17-4PH Edelstahl-Metallpulver für MIM

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17-4PH-Edelstahl ist ein ausscheidungshärtender martensitischer Edelstahl, der in seiner Zusammensetzung etwa 4 % Kupfer enthält. Der pulvermetallurgische Edelstahl 17-4PH ist aufgrund seiner Kombination aus hoher Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlungen weiter verbessert werden können, eine ideale Wahl für Metallspritzgussanwendungen (MIM).

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Überblick

17-4PH-Edelstahl ist ein ausscheidungshärtender martensitischer Edelstahl, der in seiner Zusammensetzung etwa 4 % Kupfer enthält. Der pulvermetallurgische Edelstahl 17-4PH ist aufgrund seiner Kombination aus hoher Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlungen weiter verbessert werden können, eine ideale Wahl für Metallspritzgussanwendungen (MIM).

17-4PH-Pulver stellt aufgrund seiner Dimensionsstabilität beim Sintern und der insgesamt einfachen Verarbeitung eine attraktive Option für MIM im Vergleich zu anderen Konkurrenzlegierungen dar. Aus 17-4PH-Metallpulver-Rohstoffen hergestellte Teile weisen eine hohe Grünfestigkeit für komplexe Geometrien, eine gute Formbarkeit und ein sauberes Ausbrennen mit minimalen Rückständen auf.

In den folgenden Abschnitten behandeln wir die Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen, Spezifikationen, Lieferanten und andere technische Details im Zusammenhang mit 17-4PH-Edelstahlpulver zur Verwendung beim Metallspritzguss.

Komposition

Die nominelle Zusammensetzung von 17-4PH-Edelstahl ist unten dargestellt, mit Chrom, Nickel und Kupfer als Hauptlegierungselementen:

Tabelle: Zusammensetzung des Edelstahls 17-4PH

Element Gewicht %
Chrom (Cr) 15.0 – 17.5
Nickel (Ni) 3,0 – 5,0
Kupfer (Cu) 3,0 – 5,0
Niob (Nb) + Tantal (Ta) 0,15 – 0,45
Silizium (Si) maximal 1,0
Mangan (Mn) maximal 1,0
Kohlenstoff (C) maximal 0,07
Schwefel (S) maximal 0,03
Phosphor (P) maximal 0,04
Eisen (Fe) Gleichgewicht

 

Der Kupfergehalt ist der Unterscheidungsfaktor für 17-4PH-Edelstahl im Vergleich zu 17-4, der 4,0–6,0 % Kupfer enthält. Der niedrigere Kupfergehalt in 17-4PH sorgt für bessere Duktilität und Schlageigenschaften bei gleichzeitig hoher Festigkeit.

Silizium, Mangan, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor werden auf Spurenniveau gehalten, um die Korrosionsbeständigkeit zu maximieren und Karbidausfällungen zu vermeiden. Die Zusätze von Niob und Tantal tragen dazu bei, die Kornstruktur beim Sintern zu verfeinern.

Eigenschaften

Edelstahl 17-4PH weist im ausscheidungsgehärteten Zustand eine hervorragende Kombination aus hoher Festigkeit und guter Duktilität auf. Nachfolgend sind die wichtigsten Eigenschaften im H900-Zustand aufgeführt:

Tabelle: Eigenschaften von 17-4PH Edelstahl

Eigentum Wert
Dichte 7,8 g/cm3
Ultimative Zugfestigkeit 1240-1300 MPa
Streckgrenze (0,2 % Offset) 1100-1160 MPa
Elastizitätsmodul 190–210 GPa
Verlängerung 10-15 %
Härte 39-43 HRC
Schlagzähigkeit 50-60 J
Ermüdungsfestigkeit 550 MPa
Schiere Stärke 760 MPa
Druckfestigkeit 1275 MPa

 

Die zur Erzielung dieser hohen Festigkeitswerte eingesetzte Wärmebehandlung zur Ausscheidungshärtung umfasst ein Lösungsglühen bei 900–950 °C und anschließendes Altern bei 450–500 °C. Dies führt zu sehr feinen kupferreichen Ausscheidungen, die die Versetzungsbewegung behindern und die Metallmatrix stärken, während die Duktilität erhalten bleibt.

Im lösungsgeglühten Zustand ohne Alterung weist 17-4PH-Edelstahl schlechtere, aber immer noch respektable mechanische Eigenschaften auf, die denen von rostfreien Stählen der 400er-Serie ebenbürtig sind. Es bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen mäßiger Festigkeit und Duktilität für Fälle, in denen keine vollständige Aushärtung erforderlich ist.

Die Korrosionsbeständigkeit von 17-4PH ist mit der der martensitischen Edelstähle 410 und 416 vergleichbar und bietet eine nützliche Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion und viele milde Chemikalien. Im Vergleich zu austenitischen Edelstählen der Serie 300 weist es jedoch eine geringere Beständigkeit auf.

Anwendungen

Die hohe Festigkeit nach dem Härten und die mäßige Korrosionsbeständigkeit machen Edelstahl 17-4PH zu einer beliebten Wahl für Metallspritzgussteile für die folgenden Anwendungen:

  • Luft- und Raumfahrt- und Flugzeugkomponenten
  • Orthopädische und Zahnimplantate
  • Automobil, Motoren, Ventile
  • Kunststoffspritzgussformen
  • Industriewerkzeuge, Stanz-/Prägewerkzeuge
  • Lebensmittelverarbeitungs- und Pharmaausrüstung
  • Petrochemische Pumpen, Ventile, Instrumentierung
  • Konsumgüter wie Messer, Schiffszubehör
  • Uhrengehäuse, Schmuckfassungen

MIM ist vorteilhaft für die Herstellung kleiner, komplexer Teile mit guten mechanischen Eigenschaften im gesinterten Zustand. Die hervorragende Polierbarkeit von 17-4PH eignet sich auch für dekorative Anwendungen.

Im Vergleich zu anderen MIM-Legierungen bietet 17-4PH eine höhere Festigkeit als 316L-Edelstahl, eine ähnliche oder bessere Festigkeit als 420 und 17-4-Edelstahl bei besserer Zähigkeit und einer höheren Korrosionsbeständigkeit als Werkzeugstähle.

Spezifikationen für Metallpulver

17-4PH-Edelstahlpulver für MIM-Rohstoffe ist im Handel in verschiedenen Größenbereichen, chemischen Zusammensetzungen und Morphologien erhältlich. Nachfolgend finden Sie einige allgemeine Spezifikationen:

Tabelle: Spezifikationen für Edelstahl-Metallpulver 17-4PH

Attribut Einzelheiten
Partikelgrößen 3–5 µm, 5–9 µm, 10–20 µm
Chemie-Sortiment Gemäß AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705
Kohlenstoffgehalt <0,1 %, extrem kohlenstoffarm
Sauerstoffgehalt <0,6 %, niedriger Sauerstoffgehalt
Morphologien Kugelförmig, teilweise kugelförmig
Scheinbare Dichte 3,0-4,5 g/cm3
Klopfdichte 4,5-5,5 g/cm3
Fließrate 15–35 Sek./50 g

 

Die Pulverqualität ist für Hochleistungs-MIM-Teile von entscheidender Bedeutung. Schlüsseleigenschaften wie Pulvermorphologie, Partikelgrößenverteilung, Reinheit und Pulverfließverhalten bestimmen die Qualität des Ausgangsmaterials und die daraus resultierenden Bauteileigenschaften.

Die kugelförmige Pulvermorphologie bietet die beste Fließ- und Packungsdichte für MIM. Kleine Partikelgrößen (<20 µm) werden zum Erfassen feiner Merkmale bevorzugt, während größere Größen den Fluss und die Formbarkeit verbessern.

Pulverherstellung

17-4PH-Pulver wird durch Gaszerstäubung oder Inertgaszerstäubungsverfahren hergestellt. Gelegentlich kommt auch die Hochdruckwasserzerstäubung zum Einsatz.

Bei der Gaszerstäubung wird der Legierungsschmelzstrom durch Hochgeschwindigkeits-Inertgasstrahlen in feine Tröpfchen zerlegt. Die Tröpfchen erstarren schnell zu kugelförmigen Pulverpartikeln. Die Partikelgrößenverteilung wird über die Gasdurchflussrate, das Düsendesign und andere Prozessparameter gesteuert.

Bei der Wasserzerstäubung werden Wasserstrahlen zur Zerkleinerung des Metallstroms eingesetzt. Es entstehen unregelmäßige, satellitenartige Pulverpartikel. Für die MIM-Verwendung sind zusätzliche Konditionierungsschritte erforderlich, um das Pulver kugelförmig zu machen.

Vakuum-Inertgasprozesse erzeugen das sauberste und reinste 17-4PH-Pulver für Hochleistungs-MIM-Rohstoffe. Das Inertgas verhindert eine Oxidation der Schmelze und des Pulvers.

Standards und Noten

17-4PH-Edelstahlpulver und MIM-Teile erfüllen die folgenden Standards und Spezifikationen:

  • ASTM A564 – Standard für ausscheidungshärtende Drähte und Bänder aus rostfreiem Stahl
  • ASTM A705 – Standard für ausscheidungshärtendes Kobalt-Chrom-Nickel-Kupfer-Legierungspulver (PH15-7Mo).
  • AMS 5643 – Ausscheidungshärtendes Edelstahlpulver, Sorten PH13-8Mo, PH15-7Mo
  • AMS 5646 – Edelstahl 17-4, ausscheidungshärtend
  • AMS 5803 – Edelstahl 15-5, Pulvermetallurgie

Verfügbare Produktbezeichnungen und gleichwertige Qualitäten sind:

  • 17-4PH – UNS S17400 (am häufigsten)
  • 15-5PH – UNS S15500
  • X5CrNiCu15-5 – DIN 1.4545
  • 1RK91 – AFNOR Z6CNNbCu15-05

Die Zusammensetzungsgrade entsprechen den Legierungsbereichen der AMS 5643 Gruppe 1. Pulver mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt und <0,03 % C sind ebenfalls erhältlich.

Lieferanten

17-4PH Edelstahl-Metallpulver für MIM wird kommerziell von den großen Anbietern von Speziallegierungen und Edelstahlpulver hergestellt:

Tabelle: Hersteller von 17-4PH-Edelstahlpulver

Unternehmen Markennamen
Sandvik Fischadler + Amperit
Praxair Drucklegierung PH
Tischler Hydramit PH
Höganäs Stellite 21 + Densimet PH
CNPC FSM-17-4PH

 

Das Pulver kann über Metallpulverhändler, MIM-Servicebüros, Lohnverarbeiter und Rohstofflieferanten erworben werden.

Kostenanalyse

Die Pulverkosten für 17-4PH-Edelstahl sind mäßig hoch und liegen in kleinen Mengen zwischen 25 und 45 US-Dollar pro kg. Bei größeren Bestellungen über 1000 kg ist der Preis niedriger.

Im Vergleich dazu kostet 316L-Edelstahlpulver 15–30 $/kg, während Werkzeugstahlpulver (H13, P20) 12–25 $/kg kostet.

Für das fertige MIM-Teil machen die Materialien je nach Teilegröße und Komplexität 50–70 % der Stückkosten aus. Kleinere Teile in größeren Mengen haben im Vergleich zu sekundären Vorgängen einen geringeren Anteil an den Materialkosten.

Designempfehlungen

Um 17-4PH-Edelstahlpulver erfolgreich aufzutragen und die vollen Eigenschaften zu erreichen, sollten die folgenden Designrichtlinien für MIM befolgt werden:

  • Für eine ausreichende Festigkeit sind Mindestwandstärken von 0,3–0,5 mm zu verwenden
  • Behalten Sie Seitenverhältnisse unter 8:1 für komplexe Formen bei
  • Berücksichtigen Sie Radien von 0,25 mm oder mehr, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden
  • Anschnitt mit >0,5 mm Dicke und >35 % Querschnitt der Hohlraumöffnung
  • Die anisotrope Schrumpfung beträgt ca. 17 % auf den Hauptachsen und ca. 20 % in Dickenrichtung
  • Erreichen Sie nach dem Sintern eine Dichte von >92 % für die erforderlichen mechanischen Eigenschaften

Überlegungen zur Verarbeitung

Zu den wichtigsten Verarbeitungsschritten bei der Verwendung von 17-4PH-Pulverrohstoffen für den Metallspritzguss gehören:

  • Mischen: Mischen von Pulver- und Bindemittelkomponenten unter hoher Scherung, um ein homogenes Ausgangsmaterial mit einer gleichmäßigen Pulverbeladung von etwa 62–68 Vol.-% zu bilden.
  • Formen: Verwendung von Spritzgussparametern, die für Ausgangsmaterialien mit hohem Feststoffgehalt geeignet sind – hohe Schussgröße, schnelle Einspritzgeschwindigkeit, hoher Haltedruck.
  • Entbinderung: Lösungsmittelentbinderung, gefolgt von thermischer Entbinderung, um Bindemittelbestandteile vollständig zu entfernen und den braunen Teil zum Sintern bereit zu lassen.
  • Sintern: Sintern im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre bei ~1300 °C, um die volle Dichte zu erreichen. Der Sinterschrumpf soll im Formwerkzeug kompensiert werden.
  • Wärmebehandlung: Lösungsglühen, gefolgt von Alterung/Ausscheidungshärtung, je nach Bedarf, um die Festigkeitsanforderungen zu erreichen.
  • Sekundäre Arbeitsgänge: Kann Prägen, Bohren, Gewindeschneiden, Oberflächenbehandlungen, Plattieren, Laserbeschriften usw. umfassen.

MIM-Servicebüros und Lohnverarbeiter haben Best Practices für 17-4PH MIM etabliert, um Maßgenauigkeit und wiederholbare mechanische Eigenschaften von Teil zu Teil sicherzustellen.

Inspektion und Prüfung

Einige der Inspektions- und Testmethoden, die zur Qualitätskontrolle und Validierung von 17-4PH MIM-Teilen verwendet werden, sind:

  • Chemische Analyse – ICP und OES zur Überprüfung der Zusammensetzung und des Gasgehalts
  • Partikelgrößenanalyse – Laserbeugung zur Überprüfung der Pulvergrößenverteilung
  • Dichteprüfung – Archimedes-Methode und Heliumpyknometrie
  • Zugprüfung – ASTM E8, um UTS, Streckgrenze und Dehnung zu erhalten
  • Härteprüfung – Rockwell und Vickers zur Prüfung der Härte
  • Mikrostruktur – Optische Mikroskopie und SEM zur Untersuchung von Phasen
  • Korngröße – ASTM E112, Vergleichsmethoden zur Bestimmung der Korngröße
  • Fehleranalyse – Farbeindringprüfung zur Identifizierung von Oberflächenfehlern

Gut ausgestattete metallurgische Labore sind in der Lage, diese Tests gemäß internationalen Teststandards für Metallpulver und Industrieteile durchzuführen. Dadurch wird die Einhaltung der Spezifikationen bei der Legierungspulverherstellung, der MIM-Teileproduktion und der endgültigen Teilequalifizierung sichergestellt.

Gesundheit und Sicherheit

Pulver und Teile aus 17-4PH-Edelstahl stellen in fester Form keine nennenswerten Gesundheitsrisiken dar. Bei der Handhabung, Verarbeitung oder Bearbeitung dieses Materials sollten jedoch die folgenden empfohlenen Vorgehensweisen beachtet werden:

  • Tragen Sie beim Umgang mit Pulver PSA – Handschuhe, Atemschutz, Augenschutz
  • Verwenden Sie eine Staubabsaugung, wenn Sie verschüttetes Pulver entfernen oder gesinterte Teile bearbeiten
  • Vermeiden Sie das Einatmen von Pulverstäuben und Dämpfen aus Schmelz-/Sintervorgängen
  • Schnitt- und Schürfwunden verhindern und behandeln, um den Kontakt mit Metallpartikeln zu vermeiden
  • Befolgen Sie beim Laden von Pulverrohstoffen sichere Verfahren zur Pulverhandhabung und -übertragung
  • Bei der Bearbeitung von Sinterteilen funkenfreie Werkzeuge und geschliffene Geräte verwenden
  • Sorgen Sie für ausreichende Belüftung und tragen Sie PSA, wenn Sie 17-4PH-Komponenten schweißen oder löten
  • Entsorgen Sie es gemäß den örtlichen Umweltvorschriften und vermeiden Sie die Freisetzung des Pulvers in die Umwelt

Bei ordnungsgemäßer Vorgehensweise stellen 17-4PH-Pulver und MIM-Teile keine nennenswerten Gefahren dar. Hauptrisiken sind mögliche Reizungen durch Staubeinwirkung und Schnittverletzungen durch die Handhabung. Eine ordnungsgemäße Belüftung, die Verwendung von PSA und eine sichere Lagerung mindern diese Risiken.

FAQ

Q: Welche Partikelgröße des 17-4PH-Pulvers wird für MIM empfohlen?

A: Üblicherweise werden 10–20 Mikrometer verwendet, aber Größen von 3–45 Mikrometer funktionieren je nach Teilegeometrie. Feineres <10 µm-Pulver erfasst Details besser, kann jedoch beim Formen eine Herausforderung darstellen.

Q: Muss 17-4PH-Pulver in einer inerten Atmosphäre gehandhabt werden?

A: Nicht unbedingt, es kann an der Luft gehandhabt werden, aber eine inerte Glovebox sorgt dafür, dass der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt für Reinheit minimiert wird.

Q: Was ist der Unterschied zwischen Edelstahl 17-4 und 17-4PH?

A: 17-4PH hat einen geringeren Kupfergehalt (3–5 % gegenüber 4–6 % bei 17-4), was bei gleichem Festigkeitsniveau eine bessere Schlagzähigkeit und Duktilität ergibt.

Q: Kann man Edelstahl 17-4PH mehrmals aushärten?

A: Ja, 17-4PH kann wiederholt ausscheidungsgehärtet werden. Mit jedem Zyklus erhält es wieder eine hohe Festigkeit, die Duktilität kann jedoch bei wiederholter Alterung abnehmen.

Q: Welche typische Oberflächenbeschaffenheit wird mit 17-4PH MIM-Teilen erreicht?

A: Die Oberfläche im gesinterten Zustand beträgt etwa Ra 3–5 Mikrometer. Durch Polieren und Ätzen können Werte unter 0,5 Mikrometer erreicht werden. Durch das Plattieren entstehen auch glatte Oberflächen.

Q: Funktioniert 17-4PH im Vergleich zu MIM für den Metall-3D-Druck?

A: Ja, es kann für DMLS und Binder Jetting verwendet werden, erfordert jedoch gegenüber MIM angepasste Parameter. Die Abkühlraten sind höher, daher unterscheiden sich die Eigenschaften.

Q: Welche Arten der Nachbearbeitung werden üblicherweise an 17-4PH-MIM-Teilen durchgeführt?

A: Bearbeiten, Bohren, Gewindeschneiden, Schleifen, Erodieren, Kugelstrahlen, Passivieren, Elektropolieren, Plattieren, Wärmebehandeln, Schweißen und Laserbeschriften.

Q: Welche Beschichtungsoptionen eignen sich gut für 17-4PH-Edelstahl?

A: Chemisch Nickel, Hartchrom, Zink-Nickel, Zinn, Kupfer und Edelmetallbeschichtungen wie Silber, Gold und Rhodium eignen sich gut für Korrosions- oder Verschleißfestigkeit.

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