Propiedades mecánicas del acero inoxidable MIM 316L en comparación con otros procesos de conformado

4 de julio de 2023

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El acero inoxidable 316L es una de las aleaciones más utilizadas en el moldeo por inyección de metales gracias a su excelente resistencia a la corrosión, soldabilidad y buenas propiedades mecánicas. Las aplicaciones típicas consisten en productos de consumo como cajas de relojes, piezas de monturas de gafas, componentes de automoción, electrónica y dispositivos médicos y dentales. Se dice que el acero inoxidable MIM 316L ha contribuido significativamente al crecimiento de la industria MIM global, que ha experimentado tasas de crecimiento anual promedio de alrededor del 14% durante la última década.

Sin embargo, si bien la tecnología MIM tiene ventajas en términos de lograr complejidad de forma con un desperdicio mínimo de material en el procesamiento en comparación con otros procesos de conformación, como el mecanizado, la fundición a la cera perdida y la fundición a presión, las propiedades mecánicas del acero inoxidable MIM 316L dependen en gran medida de la optimización de la Proceso MIM. En particular, las propiedades mecánicas del acero inoxidable MIM 316L dependen en gran medida de la densidad final y el tamaño de grano logrado en las piezas sinterizadas y cualquier defecto que ocurra durante el proceso MIM puede tener un efecto perjudicial en las propiedades finales.

Se han llevado a cabo investigaciones en la Universidad Nacional Chungbuk, en Cheongju, y en el Departamento de I+D de Procesamiento de Materiales Industriales del Instituto Coreano de Tecnología Industrial (KITECH), en Incheon, República de Corea, para lograr una mayor comprensión de las propiedades mecánicas, incluida la resistencia a la fatiga. , de acero inoxidable MIM 316L. El objetivo de la investigación era permitir que los aceros inoxidables MIM 316L se consideraran para sectores de aplicación que requieren componentes de mayor resistencia, por ejemplo en maquinaria agrícola. Los resultados de esta investigación se publicaron en Materials, 7 de marzo de 2023, volumen 16, 2144, 12 páginas, con los autores IS Hwang, TY So, DH Lee y CS Shin.

Los autores declararon que se moldearon por inyección quince barras de prueba a partir de materia prima de acero inoxidable 316L a base de polvos de grado atomizado con agua, y que las barras de prueba se desligaron a 900 °C durante 1 h en hidrógeno seguido de sinterización a 1320 °C durante 2 h al vacío. Luego se compararon las propiedades mecánicas de las barras de prueba sinterizadas MIM 316L con piezas laminadas en frío de 316L y también con algunas piezas de 316L fabricadas mediante laminación en caliente o mediante fabricación aditiva PBF-LB. Los autores analizaron la microestructura de las piezas de prueba de 316L sinterizado mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y el tamaño de grano utilizando el método de intercepción y cálculos EBSD. La Fig. 1 (a) muestra las muestras de 316L fabricadas mediante el proceso MIM.

La densidad media obtenida en la sinterización de las probetas MIM 316L, medida según el principio de Arquímedes, fue de 7,56 g/cm3, o 94,62% ​​de la teórica. Los autores sugirieron que la densidad lograda en el proceso MIM se ve muy afectada por las condiciones de la composición del aglutinante en la materia prima 316L y los procesos de desaglomerado y sinterización, y que la menor densidad sinterizada en comparación con el proceso de laminación en frío podría poner las piezas MIM 316L en desventaja en términos de propiedades mecánicas. La figura 1 (b) muestra el densímetro electrónico (md-200s) utilizado para medir la densidad.

Se realizó una prueba de tracción (UTS) de las muestras sinterizadas de MIM 316L para fracturarlas a una velocidad constante de 5 mm/min para tres muestras cada una. Las pruebas de fatiga se realizaron con una relación de tensión de 0,1 y se realizaron con tensiones cíclicas completamente invertidas utilizando el sistema de prueba de fatiga servohidráulico que se muestra en la Fig. 1 (c). Las tensiones máximas de los ensayos de fatiga se fijaron en base a la UTS obtenida en el ensayo de tracción. Estas tensiones se fijaron en el 80% (432 MPa) y en incrementos hasta el 55% (297 MPa). El límite de fatiga se determinó como el valor de tensión aplicado cuando el número de ciclos de carga superó los 106 en este estudio.

El valor UTS promedio obtenido de tres de las muestras de MIM 316L analizadas fue de 539 MPa (Fig. 2). Esto es inferior a las resistencias a la tracción de las muestras de 316L laminadas en frío, que oscilaron entre 620 y 795 MPa, y también inferior a las de las muestras laminadas en caliente (580 MPa). Los autores identificaron dos mecanismos como las causas principales de la reducción de las propiedades mecánicas en MIM 316L. La presencia de poros en las muestras sinterizadas causada por: (1) la reducción en el área donde se aplica la tensión y (2) los poros poligonales causaron un efecto de entalla, que potencialmente podría conducir a una falla temprana del material.

La ductilidad o alargamiento a la fractura de las muestras MIM 316L se midió en un 92 %, lo que supone un aumento considerable en comparación con la de la muestra laminada en frío (30 %) y fue ligeramente superior a la de la muestra laminada en caliente en un 89 %. . La ductilidad podría aumentarse aún más con un aumento de la temperatura de sinterización para disminuir la porosidad del material sinterizado. Sin embargo, los autores afirmaron que la sinterización a temperaturas excesivamente altas podría provocar una disminución de la ductilidad debido al crecimiento anormal del grano y la precipitación de carburos en los límites del grano. Por lo tanto, se encontró que la temperatura de 1320°C era óptima, y ​​la microestructura sinterizada observada usando SEM después del grabado mostró un tamaño de grano promedio de 88,51 µm.

Se realizaron pruebas de fatiga en diez de las piezas de prueba MIM 316L sinterizadas. La prueba de fatiga se realizó al 80% de la resistencia máxima a la tracción y una relación de tensiones de R = 0,1. La vida a fatiga se encontró al 55% (297 MPa) de la resistencia máxima a la tracción que alcanzó 106 ciclos. La Fig. 3 (b) muestra los resultados de las mediciones del límite de fatiga para el MIM 316L y también los límites de fatiga para el 316L laminado y las muestras producidas por el proceso de fabricación aditiva PBF-LB. Se encontró que el límite de fatiga para MIM 316 era superior al de PBF-LB 316L e inferior al del 316L laminado en frío.

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