17-4PH Edelstahl-Metallpulver für MIM

Übersicht

Der rostfreie Stahl 17-4PH ist ein ausscheidungshärtender martensitischer rostfreier Stahl mit einem Kupferanteil von etwa 4%. Die pulvermetallurgische Sorte 17-4PH ist aufgrund ihrer Kombination aus hoher Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, die durch ausscheidungshärtende Wärmebehandlungen weiter verbessert werden können, eine ideale Wahl für Metallspritzgussanwendungen (MIM).

17-4PH-Pulver ist im Vergleich zu anderen konkurrierenden Legierungen eine attraktive Option für MIM, da es beim Sintern dimensionsstabil ist und sich insgesamt leicht verarbeiten lässt. Aus 17-4PH-Metallpulver hergestellte Teile weisen eine hohe Grünfestigkeit für komplexe Geometrien, gute Formbarkeit und einen sauberen Ausbrand 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 im Metallspritzguss.

Zusammensetzung

Die nominelle Zusammensetzung von rostfreiem Stahl 17-4PH mit Chrom, Nickel und Kupfer als den wichtigsten Legierungselementen ist unten aufgeführt:

Tabelle: Zusammensetzung von 17-4PH-Edelstahl

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)	Bilanz

 

Der Kupfergehalt ist das Unterscheidungsmerkmal zwischen dem Edelstahl 17-4PH und 17-4, der 4,0-6,0% Kupfer enthält. Der geringere Kupfergehalt in 17-4PH sorgt für bessere Duktilität und Schlagfestigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit.

Silizium, Mangan, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor werden in Spuren gehalten, um die Korrosionsbeständigkeit zu maximieren und Karbidausscheidungen zu vermeiden. Die Zusätze von Niob und Tantal tragen zur Verfeinerung der Kornstruktur während des Sinterns bei.

Eigenschaften

Der nichtrostende Stahl 17-4PH weist eine hervorragende Kombination aus hoher Festigkeit und guter Duktilität im ausscheidungsgehärteten Zustand auf. Die wichtigsten Eigenschaften im H900-Zustand sind unten aufgeführt:

Tabelle: Eigenschaften von rostfreiem Stahl 17-4PH

Eigentum	Wert
Dichte	7,8 g/cm3
Endgültige Zugfestigkeit	1240-1300 MPa
Streckgrenze (0,2% Offset)	1100-1160 MPa
Elastischer Modul	190-210 GPa
Dehnung	10-15%
Härte	39-43 HRC
Schlagzähigkeit	50-60 J
Ermüdungsfestigkeit	550 MPa
Scherfestigkeit	760 MPa
Druckfestigkeit	1275 MPa

 

Die Wärmebehandlung zur Ausscheidungshärtung, die zur Erzielung dieser hohen Festigkeitswerte eingesetzt wird, umfasst ein Lösungsglühen bei 900-950 °C und eine anschließende Alterung 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 der nichtrostende Stahl 17-4PH geringere, aber immer noch respektable mechanische Eigenschaften auf, die denen der nichtrostenden Stähle der Serie 400 entsprechen. Er bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen moderater Festigkeit und Duktilität für Fälle, in denen eine vollständige Härtung nicht erforderlich ist.

Die Korrosionsbeständigkeit von 17-4PH ist vergleichbar mit den martensitischen nichtrostenden Stählen 410 und 416 und bietet eine gute Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion und viele milde Chemikalien. Im Vergleich zu austenitischen nichtrostenden Stählen der Serie 300 ist die Beständigkeit jedoch geringer.

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
• Automobilindustrie, Motoren, Ventile
• Spritzgussformen für Kunststoff
• Industrielle Werkzeuge, Stanz- und Prägewerkzeuge
• Lebensmittelverarbeitung und pharmazeutische Ausrüstung
• Pumpen, Ventile, Instrumente für die Petrochemie
• Konsumgüter wie Messer, Marinezubehör
• 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 eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Werkzeugstähle.

Metallpulver-Spezifikationen

17-4PH-Pulver aus rostfreiem Stahl für MIM-Rohmaterial ist im Handel in verschiedenen Größenbereichen, chemischen Zusammensetzungen und Morphologien erhältlich. Einige gängige Spezifikationen sind unten aufgeführt:

Tisch: 17-4PH Edelstahl Metallpulver Spezifikationen

Attribut	Einzelheiten
Partikelgrößen	3-5 um, 5-9 um, 10-20 um
Bereich Chemie	Nach 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
Dichte des Gewindebohrers	4,5-5,5 g/cm3
Durchflussmenge	15-35 s/50g

 

Die Qualität des Pulvers ist entscheidend für leistungsstarke MIM-Teile. Schlüsselmerkmale wie Pulvermorphologie, Partikelgrößenverteilung, Reinheit und Fließverhalten des Pulvers bestimmen die Qualität des Ausgangsmaterials und die daraus resultierenden Bauteileigenschaften.

Die sphärische Pulvermorphologie bietet die beste Fließfähigkeit und Packungsdichte für MIM. Kleine Partikelgrößen (<20 um) werden bevorzugt, um feine Merkmale zu erfassen, während größere Größen den Fluss und die Formbarkeit verbessern.

Pulverherstellung

17-4PH-Pulver wird durch Gaszerstäubung oder durch Inertgaszerstäubung hergestellt. Gelegentlich wird auch die Hochdruckwasserverdüsung eingesetzt.

Bei der Gaszerstäubung wird der Legierungsschmelzestrom durch Hochgeschwindigkeits-Inertgasstrahlen in feine Tröpfchen zerlegt. Die Tröpfchen verfestigen sich schnell zu kugelförmigen Pulverpartikeln. Die Partikelgrößenverteilung wird über den Gasdurchsatz, die Düsengestaltung und andere Prozessparameter gesteuert.

Bei der Wasserzerstäubung werden Wasserstrahlen zur Auflösung des Metallstroms verwendet. Dabei entstehen unregelmäßige, satellitenförmige Pulverpartikel. Für die Verwendung als MIM erfordert das Pulver zusätzliche Konditionierungsschritte, um es kugelförmig zu machen.

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

Normen und Benotungen

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

• ASTM A564 - Norm für das Ausscheidungshärten von Draht und Band aus rostfreiem Stahl
• ASTM A705 - Norm für ausscheidungshärtende Pulver aus einer Kobalt-Chrom-Nickel-Kupfer-Legierung (PH15-7Mo)
• AMS 5643 - Ausscheidungshärtendes Edelstahlpulver, Sorten PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - Rostfreier Stahl 17-4, ausscheidungsgehärtet
• AMS 5803 - Rostfreier Stahl 15-5, pulvermetallurgisch hergestellt

Verfügbare Produktbezeichnungen und gleichwertige Qualitäten sind:

• 17-4PH - UNS S17400 (am häufigsten verwendet)
• 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 (<0,03% C) ist ebenfalls erhältlich.

Anbieter

17-4PH Metallpulver aus rostfreiem Stahl für MIM wird von den großen Anbietern von Speziallegierungen und rostfreiem Stahlpulver kommerziell hergestellt:

Tabelle: 17-4PH Edelstahlpulver Hersteller

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

 

Das Pulver kann bei Metallpulverhändlern, MIM-Servicebüros, Lohnverarbeitern und Rohstofflieferanten erworben werden.

Kostenanalyse

Die Kosten für Pulver aus rostfreiem Stahl 17-4PH sind mäßig hoch und liegen zwischen $25-$45 pro kg bei kleinen Mengen. Der Preis ist niedriger für größere Aufträge über 1000 kg.

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

Beim fertigen MIM-Teil machen die Materialkosten je nach Größe und Komplexität des Teils 50-70% der Stückkosten aus. Bei kleineren Teilen mit höheren Stückzahlen ist der Anteil der Materialkosten im Vergleich zu den sekundären Vorgängen geringer.

Design-Empfehlungen

Um 17-4PH-Pulver aus rostfreiem Stahl erfolgreich aufzutragen und volle Eigenschaften zu erzielen, sollten die folgenden Konstruktionsrichtlinien für MIM beachtet werden:

• Verwenden Sie Mindestwandstärken von 0,3-0,5 mm für eine ausreichende Festigkeit.
• Beibehaltung von Seitenverhältnissen unter 8:1 bei komplexen Formen
• Radien von 0,25 mm oder größer einbeziehen, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden
• Anschnitt mit >0,5 mm Dicke und >35% Querschnitt der Hohlraumöffnung
• Die anisotrope Schrumpfung beträgt ~17% auf den Hauptachsen, ~20% in Richtung der Dicke
• Erreichen einer Dichte von >92% nach der Sinterung für die erforderlichen mechanischen Eigenschaften

Überlegungen zur Verarbeitung

Zu den wichtigsten Verarbeitungsschritten bei der Verwendung von 17-4PH-Pulver für das Metall-Spritzgießen gehören:

• Mischen: Mischen von Pulver- und Bindemittelkomponenten unter hoher Scherung, um ein homogenes Ausgangsmaterial mit einer gleichmäßigen Pulverbeladung von etwa 62-68% nach Volumen zu erhalten.
• Gießen: Verwendung von Spritzgießparametern, die für feststoffreiche Ausgangsmaterialien geeignet sind - hohe Schussgröße, hohe Einspritzgeschwindigkeit, hoher Nachdruck.
• Entbinden: Lösungsmittel-Entbindern, gefolgt von thermischem Entbindern, um die Bindemittelkomponenten vollständig zu entfernen und braune Teile für das Sintern bereitzustellen.
• Sintern: Sintern im Vakuum oder unter Wasserstoffatmosphäre bei ~1300°C, um die volle Dichte zu erreichen. Die Schrumpfung beim Sintern sollte bei der Werkzeugherstellung kompensiert werden.
• Wärmebehandlung: Lösungsglühen mit anschließender Alterung/Ausscheidungshärtung nach Bedarf, um die Festigkeitsanforderungen zu erfüllen.
• Sekundäre Operationen: Kann Prägen, Bohren, Gewindeschneiden, Oberflächenbehandlung, Beschichtung, Lasermarkierung usw. umfassen.

MIM-Servicebüros und Lohnverarbeiter haben bewährte Verfahren für 17-4PH MIM eingeführt, um Maßgenauigkeit und wiederholbare mechanische Eigenschaften von Teil zu Teil zu gewährleisten.

Inspektion und Prüfung

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

• Chemische Analyse - ICP und OES zur Überprüfung der Zusammensetzung und des Gasgehalts
• Partikelgrößenanalyse - Laserbeugung zur Überprüfung der Pulvergrößenverteilung
• Dichtheitsprüfung - Archimedes-Methode und Helium-Pyknometrie
• Zugprüfung - ASTM E8, zur Ermittlung von UTS, Streckgrenze und Dehnung
• Härteprüfung - Rockwell und Vickers zur Überprüfung der Härte
• Mikrostruktur - Optische Mikroskopie und SEM zur Untersuchung der Phasen
• Korngröße - ASTM E112, Vergleichsmethoden zur Bestimmung der Korngröße
• Defektanalyse - Farbeindringprüfung zur Identifizierung von Oberflächenfehlern

Gut ausgestattete metallurgische Labors sind in der Lage, diese Prüfungen gemäß den internationalen Prüfnormen für Metallpulver und Industrieteile durchzuführen. Dies gewährleistet die Einhaltung der Spezifikationen bei der Herstellung von Legierungspulvern, bei der Produktion von MIM-Teilen und bei der Qualifizierung der endgültigen Teile.

Gesundheit und Sicherheit

17-4PH Edelstahlpulver und -teile stellen in fester Form keine signifikanten Gesundheitsgefahren dar. Allerdings sollten die folgenden empfohlenen Praktiken bei der Handhabung, Verarbeitung oder Bearbeitung dieses Materials beachtet werden:

• PSA tragen - Handschuhe, Atemschutz, Augenschutz beim Umgang mit Pulver
• Verwenden Sie eine Staubabsaugung, wenn Sie verschüttetes Pulver reinigen oder gesinterte Teile bearbeiten.
• Vermeiden Sie das Einatmen von Pulverstäuben und Dämpfen aus Schmelz-/Sintervorgängen
• Vorbeugung und Behandlung von Schnitt- und Schürfwunden, um die Exposition gegenüber Metallpartikeln zu vermeiden
• Befolgen Sie beim Laden von Pulvermaterial die Verfahren zur sicheren Handhabung und Weitergabe von Pulver
• Bei der Bearbeitung von Sinterteilen funkenfreie Werkzeuge und geschliffene Geräte verwenden
• Sorgen Sie für ausreichende Belüftung und tragen Sie beim Schweißen oder Löten von 17-4PH-Bauteilen PSA
• Gemäß den örtlichen Umweltvorschriften entsorgen und die Freisetzung von Pulver in die Umwelt vermeiden

Bei ordnungsgemäßen Verfahren stellen 17-4PH-Pulver und MIM-Teile keine wesentlichen Gefahren dar. Die Hauptrisiken sind mögliche Reizungen durch Staub und Schnittverletzungen bei der Handhabung. Richtige Belüftung, die Verwendung von PSA und eine sichere Lagerung mindern diese Risiken.

FAQ

F: Welche Partikelgröße von 17-4PH-Pulver wird für MIM empfohlen?

A: Üblicherweise werden 10-20 Mikrometer verwendet, aber je nach Teilegeometrie sind auch Größen von 3-45 Mikrometer möglich. Feineres Pulver <10 um erfasst Details besser, kann aber beim Gießen eine Herausforderung darstellen.

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

A: Nicht unbedingt, es kann an der Luft gehandhabt werden, aber eine inerte Glovebox stellt sicher, dass der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt minimiert wird, um die Reinheit zu gewährleisten.

F: Was ist der Unterschied zwischen rostfreiem Stahl 17-4 und 17-4PH?

A: 17-4PH hat einen geringeren Kupfergehalt (3-5% im Vergleich zu 4-6% in 17-4), was eine bessere Schlagzähigkeit und Duktilität bei gleicher Festigkeit bedeutet.

F: Kann man rostfreien Stahl 17-4PH mehrmals härten?

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

F: Welche Oberflächengüte wird bei MIM-Teilen aus 17-4PH typischerweise erreicht?

A: Die as-gesinterte Oberfläche liegt bei Ra 3-5 Mikron. Durch Polieren und Ätzen können weniger als 0,5 Mikrometer erreicht werden. Galvanisieren erzeugt ebenfalls glatte Oberflächen.

F: Eignet sich 17-4PH für den 3D-Druck von Metall im Vergleich zu MIM?

A: Ja, es kann für DMLS und Binder Jetting verwendet werden, erfordert aber im Vergleich zu MIM angepasste Parameter. Die Abkühlungsraten sind höher, daher unterscheiden sich die Eigenschaften.

F: Welche Arten der Nachbearbeitung werden bei 17-4PH MIM-Teilen üblicherweise durchgeführt?

A: Spanende Bearbeitung, Bohren, Gewindeschneiden, Schleifen, Erodieren, Kugelstrahlen, Passivieren, Elektropolieren, Beschichten, Wärmebehandlung, Schweißen und Lasermarkieren.

F: 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- und Verschleißschutz.