用于 MIM 的 17-4PH 不锈钢金属粉末

概述

17-4PH 不锈钢是一种沉淀硬化马氏体不锈钢，成分中约含 4% 铜。粉末冶金等级的 17-4PH 不锈钢具有高强度、良好的耐腐蚀性和优异的机械性能，可通过沉淀硬化热处理进一步增强，因此是金属注射成型 (MIM) 应用的理想选择。

与其他同类合金相比，17-4PH 金属粉末在烧结过程中尺寸稳定，且整体易于加工，因此是一种极具吸引力的 MIM 选择。用 17-4PH 金属粉末原料制成的零件在复杂几何形状下具有较高的生坯强度、良好的成型性和干净的烧除（残留物极少）。

下文将介绍用于金属注射成型的 17-4PH 不锈钢粉末的成分、特性、应用、规格、供应商及其他相关技术细节。

组成

17-4PH 不锈钢的标称成分如下所示，主要合金元素为铬、镍和铜：

工作台17-4PH 不锈钢成分

要素	重量 %
铬 (Cr)	15.0 – 17.5
镍 (Ni)	3.0 – 5.0
铜 (Cu)	3.0 – 5.0
铌 (Nb) + 钽 (Ta)	0.15 – 0.45
硅 (Si)	最大 1.0
锰 (Mn)	最大 1.0
碳 (C)	最大 0.07
硫 (S)	最大 0.03
磷 (P)	最大 0.04
铁（Fe）	平衡

 

铜含量是 17-4PH 不锈钢与 17-4 不锈钢的区别所在，后者的铜含量为 4.0-6.0%。17-4PH 中较低的铜含量使其在保持高强度的同时，具有更好的延展性和冲击性能。

硅、锰、碳、硫和磷被控制在微量水平，以最大限度地提高耐腐蚀性，避免碳化物析出。铌和钽的添加有助于在烧结过程中细化晶粒结构。

属性

17-4PH 不锈钢在沉淀硬化状态下表现出高强度和良好延展性的完美结合。H900 状态下的主要特性如下：

表格17-4PH 不锈钢的特性

物业	价值
密度	7.8 克/立方厘米
极限拉伸强度	1240-1300 兆帕
屈服强度（0.2% 偏移）	1100-1160 兆帕
弹性模量	190-210 GPa
伸长率	10-15%
硬度	39-43 HRC
冲击韧性	50-60 J
疲劳强度	550 兆帕
剪切强度	760 兆帕
抗压强度	1275 兆帕

 

用于实现这些高强度的沉淀硬化热处理包括在 900-950°C 下进行固溶退火，然后在 450-500°C 下进行时效处理。这将产生非常细小的富含铜的沉淀物，阻碍位错运动，强化金属基体，同时保持延展性。

在不进行时效处理的固溶退火状态下，17-4PH 不锈钢的机械性能较低，但仍可与 400 系列不锈钢媲美。在不需要完全硬化的情况下，它能很好地兼顾中等强度和延展性。

17-4PH 的耐腐蚀性与马氏体 410 和 416 不锈钢相当，可有效抵抗大气腐蚀和许多温和的化学物质。不过，与 300 系列奥氏体不锈钢相比，17-4PH 的耐腐蚀性较低。

应用

硬化后的高强度和适度的耐腐蚀性使 17-4PH 不锈钢成为以下应用领域金属注塑件的热门选择：

• 航空航天和飞机部件
• 整形外科和牙科植入物
• 汽车、发动机、阀门
• 塑料注塑模具
• 工业工具、冲压/冲压工具
• 食品加工和制药设备
• 石化泵、阀门、仪表
• 刀具、船用五金等消费品
• 表壳、珠宝镶嵌

MIM 有利于生产具有良好烧结机械性能的小型复杂零件。17-4PH 极佳的抛光性也适合装饰性应用。

与其他 MIM 合金相比，17-4PH 的强度高于 316L 不锈钢，强度与 420 和 17-4 不锈钢相似或更高，但韧性更好，耐腐蚀性优于工具钢。

金属粉末规格

用于 MIM 原料的 17-4PH 不锈钢粉末在市场上有各种尺寸范围、化学成分和形态的产品。下面提供了一些常见规格：

工作台17-4PH 不锈钢金属粉末规格

属性	详细信息
颗粒大小	3-5微米、5-9微米、10-20微米
化学范围	符合 AMS 5643、ASTM A564、ASTM A705 标准
碳含量	<0.1%，超低碳
氧气含量	<0.6%，低氧
形态	球形、部分球形
表观密度	3.0-4.5 克/立方厘米
水龙头密度	4.5-5.5 克/立方厘米
流量	15-35 秒/50 克

 

粉末质量对高性能 MIM 零件至关重要。粉末形态、粒度分布、纯度和粉末流动性等关键特性决定了原料的质量和由此产生的部件性能。

球形粉末形态为 MIM 提供了最佳的流动性和堆积密度。小粒径（<20 微米）是捕捉精细特征的首选，而大粒径则可改善流动性和成型性。

粉末制造

17-4PH 粉末采用气体雾化或惰性气体雾化工艺制造。有时也使用高压水雾化工艺。

在气体雾化过程中，合金熔体流被高速惰性气体射流分解成细小的液滴。液滴迅速凝固成球形粉末颗粒。粒度分布可通过气体流速、喷嘴设计和其他工艺参数进行控制。

水雾化利用水射流分解金属流。它会产生不规则的卫星型粉末颗粒。对于 MIM 用途，粉末需要额外的调节步骤使其成为球形。

真空惰性气体工艺可为高性能 MIM 原料生产出最清洁、最纯净的 17-4PH 粉末。惰性气体可防止熔体和粉末氧化。

标准和等级

17-4PH 不锈钢粉末和 MIM 零件符合以下标准和规格：

• ASTM A564 - 沉淀硬化不锈钢线材和钢带标准
• ASTM A705--沉淀硬化钴铬镍铜合金（PH15-7Mo）粉末标准
• AMS 5643 - 沉淀硬化不锈钢粉末，牌号 PH13-8Mo、PH15-7Mo
• AMS 5646 - 不锈钢 17-4，沉淀硬化
• AMS 5803 - 不锈钢 15-5，粉末冶金

可用的产品名称和等效等级为

• 17-4PH - UNS S17400（最常见）
• 15-5ph - uns S15500
• X5CrNiCu15-5 - DIN 1.4545
• 1RK91 - AFNOR Z6CNNbCu15-05

成分等级符合 AMS 5643 第 1 组合金范围。还可提供 <0.03% C 的超低碳粉末。

供应商

用于 MIM 的 17-4PH 不锈钢金属粉末由主要的特种合金和不锈钢粉末供应商进行商业化生产：

表格：17-4PH 不锈钢粉末制造商

公司名称	品牌名称
山特维克	Osprey + Amperit
普莱克斯	Printsalloy PH
木匠	水润石 PH
赫加纳斯	Stellite 21 + Densimet PH
中国石油天然气集团公司	FSM-17-4PH

 

这种粉末可通过金属粉末分销商、MIM 服务局、收费加工商和原料供应商购买。

成本分析

17-4PH 不锈钢的粉末成本较高，小批量时每公斤在 $25-$45 之间。1000 公斤以上的大订单价格较低。

相比之下，316L 不锈钢粉末的价格为 $15-$30/公斤，而工具钢粉末（H13、P20）的价格为 $12-25/公斤。

对于完成的 MIM 零件，材料占单位成本的 50-70%，具体取决于零件尺寸和复杂程度。与二次加工相比，产量较高的小型零件的材料成本比例较低。

设计建议

要成功应用 17-4PH 不锈钢粉末并获得全部性能，应遵循以下 MIM 设计准则：

• 最小壁厚为 0.3-0.5 毫米，以获得足够的强度
• 将复杂形状的长宽比保持在 8:1 以下
• 包括 0.25 毫米或更大的半径，以避免应力集中
• 厚度大于 0.5 毫米、空腔开口横截面大于 35% 的浇口
• 各向异性收缩在主轴上为 ~17%，在厚度方向上为 ~20%
• 烧结后密度大于 92%，可获得所需的机械性能

处理注意事项

使用 17-4PH 粉末原料进行金属注射成型的关键加工步骤包括

• 混音： 对粉末和粘合剂成分进行高剪切混合，形成均匀的原料，按体积计算，均匀的粉末含量约为 62-68%。
• 成型： 使用适合高固体含量原料的注塑参数--大注塑量、快注塑速度、高保压。
• 拆订： 先进行溶剂脱胶，然后再进行热脱胶，以完全去除粘合剂成分，使棕色部件可以进行烧结。
• 烧结 在真空或氢气环境中烧结至 ~1300°C 以达到全密度。应在模具中补偿烧结收缩。
• 热处理： 根据需要进行固溶退火，然后进行时效/沉淀硬化，以达到强度要求。
• 二次操作： 可能包括铸币、钻孔、攻丝、表面处理、电镀、激光打标等。

MIM 服务局和收费加工商已为 17-4PH MIM 制定了最佳实践，以确保零件间的尺寸精度和可重复的机械性能。

检查和测试

用于 17-4PH MIM 零件质量控制和验证的一些检验和测试方法有

• 化学分析 - ICP 和 OES，以验证成分和气体含量
• 粒度分析 - 激光衍射检查粉末粒度分布
• 密度测试--阿基米德法和氦气比重法
• 拉伸测试 - ASTM E8，以获得 UTS、屈服强度和伸长率
• 硬度检测 - 用洛氏硬度和维氏硬度检测硬度
• 微观结构 - 用光学显微镜和扫描电镜检查各相
• 粒度 - ASTM E112，测定粒度的比较方法
• 缺陷分析 - 通过染料渗透测试确定表面缺陷

设备齐全的冶金实验室有能力按照金属粉末和工业部件的国际测试标准进行这些测试。这可确保在合金粉制造、MIM 零件生产和最终零件鉴定过程中符合规范要求。

健康与安全

固态 17-4PH 不锈钢粉末和部件不会对健康造成任何重大危害。不过，在处理、加工或机加工这种材料时，应遵守以下建议的做法：

• 处理粉末时要穿戴个人防护设备--手套、呼吸防护设备、眼罩
• 在清理粉末溢出物或加工烧结部件时使用除尘装置
• 避免吸入熔化/烧结过程中产生的粉尘和烟雾
• 预防和治疗割伤、擦伤，避免接触金属微粒
• 装载粉末原料时，遵循安全的粉末处理和转移程序
• 加工烧结部件时，使用无火花工具和地面设备
• 焊接或钎焊 17-4PH 元件时，确保充分通风并穿戴个人防护设备
• 根据当地环境法规进行处置，避免粉末排放到环境中

采用合理的程序，17-4PH 粉末和 MIM 零件不会造成任何重大危害。主要风险是接触粉尘可能引起的刺激和操作过程中的割伤。适当的通风、个人防护设备的使用和安全的储存可以降低这些风险。

常见问题

问：建议用于 MIM 的 17-4PH 粉末的粒度是多少？

答：通常使用 10-20 微米，但根据零件的几何形状，3-45 微米也可以使用。细度小于 10 微米的粉末能更好地捕捉细节，但对成型来说可能具有挑战性。

问：17-4PH 粉末是否需要在惰性气氛中处理？

答：不一定，它可以在空气中处理，但惰性手套箱可确保将氧气和湿气含量降至最低，以保证纯度。

问：17-4 不锈钢和 17-4PH 不锈钢有什么区别？

答：17-4PH 的铜含量较低（3-5% 对 17-4 中的 4-6%），因此在相同强度水平下具有更好的冲击韧性和延展性。

问：17-4PH 不锈钢可以多次时效硬化吗？

答：是的，17-4PH 可以反复沉淀硬化。每次循环都能使其恢复到高强度，但延展性可能会随着反复时效而降低。

问：17-4PH MIM 零件的典型表面光洁度如何？

答：砷烧结表面的 Ra 值约为 3-5 微米。抛光和蚀刻可达到 0.5 微米以下。电镀也能产生光滑的表面。

问：与 MIM 相比，17-4PH 是否适用于金属 3D 打印？

答：是的，它可用于 DMLS 和粘合剂喷射，但与 MIM 相比需要调整参数。冷却速率更高，因此性能也不同。

问：17-4PH MIM 零件通常进行哪些类型的后处理？

答：机加工、钻孔、攻丝、磨削、电火花加工、喷丸强化、钝化、电抛光、电镀、热处理、焊接和激光打标。

问：在 17-4PH 不锈钢上有哪些电镀选择？

答：化学镀镍、硬铬、锌镍、锡、铜和贵金属镀层（如银、金和铑）在耐腐蚀或耐磨方面效果很好。