Нержавеющая сталь 316L или 17-4PH для 3D-печати: что выбрать

Обе стали нержавеющие, обе хорошо печатаются на SLM/LPBF-принтерах и стоят примерно одинаково. Поэтому в заявке на материал часто пишут «316L» по привычке, а потом кронштейн не держит нагрузку. Бывает и обратная ошибка: берут 17-4PH ради прочности, а деталь начинает корродировать в хлоридной среде.

Разберём, чем эти стали отличаются, какие свойства у них после печати и после термообработки и по каким признакам выбирать одну или другую.

Коротко: что выбрать

Два разных класса нержавеющих сталей

316L - аустенитная хромоникелевая сталь с молибденом, ближайший отечественный аналог 03Х17Н14М3. Буква L означает низкое содержание углерода, не больше 0,03 %, поэтому сталь не склонна к межкристаллитной коррозии после нагрева. Аустенитная структура делает её пластичной, вязкой и практически немагнитной. Упрочнить её термообработкой нельзя.

17-4PH (UNS S17400, отечественный аналог 07Х16Н4Б) - дисперсионно-твердеющая сталь мартенситного класса, PH означает precipitation hardening. В составе около 4 % никеля, около 4 % меди и немного ниобия. При старении медь выделяется из мартенсита мельчайшими частицами, они мешают движению дислокаций, и прочность вырастает примерно вдвое. Сталь магнитна. Главное её преимущество - свойствами можно управлять: одна и та же деталь после разных режимов старения будет либо очень прочной, либо более вязкой.

Химический состав

Диапазоны - по ASTM A240 для 316L и ASTM A564 для 17-4PH ^{1, 2}. Фактический состав конкретной партии порошка смотрите в паспорте партии. Главное различие в двух элементах: молибден в 316L повышает стойкость к питтинговой коррозии, медь в 17-4PH отвечает за дисперсионное твердение.

Свойства после SLM/LPBF-печати

Напечатанный металл отличается от проката. Быстрая кристаллизация даёт очень мелкую ячеистую структуру, поэтому 316L после печати заметно прочнее катаной стали. Ниже типичные значения из публикаций по LPBF и данных производителей оборудования. Реальные цифры зависят от параметров печати, ориентации образца и защитного газа.

316L: прочная сразу после печати

• Сразу после печати: предел текучести около 450-590 МПа, предел прочности около 600-700 МПа, удлинение 30-50 %.
• После отжига для снятия напряжений, около 400-650 °C: прочность почти не меняется, снижаются остаточные напряжения и риск коробления при снятии с платформы.
• После высокотемпературного отжига, около 1050-1100 °C: ячеистая структура исчезает, предел текучести падает примерно до 300-350 МПа, пластичность растёт.

Для сравнения: минимальные требования к прокату 316L - 170 МПа по пределу текучести и 485 МПа по пределу прочности ¹. Напечатанный металл перекрывает их с запасом, поэтому 316L часто работает без термообработки, достаточно снять напряжения.

17-4PH: всё решает термообработка

Сразу после печати 17-4PH ведёт себя непредсказуемо. Из-за быстрого охлаждения в структуре может остаться заметная доля остаточного аустенита, особенно если порошок распыляли или печатали в азоте ³. Свойства в состоянии «как напечатано» сильно разнятся от установки к установке, и в конструкторской документации на них не опираются. Какой газ использовался при распылении и какую атмосферу печати рекомендует производитель, уточняйте при заказе.

Стандартный путь - закалка на твёрдый раствор, около 1040 °C с охлаждением на воздухе, и затем старение по одному из режимов. Минимальные значения для деформированного металла по ASTM A564 ²:

Правильно отработанный LPBF-материал после такой обработки выходит на эти уровни, хотя удлинение обычно немного ниже, чем у проката, из-за пористости и состояния поверхности. Логика простая: чем выше температура старения, тем ниже прочность и тем выше вязкость и стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением.

• H900 - максимальная прочность и твёрдость, минимальная ударная вязкость. Для статических нагрузок и износа.
• H1025 - компромисс, который чаще всего выбирают для функциональных деталей.
• H1150 - лучшая вязкость и стойкость к растрескиванию. Для ударных и циклических нагрузок.

Коррозионная стойкость

Здесь однозначно выигрывает 316L. Индекс питтингостойкости PREN = Cr + 3,3 × Mo + 16 × N. Для середины диапазонов состава: у 316L 17 + 3,3 × 2,5 ≈ 25, у 17-4PH около 16-17, потому что молибдена в ней нет.

• 316L держит морскую воду, растворы хлоридов, многие кислоты и моющие среды пищевых и фармацевтических производств. Это стандартный выбор для медицины, химического и пищевого оборудования.
• 17-4PH стойка в атмосфере, пресной воде и слабоагрессивных средах, примерно на уровне стали 304. В хлоридах, особенно в застойных зонах и щелях, риск питтинга выше. В состоянии H900 сталь чувствительна к коррозионному растрескиванию под напряжением, поэтому для влажных и агрессивных сред берут H1025 или H1150.

Сводная таблица: 316L и 17-4PH

Цены на порошки близки. На момент публикации 17-4PH в каталоге стоил немного дешевле 316L, актуальная цена - в карточках 316L и 17-4PH.

Когда брать 17-4PH вместо 316L

Выбор лучше начинать с условий работы детали, а не с названия сплава. 17-4PH стоит взять, если:

• деталь нагружена и нужен предел текучести выше 600 МПа, а в 316L пришлось бы увеличивать толщины и массу;
• нужны твёрдость и износостойкость: оснастка, направляющие, кулачки, вставки пресс-форм;
• нужна точная посадка после механической обработки: 17-4PH хорошо обрабатывается после закалки до старения, а при старении размеры меняются мало и предсказуемо;
• среда умеренная: атмосфера, масла, пресная вода, без хлоридов;
• магнитность допустима или нужна;
• есть возможность термообработки в печи с контролем атмосферы. Без неё свойства 17-4PH раскрываются не полностью.

Когда остаться на 316L

• деталь работает в хлоридах, морской воде, кислотах или проходит частую санобработку;
• нужна немагнитность или деталь идёт в медицину и лабораторное оборудование;
• важны пластичность и ударная вязкость: деталь должна деформироваться, а не разрушаться хрупко;
• термообработку хочется свести к минимуму, чтобы деталь шла в работу после снятия напряжений;
• нагрузки умеренные и 450-550 МПа предела текучести после печати хватает с запасом.

Если требования противоречат друг другу, например нужна прочность выше 1000 МПа и работа в хлоридах, смотреть стоит не на эти стали, а на никелевые сплавы Inconel 625 или Inconel 718. Если нужна сталь с похожими на 17-4PH свойствами, но лучшей вязкостью в поперечном направлении, сравните её с 15-5PH.

Особенности печати и постобработки

Порошок и фракция

Для SLM/LPBF используют сферический газораспылённый порошок, обычно фракции 15-45 или 15-53 мкм. В каталоге 316L и 17-4PH есть во фракции 15-53 мкм. Чем крупнее фракция, тем толще слой печати и грубее поверхность детали. Порошок хранят в закрытой таре и при необходимости сушат перед загрузкой, особенно после вскрытия и при повторном использовании. Подробно - в статье о хранении и сушке металлических порошков.

316L в печати

Одна из самых простых в печати сталей: широкое технологическое окно, низкая склонность к трещинам, высокая плотность на стандартных параметрах большинства принтеров. На что обратить внимание:

• крупные тонкостенные детали лучше отжечь на платформе до резки, иначе возможно коробление;
• шероховатость после печати обычно Ra 6-15 мкм, для медицины и пищевых применений нужны пескоструйная обработка, полировка или электрополировка;
• горячее изостатическое прессование закрывает остаточную пористость и повышает усталостную прочность, но снижает статическую прочность до уровня отожжённого металла.

17-4PH в печати

Печатается тоже хорошо, но процесс чувствительнее к деталям:

• азот стабилизирует аустенит, аргон способствует мартенситу. От этого зависит поведение после печати и отклик на старение, поэтому режим термообработки отрабатывают на образцах-свидетелях из той же партии порошка;
• типичная последовательность для нагруженной детали: снятие напряжений, срезка с платформы, закалка около 1040 °C, механообработка, старение по нужному режиму;
• после старения контролируют твёрдость и размеры, небольшую объёмную усадку закладывают в припуск;
• сварка и ремонт возможны, но после них деталь повторно закаливают и старят.

Итог

316L - надёжный выбор, когда важны коррозионная стойкость, пластичность и простой процесс. 17-4PH нужна, когда деталь должна держать нагрузку, сохранять размеры и сопротивляться износу, а среда не слишком агрессивна. Цены на порошки близки, поэтому решать нужно по условиям работы детали и готовности к термообработке, а не по стоимости материала. Общая логика выбора порошка - в статье как выбрать металлический порошок для 3D-печати.

Подобрать порошок нержавеющей стали

Порошки 316L, 17-4PH, 15-5PH и 304L - в разделе нержавеющих сталей. Напишите модель принтера, что печатаете и в какой среде работает деталь - поможем выбрать марку и фракцию.

office@vmpowder.ru · +7 (495) 191-75-73

Частые вопросы