Przegląd z Proszek ze stali nierdzewnej 316l
Proszek ze stali nierdzewnej 316L to austenityczny stop stali szeroko stosowany w produkcji addytywnej lub druku 3D w przemyśle lotniczym, medycznym, chemicznym i narzędziowym. Dzięki wyższej czystości i niższej zawartości węgla w porównaniu do konwencjonalnego proszku 316, proszek 316L umożliwia wytwarzanie odpornych na korozję komponentów spełniających normy biokompatybilności.
W tym artykule omówiono skład proszku 316L dostosowany do głównych procesów AM, kluczowe cechy, takie jak rozkład wielkości cząstek, natężenia przepływu i procentowy udział cząstek satelitarnych, które wpływają na przetwarzalność druku, a także przykłady krytycznych zastosowań w trudnych warunkach.
Skład proszek ze stali nierdzewnej 316l
Zakres składu pierwiastkowego proszku ze stali nierdzewnej 316L podsumowano poniżej:
| Element | Waga % Skład | Rola |
|---|---|---|
| Żelazo | Balance, 65-70% | Komponent macierzy głównej |
| Chrom | 16-18% | Zwiększa odporność na korozję i utlenianie |
| Nikiel | 10-14% | Stabilizuje strukturę austenityczną |
| Molibden | 2-3% | Dalsza poprawa odporności na korozję wżerową i szczelinową |
| Mangan | <2% | Zapewnia dobrą spawalność |
| Węgiel | 0.03% max | Niższa zawartość węgla zmniejsza wytrącanie węglików - poprawia odporność na korozję i biokompatybilność |
| Krzem | 0.75% max | Odtleniacz zapobiegający nadmiernemu tworzeniu się tlenków |
| Fosfor | 0.025% max | Zanieczyszczenia regulowane w celu maksymalizacji plastyczności |
| Siarka | 0.01% max | Zanieczyszczenia regulowane w celu uniknięcia pękania |
| Azot | 0.1% max | Stabilizuje mikrostrukturę |
| Miedź | 0.5% max | Ilość zanieczyszczeń kontrolowana podczas topienia |
Litera "L" oznacza niską lub mniejszą niż 0,03% zawartość węgla. Powoduje to nieznaczne obniżenie granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie w porównaniu do standardowego proszku 316, ale zwiększa wydajność spawania, korozji i biokompatybilności, co ma kluczowe znaczenie dla urządzeń medycznych lub zastosowań morskich.
Metody produkcji proszek ze stali nierdzewnej 316l
Proszek ze stali nierdzewnej 316L jest wytwarzany komercyjnie za pomocą następujących podstawowych metod:
- Atomizacja gazu: Strumienie gazu obojętnego pod wysokim ciśnieniem rozbijają cienki strumień metalu na drobne kropelki po zestaleniu w postaci proszku. Obsługuje rynek lotniczy.
- Atomizacja wody: Najbardziej ekonomiczna technika, w której woda rozbija stopiony metal, dając nieregularne kształty proszku dopuszczalne do niektórych zastosowań przemysłowych.
- Proces plazmowej elektrody rotacyjnej (PREP): Elektroda stopiona przez łuk plazmowy rozpada się od siły odśrodkowej, wyrzucając proszek na ściany reaktora po schłodzeniu. Daje bardzo kuliste kształty.
- Atomizacja wodoru: Specjalistyczna technika wykorzystująca wodór dla lepszego przepływu proszków dostosowanych do produkcji addytywnej. Minimalizuje cząstki satelitarne.
Odmiany gazowe, wodne i plazmowe wykorzystują szybkie szybkości krzepnięcia do generowania drobnych proszków metalicznych ze stopionego surowca. Każda technika nadaje cząstkom subtelnie różne właściwości opisane w następnej sekcji.
Proszek ze stali nierdzewnej 316l Charakterystyka
Poniżej przedstawiono krytyczne atrybuty proszku ze stali nierdzewnej 316L:
| Parametr | Szczegóły | Metoda pomiaru |
|---|---|---|
| Kształt cząsteczki | Sferyczny, satelita dozwolony zgodnie z ASTM B214 | Obrazowanie SEM, mikroskopia |
| Rozkład wielkości cząstek | D10: 25-45 μm, D50: 30-75 μm, D90: 55-100 μm | Analizator wielkości cząstek metodą dyfrakcji laserowej |
| Gęstość pozorna | Zazwyczaj 40-50% gęsty jako masa proszku w stosunku do objętości | Lejek przepływomierza Halla lub piknometria |
| Gęstość kranu | Zazwyczaj 60-65% gęsty z mieszaniem mechanicznym | Określone zgodnie z ASTM B527 |
| Natężenie przepływu | 30-35 s/50g, dobry przepływ to <40 s | Test przepływomierza Halla |
| Strata przy zapłonie (LOI) | <0,5 wt.% | Podgrzany do 1022°F i zmierzona utrata masy |
| Gazy resztkowe | 400-800 ppm tlenu, <150 ppm azotu | Fuzja gazów obojętnych, a następnie wykrywanie przewodności cieplnej |
| Frakcja satelitarna | <20% idealny | Analiza obrazu mikrografu SEM |
Kluczowe wskaźniki, takie jak spójny rozkład wielkości cząstek, wysokie prędkości przepływu proszku, minimalne satelity i niskie poziomy tlenu/azotu zapewniają optymalną przetwarzalność druku. Dostosowane partie proszku są zaprojektowane tak, aby spełnić potrzeby aplikacji w obszarach takich jak biomedycyna, sprzęt morski lub sprzęt do przetwarzania chemicznego wymagający odporności na korozję.
Proszek ze stali nierdzewnej 316l Właściwości mechaniczne
Drukowana stal nierdzewna 316L oferuje następujące właściwości mechaniczne:
| Parametr | Nadruk 316L | Wyżarzony 316L |
|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie | 500-650 MPa | 450-550 MPa |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 400-500 MPa | 240-300 MPa |
| Wydłużenie przy zerwaniu | 35-50% | 40-60% |
| Twardość | 80-90 HRB | 75-85 HRB |
| Chropowatość powierzchni | Nawet 20 μm Ra ze względu na grzbiety warstw | Zmniejszona do 0,4 μm Ra lub lepsza dzięki technikom wykańczania powierzchni |
Wyżarzanie wydrukowanych części lub komponentów w temperaturze 1900°F przez co najmniej 1 godzinę służy zmniejszeniu naprężeń wewnętrznych powstałych w procesie budowy warstwa po warstwie. Przywraca to poziom ciągliwości odpowiadający konwencjonalnie produkowanemu 316L, jednocześnie nieznacznie obniżając wytrzymałość.
Proszek ze stali nierdzewnej 316l Zastosowania
Biorąc pod uwagę dostosowaną do potrzeb odporność na korozję, proszek 316L jest idealny do produkcji przyrostowej komponentów:
- Sprzęt morski: Wirniki, zawory, złączki i inne części oceaniczne narażone na działanie słonej wody.
- Przetwarzanie chemiczne: Obudowy pomp, zawory, reaktory i rurociągi wymagające kompatybilności chemicznej.
- Biomedyczne: Narzędzia chirurgiczne, implanty ortopedyczne spełniające specyfikacje biokompatybilności FDA wymagane przez ISO 10993 i/lub ASTM F138.
- Przetwarzanie żywności: Sztućce, elementy zużywające się w przetwórstwie mięsa uniemożliwiające zanieczyszczenie krzyżowe.
Dzięki tym różnorodnym zastosowaniom, od sprzętu wiertniczego na morzu, przez obudowy rozruszników serca, po komponenty do przygotowywania żywności, 316L jest wszechstronnym i wszechobecnym stopem, który projektanci muszą mieć pod ręką.
Analiza kosztów
| Wydatki | Łącznie | Za jednostkę |
|---|---|---|
| Proszek 316L | $106/kg | $35 |
| Opłaty za drukarkę | $100/kg szybkość narastania | $33 |
| Praca | $50 | $17 |
| Łącznie | $256 | $85 |
W tym przypadku analiza zakłada stosunkowo niewielką całkowitą masę części ~3 kg, stąd proszek stanowi około 40% całkowitych wydatków. Jednak w przypadku większych komponentów, czas budowy dominuje koszty bardziej niż sam materiał. Dla porównania, obróbka tej samej geometrii z wyżarzonego pręta 316L kosztowałaby $45-$75 za kg - ale AM umożliwia konsolidację portów, elementów złącznych, redukcję masy, co równoważy zwiększone koszty drukowania poprzez oszczędności w produkcji.
Proszek ze stali nierdzewnej 316l Dostawcy
Różne młyny i dystrybutorzy oferują proszek ze stali nierdzewnej 316L obejmujący gamę zakresów wielkości i właściwości. Do wiodących światowych dostawców należą:
| Firma | Metoda produkcji | Dostępność wielkości cząstek | Materiały dodatkowe |
|---|---|---|---|
| Sandvik Osprey | Rozpylony gaz | 15-150 μm | 17-4PH, 15-5PH, 304L, stal maraging |
| Carpenter Additive | PREP + rozpylony gaz | 15-63 μm | 17-4PH, stopy niestandardowe |
| Praxair | Rozpylona woda | Do 240 μm | Ti-6-4, Inconel 718, gatunki nierdzewne |
| Technologia LPW | Rozpylona woda | 45-150 μm | Dostępne stopy 316L |
| Hoganas | Rozpylony gaz | 22-100 μm | Usługa niestandardowej optymalizacji cząsteczek |
Proszek ze stali nierdzewnej 316l Standardy
ASTM i inne globalnie zharmonizowane normy dotyczące produkcji proszku 316L i testów zapewnienia jakości:
| Standard | Opis |
|---|---|
| ASTM A240 | Limity składu chemicznego dla Cr, Ni, Mo, C, N i innych drobnych dodatków stopowych |
| ASTM B214 | Obejmuje dopuszczalne właściwości cząstek proszku 316L, takie jak satelity, natężenie przepływu w hali i procedury testowania siatki. |
| ASTM E562 | Metodologia testowania w celu określenia składu chemicznego za pomocą technik analizy mokrej, takich jak ICP-OES |
| ISO 9001 | System zarządzania jakością dla dostawców jako podstawa specyfikacji klienta |
| ASTM F3049 | Przewodnik po charakteryzowaniu i optymalizacji proszków metalicznych AM, takich jak 316L |
| ASTM F3056 | Specyfikacja kontroli jakości proszku 316L jako materiału wsadowego dla kompilacji kwalifikacyjnych AM |
Certyfikacja proszku 316L zgodnie z tymi specyfikacjami gwarantuje, że spełnia on docelowe standardy gęstości, składu chemicznego i kształtu cząstek, zapewniając niezawodną przetwarzalność druku niezależnie od metody produkcji.
Proszek 316L a stopy odlewane i kute
| Parametr | Metalurgia proszków 316L | Odlew 316L | Kute 316L |
|---|---|---|---|
| Koszt | $$$$ | $-$$ | $-$$$ |
| Czas realizacji | Zazwyczaj od kilku dni do 2 tygodni | 4-8 tygodni | 8-12 tygodni |
| Kontrola chemiczna | Bardzo spójne w zakresie 0,25% | Zróżnicowane do 1% | Średnie odchylenie 0,5% |
| Porowatość | Pełne, gęste wydruki | 5-10% poziomy porowatości | Zasadniczo nieporowata |
| Zanieczyszczenia | Tylko ślady | Umiarkowane wtrącenia | Niski poziom wtrąceń |
| Struktura ziarna | Zależy od parametrów drukowania | Gruboziarnisty odlew | Drobniej kuta struktura |
| Ograniczenia dostaw | Małe ilości partii mogą wymagać MOQ | Łatwo dostępne | Możliwe minima młyna |
Tak więc, podczas gdy produkcja addytywna przy użyciu proszku 316L kosztuje znacznie więcej za wydrukowany kilogram niż zakup prętów, swoboda projektowania, możliwość dostosowania i niezawodna chemia rekompensują tę premię w branżach kładących nacisk na wydajność, a nie na cenę materiału.
Uwagi dotyczące obchodzenia się z proszkiem 316L
Środki ostrożności obejmują zapobieganie degradacji właściwości proszku podczas przechowywania i ponownego użycia:
- Przechowywać zamknięte pojemniki z proszkiem w atmosferze gazu obojętnego, takiego jak argon.
- Ograniczenie ekspozycji podczas przesiewania/obsługi proszku w celu uniknięcia wychwytywania tlenu/wilgoci.
- Piec proszki w temperaturze 100°C przez 6 godzin co 3-6 miesięcy, aby usunąć wchłonięte gazy.
- Okresowo monitoruj zawartość tlenu i azotu w proszku
- Odpowiednio przesiać, aby rozbić wszelkie aglomeraty przed drukowaniem.
- Postępuj zgodnie z wytycznymi producenta dotyczącymi ponownego użycia proszku, proporcji mieszania i żywotności.
Przestrzeganie tych instrukcji obsługi utrzymuje płynność proszku i zapobiega tworzeniu się porów podczas drukowania przez dziesiątki cykli kompilacji przy użyciu tych samych partii 316L.
Najczęściej zadawane pytania
| Pytanie | Odpowiedź |
|---|---|
| Czy proszek 316L nadaje się do recyklingu po wydrukowaniu, czy też ulega degradacji po jednorazowym użyciu? | Tak, proszek 316L może być zwykle użyty ponownie 5-10 razy, zanim zostanie odświeżony nowymi partiami, jeśli jest odpowiednio przechowywany. Kluczowe jest odsiewanie nowych cząstek i monitorowanie zawartości tlenu. |
| Czy proszek 316L wymaga prasowania izostatycznego na gorąco po drukowaniu 3D w celu poprawy gęstości? | Podczas gdy HIP może dodatkowo zagęścić wydrukowane elementy 316L, osiągnięcie gęstości 99%+ jest możliwe nawet bez HIP, w zależności od zoptymalizowanych parametrów drukowania. HIP służy bardziej do poprawy wydajności zmęczeniowej. |
| Czy części 316L wykonane przy użyciu proszku AM mogą osiągnąć odporność na korozję równoważną tradycyjnie kutej stali nierdzewnej 316L? | Tak - drukowany 316L dorównuje, a nawet przewyższa odpornością na korozję formy odlewane lub kute w wielu środowiskach chemicznych dzięki niższym poziomom defektów i zanieczyszczeń. |
| Jak wysoka zawartość niklu w proszku 316L wpływa na możliwość jego recyklingu? | Mimo wzrostu kosztów, wysoka zawartość Ni i Cr chroni przed degradacją proszku pod warunkiem, że poziom tlenu podczas przechowywania jest aktywnie kontrolowany. Te pierwiastki stopowe znacznie poprawiają możliwość ponownego wykorzystania. |
Podsumowanie
Dzięki precyzyjnie kontrolowanej chemii o niskiej zawartości węgla, ukierunkowanej na biokompatybilność i spawalność, Proszek ze stali nierdzewnej 316L służy do zastosowań w produkcji dodatków odpornych na korozję, od implantów medycznych po komponenty morskie pracujące w trudnych warunkach zasolenia. Utrzymanie poziomu węgla poniżej 0,03% i śladowych ilości azotu zapewnia austenityczną mikrostrukturę odporną na korozję wżerową i szczelinową w kwasach, chlorkach, alkoholach i wielu roztworach chemicznych. Połączenie proszków wielokrotnego użytku przekraczających specyfikacje ASTM dotyczące rozkładu wielkości cząstek, satelitów i natężenia przepływu w hali ze zoptymalizowanymi drukarkami 3D pozwala uzyskać gęste drukowane części 316L rywalizujące i przewyższające pod względem odporności na korozję tradycyjnie produkowane odmiany. W miarę rozwoju sprzętu, oprogramowania i parametrów drukarek, proszek AM ze stali nierdzewnej 316L będzie napędzał rozwój nowych rynków, takich jak szyby naftowe, reaktory chemiczne i narzędzia chirurgiczne, gdzie wysoka twardość, wytrzymałość i odporność na alkalia mają kluczowe znaczenie.
