17-4PH MIM용 스테인리스 스틸 금속 분말

개요

17-4PH 스테인리스강은 조성상 약 4% 구리를 함유한 침전 경화 마르텐사이트 계 스테인리스강입니다. 분말 야금 등급의 17-4PH 스테인리스강은 고강도, 우수한 내식성 및 침전 경화 열처리를 통해 더욱 향상시킬 수 있는 우수한 기계적 특성의 조합으로 인해 금속 사출 성형(MIM) 응용 분야에 이상적인 선택입니다.

17-4PH 분말은 소결 시 치수 안정성과 전반적인 가공 용이성으로 인해 다른 경쟁 합금에 비해 MIM에 매력적인 옵션을 제공합니다. 17-4PH 금속 분말 공급 원료로 만든 부품은 복잡한 형상을 위한 높은 녹색 강도, 우수한 성형성, 잔류물을 최소화한 깨끗한 소손을 보여줍니다.

다음 섹션에서는 금속 사출 성형에 사용되는 17-4PH 스테인리스강 분말의 구성, 특성, 용도, 사양, 공급업체 및 기타 기술적 세부 사항에 대해 설명합니다.

구성

크롬, 니켈, 구리를 주요 합금 원소로 하는 17-4PH 스테인리스 스틸의 공칭 조성은 아래와 같습니다:

테이블: 17-4PH 스테인리스 스틸 구성

요소	무게 %
크롬(Cr)	15.0 – 17.5
니켈(Ni)	3.0 – 5.0
구리(Cu)	3.0 – 5.0
니오븀(Nb) + 탄탈륨(Ta)	0.15 – 0.45
실리콘(Si)	최대 1.0
망간(Mn)	최대 1.0
탄소(C)	최대 0.07
유황(S)	최대 0.03
인(P)	최대 0.04
철(Fe)	잔액

 

구리 함량은 17-4PH 스테인리스 스틸과 4.0-6.0% 구리를 함유한 17-4를 구분하는 요소입니다. 17-4PH의 구리 함량이 낮을수록 높은 강도를 유지하면서 더 나은 연성 및 충격 특성을 제공합니다.

실리콘, 망간, 탄소, 황, 인은 내식성을 극대화하고 카바이드 침전을 방지하기 위해 미량 수준으로 유지됩니다. 니오븀과 탄탈륨이 첨가되어 소결 시 입자 구조를 개선하는 데 도움이 됩니다.

속성

17-4PH 스테인리스 스틸은 강수량 경화 조건에서 고강도 및 우수한 연성의 탁월한 조합을 보여줍니다. H900 조건의 주요 특성은 다음과 같습니다:

표: 17-4PH 스테인리스 스틸의 특성

속성	가치
밀도	7.8g/cm3
궁극의 인장 강도	1240-1300 MPa
항복 강도(0.2% 오프셋)	1100-1160 MPa
탄성 계수	190-210 GPa
신장	10-15%
경도	39-43 HRC
충격 인성	50-60 J
피로 강도	550 MPa
전단 강도	760 MPa
압축 강도	1275 MPa

 

이러한 고강도 수준을 달성하기 위해 사용되는 침전 경화 열처리에는 900-950°C에서 용액 어닐링과 450-500°C에서 에이징이 포함됩니다. 그 결과 구리가 풍부한 매우 미세한 침전물이 생성되어 전위 이동을 방해하고 연성을 유지하면서 금속 매트릭스를 강화합니다.

노화되지 않은 용액 어닐링 상태에서 17-4PH 스테인리스강은 400계 스테인리스강에 비해 기계적 특성은 낮지만 여전히 우수한 수준입니다. 완전 경화가 필요하지 않은 경우에 적합한 적당한 강도와 연성의 균형을 제공합니다.

17-4PH의 내식성은 마르텐사이트계 410 및 416 스테인리스강과 비슷하여 대기 부식 및 여러 가지 약한 화학 물질에 대한 유용한 저항력을 제공합니다. 그러나 300 계열 오스테나이트 스테인리스강에 비해 저항성이 낮습니다.

애플리케이션

경화 후 강도가 높고 내식성이 적당하여 17-4PH 스테인리스강은 다음과 같은 응용 분야에 사용되는 금속 사출 성형 부품에 널리 사용됩니다:

• 항공우주 및 항공기 부품
• 정형외과 및 치과 임플란트
• 자동차, 엔진, 밸브
• 플라스틱 사출 금형
• 산업용 툴링, 펀칭/스탬핑 공구
• 식품 가공 및 제약 장비
• 석유화학 펌프, 밸브, 계측 기기
• 칼, 선박용 하드웨어와 같은 소비재 제품
• 시계 케이스, 주얼리 설정

MIM은 소결 기계적 특성이 우수한 작고 복잡한 부품을 생산하는 데 유리합니다. 17-4PH의 우수한 연마성은 장식용 응용 분야에도 적합합니다.

다른 MIM 합금에 비해 17-4PH는 316L 스테인리스강보다 강도가 높고, 420 및 17-4 스테인리스강과 비슷하거나 더 우수한 인성 및 공구강보다 우수한 내식성을 제공합니다.

금속 분말 사양

MIM 공급 원료용 17-4PH 스테인리스강 분말은 다양한 크기 범위, 화학적 특성 및 형태로 시판되고 있습니다. 몇 가지 일반적인 사양은 다음과 같습니다:

표: 17-4PH 스테인리스 스틸 금속 분말 사양

속성	세부 정보
입자 크기	3-5음, 5-9음, 10-20음
화학 범위	AMS 5643, ASTM A564, ASTM A705 기준
탄소 함량	<0.1%, 초저탄소
산소 함량	<0.6%, 저산소
모폴로지	구형, 부분적으로 구형
겉보기 밀도	3.0~4.5g/cm3
탭 밀도	4.5-5.5 g/cm3
유량	15-35 초/50g

 

고성능 MIM 부품에는 파우더 품질이 매우 중요합니다. 분말 형태, 입자 크기 분포, 순도 및 분말 흐름 거동과 같은 주요 특성은 공급 원료의 품질과 결과 부품 특성을 결정합니다.

구형 파우더 형태는 MIM에 가장 적합한 유동 및 패킹 밀도를 제공합니다. 작은 입자 크기(20㎛ 미만)는 미세한 피처를 캡처하는 데 선호되며, 크기가 클수록 흐름과 성형성이 향상됩니다.

분말 제조

17-4PH 분말은 가스 분무 또는 불활성 가스 분무 공정을 사용하여 제조됩니다. 고압 물 분무도 때때로 사용됩니다.

가스 분무에서는 합금 용융 스트림이 고속 불활성 가스 제트에 의해 미세한 방울로 분해됩니다. 이 액적은 구형의 분말 입자로 빠르게 응고됩니다. 입자 크기 분포는 가스 유량, 노즐 설계 및 기타 공정 파라미터를 통해 제어됩니다.

물 분무는 금속 스트림을 분해하기 위해 물 분사를 사용합니다. 불규칙한 위성형 분말 입자를 생성합니다. MIM을 사용하려면 파우더를 구형으로 만들기 위한 추가 컨디셔닝 단계가 필요합니다.

진공 불활성 가스 공정은 고성능 MIM 공급 원료를 위한 가장 깨끗하고 순수한 17-4PH 분말을 생산합니다. 불활성 가스는 용융물과 파우더의 산화를 방지합니다.

표준 및 성적

17-4PH 스테인리스 스틸 분말 및 MIM 부품은 다음 표준 및 사양을 충족합니다:

• ASTM A564 - 강수량 경화 스테인리스 스틸 와이어 및 스트립 표준
• ASTM A705 - 침전 경화 코발트-크롬-니켈-구리 합금(PH15-7Mo) 분말에 대한 표준
• AMS 5643 - 침전 경화 스테인리스강 분말, PH13-8Mo, PH15-7Mo 등급
• AMS 5646 - 스테인리스 스틸 17-4, 강수량 경화
• AMS 5803 - 스테인리스강 15-5, 분말 야금

사용 가능한 제품 명칭과 이에 상응하는 등급은 다음과 같습니다:

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

구성 등급은 AMS 5643 그룹 1 합금 범위를 충족합니다. 0.03% C 미만의 초저탄소 분말도 사용할 수 있습니다.

공급업체

MIM용 17-4PH 스테인리스 스틸 금속 분말은 주요 특수 합금 및 스테인리스 스틸 분말 공급업체에서 상업적으로 생산합니다:

표: 17-4PH 스테인리스 분말 제조업체

회사	브랜드 이름
샌드빅	오스프리 + 앰퍼릿
프렉스에어	프린트합금 PH
목수	하이드라마이트 PH
회가나스	스텔라이트 21 + 덴시메트 PH
CNPC	FSM-17-4PH

 

분말은 금속 분말 유통업체, MIM 서비스 사무소, 유료 프로세서 및 공급 원료 공급업체를 통해 구매할 수 있습니다.

비용 분석

17-4PH 스테인리스 스틸의 분말 비용은 소량 주문 시 kg당 $25-$45로 적당히 높습니다. 1000kg 이상의 대량 주문의 경우 가격이 더 낮습니다.

이에 비해 316L 스테인리스 스틸 파우더는 $15-$30/kg, 공구강 파우더(H13, P20)는 $12-25/kg의 비용이 소요됩니다.

완성된 MIM 부품의 경우, 부품 크기와 복잡성에 따라 재료가 단가의 50~70%를 차지합니다. 대량 생산되는 소형 부품일수록 2차 공정에 비해 재료비가 차지하는 비중이 낮아집니다.

디자인 권장 사항

17-4PH 스테인리스 스틸 파우더를 성공적으로 적용하고 완전한 특성을 얻으려면 다음과 같은 MIM 설계 지침을 따라야 합니다:

• 적절한 강도를 위해 최소 0.3-0.5mm의 벽 두께를 사용하십시오.
• 복잡한 도형의 경우 8:1 미만의 종횡비 유지
• 응력 집중을 방지하기 위해 반경이 0.25mm 이상이어야 합니다.
• 0.5mm 이상의 두께와 35% 이상의 캐비티 개구부 단면을 가진 게이트
• 이방성 수축은 주축에서 ~17%, 두께 방향에서 ~20%입니다.
• 소결 후 92% 이상의 밀도를 달성하여 필요한 기계적 특성을 구현합니다.

처리 고려 사항

금속 사출 성형에 17-4PH 분말 공급 원료를 사용하는 주요 공정 단계는 다음과 같습니다:

• 혼합: 파우더와 바인더 성분의 고단단 혼합으로 약 62-68%의 균일한 파우더 로딩으로 균일한 공급 원료를 형성합니다.
• 몰딩: 고형분 함량이 높은 공급 원료에 적합한 사출 성형 파라미터(높은 사출 크기, 빠른 사출 속도, 높은 유지 압력)를 사용합니다.
• 디바인딩: 솔벤트 디바인딩 후 열 디바인딩을 통해 바인더 성분을 완전히 제거하고 갈색 부분을 소결할 수 있도록 준비합니다.
• 소결: 진공 또는 수소 분위기에서 최대 밀도를 달성하기 위해 ~1300°C까지 소결합니다. 소결 수축은 금형 툴링에서 보정해야 합니다.
• 열처리: 용액 어닐링 후 강도 요구 사항을 달성하기 위해 필요에 따라 에이징/침전 경화를 진행합니다.
• 보조 작업: 코닝, 드릴링, 태핑, 표면 처리, 도금, 레이저 마킹 등이 포함될 수 있습니다.

MIM 서비스 국과 통행료 프로세서는 치수 정확도와 부품 간 반복 가능한 기계적 특성을 보장하기 위해 17-4PH MIM에 대한 모범 사례를 수립했습니다.

검사 및 테스트

17-4PH MIM 부품의 품질 관리 및 검증에 사용되는 검사 및 테스트 방법 중 일부는 다음과 같습니다:

• 화학 분석 - 성분 및 가스 수준 확인을 위한 ICP 및 OES
• 입자 크기 분석 - 레이저 회절을 통한 분말 크기 분포 확인
• 밀도 테스트 - 아르키메데스 방법 및 헬륨 피크노메트리
• 인장 시험 - ASTM E8, UTS, 항복 강도, 연신율을 얻기 위한 인장 시험
• 경도 테스트 - 로크웰과 비커스를 통한 경도 확인
• 미세 구조 - 광학 현미경 및 SEM을 통한 위상 검사
• 입자 크기 - ASTM E112, 입자 크기 결정을 위한 비교 방법
• 결함 분석 - 표면 결함을 식별하기 위한 염료 투과성 테스트

잘 갖추어진 야금 실험실은 금속 분말 및 산업용 부품에 대한 국제 시험 표준에 따라 이러한 테스트를 수행할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. 이를 통해 합금 분말 제조, MIM 부품 생산 및 최종 부품 검증 시 사양 준수를 보장합니다.

건강 및 안전

17-4PH 스테인리스강 분말 및 부품은 고체 형태로 건강에 심각한 위험을 초래하지 않습니다. 그러나 이 소재를 취급, 가공 또는 기계 가공할 때는 다음과 같은 권장 사항을 준수해야 합니다:

• 파우더 취급 시 장갑, 호흡 보호구, 보안경 등 개인 보호구를 착용하세요.
• 분말 유출을 청소하거나 소결 부품을 가공할 때 먼지 추출을 사용합니다.
• 용융/소결 작업에서 발생하는 분말 분진 및 연기를 흡입하지 마십시오.
• 금속 입자에 노출되지 않도록 베임, 찰과상 예방 및 치료
• 분말 공급 원료를 적재하는 경우 안전한 분말 취급 및 이송 절차를 따르세요.
• 소결 부품을 가공하는 경우 스파크가 발생하지 않는 공구 및 연마 장비를 사용하십시오.
• 17-4PH 부품을 용접하거나 납땜할 때 적절한 환기를 보장하고 PPE를 착용하세요.
• 현지 환경 규정에 따라 폐기하고 가루가 환경으로 방출되지 않도록 하세요.

올바른 절차를 준수하면 17-4PH 분말 및 MIM 부품은 심각한 위험을 초래하지 않습니다. 주요 위험은 먼지 노출로 인한 잠재적 자극과 취급 시 베임입니다. 적절한 환기, PPE 사용, 안전한 보관을 통해 이러한 위험을 완화할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

Q: MIM에 권장되는 입자 크기 17-4PH 분말은 무엇입니까?

A: 일반적으로 10~20미크론이 사용되지만 부품 형상에 따라 3~4~45미크론의 크기도 사용할 수 있습니다. 10㎛ 미만의 미세한 파우더는 디테일을 더 잘 포착하지만 성형에 어려움을 겪을 수 있습니다.

Q: 17-4PH 분말은 불활성 대기에서 취급해야 합니까?

A: 반드시 공기 중에서 취급해야 하는 것은 아니지만, 불활성 글러브박스는 순도를 위해 산소와 수분 수준을 최소화합니다.

Q: 17-4와 17-4PH 스테인리스 스틸의 차이점은 무엇인가요?

A: 17-4PH는 구리 함량이 낮아(17-4의 3-5% 대비 4-6%) 동일한 강도 수준에서 충격 인성 및 연성이 더 우수합니다.

Q: 17-4PH 스테인리스 스틸을 여러 번 경화할 수 있나요?

A: 예, 17-4PH는 반복적으로 경화할 수 있습니다. 각 사이클마다 고강도로 회복되지만 반복적인 노화로 인해 연성이 감소할 수 있습니다.

Q: 17-4PH MIM 부품의 일반적인 표면 마감은 어떻게 이루어지나요?

A: 소결 표면은 Ra 3~5 미크론 정도입니다. 연마 및 에칭은 0.5미크론 미만을 달성할 수 있습니다. 도금은 또한 매끄러운 표면을 생성합니다.

Q: 17-4PH가 금속 3D 프린팅에 MIM과 비교해서 효과가 있나요?

A: 예, DMLS 및 바인더 제팅에 사용할 수 있지만 MIM에 비해 조정된 매개변수가 필요합니다. 냉각 속도가 더 높기 때문에 특성이 다릅니다.

Q: 17-4PH MIM 파트에는 일반적으로 어떤 유형의 포스트 프로세싱이 수행되나요?

A: 가공, 드릴링, 태핑, 연삭, EDM, 샷 피닝, 패시베이션, 전기 연마, 도금, 열처리, 용접 및 레이저 마킹.

Q: 17-4PH 스테인리스 스틸에 적합한 도금 옵션에는 어떤 것이 있나요?

A: 무전해 니켈, 경크롬, 아연 니켈, 주석, 구리, 은, 금, 로듐과 같은 귀금속 도금은 내식성 또는 내마모성에 효과적입니다.