Struktura zakrzepniętego wlewka, nazywana także strukturą pierwotną, ulega zmianie podczas przeróbki plastycznej na gorąco, czemu towarzyszy także zmiana własności materiału. Jeżeli po ostygnięciu stali we wlewnicy nie obserwuje się zmian w strukturze wewnętrznej i uzyskane własności mechaniczne nie są zadowalające, to jedynym sposobem na ich poprawę jest przeróbka plastyczna i obróbka cieplna [1], [22], [6].
Rys. 1.26. Schemat przebiegu włókien w odkuwce monolitycznego wału korbowego [17].
Specyficzna budowa wewnętrzna materiału, powstająca po przeróbce plastycznej nazywana jest strukturą wtórną. Zależy ona w dużym stopniu od struktury pierwotnej oraz od parametrów procesu przeróbki plastycznej. Związek między strukturą pierwotną, a wtórną widoczny jest wyraźnie podczas kucia odkuwek ze stali o zawartości węgla zbliżonej do zawartości eutektoidalnej. W wielu przypadkach struktura pierwotna jest zauważalna w materiale nawet po bardzo intensywnej przeróbce plastycznej. Wpływa ona w sposób decydujący na rozkład włóknistości materiału (rys. 1.26) przerabianego plastycznie oraz na jego własności.
Tabela 1.2. Charakterystyka głównych wad wlewka kuźniczego [16], [62].
Wada Charakterystyka
Jama usadowa
Tworzy się na skutek krzepnięcia metalu we wlewnicy. Jeżeli występuje w nadlewie wlewka lub w częściach, które będą usuwane w końcowej fazie procesu, to nie stanowi zagrożenia dla jakości odkuwki. W okolicy jamy usadowej (skurczowej) powstają zwykle skupiska niewielkich nieciągłości zwanych jamami skurczowymi, porowatością osiową lub rzadzizną.
Wtórna jama usadowa
W przeciwieństwie do jamy usadowej występuje w części korpusu wlewka, głównie w przypadku elementów o dużej smukłości.
Pęcherze Są przyczyną ograniczonej rozpuszczalności gazów w metalu wraz ze spadkiem temperatury. Ich ilość oraz rozmieszczenie związana jest ze stopniem odtlenienia i odgazowania stali. Na ogół pęcherze, które nie zostały zanieczyszczone na drodze segregacji oraz pęcherze przypowierzchniowe, które nie uległy utlenieniu ulegają zamknięciu (zgrzaniu) podczas kucia. Łuski
i rozpryski
Powstają podczas odlewania wlewków metodą „z góry”. W trakcie procesu ciekła stal uderza o dno wlewnicy powodując kolejno jej rozpryskiwanie, osadzanie, utlenianie i krzepnięcie na ściankach wlewnicy. Podnoszący się poziom stali zatapia rozpryski, jednak nie zawsze dochodzi do ich roztopienia, co powoduje powstawanie wad powierzchniowych wlewka.
Niespawy Powstają w skutek przerwania strumienia ciekłej stali podczas odlewnia, co powoduje powstawanie warstwy tlenków, która utrudnia połączenie materiału po wznowieniu procesu. Finalnie tak powstała wada może spowodować pęknięcie wlewka w początkowych etapach kucia lub wręcz jego rozpad na kilka części. Podobny, negatywny efekt uzyskiwany jest w przypadku zbyt niskiej temperatury stali, która powoduje wzrost jej gęstości podczas odlewania.
Segregacja Jest wynikiem krzepnięcia materiału we wlewnicy. Oprócz dotychczas przedstawionych w rozdziale 1.2 dwóch głównych rodzajów tego zjawiska (makro- i mikrosegregacja) można wyróżnić także segregację:
• gazową – polega na wypychaniu wzbogaconej stali do pęcherzy gazowych w ostatniej fazie krzepnięcia,
• węglików – związana jest głównie z krzepnięciem stali stopowych i wysokostopowych, w których dochodzi do wydzieleń węglików (np. chromu, wolframu, wanadu) z roztworu stałego w postaci nierównomiernie rozmieszczonych skupisk.
Każdy rodzaj segregacji powoduje nierównomierność struktury w objętości wlewka czemu towarzyszy również nierównomierność jego własności.
Wtrącenia niemetaliczne
Są to nierozpuszczone związki chemiczne występujące w stali. Wtrącenia endogeniczne powstają w skutek procesów fizykochemicznych zachodzących w ciekłej stali (np. tlenki, siarczki), natomiast egzogeniczne są wtrąceniami zewnętrznymi, dostającymi się do wlewnicy podczas odlewania i spustu (np. zażużlenia). Przyczyną występowania tego typu wady może być nieprawidłowe przygotowanie zestawów odlewniczych oraz zła jakość materiałów ogniotrwałych.
Pęknięcia Złożone zjawiska zachodzące w strukturze wlewka podczas jego krzepnięcia mogą powodować powstawanie pęknięć przed procesem przeróbki plastycznej. Ogólnie wady te mogą powstawać podczas:
• krzepnięcia metalu - wówczas są one zazwyczaj płytkie (możliwe do zniwelowania), • chłodzenia już zakrzepłego wlewka (najczęściej są przyczyną jego wybraku), • nagrzewania zimnych wlewków przed procesem kucia.
Przykładem bardzo poważnych uszkodzeń wlewka są pęknięcia poprzeczne powstające w skutek zawisania wlewka we wlewnicy. Zjawisko to występuje najczęściej podczas chłodzenia już zakrzepłego wlewka i bardzo intensywnie ingeruje w strukturę elementu powodując nieodwracalne skutki.
Z technologicznego punktu widzenia bardzo niebezpieczne są pęknięcia powstające podczas nagrzewania zimnych wlewków o dużej masie, wykonanych z materiału charakteryzującego się niewielkim współczynnikiem przewodzenia ciepła. Wady te są niebezpieczne z powodu swojej wykrywalności, która może nastąpić dopiero podczas zabiegów obróbki cieplnej lub mechanicznej.
Celem przeróbki plastycznej metali, oprócz uzyskania wymaganego kształtu wyrobu gotowego, jest osiągnięcie zadowalających własności mechanicznych. Wlewek kuźniczy, który charakteryzuje się nieregularną strukturą wewnętrzną, posiada wiele wad, które mogą zostać usunięte podczas kucia pod warunkiem, że zostaną poprawnie zidentyfikowane. Od rozpoznania wady i efektu jej usunięcia w dużej mierze zależą własności wyrobu finalnego. Główne, najczęściej spotykane wady wlewków przedstawiono w tabeli 1.2 [16], [62].
Podsumowanie
Z powyższych rozważań wynika, że skomplikowane zjawiska zachodzące w strukturze krzepnącego wlewka, których konsekwencją jest zróżnicowana struktura na przekroju wzdłużnym i poprzecznym, sprawiają, iż uzyskanie wsadu przeznaczonego do kucia dużych odkuwek całkowicie pozbawionego wad jest niemożliwe. Wynikiem licznych badań mających na celu poprawę jakości wlewków jest zwiększenie uzysku oraz zmniejszenie skłonności do tworzenia pustek. Kolejnym krokiem transformacji struktury są procesy przeróbki plastycznej.
Czystość materiału wsadowego jest niezwykle istotna głównie w przypadku produkcji odkuwek ze stopów niklu czy tytanu. Wysoka cena pierwiastków powoduje, że producenci są zmuszani do generowania oszczędności materiałowych poprzez wprowadzanie dodatkowych operacji kuźniczych poprawiających jakość wlewków. Sam proces kucia nie odbiega znacząco od konwencjonalnych technologii kucia odkuwek wielkogabarytowych ze stali. Narzędzia, maszyny oraz urządzenia wspomagające proces mogą być stosowane zamiennie, w każdej ze wspomnianych technologii. Jedyna różnica dostrzegana jest w wymaganiach co do przestrzegania wytycznych technologicznych. W przypadku kucia elementów ze stali wysokostopowych lub stopów niklu są one znacznie bardziej restrykcyjne. Wysokie opory odkształcenia, wąski zakres temperatury kucia, czy skłonność do pękania powodują, że szczególną uwagę należy zwrócić na detale już podczas projektowania procesu technologicznego. Konieczne jest sprawne prognozowanie własności wyrobu oraz oszacowanie ryzyka powstawania pęknięć.