Übersicht von 316l-Edelstahlpulver
316L-Edelstahlpulver ist eine austenitische Stahllegierung, die in der additiven Fertigung und im 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik, in der chemischen Verarbeitung und im Werkzeugbau weit verbreitet ist. Mit einem höheren Reinheitsgrad und einem geringeren Kohlenstoffgehalt im Vergleich zu herkömmlichem 316er-Pulver ermöglicht 316L-Pulver die Herstellung korrosionsbeständiger Komponenten, die den Biokompatibilitätsstandards entsprechen.
Dieser Artikel befasst sich mit 316L-Pulverzusammensetzungen, die auf die wichtigsten AM-Prozesse zugeschnitten sind, mit Schlüsseleigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Fließgeschwindigkeiten und Prozentsatz der Satellitenpartikel, die die Druckverarbeitbarkeit beeinflussen, sowie mit Beispielen für kritische Anwendungen in rauen Umgebungen.
Zusammensetzung aus rostfreiem 316l-Stahlpulver
Der Bereich der elementaren Zusammensetzung von Edelstahlpulver 316L ist im Folgenden zusammengefasst:
| Element | Gewicht % Zusammensetzung | Rolle |
|---|---|---|
| Eisen | Waage, 65-70% | Hauptmatrixkomponente |
| Chrom | 16-18% | Verbessert die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit |
| Nickel | 10-14% | Stabilisiert das austenitische Gefüge |
| Molybdän | 2-3% | Verbessert die Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion weiter |
| Mangan | <2% | Fördert eine gute Schweißbarkeit |
| Kohlenstoff | 0,03% max | Geringerer Kohlenstoffgehalt reduziert Karbidausscheidungen - verbessert Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität |
| Silizium | 0,75% max | Desoxidationsmittel, das eine übermäßige Oxidbildung verhindert |
| Phosphor | 0,025% max | Regulierte Verunreinigungen zur Maximierung der Duktilität |
| Schwefel | 0,01% max | Verunreinigungen reguliert, um Rissbildung zu vermeiden |
| Stickstoff | 0,1% max | Stabilisiert das Mikrogefüge |
| Kupfer | 0,5% max | Kontrolle der Verunreinigungsmenge beim Schmelzen |
Das 'L' steht für einen niedrigen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,03%. Dies führt zu einer geringfügig niedrigeren Streck- und Zugfestigkeit im Vergleich zu 316er-Standardpulver, verbessert jedoch die Schweiß-, Korrosions- und Biokompatibilitätseigenschaften, die für medizinische Geräte oder Schiffsanwendungen entscheidend sind.
Produktionsmethoden aus rostfreiem 316l-Stahlpulver
Pulver aus rostfreiem Stahl 316L wird im Handel nach den folgenden Verfahren hergestellt:
- Gaszerstäubung: Hochdruck-Inertgasdüsen brechen einen dünnen Metallstrom in feine Tröpfchen auf, die dann als Pulver erstarren. Bedient den Luft- und Raumfahrtmarkt.
- Wasserzerstäubung: Das wirtschaftlichste Verfahren, bei dem Wasser geschmolzenes Metall aufbricht und unregelmäßige Pulverformen erzeugt, die für einige industrielle Anwendungen geeignet sind.
- Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP): Die durch den Plasmalichtbogen geschmolzene Elektrode zerfällt durch die Zentrifugalkraft und schleudert beim Abkühlen Pulver an die Reaktorwände. Ergibt sehr kugelförmige Formen.
- Wasserstoffzerstäubung: Spezialtechnik mit Wasserstoffgas für besser fließende Pulver, die auf die additive Fertigung zugeschnitten sind. Minimiert Satellitenpartikel.
Gas-, Wasser- und Plasmavarianten nutzen schnelle Erstarrungsraten, um aus dem geschmolzenen Ausgangsmaterial feine Metallpulver zu erzeugen. Jede dieser Techniken führt zu subtil unterschiedlichen Partikeleigenschaften, die im nächsten Abschnitt beschrieben werden.
316l-Edelstahlpulver Merkmale
Die wichtigsten Eigenschaften von Edelstahlpulver 316L sind im Folgenden aufgeführt:
| Parameter | Einzelheiten | Messverfahren |
|---|---|---|
| Partikelform | Kugelförmig, Satellit erlaubt nach ASTM B214 | SEM-Bildgebung, Mikroskopie |
| Partikelgrößenverteilung | D10: 25-45 μm, D50: 30-75 μm, D90: 55-100 μm | Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator |
| Scheinbare Dichte | Typischerweise 40-50% dicht als Pulvermasse auf Volumenbasis | Hall-Durchflussmesser Trichter oder Pyknometrie |
| Dichte des Gewindebohrers | Typischerweise 60-65% dicht mit mechanischem Rühren | Bestimmt nach ASTM B527 |
| Durchflussmenge | 30-35 s/50g, guter Fluss <40 s | Hall-Durchflussmessertest |
| Glühverlust (LOI) | <0,5 Gew.% | Erhitzt auf 1022°F und Messung des Massenverlustes |
| Restgase | 400-800 ppm Sauerstoff, <150 ppm Stickstoff | Inertgasschmelze mit anschließender Messung der Wärmeleitfähigkeit |
| Satellitenfraktion | <20% ideal | Bildanalyse der REM-Aufnahme |
Schlüsselfaktoren wie eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung, hohe Pulverflussraten, minimale Satelliten und niedrige Sauerstoff-/Stickstoffwerte gewährleisten eine optimale Druckverarbeitbarkeit. Maßgeschneiderte Pulverchargen werden entwickelt, um den Anforderungen von Anwendungen in Bereichen wie Biomedizin, Schiffsausrüstung oder chemischen Verarbeitungsanlagen, die Korrosionsbeständigkeit erfordern, gerecht zu werden.
316l-Edelstahlpulver Mechanische Eigenschaften
Bedruckter rostfreier Stahl 316L bietet die folgenden mechanischen Eigenschaften:
| Parameter | Unbedrucktes 316L | Geglühtes 316L |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 500-650 MPa | 450-550 MPa |
| Streckgrenze | 400-500 MPa | 240-300 MPa |
| Dehnung bei Bruch | 35-50% | 40-60% |
| Härte | 80-90 HRB | 75-85 HRB |
| Oberflächenrauhigkeit | Bis zu 20 μm Ra aufgrund von Schichtgraten | Reduziert auf 0,4 μm Ra oder besser durch Oberflächenbearbeitungstechniken |
Das Glühen von gedruckten Teilen oder Komponenten bei 1900°F für mindestens 1 Stunde dient dazu, innere Spannungen aus dem schichtweisen Herstellungsprozess abzubauen. Dadurch wird die Duktilität wieder auf das Niveau von konventionell hergestelltem 316L gebracht, während die Festigkeit leicht sinkt.
316l-Edelstahlpulver Anwendungen
Aufgrund seiner maßgeschneiderten Korrosionsbeständigkeit ist 316L-Pulver ideal für die additive Fertigung von Bauteilen in allen Bereichen:
- Hardware für die Schifffahrt: Laufräder, Ventile, Armaturen und andere Meerwasserteile, die Salzwasser ausgesetzt sind.
- Chemische Verarbeitung: Pumpengehäuse, Ventile, Reaktoren und Rohrleitungen, die chemisch verträglich sein müssen.
- Biomedizinische: Chirurgische Werkzeuge, orthopädische Implantate, die den FDA-Biokompatibilitätsspezifikationen gemäß ISO 10993 und/oder ASTM F138 entsprechen.
- Lebensmittelverarbeitung: Besteck, Verschleißteile für die Fleischverarbeitung, die keine Kreuzkontamination zulassen.
Aufgrund dieser vielfältigen Anwendungen, die von Offshore-Bohrausrüstungen über Herzschrittmachergehäuse bis hin zu Komponenten für die Lebensmittelzubereitung reichen, ist 316L eine vielseitige und allgegenwärtige Legierung, die Konstrukteure stets zur Hand haben.
Kostenanalyse
| Ausgaben | Insgesamt | Pro Einheit |
|---|---|---|
| 316L-Pulver | $106/kg | $35 |
| Druckergebühren | $100/kg Baurate | $33 |
| Arbeit | $50 | $17 |
| Insgesamt | $256 | $85 |
Hier geht die Analyse von einer relativ geringen Gesamtmasse von 3 kg aus, so dass der Anteil des Pulvers an den Gesamtkosten etwa 40% beträgt. Bei größeren Bauteilen dominiert jedoch die Fertigungszeit die Kosten mehr als das Material selbst. Im Vergleich dazu würde die maschinelle Bearbeitung der gleichen Geometrie aus geglühtem 316L-Stangenmaterial $45-$75 pro kg kosten - aber AM ermöglicht die Konsolidierung von Anschlüssen, Verbindungselementen und Gewichtsreduzierung, was die erhöhten Druckkosten durch Produktionseinsparungen in der Folgezeit ausgleicht.
316l-Edelstahlpulver Anbieter
Verschiedene Werke und Händler bieten 316L-Edelstahlpulver an, das die gesamte Bandbreite an Größen und Eigenschaften abdeckt. Zu den weltweit führenden Anbietern gehören:
| Unternehmen | Produktionsverfahren | Verfügbarkeit der Partikelgröße | Zusätzliche Materialien |
|---|---|---|---|
| Sandvik Fischadler | Zerstäubtes Gas | 15-150 μm | 17-4PH, 15-5PH, 304L, martensitaushärtender Stahl |
| Zimmerer-Zusatzstoff | PREP + gaszerstäubt | 15-63 μm | 17-4PH, Sonderlegierungen |
| Praxair | Zerstäubtes Wasser | Bis zu 240 μm | Ti-6-4, Inconel 718, rostfreie Sorten |
| LPW-Technologie | Zerstäubtes Wasser | 45-150 μm | 316L-Vorlegierungen verfügbar |
| Hoganas | Zerstäubtes Gas | 22-100 μm | Kundenspezifische Partikeloptimierung |
316l-Edelstahlpulver Normen
ASTM und andere weltweit harmonisierte Normen für die Herstellung von 316L-Pulver und Qualitätssicherungsprüfungen:
| Standard | Beschreibung |
|---|---|
| ASTM A240 | Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung für Cr, Ni, Mo, C, N und andere geringfügige Legierungsbereiche |
| ASTM B214 | Behandelt akzeptable 316L-Pulverpartikeleigenschaften wie Satelliten, Hall-Fließgeschwindigkeit und Maschenprüfverfahren |
| ASTM E562 | Prüfverfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung mittels Nassanalyseverfahren wie ICP-OES |
| ISO 9001 | Qualitätsmanagementsystem zur Einhaltung der Lieferanten als Grundlage für Kundenspezifikationen |
| ASTM F3049 | Leitfaden für die Charakterisierung und Optimierung von AM-Metallpulvern wie 316L |
| ASTM F3056 | Spezifikation für die Kontrolle der Qualität von 316L-Pulver als Ausgangsmaterial für AM-Qualifikationsbauteile |
Die Zertifizierung von 316L-Pulver nach diesen Spezifikationen stellt sicher, dass es die Zielvorgaben für Dichte, Chemie und Partikelform erfüllt, um unabhängig von der Produktionsmethode eine zuverlässige Druckverarbeitung zu gewährleisten.
316L-Pulver im Vergleich zu Guss- und Knetlegierungen
| Parameter | Pulvermetallurgie 316L | Guss 316L | Geschmiedet 316L |
|---|---|---|---|
| Kosten | $$$$ | $-$$ | $-$$$ |
| Vorlaufzeit | In der Regel Tage bis 2 Wochen | 4-8 Wochen | 8-12 Wochen |
| Chemiekontrolle | Sehr konsistent innerhalb von 0,25% | Variiert bis zu 1% | Durchschnittliche 0,5%-Abweichungen |
| Porosität | Vollständig dichte Drucke | 5-10% Porositätsstufen | Im Wesentlichen nicht porös |
| Verunreinigungen | Nur Spuren | Mäßige Einschlüsse | Geringe Einschlüsse |
| Struktur der Körner | Abhängig von den Druckparametern | Grobes Gusskorn | Feinere Schmiedestruktur |
| Beschränkungen des Angebots | Kleine Chargenmengen können ein MOQ erfordern. | Leicht verfügbar | Mögliche Mindestwerte für Mühlen |
Zwar kostet die additive Fertigung mit 316L-Pulver pro gedrucktem Kilogramm deutlich mehr als der Kauf von Stangenmaterial, doch die Designfreiheit, die Anpassungsfähigkeit und die zuverlässige Chemie gleichen diesen Aufpreis in Branchen aus, in denen Leistung wichtiger ist als der Materialpreis.
Überlegungen zur Handhabung von 316L-Pulver
Um zu verhindern, dass sich die Eigenschaften des Pulvers während der Lagerung und Wiederverwendung verschlechtern, sollten folgende Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden:
- Versiegelte Pulverbehälter unter Inertgas wie Argon lagern
- Begrenzung der Exposition beim Sieben/Handhaben des Pulvers, um die Aufnahme von Sauerstoff/Feuchtigkeit zu vermeiden
- Backen Sie die Pulver alle 3-6 Monate für 6 Stunden bei 100°C, um die absorbierten Gase zu entfernen.
- Regelmäßige Überwachung des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts des Pulvers
- Richtig absieben, um eventuelle Agglomerationen vor dem Druck aufzubrechen
- Befolgen Sie die Richtlinien des Herstellers zur Wiederverwendung von Pulver, Mischungsverhältnissen und Lebensdauer.
Die Einhaltung dieser Handhabungsanweisungen gewährleistet die Fließfähigkeit des Pulvers und verhindert die Porenbildung während des Drucks über Dutzende von Bauzyklen mit denselben 316L-Chargen.
FAQs
| Frage | Antwort |
|---|---|
| Ist 316L-Pulver nach dem Bedrucken recycelbar oder wird es nach einmaliger Verwendung abgebaut? | Ja, 316L-Pulver kann bei ordnungsgemäßer Lagerung in der Regel 5-10 Mal wiederverwendet werden, bevor es mit neuen Chargen aufgefrischt wird. Die Aussiebung neuer Partikel und die Überwachung des Sauerstoffgehalts sind entscheidend. |
| Muss 316L-Pulver nach dem 3D-Druck heißisostatisch gepresst werden, um die Dichte zu erhöhen? | Während HIP gedruckte 316L-Komponenten weiter verdichten kann, ist das Erreichen von Dichten von 99%+ auch ohne HIP möglich, wenn die Druckparameter optimiert werden. HIP dient eher der Verbesserung der Ermüdungsleistung. |
| Können 316L-Teile, die mit AM-Pulver hergestellt werden, eine Korrosionsbeständigkeit erreichen, die der von traditionell geschmiedetem 316L-Edelstahl entspricht? | Ja - bedrucktes 316L erreicht und übertrifft sogar die Korrosionsbeständigkeit von Guss- oder Knetformen in vielen chemischen Umgebungen aufgrund des geringeren Anteils an Fehlern und Verunreinigungen. |
| Wie wirkt sich der hohe Nickelgehalt von 316L-Pulver auf seine Recyclingfähigkeit aus? | Ein hoher Ni- und Cr-Gehalt treibt zwar die Kosten in die Höhe, schützt aber vor dem Abbau des Pulvers, sofern der Sauerstoffgehalt während der Lagerung aktiv kontrolliert wird. Diese Legierungselemente verbessern die Wiederverwendbarkeit erheblich. |
Zusammenfassung
Mit einer fein abgestimmten kohlenstoffarmen Chemie, die auf Biokompatibilität und Schweißbarkeit abzielt, 316L-Edelstahlpulver dient korrosionsbeständigen additiven Fertigungsanwendungen von medizinischen Implantaten bis hin zu Schiffskomponenten, die in rauen salzhaltigen Umgebungen arbeiten. Mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,03% und Spuren von Stickstoff ist das austenitische Gefüge resistent gegen Lochfraß und Spaltkorrosion in Säuren, Chloriden, Alkoholen und einer Vielzahl von chemischen Lösungen. Die Kombination von wiederverwendbaren Pulvern, die die ASTM-Spezifikationen für Partikelgrößenverteilung, Satelliten und Hallendurchflussrate übertreffen, mit optimierten 3D-Druckern ergibt dichte gedruckte 316L-Teile, die mit der Korrosionsleistung herkömmlich hergestellter Varianten konkurrieren und diese sogar übertreffen. Mit der Weiterentwicklung von Druckerhardware, -software und -parametern wird das AM-Pulver aus 316L-Edelstahl den Einsatz in neuen Märkten wie Ölbohrungen, chemischen Reaktoren und chirurgischen Werkzeugen vorantreiben, in denen eine hohe Härte, Festigkeit und Alkalibeständigkeit entscheidend sind.
