powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2025-3-15-24powder-1001Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsРазработка гранулята на полиформальдегидном связующем на основе порошка нержавеющей стали 09Х16Н4Б для MIM-технологииDevelopment of a polyoxymethylene-based feedstock for metal injection molding using 09Cr16Ni4Nb stainless steel powderhttps://orcid.org/0009-0007-0442-0044ПархоменкоА. В.ParkhomenkoA. V.

Андрей Валерьевич Пархоменко – аспирант кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» (МПМН)

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Andrei V. Parkhomenko – Graduate Student of the Department of Metallurgy, Powder Metallurgy, Nanomaterials (MPMN)

244 Molodogvardeiskaya Str., Samara 443100, Russia

parhomandr@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1994-5672АмосовА. П.AmosovA. P.

Александр Петрович Амосов – д.ф.-м.н., проф., заведующий кафедрой МПМН

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Aleksandr P. Amosov – Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Head of the Department of MPMN

244 Molodogvardeiskaya Str., Samara 443100, Russia

egundor@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0003-6566-9872ПастуховА. М.PastukhovA. M.

Александр Михайлович Пастухов – аспирант кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология»

Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40

Alexandr M. Pastukhov – Graduate Student of the Department of Information and Measuring Equipment and Metrology

40 Krasnaya Str., Penza 440026, Russia

alexpastuch@mail.ruСамарский государственный технический университетРоссияSamara State Technical UniversityRussian FederationПензенский государственный университетРоссияPenza State UniversityRussian Federation2025250620251931524Copyright © НИТУ "МИСИС", 20252025НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/1001

Металлические порошки нержавеющей стали являются наиболее распространенными исходными материалами, применяемыми для производства малогабаритных высокоточных машиностроительных деталей по технологии инжекционного формования металлических порошков с расплавами полимеров (MIM-технологии). Настоящая работа посвящена разработке состава и технологических режимов изготовления исходного сырья (гранулята) для производства деталей по МIM-технологии из отечественных компонентов: порошка нержавеющей стали мартенситного класса 09Х16Н4Б, связующего на основе полиформальдегида и технологических добавок (стеариновой кислоты, пчелиного воска и полиэтилена высокого давления). Исходный порошок нержавеющей стали имел сферическую форму частиц с размером основной массы частиц в диапазоне от 8 до 23 мкм. С применением сканирующей электронной микроскопии, метода определения показателя текучести расплава термопластов и пикнометрического метода исследовались микроструктуры, реологические и физические свойства полученных гранулятов. Установлены зависимости показателя текучести расплава (ПТР) от содержания исходных компонентов гранулята, соотношения металлической и полимерной частей, количества и вида технологических добавок, гранулометрического состава металлической части. Опытным путем определена оптимальная рецептура гранулята. Приведены результаты исследования микроструктуры и физических свойств опытных образцов, изготовленных по MIM-технологии, в сравнении со спеченными образцами из импортного гранулята марки Catamold®. Показано, что для изделий, полученных по MIM-технологии, целесообразно использовать типовые режимы термообработки, поскольку схемы фазовых превращений не отличаются от традиционных для данного вида стали. Установлено, что образцы из разработанного гранулята соответствуют требованиям нормативных документов на применяемый материал и не уступают по физическим показателям гранулятам импортного производства.

Stainless steel powders are among the most widely used raw materials for the production of small, high-precision engineering components by metal injection molding (MIM), a process that combines metal powders with molten polymer binders. This study focuses on the development of feedstock composition and processing parameters for MIM production using domestically sourced components: a martensitic stainless steel powder grade 09Cr16Ni4Nb, a polyoxymethylene-based binder, and processing additives including stearic acid, beeswax, and low-density polyethylene. The starting stainless steel powder had a spherical morphology with a predominant particle size range of 8–23 μm. Scanning electron microscopy, melt flow index (MFI) testing, and helium pycnometry were employed to investigate the microstructure, rheological behavior, and physical properties of the resulting feedstock granules. Dependencies of MFI on the feedstock composition, metal-to-polymer ratio, type and content of additives, and particle size distribution of the metallic phase were established. The optimal feedstock formulation was determined experimentally. The microstructure and physical properties of sintered samples produced from the developed feedstock were evaluated and compared with those made from imported Catamold® feedstock. It was demonstrated that standard heat treatment modes are suitable for MIM-fabricated parts, as the phase transformation behavior of the studied steel does not differ from that of conventionally processed materials. The results confirm that components manufactured from the in-house feedstock comply with relevant regulatory standards and match the performance of their imported counterparts.

MIM-технологияинжекционное формованиелитье под давлениемгранулятфидстокпорошок нержавеющей сталисвязующееполиформальдегидспеканиесоставструктураMIM technologyinjection moldingpowder injection moldingfeedstockstainless steel powderbinderpolyoxymethylenesinteringcompositionstructureReferencesGerman R.M., Bose A. Injection molding of metals and ceramics. New Jersy, USA: Metal Powder Industries Fede­ration, 1997. 414 p.German R.M., Bose A. Injection molding of metals and ceramics. New Jersy, USA: Metal Powder Industries Fede­ration, 1997. 414 p.Liu Z.Y., Loh N.H., Tor S.B., Khor K.A. Characterization of powder injection molding feedstock. Materials Characterization. 2002;49(4):313–320. https://doi.org/10.1016/S1044-5803(02)00282-6Liu Z.Y., Loh N.H., Tor S.B., Khor K.A. Characterization of powder injection molding feedstock. Materials Characterization. 2002;49(4):313–320. https://doi.org/10.1016/S1044-5803(02)00282-6Li Y., Jiang F., Zhao L, Huang B. Critical thickness in bin­der removal process for injection molded compacts. Materials Science and Engineering: A. 2003;362(1–2):292–299. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00613-0Li Y., Jiang F., Zhao L, Huang B. Critical thickness in bin­der removal process for injection molded compacts. Materials Science and Engineering: A. 2003;362(1–2):292–299. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00613-0Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р., Игнатов С.В., Костин Д.В., Шультимова А.С. Разработка отечественного порошкового гранулята со связующим на основе полиформальдегида для МИМ-технологии. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013;(4):8–13. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2013-4-8-13Parkhomenko A.V., Amosov A.P., Samboruk A.R., Ignatov S.V., Kostin D.V., Shul’timova A.S. Development of domestic powder granulate with a polyformaldehyde-based binder for MIM-technology. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2015;56(1):68–72. https://doi.org/10.3103/S1067821215010149Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р., Ермошкин А.А. Исследование состава и структуры импортного гранулята для MIM-технологии. В сб: Высокие технологии в машиностроении: Материалы Всероссийской научно-технической интеллектуальной конференции с международным участием (Самара, 11–17 ноября 2010 г.). Самара: СамГТУ, 2010. С. 202–204.Parkhomenko A.V., Amosov A.P., Samboruk A.R., Ermoshkin A.A. Investigation of composition and structure of imported granulate for MIM technology. In: High technologies in mechanical engineering: Materials of the All-Russian Scientific and Technical Intellectual Conference with International Participation (Samara, 11–17 November 2010). Samara: SSTU, 2010. P. 202–204. (In Russ.).Contreras J.M., Jiménez-Morales A., Torralba J.M. In­fluence of particle size distribution and chemical composition of the powder on final properties of Inconel 718 fabricated by Metal Injection Moulding (MIM). PIM International. 2010;4(1):67–70.Contreras J.M., Jiménez-Morales A., Torralba J.M. In­fluence of particle size distribution and chemical composition of the powder on final properties of Inconel 718 fabricated by Metal Injection Moulding (MIM). PIM International. 2010;4(1):67–70.Ahn S., Park S.J., Lee Sh., Atre S.V., German R.M. Effect of powders and binders on material properties and molding parameters in iron and stainless steel powder injection molding process. Powder Technology. 2009;193(2):162–169. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.03.010Ahn S., Park S.J., Lee Sh., Atre S.V., German R.M. Effect of powders and binders on material properties and molding parameters in iron and stainless steel powder injection molding process. Powder Technology. 2009;193(2):162–169. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.03.010Mahmud N.N., Azam F.A.A., Ramli M.I., Foudzi F.M., Ameyama K., Sulong A.B. Rheological properties of irregular-shaped titanium-hydroxyapatite bimodal powder composite moulded by powder injection moul­ding. Journal of Materials Research and Technology. 2021;11:2255–2264. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.02.016Mahmud N.N., Azam F.A.A., Ramli M.I., Foudzi F.M., Ameyama K., Sulong A.B. Rheological properties of irregular-shaped titanium-hydroxyapatite bimodal powder composite moulded by powder injection moul­ding. Journal of Materials Research and Technology. 2021;11:2255–2264. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.02.016Okubo K., Tanaka Sh., Ito H. The effects of metal particle size and distributions on dimensional accuracy for micro parts in micro metal injection molding. Microsystem Technologies. 2010;16:2037–2041. https://doi.org/10.1007/s00542-010-1122-9Okubo K., Tanaka Sh., Ito H. The effects of metal particle size and distributions on dimensional accuracy for micro parts in micro metal injection molding. Microsystem Technologies. 2010;16:2037–2041. https://doi.org/10.1007/s00542-010-1122-9Sotomayor M.E., Várez A., Levenfeld B. Influence of powder particle size distribution on rheological properties of 316L powder injection molding feedstocks. Powder Technology. 2010;200(1–2):30–36. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.02.003Sotomayor M.E., Várez A., Levenfeld B. Influence of powder particle size distribution on rheological properties of 316L powder injection molding feedstocks. Powder Technology. 2010;200(1–2):30–36. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.02.003Meendering D.N., Malhotra D., Baltich L.K. Conditio­ning metal powder for injection molding: Patent 5314658 (USA). 1994.Meendering D.N., Malhotra D., Baltich L.K. Conditio­ning metal powder for injection molding: Patent 5314658 (USA). 1994.Barriere T., Liu B., Gelin J.C. Analyses of powder segregation in MIM. Metal Powder Report. 2002;57(5):30–33. https://doi.org/10.1016/S0026-0657(02)80173-4Barriere T., Liu B., Gelin J.C. Analyses of powder segregation in MIM. Metal Powder Report. 2002;57(5):30–33. https://doi.org/10.1016/S0026-0657(02)80173-4Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р. Развитие применения металлических порошков для MIM-технологии. В сб.: Высокие технологии в машиностроении: Материалы XXI Всероссийской научно-технической конференции с международным учас­тием (Самара, 10–12 апреля 2024 г.). Самара: СамГТУ, 2024. С. 285–289.Parkhomenko A.V., Amosov A.P., Samboruk A.R. Deve­lopment of metal powder applications for MIM techno­logy. In: High Materials of XXI All-Russian Scientific and Technical Conference with International Participation (Samara, 11–17 April 2024). Samara: SSTU, 2024. P. 285–289. (In Russ.).Pandey A.K., Chaudhari A.P., Vemula P., Sunil B., Nayak K.Ch., Date P.P. Effect of powder loading and testing condition on the different properties of metal injection molding parts. Materials Today: Proceedings. 2020;33(8):5492–5497. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.309Pandey A.K., Chaudhari A.P., Vemula P., Sunil B., Nayak K.Ch., Date P.P. Effect of powder loading and testing condition on the different properties of metal injection molding parts. Materials Today: Proceedings. 2020;33(8):5492–5497. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.309Haihong Ma, Shuo Li, Zhesheng Jin, Yiwen Tian, Fengmei Ren, Zhengfa Zhou, Weibing Xu. Effect of 17-4PH stainless steel powders interaction on feedstocks. Powder Technology. 2020;372:204–211. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.05.106Haihong Ma, Shuo Li, Zhesheng Jin, Yiwen Tian, Fengmei Ren, Zhengfa Zhou, Weibing Xu. Effect of 17-4PH stainless steel powders interaction on feedstocks. Powder Technology. 2020;372:204–211. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.05.106Mukundab B.N., Hausnerovaac B. Variation in particle size fraction to optimize metal injection molding of water atomized 17-4PH stainless steel feedstocks. Powder Technology. 2020;368:130–136. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.058Mukundab B.N., Hausnerovaac B. Variation in particle size fraction to optimize metal injection molding of water atomized 17-4PH stainless steel feedstocks. Powder Technology. 2020;368:130–136. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.058Machaka R., Ndlangamandla P., Seeranea M. Capillary rheological studies of 17-4PH MIM feedstocks prepared using a custom CSIR binder system. Powder Technology. 2018;326:37–43. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.12.051Machaka R., Ndlangamandla P., Seeranea M. Capillary rheological studies of 17-4PH MIM feedstocks prepared using a custom CSIR binder system. Powder Technology. 2018;326:37–43. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.12.051Basir A., Bakar A., Nashrah S., Jamadon H., Muhamad N. Feedstock properties and debinding mechanism of yttria-stabilized zirconia / stainless steel 17-4PH micro-components fabricated via two-component micro-powder injection molding process. Ceramics International. 2021;47(14):20476–20485. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.04.057Basir A., Bakar A., Nashrah S., Jamadon H., Muhamad N. Feedstock properties and debinding mechanism of yttria-stabilized zirconia / stainless steel 17-4PH micro-components fabricated via two-component micro-powder injection molding process. Ceramics International. 2021;47(14):20476–20485. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.04.057Naranjo J.A., Berges C., Campana R., Herranz G. Rheological and mechanical assessment for formulating hybrid feedstock to be used in MIM & FFF. Results in Engineering. 2023;19:101258. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101258Naranjo J.A., Berges C., Campana R., Herranz G. Rheological and mechanical assessment for formulating hybrid feedstock to be used in MIM & FFF. Results in Engineering. 2023;19:101258. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101258Langlais D., Demers V., Brailovski V. Rheology of dry powders and metal injection molding feedstocks formula­ted on their base. Powder Technology. 2022;396(A):13–26. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.10.039Langlais D., Demers V., Brailovski V. Rheology of dry powders and metal injection molding feedstocks formula­ted on their base. Powder Technology. 2022;396(A):13–26. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.10.039Ammosova L., Cano S.C., Schuschnigg S., Kukla C., Mönkkönen K., Suvanto M., Gonzalez-Gutierrez J. Effect of metal particle size and powder volume fraction on the filling performance of powder injection moulded parts with a micro textured surface. Precision Engineering. 2021;72:604–612. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.06.014Ammosova L., Cano S.C., Schuschnigg S., Kukla C., Mönkkönen K., Suvanto M., Gonzalez-Gutierrez J. Effect of metal particle size and powder volume fraction on the filling performance of powder injection moulded parts with a micro textured surface. Precision Engineering. 2021;72:604–612. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.06.014Wohlfrom H., Maat R.F.J., Blomacher M. Metal powder injection molding material and metal powder injection molding method: Patent 2006/0099103A1 (USA). 2006.Wohlfrom H., Maat R.F.J., Blomacher M. Metal powder injection molding material and metal powder injection molding method: Patent 2006/0099103A1 (USA). 2006.Берлин А.А., Дебердеев Р.Я., Перухин Ю.В., Гарипов Р.М. Полиоксиметилены. М.: Наука, 2008. 286 с.Berlin A.A., Deberdeev R.Ya., Perukhin Yu.V., Garipov R.M. Polyoxymethylenes. Moscow.: Nauka, 2008. 286 p. (In Russ.).Гринберг Е.М., Гончаров С.С., Маркова Е.В. Влияние режимов термической обработки на количество остаточного аустенита в стали 09Х16Н4БЛ. Известия ТулГУ. Технические науки. 2012;6(2):280–285.Grinberg E.M., Goncharov S.S., Markova E.V. The heat treatment modes effect on residue austenite amount in 09Cr16Ni4Nb cast steel. Izvestiya TulGU. Technical Sciences. 2012;6(2):280–285. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.