekaniu w temperaturze 1350°C i obróbce cieplnej H900 wynosi 1280 MPa dla proszku rozpylanego gazowo i 1136 MPa dla proszku rozpylanego wodą. Należy zauważyć, że proszek rozpylany gazowo może osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie po obróbce cieplnej 1485 MPa przy wydłużeniu 9%.

 

Odporność na korozję

Cztery rodzaje spiekanej stali nierdzewnej (304, 316, 430 i 17-4) poddano standardowym testom korozyjnym w różnych warunkach. Wyniki pokazują, że stal 17-4 jest najmniej odporna na te warunki. Ponadto, ponieważ pory w spiekanych elementach powodują miejscową korozję poprzez polaryzację stężeniową, materiał poddany obróbce plastycznej jest bardziej odporny na korozję niż materiał spiekany. Spiekanie wodorowe i rozpylanie proszku gazem to dwie popularne techniki poprawy odporności na korozję, ponieważ obecność tlenu resztkowego jest wadą.

Odporność na korozję jest również związana z biozgodnością. W porównaniu ze stopami tytanu i kobaltu, stal nierdzewna 17-4 PH charakteryzuje się dobrą cytotoksycznością, ale nie oferuje konkurencyjnej ogólnej biozgodności.

 

Rynek aplikacji PH dla MIM 17-4

Stal nierdzewna 17-4 PH zapewnia znakomite właściwości mechaniczne w temperaturach sięgających 350°C. Ponadto jest wystarczająco wytrzymała zarówno na metale szlachetne, jak i spoiny, a odkształcenia i zgorzeliny można ograniczyć poprzez krótkotrwałe podgrzewanie w niskiej temperaturze.

Ze względu na doskonałą odporność na korozję i wysoką temperaturę, stal nierdzewna 17-4 do zastosowań lotniczych jest doskonałym wyborem. Wysoka czystość proszku i jego zagęszczenie zapewniają długą żywotność produktów MIM 17-4 i minimalizują ryzyko wystąpienia błędów.

Pojazdy
Najczęściej stosowanym materiałem w produkcji samochodów jest stal nierdzewna 17-4, ponieważ można ją łatwo obrabiać w celu uzyskania różnorodnych kształtów. Dzięki znacznej trwałości technologia formowania wtryskowego metali zwiększa również jej możliwości w zakresie skomplikowanych geometrii.

Klienci
Ze względu na wyjątkową odporność na korozję, stal 17-4 jest szeroko stosowana w zastosowaniach konsumenckich wykorzystujących technologię MIM. Co więcej, wyjątkowa wytrzymałość i twardość tego materiału gwarantują bezbłędne działanie.

Podsumowując

MIM 17-4 PH stanowi niesamowity postęp w optymalizacji właściwości strukturalnych. W przypadku wielu odpowiednich zastosowań, oferuje on różnorodne, atrakcyjne kombinacje właściwości spiekanych. Temperatura spiekania jest głównym czynnikiem decydującym o końcowych właściwościach, w porównaniu z rodzajem proszku, wielkością cząstek, gęstością w stanie surowym, czasem utrzymywania i innymi parametrami. Ponadto, faza obecna w spiekanych materiałach wpływa na ich właściwości.

Tymczasem obróbka cieplna po spiekaniu, gęstość spieku i morfologia faz wpływają na właściwości. Podczas gdy gęstość spieku determinuje właściwości, prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) je poprawia.

Formowanie wtryskowe metali (MIM) staje się coraz bardziej zaawansowane dzięki stali nierdzewnej 17-4 PH. Aby zaoferować szersze zastosowanie spiekanego 17-4 PH, JHMIM opiera się na technologii MIM.