Mechanische Eigenschaften von Edelstahl MIM 316L im Vergleich zu anderen Umformverfahren

4. Juli 2023

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Edelstahl 316L ist aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und guten mechanischen Eigenschaften eine der am häufigsten verwendeten Legierungen im Metallspritzguss. Typische Anwendungen sind Konsumgüter wie Uhrengehäuse, Brillengestellteile, Automobilkomponenten, Elektronik sowie zahnmedizinische und medizinische Geräte. MIM 316L-Edelstahl soll maßgeblich zum Wachstum der globalen MIM-Industrie beigetragen haben, die im letzten Jahrzehnt durchschnittliche jährliche Wachstumsraten von rund 14 % verzeichnete.

Während die MIM-Technologie im Vergleich zu anderen Formgebungsprozessen wie maschineller Bearbeitung, Feinguss und Druckguss Vorteile hinsichtlich der Erzielung komplexer Formen bei minimalem Materialabfall bei der Verarbeitung bietet, hängen die mechanischen Eigenschaften von MIM 316L-Edelstahl stark von der Optimierung ab MIM-Prozess. Insbesondere hängen die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl MIM 316L stark von der Enddichte und Korngröße ab, die in den gesinterten Teilen erreicht wird, und alle während des MIM-Prozesses auftretenden Mängel können sich nachteilig auf die Endeigenschaften auswirken.

Es wurden Forschungsarbeiten an der Chungbuk National University in Cheongju und in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung für industrielle Materialverarbeitung am Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) in Incheon, Republik Korea, durchgeführt, um ein besseres Verständnis der mechanischen Eigenschaften, einschließlich der Ermüdungsfestigkeit, zu erreichen , aus Edelstahl MIM 316L. Ziel der Forschung war es, die Berücksichtigung von MIM 316L-Edelstählen für Anwendungsbereiche zu ermöglichen, die Komponenten mit höherer Festigkeit erfordern, beispielsweise in landwirtschaftlichen Maschinen. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in Materials, 7. März 2023, Band 16, 2144, 12 Seiten, mit den Autoren IS Hwang, TY So, DH Lee und CS Shin veröffentlicht.

Die Autoren gaben an, dass fünfzehn Teststäbe aus 316L-Edelstahl-Ausgangsmaterial auf Basis wasserzerstäubter Pulver spritzgegossen wurden, wobei die Teststäbe eine Stunde lang bei 900 °C in Wasserstoff entbindert und anschließend zwei Stunden lang bei 1320 °C unter Vakuum gesintert wurden. Die mechanischen Eigenschaften der gesinterten MIM 316L-Teststäbe wurden dann mit kaltgewalzten 316L-Teilen und auch mit einigen durch Warmwalzen oder durch PBF-LB Additive Manufacturing hergestellten 316L-Teilen verglichen. Die Autoren analysierten die Mikrostruktur der gesinterten 316L-Teststücke mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und die Korngröße mithilfe der Intercept-Methode und EBSD-Berechnungen. Abb. 1 (a) zeigt die im MIM-Verfahren hergestellten 316L-Proben.

Die beim Sintern der MIM 316L-Teststücke erhaltene durchschnittliche Dichte, gemessen nach dem Archimedes-Prinzip, betrug 7,56 g/cm3 oder 94,62 % der Theorie. Die Autoren schlugen vor, dass die im MIM-Verfahren erreichte Dichte stark von den Bedingungen der Bindemittelzusammensetzung im 316L-Ausgangsmaterial und den Entbinderungs- und Sinterprozessen beeinflusst wird und dass die im Vergleich zum Kaltwalzverfahren geringere Sinterdichte die MIM 316L-Teile beeinträchtigen könnte hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften im Nachteil. Abb. 1 (b) zeigt das elektronische Dichtemessgerät (MD-200S), das zur Messung der Dichte verwendet wird.

Die Zugprüfung (UTS) der gesinterten MIM 316L-Proben wurde durchgeführt, um jeweils drei Proben mit einer konstanten Geschwindigkeit von 5 mm/min zu brechen. Die Ermüdungstests wurden bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und bei vollständig umgekehrten zyklischen Belastungen unter Verwendung des in Abb. 1 (c) gezeigten servohydraulischen Ermüdungstestsystems durchgeführt. Die maximalen Spannungen der Ermüdungstests wurden auf der Grundlage der im Zugtest erhaltenen UTS festgelegt. Diese Spannungen wurden auf 80 % (432 MPa) und in Schritten bis hinunter zu 55 % (297 MPa) eingestellt. Als Ermüdungsgrenze wurde in dieser Studie der Spannungswert ermittelt, der bei einer Belastungswechselzahl von über 106 anliegt.

Der durchschnittliche UTS-Wert von drei der getesteten MIM 316L-Proben betrug 539 MPa (Abb. 2). Dies ist niedriger als die Zugfestigkeit der kaltgewalzten 316L-Proben, die zwischen 620 und 795 MPa lagen, und auch niedriger als die der warmgewalzten Probe (580 MPa). Die Autoren identifizierten zwei Mechanismen als Hauptursachen für die verringerten mechanischen Eigenschaften von MIM 316L. Das Vorhandensein von Poren in den gesinterten Proben wurde verursacht durch: (1) eine Verringerung des Bereichs, in dem Spannung ausgeübt wird, und (2) polygonale Poren verursachten einen Kerbeffekt, der möglicherweise zu einem frühen Materialversagen führen könnte.

Die Duktilität bzw. Bruchdehnung der MIM 316L-Proben wurde mit 92 % gemessen, was im Vergleich zu der der kaltgewalzten Probe (30 %) einen erheblichen Anstieg darstellt und mit 89 % etwas höher war als die der warmgewalzten Probe. . Die Duktilität könnte durch eine Erhöhung der Sintertemperatur weiter erhöht werden, um die Porosität im gesinterten Material zu verringern. Die Autoren gaben jedoch an, dass das Sintern bei zu hohen Temperaturen aufgrund eines abnormalen Kornwachstums und der Ausfällung von Karbiden an der Korngrenze zu einer Abnahme der Duktilität führen könnte. Die Temperatur von 1320 °C erwies sich daher als optimal, wobei die mittels REM nach dem Ätzen beobachtete gesinterte Mikrostruktur eine durchschnittliche Korngröße von 88,51 µm zeigte.

An zehn der gesinterten MIM 316L-Teststücke wurden Ermüdungstests durchgeführt. Der Ermüdungsversuch wurde bei 80 % der maximalen Zugfestigkeit und einem Spannungsverhältnis von R = 0,1 durchgeführt. Die Ermüdungslebensdauer wurde bei 55 % (297 MPa) der maximalen Zugfestigkeit ermittelt, die 106 Zyklen erreichte. Abb. 3 (b) zeigt die Ergebnisse der Ermüdungsgrenzenmessungen für MIM 316L sowie die Ermüdungsgrenzen für gewalztes 316L und Proben, die mit dem additiven Fertigungsverfahren PBF-LB hergestellt wurden. Es wurde festgestellt, dass die Ermüdungsgrenze für MIM 316 höher als für PBF-LB 316L und niedriger als für kaltgewalztes 316L ist.

www.mdpi.com/journal/materials

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