مادة ميم الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4

نظرة عامة على MIM 17-4 PH

استنادًا إلى معيار AISI 17-4 PH، يُعدّ MIM 17-4 PH فولاذًا مقاومًا للصدأ مُصلّبًا بالترسيب المارتنستي. يتميز بمزيج من مقاومة التآكل والخصائص الميكانيكية.

واحدة من أكثر مواد MIM استخدامًا على نطاق واسع في حقن المعادن يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH في قطاع التشكيل. يتميز هذا المعدن بمزيج رائع من مقاومة التآكل والصلابة والمتانة. تُمكّن خصائص 17-4 الاستثنائية من إنتاج قطع معقدة ذات متانة جيدة. علاوة على ذلك، تُجرى عملية تصلب ثانوي أثناء عملية التلبيد بتعديل بعض المعايير.

نظرًا لأن 17-4 PH يقاوم التآكل بشكل مشابه لـ 304L، فإنه يستخدم بشكل متكرر في التطبيقات التي تتطلب خصائص ميكانيكية.

بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد MIM-17-4 PH بواسطة UNS S17400، AISI 630، ASTM A564، AMS 5643، والفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH.

 

تركيب المواد الكيميائية

يرد أدناه التركيب الكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ 17-4، مع العناصر ونسب وزنها على التوالي:

• الحديد (Fe): الرصيد (الجزء المتبقي)
• النيكل (Ni): 3.00-5.00%
• السيليكون (Si): 1.00%
• الكربون (C): 0.07%
• الكروم (Cr): 15.50-17.50%
• النيوبيوم (Nb): 0.15-0.45%
• المنغنيز (Mn): 1.00%
• النحاس (Cu): 3.00-5.00%
• الكبريت (S): 0.03%

يضمن التركيب قوة المادة ومقاومتها للتآكل وخصائص أخرى مناسبة لمختلف التطبيقات الصناعية.

عادةً ما تكون الخواص الميكانيكية للفولاذ المقاوم للصدأ MIM 17-4 PH أسوأ بنسبة 10-25% من الفولاذ المطاوع 17-4 PH. وتشمل الأسباب الرئيسية ما يلي:

تشمل عيوب التلبيد شوائب الكربون المتبقية والمسام المحتجزة والحبوب.
فقدان العناصر الناتجة عن التبخر: الكروم، والنحاس، والنيكل.
إدراج الشوائب: O، C، وN.

مع تباطؤ التلبيد، يُثبّت طور الأوستينيت المكعب ذو مركز الوجه بواسطة مركبات الكربون والنيتروجين. من ناحية أخرى، يُسرّع فيريت دلتا المكعب ذو مركز الجسم من وتيرة التلبيد. يخضع الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4PH لتفاعلات ترسيب تُنتج صلابةً ومتانةً عاليتين، بينما يُقلّل فيريت دلتا المتبقي من المتانة. إضافةً إلى ذلك، يتكون المارتنسيت أثناء مرحلة التبريد بعد التلبيد.

عنصر أساسي في منتج ميمs هو الأكسجين. مساحة السطح الأولية لمساحيق الفولاذ المقاوم للصدأ المطلية بأكاسيد عالية، وتختلف كمية الأكسجين باختلاف طريقة تصنيع المسحوق. تؤدي مستويات الأكسجين العالية في أجزاء MIM 17-4 PH إلى ضعف مقاومة التآكل وضعف الخصائص الميكانيكية، لأن هذه الأكاسيد تُضعف قدرة الكروم على تثبيط التآكل.

 

الخصائص النموذجية

تُعد عملية التشكيل بالصهر والصهر (MIM) تقنية متطورة لإنتاج قطع فولاذية مقاومة للصدأ معقدة وعالية الأداء. تؤثر درجة الحرارة القصوى، ومعدل التسخين، والبيئة، ومدة التماسك، وحجم جزيئات المسحوق على كيفية تلبيد الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH. تؤثر عوامل عديدة على تركيب سبيكة 17-4 PH، مما يؤثر بدوره على مراحل البنية الدقيقة، وسلوك التلبيد، والخصائص النهائية. المكونات الرئيسية هي النيتروجين من جو العملية، والأكسجين من المسحوق أو الغلاف الجوي، والكربون من المسحوق أو المادة الرابطة.

 

التوازن المثالي بين القوة والصلابة ومقاومة التآكل يجعل 17-4 PH خيارًا شائعًا. تُعتبر هذه التركيبة من الخصائص جذابةً للمنتجات في مجالات الإلكترونيات وطب الأسنان والطب والفضاء بعد المعالجة الحرارية. تختلف هذه الخصائص باختلاف التركيب، مع تغيرات في نسب الحديد والنيكل والنحاس والكروم. تبلغ درجة حرارة الصلب حوالي 1405 درجة مئوية، ودرجة حرارة السائل حوالي 1440 درجة مئوية. تستجيب الخصائص الميكانيكية للمعالجة الحرارية؛ حيث تتراوح استطالة الكسر بين 8% و14%، وتتراوح قوة الخضوع بين 760 و1240 ميجا باسكال، وتتراوح قوة الشد بين 1000 و1340 ميجا باسكال، وتصل صلابتها إلى 43 HRC.

 

بفضل مزيجه الاستثنائي من القوة والصلابة ومقاومة التآكل، يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH خيارًا مفضلًا في صناعة حقن المعادن. أما الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي الأكثر شيوعًا في التصلب بالترسيب فهو 17-4 PH.

• قوة عظيمة
• صعب للغاية
• مقاومة ممتازة للتآكل
• صلابة للكسور
• خصائص المعالجة الحرارية واللحام

 

تأثيرات المادة الرابطة و إزالة الرابطة

بالنسبة لعملية حقن الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH، يتم استخدام العديد من أنظمة الموثق؛ وأكثرها شيوعًا هي 60% حشو، و30% عمود فقري، و10% مادة فعالة بالسطح.

لأن مكونات المادة الرابطة المتبقية ستغير مستويات الأكسجين أو الكربون النهائية، فإن عملية إزالة الرابط تؤثر على الخصائص النهائية. تُعد إزالة البلمرة أو الاستخلاص بالمذيبات الخطوة الأولى في عملية إزالة الرابط؛ على سبيل المثال، يذوب شمع البارافين في الهبتان، ويذوب بولي إيثيلين جليكول في الماء الساخن. علاوة على ذلك، يُستخدم حمض النيتريك المتبخر في عملية إزالة الرابط التحفيزية لإزالة بولي أوكسي ميثيلين. أفضل طريقة لإزالة المادة الرابطة في المرحلة الثانية من عملية إزالة الرابط هي الحفاظ عليها عند درجة حرارة تتراوح بين 600 و1000 درجة مئوية في بيئة هيدروجينية. تُعرف هذه المرحلة أحيانًا بمرحلة بدء التلبيد.

 

تأثير معلمة التلبيد

يتفاعل عدد من المتغيرات أثناء عملية تلبيد الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH لتحديد الكثافة النهائية، والطور، والبنية الدقيقة، والخصائص. المكونات الأربعة الرئيسية للتحليل الإحصائي هي: المعالجة الحرارية، وجو التلبيد، وتركيز الأكسجين الأولي، وحجم الجسيمات.

إن درجة حرارة التلبيد لها التأثير الأكبر على كثافة التلبيد.

 

حجم الجسيمات

الانتشار السطحي هو العملية التي يحدث من خلالها أول ترابط للجسيمات أثناء التلبيد؛ حيث يُعزز جسيم أصغر ذو مساحة سطح أكبر الرابطة الأولية. يُستبدل التصاق جسيمات البوليمر الأساسي بالترابط بالانتشار السطحي بمجرد حدوث التحلل الحراري للمادة الرابطة. يحتاج انتشار حدود الحبيبات إلى نمو عنق مع تزايد روابط التلبيد بين جسيمات المعدن لإنشاء حدود حبيبية بينها. عندما تتشكل حدود الحبيبات، يلعب حجم الحبيبات دورًا رئيسيًا في التلبيد عند بدء الانكماش، وله تأثير عكسي على معدل التلبيد. ومع ذلك، يمكن مواجهة تأثير حجم الجسيمات الأولي من خلال ارتفاع درجات حرارة الذروة أو فترات الاحتفاظ الأطول.

 

الجو

في الفولاذ المقاوم للصدأ، تشمل خيارات بيئة التلبيد القياسية الفراغ، والهيدروجين، والنيتروجين، والهيدروجين-النيتروجين، والأرجون-الهيدروجين.


أكثر بيئات التلبيد شيوعًا للفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH هما الهيدروجين والفراغ. يُلاحظ انخفاض ملحوظ في الأكسيد عند إضافة الكربون. يستطيع كلٌّ من السيليكون والكروم الاحتفاظ بالأكسجين دون إضافة الكربون إلى الجرافيت. يحدث اختزال الأكسيد عند ارتفاع درجة الحرارة وارتفاع مستوى الهيدروجين؛ وتضمن نقطة الندى المنخفضة حدوث هذه العملية. تُكوّن أكسدة السطح البارد التي تحدث بعد التلبيد طبقةً سلبيةً من السيليكون والحديد والكروم مقاومةً للتآكل.

نظرًا لكونه مُثبِّتًا قويًا للأوستنيت، فإن النيتروجين يؤثر على تكوُّن المارتنسيت والخصائص النهائية للفولاذ المقاوم للصدأ. أثناء تبريده، يترسب النيتروجين، القابل للذوبان في الأوستينيت، على شكل Cr₂N. سيؤدي هذا الراسب إلى استنفاد الكروم في منطقة حدود الحبيبات، مما يُسبِّب تآكلًا موضعيًا سريعًا. نتيجةً لذلك، يجب منع النيتروجين من دخول جو التلبيد وتبريد المكونات إلى ما دون 900 درجة مئوية بمعدل 200 درجة مئوية في الدقيقة في الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 درجة الحموضة لمنع إنتاج نتريد الكروم.

يُنتج الجرافيت أيضًا ضغوطًا جزئية منخفضة من أول أكسيد الكربون في أفران التفريغ، ولذلك تُعدّ أفران الجرافيت التفريغية ناجحة في التلبيد بالتفريغ. عند درجة حرارة 1300 درجة مئوية وضغط جزئي منخفض لثاني أكسيد الكربون يبلغ 0.001، يُمكنه تحويل أكسيد الكروم إلى كروم.

 

 

درجة الحرارة ومعدل التسخين

تشمل دورات التلبيد النموذجية عمليات إزالة الشوائب وحرق المادة الرابطة، والتي تتضمن التسخين والتثبيت عند درجات حرارة مختلفة. لتقليل الشوائب، تكون درجة الحرارة المثالية قريبة من 1000 درجة مئوية، بينما تكون قريبة من 600 درجة مئوية لإزالة البوليمر نهائيًا.

يتعرض الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4PH لانكماش التلبيد في اختبار التمدد عند ذروة تبلغ حوالي 1250 درجة مئوية، بينما يتطلب تحقيق الكثافة الكاملة (98%) درجة حرارة قصوى تبلغ 1300 درجة مئوية. مع ذلك، يتبخر النحاس والكروم عند هذه الدرجات العالية من الحرارة، مما قد يؤدي إلى فقدان المعالجة الحرارية ومقاومة التآكل.

 

بالإضافة إلى ذلك، تُسهّل درجات الحرارة المرتفعة عملية تخليق دلتا فيريت؛ ومن خلال الانتشار السريع، تُساعد هذه المرحلة في التكثيف النهائي. تظهر مستعمرات دلتا فيريت البيضاء ومناطق داكنة من مسام الأكسيد الدائرية في الرسم البياني التالي للبنية الدقيقة لـ MIM 17-4PH أثناء التلبيد.

البنية الدقيقة لـ 1260 SS17-4 MIM

 

السيطرة على الكربون

أثناء عملية التلبيد، يُعد الكربون مُثبِّتًا آخر للأوستنيت. يتم تحقيق قوة وصلابة أعلى مع انخفاض مستويات محتوى الكربون المُحتَفَظ به في 17-4، أي أقل من 0.1% وزنًا. ستتأثر أطوار الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH وكثافته وخصائصه الميكانيكية بتغير محتوى الكربون.

 

من بين العوامل التي تؤثر على مستوى الكربون في عملية MIM: مسحوق الذرات، وبقايا المواد الرابطة، ودورة إزالة الرابطة، وبيئة التلبيد، والأكسجين الأولي، ودرجة حرارة التلبيد القصوى. ويُعدّ مستوى الأكسجين الأولي العامل الرئيسي المُحدد لمحتوى الكربون النهائي أثناء التلبيد. على سبيل المثال، يُفقد 0.03% من الكربون أثناء التلبيد الهيدروجيني لمساحيق ذرات غازية من 17-4 عند درجة حرارة 1343 درجة مئوية. علاوة على ذلك، وخاصةً عند درجات حرارة التلبيد المنخفضة، يُمكن أن تُسبب بقايا المواد الرابطة تلوثًا بالكربون.

في التلبيد الهيدروجيني والتفريغي، تتأثر قوة شد الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 بكمية الكربون المحتجزة. سواءً في المعالجة الحرارية H900 أو H1100، أو في التلبيد القياسي عند درجة حرارة تتراوح بين 1300 و1360 درجة مئوية. توضح الصورة التالية كيف تنخفض قوة الشد بشكل ملحوظ مع زيادة محتوى الكربون.

 

الحفاظ على الوقت

في عملية التلبيد، تتراوح أزمنة التماسك عند أعلى درجة حرارة بين 60 و120 دقيقة. كما هو موضح في الرسم البياني التالي لكثافة التلبيد مقابل درجة الحرارة والزمن. مع ارتفاع درجة الحرارة من 1240 درجة مئوية إلى 1360 درجة مئوية، تظهر كثافة تدريجية من 96.3% إلى 98.3%. تصل مُكثّفات التلبيد إلى الكثافة الكاملة (98%) بعد 60 دقيقة من التماسك. تُزال المسامية وينخفض ​​معدل تآكل المسام خلال هذه المرحلة. يُعدّ فقدان حدود الحبيبات وإجهاد المسامية السببين الرئيسيين.

 

فوائد MIM 17-4

مقاومة عالية للتآكل
التصلب الناتج عن المعالجة الحرارية
القوة والمتانة الصناعية
مقاومة ممتازة للحرارة
مثالي لهندسة MIM المعقدة

 

الخصائص الميكانيكية

بالنسبة للأجهزة الهيكلية، يُستخدم MIM 17-4 PH. ومن الخصائص المقارنة المفضلة: القوة والصلابة والاستطالة. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر عدة عوامل بعوامل المعالجة، مثل التعب، ومقاومة الخضوع، ومتانة الكسر.

تُلخص الصورة التالية متوسط ​​معلمات 17-4 PH بناءً على تحليل إحصائي لعدة مشاريع MIM. تُعزى حوالي 60% من تباين الخصائص إلى معلمات التلبيد.

 

وفقًا لمعيار صناعة MIM، يجب أن يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH بقوة شد لا تقل عن 790 ميجا باسكال، وصلابة 27 HRC بعد التلبيد، وصلابة 1070 ميجا باسكال و33 HRC بعد المعالجة الحرارية. مع استطالة 4% لكليهما. تبلغ قوة شد الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4PH بعد التلبيد عند 1350 درجة مئوية والمعالجة الحرارية H900 1280 ميجا باسكال للمسحوق المذرّر بالغاز و1136 ميجا باسكال للمسحوق المذرّر بالماء. تجدر الإشارة إلى أن المسحوق المذرّر بالغاز يمكن أن يحقق قوة شد معالجة حرارية تبلغ 1485 ميجا باسكال مع استطالة 9%.

 

مقاومة التآكل

تُخضع أربعة أنواع من الفولاذ المقاوم للصدأ المُلبَّد (304، 316، 430، و17-4) لاختبارات تآكل قياسية في ظروف متنوعة. وتُظهر النتائج أن 17-4 هو الأقل مقاومة لهذه الظروف. علاوة على ذلك، ولأن المسام في المكونات المُلبَّدة تُسبب تآكلًا موضعيًا نتيجةً لاستقطاب التركيز، فإن المواد المُشكَّلة تكون أكثر مقاومةً للتآكل من المواد المُلبَّدة. يُعدّ التلبيد الهيدروجيني ومسحوق الغاز الذري تقنيتين شائعتين لتحسين مقاومة التآكل، نظرًا لعيب الأكسجين المتبقي.

ترتبط مقاومة التآكل أيضًا بالتوافق الحيوي. بالمقارنة مع سبائك التيتانيوم والكوبالت، يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH بسمية خلوية جيدة، ولكنه يفتقر إلى التوافق الحيوي الشامل التنافسي.

 

سوق تطبيقات PH لـ MIM 17-4

يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH بخواص ميكانيكية ممتازة عند درجات حرارة تصل إلى 350 درجة مئوية. كما أنه متين بما يكفي للاستخدام في معادن المزهريات واللحامات، ويمكن تقليل الالتواء والتقشر بتسخينه على درجة حرارة منخفضة لفترة وجيزة.

بفضل مقاومته الفائقة للتآكل والحرارة، يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 في مجال الطيران خيارًا مثاليًا لتطبيقات الطيران. يضمن نقاء المسحوق العالي وكثافته العالية عمرًا افتراضيًا أطول لمنتجات MIM 17-4 ويقلل من احتمالية حدوث أخطاء.

المركبات
المادة الأكثر استخدامًا في صناعة السيارات هي الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 لسهولة تشكيله بأشكال متنوعة. وبفضل متانته الكبيرة، تزيد تقنية حقن المعادن من قدرته على التعامل مع الأشكال الهندسية المعقدة.

عملاء
بفضل مقاومتها الاستثنائية للتآكل، تُستخدم مادة 17-4 على نطاق واسع في التطبيقات الاستهلاكية التي تستخدم تقنية MIM. علاوة على ذلك، تضمن متانة هذه المادة وصلابتها الاستثنائية أداءً خاليًا من العيوب.

ختاماً

يُحرز MIM 17-4 PH تقدمًا ملحوظًا في تحسين خصائص المواد المُلبَّدة. فهو يُوفر، في العديد من التطبيقات المناسبة، توليفات مُتنوعة وجذابة من خصائص التلبيد. تُعدّ درجة حرارة التلبيد العامل الرئيسي المُحدد للخصائص النهائية عند مُقارنتها بنوع المسحوق، وحجم الجسيمات، والكثافة الخضراء، ومدة التماسك، وغيرها من المعايير. علاوة على ذلك، يؤثر الطور الموجود في المواد المُلبَّدة على خصائص التلبيد.

في هذه الأثناء، تؤثر المعالجة الحرارية بعد التلبيد، وكثافة التلبيد، ومورفولوجيا الطور، جميعها على الخصائص. فبينما تُحدد كثافة التلبيد الخصائص، يُعززها الضغط المتساوي الضغط الساخن (HIP).

تتطور تقنية حقن المعادن (MIM) بشكل متزايد مع الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH. ولتوفير تطبيقات إضافية للفولاذ 17-4 PH المُلبَّد، تعتمد JHMIM على تقنية MIM.