MIM材料不锈钢17-4
MIM 17-4 PH 概述
MIM 17-4 PH 是基于 AISI 17-4 PH 标准，是一种马氏体沉淀硬化不锈钢。它的特点是兼具耐腐蚀性和机械性能。
17-4 PH 不锈钢是金属注塑领域使用最广泛的 MIM 材料之一。这种金属具有良好的耐腐蚀性、硬度和强度。17-4 的卓越品质使具有良好强度的复杂部件成为可能。此外，通过修改某些参数，可以在烧结过程中进行二次硬化。
由于 17-4 PH 的抗腐蚀性能与 304L 类似，因此它经常用于需要机械性能的应用中。
此外，MIM-17-4 PH 由 UNS S17400、AISI 630、ASTM A564、AMS 5643 和不锈钢 17-4 PH 标识。
化学物质成分
不锈钢 17-4 的化学成分如下所列，包括元素及其各自的重量百分比：
- 铁（Fe）：余额（剩余部分）
- 镍（Ni）：3.00-5.00％
- 硅（Si）：1.00％
- 碳（C）：0.07%
- 铬（Cr）：15.50-17.50％
- 铌（Nb）：0.15-0.45％
- 锰（Mn）：1.00％
- 铜（Cu）：3.00-5.00％
- 硫（S）：0.03%
该成分确保了材料的强度、耐腐蚀性和其他适合各种工业应用的特性。
MIM 17-4 PH 不锈钢的机械性能通常比锻造 17-4 PH 差 10-25%。主要原因包括：
烧结缺陷包括残留的碳杂质、残留的孔隙和晶粒。
因蒸发引起的元素损失：Cr、Cu 和 Ni。
杂质含量：O、C、N。
随着烧结速度减慢，面心立方奥氏体相被碳和氮成分稳定。另一方面，体心立方δ铁素体将加快烧结速度。不锈钢17-4PH经历沉淀反应，导致高硬度和强度，而残余δ铁素体会降低强度。此外，马氏体在烧结后的冷却阶段出现。
MIM 产品的一个关键成分是氧气。涂有氧化物的不锈钢粉末的初始表面积很大，氧气含量因粉末制造方法而异。MIM 17-4 PH 部件中的高氧含量会导致耐腐蚀性差和机械特性差，因为这些氧化物会夺走铬抑制腐蚀的能力。
典型性质
MIM 是一种用于制造复杂高性能不锈钢部件的复杂技术。峰值温度、加热速率、环境、保持时间和粉末颗粒大小都会影响不锈钢 17-4 PH 的烧结方式。许多因素都会影响 17-4 PH 合金的成分，进而影响微观结构相、烧结行为和最终特性。工艺气氛中的氮、粉末或气氛中的氧以及粉末或粘合剂中的碳是主要成分。
强度、硬度和耐腐蚀性之间的完美平衡使 17-4 PH 成为广受欢迎的选择。电子、牙科、医学和航空航天领域的产品在热处理后发现这些品质的混合非常有吸引力。根据成分的不同而变化，Fe、Ni、Cu 和 Cr 会发生变化。固相线温度约为 1405°C，液相线温度约为 1440°C。机械品质对热处理有响应；断裂伸长率范围为 8% 至 14%，屈服强度范围为 760 至 1240 MPa，抗拉强度范围为 1000 至 1340 MPa，硬度达到 43 HRC。
17-4 PH 不锈钢兼具强度、硬度和耐腐蚀性，是金属注塑行业的首选。最常见的沉淀硬化马氏体不锈钢是 17-4 PH。
- 实力雄厚
- 极其坚硬
- 卓越的耐腐蚀性能
- 断裂韧性
- 热处理及焊接特性
粘合剂和脱脂的影响
对于不锈钢 17-4 PH 注塑成型，使用了许多粘合剂系统；最流行的是 60% 填料、30% 主链和 10% 表面活性剂。
由于剩余的粘合剂成分会改变最终的氧或碳含量，因此脱脂会对最终特性产生影响。脱聚或溶剂萃取是脱脂的第一步；例如，石蜡溶解在庚烷中，聚乙二醇溶解在热水中。此外，在催化脱脂中使用发烟硝酸来去除聚甲醛。在脱脂的第二阶段去除粘合剂的最佳方法是将其保持在 600 至 1000°C 的氢气环境中。这个阶段有时被称为烧结开始阶段。
烧结参数影响
在 17-4 PH 不锈钢烧结过程中，许多变量相互作用，决定最终密度、相、微观结构和特性。统计分析的四个主要组成部分是热处理、烧结气氛、初始氧浓度和颗粒大小。
烧结温度对烧结密度的影响最大。
颗粒大小
表面扩散是烧结过程中发生第一次粒子结合的过程；具有较大表面积的较小粒子将加强初始结合。一旦发生粘合剂热解，主链聚合物的粒子粘附将被表面扩散结合取代。随着金属粒子之间的烧结结合增加，晶界扩散需要颈部生长，以便在粒子之间形成晶界。当晶界形成时，当收缩开始时，晶粒尺寸在烧结中起主要作用，并且对烧结速率有相反的影响。但是，初始粒度的影响可以通过更高的峰值温度或更长的保持时间来抵消。
气氛
在不锈钢中，标准烧结环境选项包括真空、氢气、氮气、氢氮和氩氢。
17-4 PH 不锈钢最流行的两种烧结气氛是氢气和真空。添加碳后，氧化物明显下降。硅和铬都可以在不添加石墨碳的情况下保持氧气。当温度高且氢含量高时会发生氧化物还原；低露点将保证这一过程。烧结后发生的冷表面氧化将形成一层硅、铁和铬的钝化涂层，可抵抗腐蚀。
氮作为强效奥氏体稳定剂，对马氏体的形成和不锈钢的最终特性有影响。在冷却过程中，可溶于奥氏体的氮会以 Cr2N 形式析出。晶界区域的铬会被这种析出物耗尽，从而导致局部腐蚀迅速发生。因此，我们必须防止氮进入烧结气氛，并以每分钟 200°C 的速度将部件冷却到 900°C 以下。在 17-4 PH 不锈钢中，以防止氮化铬的产生。
石墨在真空炉中产生的一氧化碳分压也较低，这就是石墨真空炉在真空烧结中取得成功的原因。在 1300°C 和 0.001 的低 CO 分压下，它可以将氧化铬转化为铬。
温度和升温速率
典型的烧结循环包括杂质消除和粘合剂烧尽过程，这些过程需要加热并在不同温度下保持。对于杂质减少，理想温度接近 1000°C，而对于最终聚合物去除，理想温度接近 600°C。
不锈钢 17-4PH 在膨胀测试中发生烧结收缩，峰值速率约为 1250°C，而全密度 (98%) 需要峰值温度 1300°C。然而，铜和铬会在这些高温下蒸发，可能导致热处理和耐腐蚀性能的损失。
此外，更高的温度有助于 δ 铁素体的合成；通过更快的扩散，该相将有助于最终的致密化。在以下 MIM 17-4PH 烧结的微观结构图中，可以看到白色的 δ 铁素体菌落和圆形氧化物孔的暗区。
1260 SS17-4 MIM 的微观结构
碳控制
在烧结过程中，碳是另一种奥氏体稳定剂。17-4 中残留碳含量较低（低于 0.1 重量百分比）时，可实现更高的强度和硬度。不锈钢 17-4 PH 的相、致密化和机械特性都会受到碳含量变化的影响。
MIM 工艺的雾化粉末、粘合剂残留物、脱脂周期、烧结环境、起始氧气和峰值烧结温度是影响碳含量的一些变量。烧结过程中最终碳含量的主要决定因素是初始氧气含量。例如，在 1343°C 下对 17-4 气体雾化粉末进行氢气烧结时，会损失 0.03% 的碳。此外，特别是在较低的烧结温度下，粘合剂残留物也会导致碳污染。
在氢烧结和真空烧结中，17-4 不锈钢的抗拉强度受碳含量的影响。无论是在 H900 或 H1100 热处理中，还是在 1300 至 1360°C 的标准烧结中。下图说明了随着碳含量的增加，抗拉强度如何明显下降。
维持时间
在烧结过程中，最高温度的保持时间在 60 到 120 分钟之间。从下面的烧结密度与温度和时间的关系图中可以看出。随着温度从 1240°C 升至 1360°C，密度从 96.3% 逐渐增加到 98.3%。烧结坯在保持 60 分钟后达到全密度 (98%)。在此阶段，孔隙被去除，孔隙消失率降低。晶粒边界的损失和孔隙疲劳是主要原因。
MIM 17-4 的优势
高耐腐蚀性
热处理引起的时效硬化
工业强度和耐用性
出色的耐热性
非常适合 MIM 的复杂几何形状
机械特性
对于结构设备，使用 MIM 17-4 PH。最受欢迎的可比较特性是强度、硬度和伸长率。此外，疲劳、屈服强度和断裂韧性是受多种加工变量影响的问题。
下图根据对多个 MIM 项目的统计分析，总结了 17-4 PH 的平均参数。烧结参数约占性能变化的 60%。
根据MIM行业标准，不锈钢17-4 PH必须具有至少790 MPa的抗拉强度，烧结后的硬度为27 HRC，热处理后的硬度为1070 MPa和33 HRC。两者的伸长率为4％。不锈钢17-4PH在1350°C烧结和H900热处理后的抗拉强度为1280 MPa（气雾化粉末），1136 MPa（水雾化粉末）。值得注意的是，气雾化粉末可以实现1485 MPa的热处理抗拉强度和9％的伸长率。
耐腐蚀
四种烧结不锈钢（304、316、430 和 17-4）在各种情况下接受标准腐蚀测试。结果表明，17-4 在这些条件下的耐腐蚀性最差。此外，由于烧结部件上的孔隙通过浓度极化引起局部腐蚀，锻造材料比烧结材料更耐腐蚀。氢烧结和气体雾化粉末是两种提高耐腐蚀性的常用技术，因为残留氧气是一个缺点。
耐腐蚀性也与生物相容性有关。与钛和钴合金相比，不锈钢17-4 PH具有良好的细胞毒性，但缺乏具有竞争力的整体生物相容性。
MIM 17-4 的 PH 应用市场
17-4 PH 不锈钢在高达 350°C 的温度下具有出色的机械性能。此外，它对于花瓶金属和焊缝都具有足够的耐用性，并且可以通过短时间的低温加热来减少翘曲和剥落。
由于其优异的耐腐蚀性和耐热性，航空用 17-4 不锈钢是航空航天应用的理想选择。高粉末纯度和致密性可确保 MIM 17-4 产品的使用寿命，并最大限度地减少误差变化。
车辆
汽车生产中使用最广泛的材料是不锈钢17-4，因为它易于加工成各种形状。金属注射成型技术不仅具有相当好的耐用性，还增加了其对复杂几何形状的加工能力。
客户
由于其出色的耐腐蚀性，17-4 被广泛用于采用 MIM 技术的消费应用。此外，这种材料出色的强度和硬度可确保无差错的功能。
综上所述
MIM 17-4 PH 在优化结构性能方面取得了惊人的进步。对于众多适当的应用，它提供了各种有吸引力的烧结性能组合。与粉末类型、粒度、生坯密度、保持时间和其他参数相比，烧结温度是最终属性的主要决定因素。此外，烧结材料中存在的相会影响烧结性能。
同时，烧结后热处理、烧结密度和相形态都会影响特性。烧结密度决定特性，而热等静压 (HIP) 可增强特性。
随着不锈钢 17-4 PH 的出现，金属注射成型 (MIM) 变得越来越先进。为了为烧结 17-4 PH 提供更多应用，JHMIM 依赖于 MIM 技术基础。