Стали — самый массовый класс материалов в аддитивном производстве. Они дешевле титана, печатаются стабильнее алюминия и закрывают огромный диапазон задач: от коррозионностойких деталей пищевого оборудования до штампов, работающих под нагрузкой при 500 °C.
Но за словом «сталь» скрываются материалы, различающиеся принципиально. Разница в прочности между 316L и инструментальной CX — более чем трёхкратная, и связана она не с качеством порошка, а с самой природой сплава: одни стали упрочняются термообработкой, другие — нет. Разберёмся, какие семейства сталей применяются в 3D-печати и как выбрать нужное.
Четыре семейства сталей
Ориентироваться в марках проще, если сначала понять, к какой группе относится сталь — это сразу задаёт и уровень прочности, и способ обработки, и типичное применение.
Аустенитные нержавеющие: 316L, 304L, 12Х18Н10Т
Самая востребованная группа. Аустенитная структура означает высокую пластичность, отличную свариваемость и немагнитность, но одновременно и принципиальное ограничение: такие стали не упрочняются закалкой. В них попросту не происходит мартенситного превращения, поэтому предел прочности остаётся на уровне 480–520 МПа независимо от режимов термообработки.
Это не недостаток, а особенность: выбирают эти марки не за прочность, а за коррозионную стойкость и надёжность.
- 316L — содержит 2–3 % молибдена, который резко повышает стойкость к питтинговой коррозии в хлоридных средах. Стандарт для медицины, пищевого и химического оборудования, морской техники.
- 304L — без молибдена, дешевле. Подходит там, где среда менее агрессивна: общее машиностроение, бытовое и пищевое оборудование.
- 12Х18Н10Т — российская марка (аналог AISI 321), стабилизированная титаном против межкристаллитной коррозии. Востребована, когда конструкторская документация написана под отечественные ГОСТы.
Мартенситные и дисперсионно-твердеющие: 17-4PH, 420J1, CX
Здесь начинается прочность. Эти стали сочетают коррозионную стойкость нержавейки со способностью упрочняться — и именно поэтому их выбирают для нагруженных деталей, работающих во влажной или агрессивной среде.
- 17-4PH — дисперсионно-твердеющая сталь, упрочняемая выделением медьсодержащих фаз при старении. Порядка 990 МПа и не менее 32 HRC, при этом сохраняет нержавеющие свойства. Универсальный выбор для валов, крепежа, деталей арматуры.
- 420J1 и 420 — классические мартенситные нержавеющие стали. После закалки дают от 40 до 50 HRC при прочности 1100–1360 МПа. Область применения: режущий инструмент, ножи, детали, где нужна твёрдость плюс стойкость к влаге.
- CX (Corrax) — нержавеющая инструментальная сталь с прочностью свыше 1750 МПа — рекорд среди наших сталей. Применяется для пресс-форм, работающих с агрессивными полимерами, где обычная инструментальная сталь корродирует.
Мараджинговая 18Ni300: оснастка и штампы
Мараджинговые (мартенситностареющие) стали устроены необычно: в них практически нет углерода, а прочность достигается не закалкой на углеродистый мартенсит, а старением — выделением интерметаллидных фаз на основе никеля, молибдена и титана.
Практическая выгода этого механизма огромна именно для аддитивного производства. Сталь печатается в сравнительно мягком состоянии, легко обрабатывается механически, а затем простое старение при умеренной температуре поднимает твёрдость выше 48 HRC. При этом деталь почти не ведёт — коробление минимально, что критично для точной оснастки.
Инструментальная H13
H13 — штамповая сталь для горячей работы системы Cr-Mo-V. Её отличает способность сохранять твёрдость и сопротивление термической усталости при длительном нагреве, поэтому она остаётся стандартом для штампов горячей штамповки, форм литья под давлением и пресс-инструмента. В напечатанном состоянии обеспечивает от 1000 МПа и не менее 40 HRC.
Сколько прочности даёт каждая марка
Разброс по пределу прочности между семействами нагляднее любого описания:
Сравнение марок
| Марка | Семейство | Прочность | Твёрдость | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| 316L | Аустенитная | ≥480 МПа | невысокая | Медицина, пищевое и химическое оборудование |
| 304L | Аустенитная | ≥480 МПа | невысокая | Общее машиностроение |
| 12Х18Н10Т | Аустенитная | ≥520 МПа | невысокая | Российские ГОСТ-проекты, аналог AISI 321 |
| 17-4PH | Дисперсионно-твердеющая | ≥990 МПа | ≥32 HRC | Валы, арматура, нагруженные детали |
| 420J1 | Мартенситная | >1100 МПа | ≥40 HRC | Режущий инструмент, ножи |
| 420 Stainless | Мартенситная | 1360 МПа | >50 HRC | Инструмент, износостойкие детали |
| CX (Corrax) | Нерж. инструментальная | >1750 МПа | ≥44 HRC | Пресс-формы для агрессивных полимеров |
| 18Ni300 | Мараджинговая | ≥1150 МПа | ≥48 HRC после старения | Оснастка, конформное охлаждение, штампы |
| H13 | Инструментальная | ≥1000 МПа | ≥40 HRC | Горячая штамповка, литьё под давлением |
Отдельная история: порошки для MIM
Стальные порошки для металлоинжекционного формования — это принципиально другой продукт, хотя марки те же. Главное отличие в размере частиц: если для SLM нужна фракция 15–53 мкм, то для MIM применяется гораздо более тонкий порошок с медианным размером около 7 мкм.
Причина в физике процесса: тонкий порошок смешивается с полимерным связующим в однородную массу (фидсток), которая впрыскивается в форму как обычный пластик. После удаления связующего и спекания получается металлическая деталь. Мелкие частицы обеспечивают и текучесть фидстока, и высокую плотность после спекания.
В MIM-исполнении доступны 316L, 304L, 17-4PH, 420J1, быстрорежущая M2, жаростойкая HK30, а также конструкционные 4340 и 8620. Подробнее о самой технологии — в статье «Применение металлических порошков».
Требования к стальному порошку
| Параметр | Ориентир | Почему важно |
|---|---|---|
| Сферичность | >98 % | Текучесть и равномерность нанесения слоя |
| Фракция для SLM | 15–53 мкм | Стандарт для порошковой лазерной печати |
| Фракция для MIM | D50 ≈ 7 мкм | Текучесть фидстока и плотность после спекания |
| Содержание кислорода | <300 ppm | Оксидные включения снижают вязкость и пластичность |
| Метод получения | Вакуумная атомизация (VIGA) | Минимальный кислород и высокая сферичность |
| Плотность детали | ≥ 7,75–8,00 г/см³ | Показатель отсутствия пористости в напечатанной детали |
Стальные порошки в наличии
Как выбрать марку стали
Первый вопрос — нужна ли коррозионная стойкость. Если деталь работает во влажной, пищевой или химической среде, а нагрузки умеренные, выбор очевиден: 316L, а при менее агрессивной среде — 304L. Когда проект ведётся по отечественной документации, тот же класс закрывает 12Х18Н10Т.
Если нужна и коррозионная стойкость, и прочность — это 17-4PH для общего машиностроения либо мартенситные 420J1 и 420, когда важнее твёрдость. Для пресс-форм, контактирующих с агрессивными полимерами, есть CX.
Если коррозия не важна, а нужен инструмент — H13 для горячей работы. Наконец, для точной оснастки и штампов с конформным охлаждением стандартом остаётся мараджинговая 18Ni300: она даёт высокую твёрдость после простого старения при минимальном короблении.
Опишите деталь и условия её работы — поможем подобрать марку и фракцию под конкретный процесс.