материал MIM нержавеющая сталь 17-4

Обзор MIM 17-4 PH

MIM 17-4 PH — это мартенситная дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь, изготовленная по стандарту AISI 17-4 PH. Она отличается сочетанием коррозионной стойкости и механических свойств.

Один из наиболее широко используемых материалов MIM в литье металла Для литья используется нержавеющая сталь марки 17-4 PH. Этот металл обладает отличным сочетанием коррозионной стойкости, твёрдости и прочности. Исключительные свойства стали 17-4 позволяют изготавливать сложные изделия с высокой прочностью. Кроме того, в процессе спекания путём изменения определённых параметров происходит вторичная закалка.

Поскольку сталь 17-4 PH устойчива к коррозии так же, как и 304L, ее часто используют в приложениях, требующих высоких механических свойств.

Кроме того, MIM-17-4 PH идентифицируется по стандартам UNS S17400, AISI 630, ASTM A564, AMS 5643 и нержавеющей стали 17-4 PH.

 

Состав химических веществ

Химический состав нержавеющей стали 17-4 с указанием элементов и их процентного содержания по массе приведен ниже:

• Железо (Fe): Баланс (оставшаяся часть)
• Никель (Ni): 3,00-5,00%
• Кремний (Si): 1,00%
• Углерод (С): 0,07%
• Хром (Cr): 15,50-17,50%
• Ниобий (Nb): 0,15-0,45%
• Марганец (Mn): 1,00%
• Медь (Cu): 3,00-5,00%
• Сера (S): 0,03%

Состав обеспечивает материалу прочность, коррозионную стойкость и другие свойства, пригодные для различных промышленных применений.

Механические свойства нержавеющей стали MIM 17-4 PH обычно на 10–25% хуже, чем у кованой стали 17-4 PH. Основные причины:

Дефекты спекания включают остаточные углеродные примеси, остаточные поры и зерна.
Потеря элементов в результате испарения: Cr, Cu и Ni.
Включение примесей: O, C и N.

При замедлении спекания гранецентрированная кубическая аустенитная фаза стабилизируется углеродом и азотом. С другой стороны, объёмноцентрированная кубическая дельта-ферритная фаза ускоряет спекание. В нержавеющей стали 17-4PH происходят реакции преципитации, которые обеспечивают высокую твёрдость и прочность, в то время как остаточный дельта-феррит снижает прочность. Кроме того, мартенсит образуется во время охлаждения после спекания.

Ключевой компонент Мим Продуктs — кислород. Первоначальная площадь поверхности порошков нержавеющей стали, покрытых оксидами, велика, а количество кислорода варьируется в зависимости от метода производства порошка. Высокое содержание кислорода в деталях из стали MIM 17-4 PH приводит к низкой коррозионной стойкости и ухудшению механических характеристик, поскольку эти оксиды снижают способность хрома ингибировать коррозию.

 

Типичные свойства

MIM – это сложная технология создания сложных, высокопроизводительных деталей из нержавеющей стали. Пиковая температура, скорость нагрева, окружающая среда, продолжительность выдержки и размер частиц порошка – всё это влияет на спекание нержавеющей стали 17-4 PH. Состав сплава 17-4 PH, который, в свою очередь, влияет на фазы микроструктуры, поведение при спекании и конечные характеристики, определяется множеством факторов. Основными компонентами являются азот из технологической атмосферы, кислород из порошка или атмосферы и углерод из порошка или связующего вещества.

 

Идеальный баланс прочности, твёрдости и коррозионной стойкости делает сталь 17-4 PH популярным выбором. Сочетание свойств, получаемых после термообработки, востребовано в электронике, стоматологии, медицине и аэрокосмической промышленности. Температура солидуса составляет около 1405 °C, а ликвидуса — около 1440 °C. Механические свойства стали зависят от термообработки: относительное удлинение при разрыве составляет от 8 до 14%, предел текучести — от 760 до 1240 МПа, предел прочности на разрыв — от 1000 до 1340 МПа, а твёрдость достигает 43 HRC.

 

Исключительное сочетание прочности, твёрдости и коррозионной стойкости делает нержавеющую сталь 17-4 PH предпочтительным выбором для литья металлов под давлением. Мартенситная нержавеющая сталь 17-4 PH, которая чаще всего подвергается дисперсионному твердению, — это сталь.

• Великая сила
• Очень сложно
• Превосходная стойкость к коррозии
• Прочность на изломы
• характеристики термообработки и сварки

 

Эффекты связующего вещества и удаления связующего вещества

Для литья под давлением нержавеющей стали 17-4 PH используется множество связующих систем; наиболее популярными являются системы, содержащие 60% наполнителя, 30% основы и 10% поверхностно-активного вещества.

Поскольку остаточные связующие ингредиенты изменяют конечные уровни кислорода или углерода, удаление связующего влияет на конечные характеристики. Деполимеризация или экстракция растворителем является начальным этапом удаления связующего; например, парафин растворяется в гептане, а полиэтиленгликоль — в горячей воде. Кроме того, при каталитическом удалении связующего для удаления полиоксиметилена используется дымящая азотная кислота. Лучший способ удаления связующего на втором этапе удаления связующего — выдержка при температуре от 600 до 1000 °C в водородной среде. Эту фазу иногда называют стадией начала спекания.

 

Влияние параметров спекания

В процессе спекания нержавеющей стали 17-4 PH взаимодействие ряда переменных определяет конечную плотность, фазовый состав, микроструктуру и характеристики. Четырьмя основными компонентами статистического анализа являются термическая обработка, атмосфера спекания, начальная концентрация кислорода и размер частиц.

Температура спекания оказывает наибольшее влияние на плотность спеченного материала.

 

Размер частиц

Поверхностная диффузия – это процесс, посредством которого происходит первичное связывание частиц во время спекания; меньшие по размеру частицы с большей площадью поверхности укрепят начальное связывание. Адгезия частиц основного полимера сменится поверхностной диффузией после пиролиза связующего. Зерноградерная диффузия требует роста шейки, поскольку спекание металлических частиц усиливается для создания межзеренных границ. При формировании межзеренной границы размер зерна играет важную роль в спекании, когда начинается усадка, и оказывает обратное влияние на скорость спекания. Однако влияние начального размера частиц может быть нейтрализовано более высокими пиковыми температурами или более длительным временем выдержки.

 

Атмосфера

При спекании нержавеющей стали стандартными вариантами среды являются вакуум, водород, азот, водород-азот и аргон-водород.


Две наиболее распространённые атмосферы для спекания нержавеющей стали 17-4 PH — водород и вакуум. При добавлении углерода наблюдается заметное снижение содержания оксида. Кремний и хром способны удерживать кислород без добавления углерода, например, графита. Восстановление оксида происходит при высокой температуре и высоком содержании водорода; низкая точка росы гарантирует этот процесс. Холодное окисление поверхности, происходящее после спекания, создаёт пассивное покрытие из кремния, железа и хрома, устойчивое к коррозии.

Азот, являясь сильным стабилизатором аустенита, влияет на формирование мартенсита и конечные характеристики нержавеющей стали. При охлаждении азот, растворимый в аустените, выделяется в виде Cr2N. Хром в межзеренной области будет обеднен этим выделением, что приведет к быстрому развитию локальной коррозии. В связи с этим необходимо предотвратить попадание азота в атмосферу спекания и охлаждать детали до температуры ниже 900 °C со скоростью 200 °C в минуту. В нержавеющей стали 17-4 PH для предотвращения образования нитрида хрома.

Графит также создаёт низкое парциальное давление оксида углерода в вакуумных печах, поэтому графитовые вакуумные печи успешно применяются для вакуумного спекания. При температуре 1300 °C и низком парциальном давлении CO, равном 0,001, графит способен преобразовывать оксид хрома в хром.

 

 

Температура и скорость нагрева

Типичные циклы спекания включают процессы удаления примесей и выжигания связующего, которые включают нагрев и выдержку при различных температурах. Для удаления примесей идеальная температура составляет около 1000 °C, а для полного удаления полимера — около 600 °C.

Нержавеющая сталь 17-4PH при дилатометрических испытаниях испытывает усадку при спекании при пиковой температуре около 1250 °C, тогда как для достижения полной плотности (98%) требуется пиковая температура 1300 °C. Однако медь и хром при таких высоких температурах испаряются, что может привести к снижению термостойкости и коррозионной стойкости.

 

Кроме того, синтезу дельта-феррита способствуют более высокие температуры; благодаря более быстрой диффузии эта фаза способствует окончательному уплотнению. На следующем микрографе структуры MIM 17-4PH после спекания видны белые колонии дельта-феррита и темные области круглых оксидных пор.

Микроструктура стали 1260 SS17-4 MIM

 

Контроль выбросов углерода

В процессе спекания углерод является ещё одним стабилизатором аустенита. Более высокая прочность и твёрдость достигаются при низком содержании остаточного углерода в стали 17-4 (менее 0,1 весового процента). Изменение содержания углерода влияет на фазовый состав, уплотнение и механические характеристики нержавеющей стали 17-4 PH.

 

На уровень углерода влияют такие факторы, как распыляемый порошок, остатки связующего, цикл удаления связующего, среда спекания, начальное содержание кислорода и пиковая температура спекания. Основным фактором, определяющим конечное содержание углерода во время спекания, является начальное содержание кислорода. Например, при спекании в атмосфере водорода порошков 17-4, распыляемых в газовой среде, при температуре 1343 °C теряется 0,03% углерода. Кроме того, особенно при более низких температурах спекания, остатки связующего также могут вызывать углеродное загрязнение.

При водородном и вакуумном спекании прочность на разрыв нержавеющей стали 17-4 зависит от количества оставшегося углерода. Как при термообработке H900 или H1100, так и при стандартном спекании при температуре 1300–1360 °C. На следующем рисунке показано, как прочность на разрыв заметно снижается с увеличением содержания углерода.

 

Поддержание времени

При спекании время выдержки при максимальной температуре составляет от 60 до 120 минут. Как видно из графика зависимости плотности после спекания от температуры и времени, представленного ниже. С повышением температуры от 1240 до 1360 °C плотность увеличивается с 96,3% до 98,3%. Спекаемые прессовки достигают полной плотности (98%) через 60 минут выдержки. На этом этапе устраняется пористость, а скорость аннигиляции пор снижается. Основными причинами являются разрушение границ зерен и усталость, вызванная пористостью.

 

Преимущества МИМ 17-4

Высокая устойчивость к коррозии
Упрочнение старением, вызванное термической обработкой
Промышленная прочность и долговечность
Исключительная устойчивость к нагреванию
Идеально подходит для сложной геометрии МИМ

 

Механические характеристики

Что касается конструкционных материалов, используется MIM 17-4 PH. Наиболее часто сравниваемыми характеристиками являются прочность, твёрдость и относительное удлинение. Кроме того, усталость, предел текучести и вязкость разрушения зависят от ряда технологических параметров.

На следующем изображении представлены средние параметры 17-4 PH, полученные на основе статистического анализа нескольких проектов MIM. Параметры спекания определяют около 60% вариации свойств.

 

Согласно отраслевому стандарту MIM, нержавеющая сталь 17-4 PH должна иметь прочность на разрыв не менее 790 МПа, твёрдость после спекания 27 HRC, а также твёрдость 1070 МПа и 33 HRC после термообработки. Удлинение обеих сталей составляет 4%. Прочность на разрыв нержавеющей стали 17-4PH после спекания при 1350 °C и термообработки H900 составляет 1280 МПа для порошка, полученного газо-атомным распылением, и 1136 МПа для порошка, полученного водо-атомным распылением. Следует отметить, что газо-атомный порошок может достигать прочности на разрыв после термообработки 1485 МПа при удлинении 9%.

 

Стойкость к коррозии

Четыре типа спеченной нержавеющей стали (304, 316, 430 и 17-4) подвергаются стандартным коррозионным испытаниям в различных условиях. Результаты показывают, что сталь 17-4 наименее устойчива к этим условиям. Более того, поскольку поры на спеченных деталях вызывают локальную коррозию за счет концентрационной поляризации, деформируемый материал более устойчив к коррозии, чем спеченный. Водородное спекание и газораспыленная порошковая сталь являются двумя популярными методами повышения коррозионной стойкости, поскольку остаточный кислород является недостатком.

Коррозионная стойкость также связана с биосовместимостью. По сравнению со сплавами титана и кобальта, нержавеющая сталь 17-4 PH обладает хорошей цитотоксичностью, но уступает по общей биосовместимости.

 

Рынок приложений PH для MIM 17-4

Нержавеющая сталь 17-4 PH обладает выдающимися механическими свойствами при температурах до 350 °C. Кроме того, она достаточно прочна как для изготовления ваз, так и для сварных швов, а деформацию и образование окалины можно предотвратить кратковременным нагревом при низкой температуре.

Благодаря превосходной коррозионной стойкости и термостойкости, нержавеющая сталь 17-4, применяемая в аэрокосмической промышленности, является отличным выбором. Высокая чистота и плотность порошка обеспечивают длительный срок службы изделий из MIM 17-4 и минимизируют вероятность ошибок при замене.

Транспортные средства
Наиболее широко используемым материалом в автомобильном производстве является нержавеющая сталь марки 17-4, поскольку она легко поддаётся обработке и может быть изготовлена ​​в различных формах. Благодаря высокой прочности, технология литья металлов под давлением также позволяет создавать изделия сложной геометрии.

Клиенты
Благодаря своей исключительной коррозионной стойкости, сплав 17-4 широко используется в потребительских приложениях с использованием технологии MIM. Кроме того, исключительная прочность и твёрдость этого материала гарантируют безошибочную работу.

В заключение

MIM 17-4 PH демонстрирует впечатляющие результаты в оптимизации структурных свойств. Он предлагает множество привлекательных комбинаций свойств после спекания для различных областей применения. Температура спекания является основным фактором, определяющим конечные характеристики, по сравнению с типом порошка, размером частиц, плотностью в сыром состоянии, продолжительностью выдержки и другими параметрами. Кроме того, на свойства спеченных материалов влияет фаза, присутствующая в спеченных материалах.

Между тем, на характеристики влияют термообработка после спекания, плотность после спекания и фазовая морфология. В то время как плотность после спекания определяет характеристики, горячее изостатическое прессование (ГИП) их улучшает.

Литье металлов под давлением (MIM) становится всё более совершенным благодаря использованию нержавеющей стали марки 17-4 PH. Чтобы расширить возможности применения спечённой стали марки 17-4 PH, компания JHMIM опирается на технологию MIM.