17-4PH 3D 프린팅용 스테인리스 스틸 합금 분말

17-4PH(UNS S17400 또는 Grade 630으로도 알려짐)는 석출 경화형 마르텐사이트 스테인리스강입니다. 높은 강도, 우수한 내식성, 열처리에 대한 적합성을 독특하게 결합하여 적층 제조(AM)에서 가장 중요하고 널리 사용되는 금속 분말 중 하나입니다.

1. 주요 특성 및 화학 조성

합금 유형: 석출 경화형 마르텐사이트 스테인리스강.

주요 조성:

• 크롬(Cr): ~15-17.5% (내식성 제공)
• 니켈(Ni): ~3-5% (인성을 제공하고 석출 경화를 돕습니다)
• 구리(Cu): ~3-5% (강화 석출물을 형성하는 핵심 원소)
• 니오브(Nb)/콜럼븀(Cb): ~0.15-0.45% (안정적인 탄화물을 형성하고 강도에 기여)
• 탄소(C): 낮음 (<0.07%)으로 우수한 용접성 및 내식성 보장.

정의 특징: 인쇄된 상태에서는 특성이 완전히 발현되지 않습니다. 인쇄 후 특정 열처리 사이클(에이징)을 통해 개발됩니다.

2. 3D 프린팅용 분말 특성(L-PBF)

레이저 분말 베드 융합(L-PBF)의 경우 분말은 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다.

• 형태: 완벽한 구형. 부드럽고 얇은 분말 층을 만들기 위해 우수한 유동성을 보장하는 데 필수적입니다.
• 입자 크기 분포(PSD): 일반적인 범위는 15-45 µm 또는 20-53 µm입니다. 이 미세하고 엄격하게 제어된 분포는 고해상도 인쇄 및 고밀도 부품을 가능하게 합니다.
• 유동성: 우수(예: Hall Flow < 30 s/50g). 일관된 재코팅 및 공정 안정성에 중요합니다.
• 낮은 산소 함량: 일반적으로 < 500 ppm. 취성을 방지하고 우수한 기계적 특성을 보장하기 위해 가스 분무(종종 VIGA 또는 EIGA)를 통해 달성됩니다.

3. 3D 프린팅 및 열처리 워크플로우

17-4PH의 진정한 장점은 후처리에서 발휘됩니다.

• 인쇄(L-PBF): 부품은 층별로 제작됩니다. 급속 응고는 비교적 부드럽고 연성이 있으며 과포화된 마르텐사이트 미세 구조(Condition A)를 생성합니다.
• 응력 완화(선택 사항이지만 권장): 인쇄 공정으로 인한 내부 응력을 줄이기 위해.
• 용액 처리(Condition A): 부품을 고온(~1038°C / 1900°F)으로 가열한 다음 급속 냉각합니다. 이렇게 하면 연성이 낮고 탄소 함량이 낮은 마르텐사이트 구조가 생성되어 가공에 이상적입니다.
• 석출 경화(에이징): 이것이 중요한 단계입니다. 부품은 특정 온도(예: H900: 482°C / 900°F, 1시간)에서 에이징됩니다. 이 과정에서 구리 및 기타 원소가 매트릭스에서 석출되어 엄청난 내부 변형을 생성하고 강도와 경도를 극적으로 증가시킵니다.
  • H900 조건: 최고 강도를 달성합니다.
  • H1025, H1150 조건: 더 높은 온도에서 에이징되어 강도는 낮지만 인성과 내식성은 더 높습니다.

4. 기계적 특성: 인쇄 상태 vs. 열처리

변환은 극적입니다.

주요 내용: 3D 프린팅되고 적절하게 열처리된 17-4PH는 가공(전통적으로 제조된) 부품과 유사하거나 때로는 초과하는 기계적 특성을 달성할 수 있습니다.

5. 적층 제조의 장점

• 높은 강도 대 중량비: 가볍고 구조적으로 까다로운 구성 요소에 이상적입니다.
• 용액 처리 상태에서 우수한 가공성: 최종 에이징 전에 좁은 공차로 쉽게 인쇄 후 가공할 수 있습니다.
• 우수한 내식성: 모든 환경에서 316L만큼 내식성이 뛰어나지는 않지만, 특히 과에이징 조건(H1150)에서 해양 대기 등 약간 부식성 환경에서 잘 작동합니다.
• 에이징 중 치수 안정성: 열처리는 다른 강철의 담금질 및 템퍼링에 비해 최소한의 왜곡을 유발하며, 이는 복잡한 AM 형상에 매우 중요합니다.

6. 응용 분야

17-4PH는 다음과 같은 산업 전반에서 고강도 기능성 부품에 적합한 재료입니다.

• 항공우주: 브래킷, 엔진 마운트, 드론 부품 및 비행 하드웨어.
• 국방: 총기 부품(수신기, 방아쇠), 미사일 유도 부품.
• 산업: 임펠러, 터빈 블레이드, 고압 밸브 및 펌프 부품.
• 의료: 수술 도구 턱, 치과 드릴 비트 및 높은 강도와 살균 저항성이 필요한 비이식 도구.
• 자동차: 고성능 레이싱 부품.

비교: 3D 프린팅용 17-4PH vs. 316L

결론

17-4PH 구형 합금 분말은 산업용 3D 프린팅의 핵심 재료입니다. 이를 통해 설계자는 AM의 기하학적 자유를 활용하여 고강도 강철의 강도 수준에 필적하는 열처리가 가능한 복잡하고 가벼운 부품을 만들 수 있습니다. 후처리에 대한 예측 가능한 반응은 항공우주, 국방 및 자동차 부문 전반의 까다로운 엔지니어링 응용 분야에서 신뢰할 수 있고 강력한 선택으로 만듭니다.