Proprietà meccaniche dell'acciaio inossidabile MIM 316L rispetto ad altri processi di formatura

4 luglio 2023

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L'acciaio inossidabile 316L è una delle leghe più comunemente utilizzate nello stampaggio a iniezione di metalli grazie alla sua eccellente resistenza alla corrosione, saldabilità e buone proprietà meccaniche. Le applicazioni tipiche sono costituite da prodotti di consumo come casse di orologi, parti di montature per occhiali, componenti automobilistici, dispositivi elettronici, dentistici e medici. Si dice che l’acciaio inossidabile MIM 316L abbia contribuito in modo significativo alla crescita del settore MIM globale, che ha registrato tassi di crescita medi annuali di circa il 14% negli ultimi dieci anni.

Tuttavia, mentre la tecnologia MIM presenta vantaggi in termini di raggiungimento della complessità della forma con uno spreco minimo di materiale nella lavorazione rispetto ad altri processi di formatura, come lavorazione meccanica, fusione a cera persa e pressofusione, le proprietà meccaniche dell'acciaio inossidabile MIM 316L dipendono molto dall'ottimizzazione della Processo MIM. In particolare, le proprietà meccaniche dell'acciaio inossidabile MIM 316L dipendono fortemente dalla densità finale e dalla dimensione dei grani ottenute nelle parti sinterizzate e qualsiasi difetto che si verifica durante il processo MIM può avere un effetto dannoso sulle proprietà finali.

La ricerca presso l'Università Nazionale di Chungbuk, a Cheongju, e il Dipartimento di ricerca e sviluppo sulla lavorazione dei materiali industriali presso il Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), a Incheon, nella Repubblica di Corea, è stata intrapresa per ottenere una maggiore comprensione delle proprietà meccaniche, inclusa la resistenza alla fatica , in acciaio inossidabile MIM 316L. Lo scopo della ricerca è stato quello di consentire di prendere in considerazione gli acciai inossidabili MIM 316L per settori applicativi che richiedono componenti a maggiore resistenza, ad esempio nelle macchine agricole. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati in Materials, 7 marzo 2023, Vol 16, 2144, 12 pp, con gli autori IS Hwang, TY So, DH Lee e CS Shin.

Gli autori hanno affermato che quindici barre di prova sono state stampate a iniezione da una materia prima di acciaio inossidabile 316L a base di polveri di grado atomizzato in acqua, con le barre di prova che sono state delegate a 900°C per 1 ora in idrogeno seguita da sinterizzazione a 1320°C per 2 ore sotto vuoto. Le proprietà meccaniche delle barre di prova MIM 316L sinterizzate sono state quindi confrontate con parti in 316L laminate a freddo e anche con alcune parti in 316L realizzate mediante laminazione a caldo o mediante produzione additiva PBF-LB. Gli autori hanno analizzato la microstruttura dei provini 316L sinterizzati tramite microscopia elettronica a scansione (SEM) e la dimensione dei grani utilizzando il metodo dell'intercetta e i calcoli EBSD. La Fig. 1 (a) mostra i campioni 316L realizzati mediante il processo MIM.

La densità media ottenuta nella sinterizzazione dei provini di MIM 316L, misurata secondo il principio di Archimede, è stata di 7,56 g/cm3, pari al 94,62% ​​del teorico. Gli autori hanno suggerito che la densità raggiunta nel processo MIM è fortemente influenzata dalle condizioni della composizione del legante nella materia prima 316L e dai processi di deceraggio e sinterizzazione, e che la densità sinterizzata inferiore rispetto al processo di laminazione a freddo potrebbe mettere le parti MIM 316L svantaggiato in termini di proprietà meccaniche. La Fig. 1 (b) mostra il densimetro elettronico (md-200s) utilizzato per misurare la densità.

La prova di trazione (UTS) dei campioni di MIM 316L sinterizzato è stata eseguita per fratturarsi alla velocità costante di 5 mm/min per tre campioni ciascuno. Le prove di fatica sono state eseguite con un rapporto di sollecitazione di 0,1 e sono state eseguite con sollecitazioni cicliche completamente invertite utilizzando il sistema di prova di fatica servoidraulico mostrato in Fig. 1 (c). Le sollecitazioni massime delle prove di fatica sono state fissate in base all'UTS ottenuto nella prova di trazione. Queste sollecitazioni sono state fissate all'80% (432 MPa) e con incrementi fino al 55% (297 MPa). Il limite di fatica è stato determinato come valore di sollecitazione applicato quando il numero di cicli di carico superava 106 in questo studio.

Il valore UTS medio ottenuto da tre dei campioni MIM 316L testati è stato di 539 MPa (Fig. 2). Questo è inferiore alla resistenza a trazione dei provini 316L laminati a freddo, che variava da 620 a 795 MPa, e inferiore anche a quella dei provini laminati a caldo (580 MPa). Gli autori hanno identificato due meccanismi come cause principali delle ridotte proprietà meccaniche del MIM 316L. La presenza di pori nei campioni sinterizzati causata da: (1) riduzione dell'area in cui viene applicata la sollecitazione e (2) pori poligonali hanno causato un effetto intaglio, che potrebbe potenzialmente portare a un cedimento precoce del materiale.