Index of /rozprawy2/11416

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Plastycznej Przeróbki Metali. Rozprawa doktorska. Wpływ zmiany stopnia przerobu plastycznego na powstawanie pęknięć w wielooperacyjnych procesach kucia Łukasz Lisiecki. Promotor: Prof. dr hab. inż. Jan Sińczak Promotor pomocniczy: Dr inż. Piotr Skubisz. Kraków 2018.

(2) Praca współfinansowana w ramach grantów dziekańskich pt.: - Wyznaczenie kryteriów pękania materiału podczas kucia z uwzględnieniem zróżnicowanego stopnia przerobu plastycznego (nr: 15.11.110.348, realizowany w roku 2015), - Opracowanie kryterium prognozowania pęknięć w procesach kucia elementów z trudno-odkształcalnych stopów niklu w oparciu o powiązanie wskaźników reologicznych i termo-mechanicznych (nr: 15.11.110.515, realizowany w roku 2017). 2.

(3) Spis treści Wstęp. 6. OPRACOWANIE LITERATUROWE – STAN ZAGADNIENIA. 9. 1. Zapotrzebowanie na odkuwki wielkogabarytowe – motywacja przemysłowa. 9. 1.1.. Wielkogabarytowe odkuwki ze stali i stopów niklu. 1.2.. Struktura wlewka kuźniczego i jej wpływ na proces kucia wyrobów. 1.3.. 14. o złożonym cyklu technologicznym. 27. Charakterystyka wad wlewka i możliwości ich anihilacji podczas kucia. 34. 2. Stopień przekucia i metody jego obliczania. 37. 2.1.. Znaczenie stopnia przekucia w projektowaniu procesów kuźniczych. 38. 2.2.. Obliczanie stopnia przekucia w oparciu o parametry geometryczne. 40. 2.3.. Powiązanie stopnia przekucia z innymi parametrami procesowymi. 45. 3. Modelowanie procesów kucia z uwzględnieniem odkształcalności – prognozowanie pękania. 53. 3.1.. Rodzaje i przyczyny pęknięć w materiale podczas przeróbki plastycznej. 53. 3.2.. Parametry decydujące o odkształcalność materiału podczas kucia. 57. 3.3.. Modele i kryteria pękania ciągliwego. 61. 4. Podsumowanie części literaturowej. 67. CEL I TEZA PRACY. 72. BADANIA WŁASNE. 74. 5. Opracowanie. metodyki. prognozowania. pęknięć. podczas. kucia. w. oparciu. o badania laboratoryjne i symulację numeryczną. 74. 5.1.. Charakterystyka i ograniczenia tradycyjnego testu ściskania. 74. 5.2.. Konstrukcja narzędzi do analizy odkształcalności materiałów. 79. 5.3.. Dodatkowe narzędzia i metody wspomagające analizę odkształcalności materiałów. 87. 5.4.. Przygotowanie próbek do badań. 92. 5.5.. Analiza przebiegu testu i porównanie z tradycyjnym testem ściskania. 96. 6. Określenie wpływu operacji kucia swobodnego na stopień przekucia i zagęszczenie materiału – badania wstępne. 102. 7. Badania stopnia przekucia w warunkach laboratoryjnych. 118. 7.1.. Przyjęte założenia oraz metody badawcze. 118. 7.2. Przedstawienie wyników badań stopnia przekucia. 125. 8. Dyskusja wyników badań i ich weryfikacja w warunkach przemysłowych. 146. 9. Podsumowanie i wnioski. 167. 3.

(4) Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń A. – stała charakteryzująca pustki w materiale (kryterium pękania Oyanego). a. – współczynnik proporcjonalności przy obliczaniu stopnia przekucia według modelu Sińczaka (zakres: 1,2-1,4). As. – współczynnik równoważności określający wpływ spęczania na własności mechaniczne; w zależności od warunków kucia przyjmuje się 0,7 < A < 0,9. B, D – stałe charakteryzujące materiał w kryterium pękania Osakady i Mari’ego Ci. – wartość kryterium pękania ciągliwego. DIC. – system do cyfrowej korelacji obrazu. DTF – współczynnik trójosiowości naprężeń (wg Davisa) d0, d. – średnica odkuwki przed i po danej operacji kucia. e. – odkształcenie inżynierskie (względne). eH. – intensywność odkształcenia (w zapisie Eulera). e(i). – składowe tensora odkształceń głównych (w zapisie Eulera). eij. – składowe tensora odkształcenia (w zapisie Eulera). F0, F – wartość przekroju poprzecznego odkuwki przed i po danej operacji kucia h0, h. – wysokość odkuwki przed i po danej operacji kucia. HV5 – oznaczenie wyników pomiaru twardości metodą Vickersa przy obciążaniu wgłębnika masą 5kg IEA. – Międzynarodowa Agencja Energetyczna. K. – praca łamania. KCV – udarność Lp. – praca odkształcenia. l0, l. – długość odkuwki przed i po danej operacji kucia. lH. – intensywność odkształcenia (w zapisie Lagrange’a). l(i). – składowe tensora odkształceń głównych (w zapisie Lagrange’a). lij. – składowe tensora odkształceń (w zapisie Lagrange’a). MES – Metoda elementów skończonych M2. – drugi niezmiennik dewiatora odkształceń. m. – czynnik tarcia. mk. – współczynnik określający kształt powierzchni roboczej kowadeł (mk = 1,25 – dla kowadeł kształtowych). n. – współczynnik Levanova. OECD – Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju p. – średni opór odkształcenia. Q. – współczynnik zamykania nieciągłości podczas kucia swobodnego. RTG – badania radiograficzne Ttop. – temperatura topnienia. UT. – badania ultradźwiękowe. V. – objętość kutego materiału. β. – współczynnik trójosiowości naprężeń (wg Vujovica i Shabaika). ε. – odkształcenie rzeczywiste (logarytmiczne). 4.

(5) 𝜀̇. – prędkość odkształcenia. 𝜀̅, εH – intensywność odkształcenia 𝜀̅𝑓. – krytyczna wartość intensywności odkształcenia (odkształcenie graniczne). εwl. – odkształcenie względne. 𝜎̅. – intensywność naprężenia. σi. – główne składowe tensora naprężenia. σm. – naprężenie średnie (hydrostatyczne). σp. – naprężenie uplastyczniające. λ. – stopień przekucia. λc. – całkowity stopień przekucia. λG. geometryczny stopień przekucia. λl. – stopień wydłużania (stopień przekucia obliczany w operacji wydłużania). λs. – stopień spęczania (stopień przekucia obliczany w operacji spęczania). μ. – współczynnik tarcia. τ. – naprężenie styczne (ścinające). τmax. – maksymalne naprężenie styczne (ścinające). 5.

(6) Wstęp Celem procesów przeróbki plastycznej metali jest wykonywanie wyrobów o określonym kształcie, wymaganych własnościach mechanicznych (plastycznych i wytrzymałościowych) oraz cechach eksploatacyjnych [1]–[7]. Ponadto, z punktu widzenia producentów, niezwykle ważne są aspekty ekonomiczne (oszczędność materiału, minimalizacja zużycia energii) i środowiskowe (ograniczenie emisji spalin) [8]–[10]. Kucie wielkogabarytowych elementów stawia dodatkowe wymagania związane ze znacznymi rozmiarami odkuwek. Istotna jest zatem sprawna logistyka wewnątrz zakładu oraz nowoczesny park maszynowy, dzięki któremu przemieszczanie wyrobów będzie precyzyjne, a sam proces technologiczny na tyle ustabilizowany, że umożliwi wytwarzanie wyrobów o zadowalającej jakości. Wszystkie te czynniki powodują, że bardzo często proces kucia swobodnego jest technologią trudną, lecz bezkonkurencyjną przy wytwarzaniu elementów wielkogabarytowych, co do których stawia się bardzo wysokie wymagania w odniesieniu do własności mechanicznych i dokładności wymiarowych, których spełnienie jest krytyczne z punktu widzenia zadań związanych z eksploatacją [11]. a). b). c). d). e). f). Rys. 1. Przykłady odkuwek wielkogabarytowych w różnych etapach produkcji i eksploatacji: a-c) wał główny elektrowni wiatrowej: a) po kuciu, b) po obróbce mechanicznej, c) po zamontowaniu w korpusie elektrowni wiatrowej, d-f) monolityczny wał korbowy: d) po obróbce cieplnej e) po finalnej obróbce mechanicznej, f) w trakcie transportu przed zamontowaniem w układzie napędowym [12]–[15].. W procesach kucia swobodnego stalowych elementów wielkogabarytowych technologia rozpoczyna. się. od. nagrzewania. i. wstępnego. przekucia. wlewka. kuźniczego,. charakteryzującego się niejednorodną i miejscowo silnie porowatą strukturą. Z tego powodu 6.

(7) niezwykle istotny jest prawidłowy dobór parametrów technologicznych, takich jak temperatura kucia, wielkość odkształcenia, posuw względny, geometrii narzędzi oraz parametrów maszyn kuźniczych [7], [16], [17]. W trakcie kucia na gorąco struktura materiału ulega zmianie, a własności mechaniczne znacznie się poprawiają prowadząc do spełnienia oczekiwań stawianych przez odbiorców. W celu efektywnego przewidywania własności wyrobu gotowego na etapie projektowania procesu kucia stosuje się różnego rodzaju wskaźniki przerobu plastycznego, z których najpopularniejszym i powszechnie stosowanym w warunkach przemysłowych jest stopień przekucia. Parametr ten, łącząc wymiary geometryczne ze zmianami w strukturze na różnych etapach procesu, pozwala określić optymalny cykl operacji kuźniczych oraz wyznaczyć wymagany przedział wartości parametrów technologicznych. Procedura ta jest niezbędna już na etapie projektowania technologii, ponieważ ewentualne koszty, związane ze stratami materiałowymi spowodowanymi uszkodzeniem elementu w trakcie kucia lub osiągnięciem niedostatecznych własności, mogą być nieporównywalne z koszami w innych technologiach. a). b). Rys. 2. Przykłady pęknięć powstających w różnych etapach cyklu technologicznego: a) pęknięcie wlewka spowodowane wadami występującymi w jego strukturze, b) pękanie odkuwki w końcowym etapie kucia spowodowane lokalnym spadkiem temperatury [18].. Dodatkowym problemem powodującym straty w zakładach produkcyjnych jest pękanie materiału podczas kucia, wynikające głównie ze złożonego schematu odkształcenia i naprężenia oraz błędnie dobranych parametrów procesu. Uszkodzenia mogą występować w różnych etapach cyklu technologicznego: •. podczas operacji wstępnych – będące konsekwencją np. wad struktury odlewniczej,. •. w środkowym etapie kucia – spowodowane np. zadawaniem zbyt dużych odkształceń jednostkowych,. •. w fazie końcowej – np. z powodu kucia w zbyt niskiej temperaturze.. 7.

(8) Określenie odkształcalności materiału, czyli zdolności do odkształcenia plastycznego bez naruszenia ciągłości struktury, jest zatem tak samo istotne jak przewidywanie własności wyrobu z wykorzystaniem wskaźników, w szczególności stopnia przekucia. Trudność stanowi fakt, że oba te parametry ewoluują w trakcie procesu i są wzajemnie od siebie zależne. Pomocne w tym przypadku jest oprogramowanie komputerowe do analizy procesów przeróbki plastycznej, które znacznie ułatwia śledzenie parametrów technologicznych, przez co możliwe jest jednoczesne oszacowanie własności wyrobu oraz ryzyka pojawienia się wady. Celem niniejszej pracy jest opracowanie metodyki pozwalającej na określenie ryzyka występowania pęknięć z uwzględnieniem zmiany własności wyrobu w trakcie procesu kucia elementów wielkogabarytowych. Niniejsza praca koncentruje się opracowaniu: •. testu laboratoryjnego służącego wyznaczaniu odkształcenia granicznego podczas kucia,. •. zależności określającej wpływ parametrów procesu kucia swobodnego na wartość stopnia przekucia,. •. kryterium pękania łączącego odkształcalność i stopień przekucia. Nadrzędnym celem pracy, było zaplanowanie takiego przebiegu badań, który pozwoliłby. na opracowanie metodyki przetwarzania materiału w praktyce przemysłowej, co pozwoliłoby na sprawne, szybkie i precyzyjne określanie ryzyka pęknięć wyrobów wielkogabarytowych kutych swobodnie.. 8.

(9) OPRACOWANIE LITERATUROWE – STAN ZAGADNIENIA. 1.. Zapotrzebowanie na odkuwki wielkogabarytowe – motywacja przemysłowa Elementy metalowe mogą być produkowane trzema podstawowymi, wzajemnie. konkurencyjnymi technikami, do których można zaliczyć: •. przeróbkę plastyczną (kucie, walcowanie, wyciskanie, tłoczenie i ciągnienie),. •. obróbkę mechaniczną (obróbka ubytkowa ze wsadu o geometrycznie prostym kształcie przez toczenie lub frezowanie),. •. odlewanie (np. do form stałych lub piaskowych). Przedstawione techniki pozwalają na produkcję elementów o identycznym kształcie,. znacznie różniących się jednak strukturą wewnętrzną. Schematycznie różnice te, na przykładzie ogniwa łańcucha wykonanego trzema różnymi technikami, przedstawiono na rysunku 1.1 [19]. a). b). c). d). Rys. 1.1. Schematyczna struktura ogniwa łańcuch (a) wykonanego technikami: b) przeróbki plastycznej, c) obróbki mechanicznej, d) odlewania [19]–[21].. Można zauważyć, że struktura, a co za tym idzie także i własności różnią się w zależności od stosowanej techniki wytwarzania. W przypadku przeróbki plastycznej (rys. 1.1b) widoczne są charakterystyczne pasma związków siarki i fosforu zwane włóknami. Ich przebieg wskazuje kierunek płynięcia metalu oraz kierunkowość własności mechanicznych, głównie udarności. Podobne zjawisko widoczne jest w przypadku elementu wykonanego obróbką skrawaniem (rys.1.1c). Wsadem do procesu w tym przypadku jest płaskownik wykonany technologią walcowania na gorąco (stąd widoczne jednokierunkowe włókna w strukturze). Nadawanie finalnego kształtu obróbką ubytkową powoduje, że przebieg włókien jest naruszany, co prowadzi do pogorszenia własności, szczególnie w obszarach sąsiadujących z otworami. 9.

(10) Rozważany wyrób można wyprodukować alternatywnie w procesie odlewania (rys. 1.1d). W tym przypadku mamy do czynienia ze strukturą chaotyczną, brakiem kierunkowości własności w skali makro i największym ryzykiem występowania wad wewnętrznych (np. w postaci porów). Przyczyną tych zjawisk jest w dużej mierze nierównomierność krzepnięcia metalu i krystalizacja w kierunku odprowadzania ciepła. Poprawę własności można uzyskać stosując specjalne metody odlewania (np. odlewanie ciśnieniowe) oraz dodatkowe zabiegi obróbki cieplnej. Można zauważyć, że w odniesieniu do jakości struktury najlepszym rozwiązaniem, spośród prezentowych technik wytwarzania, jest przeróbka plastyczna, która zapewnia unikalne własności przy zachowaniu złożonego kształtu wyrobu [4], [22]. W przypadku elementów, którym stawiane są bardzo wysokie wymagania (np. główne części maszyn, komponenty do elektrowni jądrowych, elementy silników odrzutowych) bezkonkurencyjną techniką wytwarzania jest przeróbka plastyczna, w tym procesy kucia. a). b). Rys. 1.2. Schematyczne oszacowanie kosztów w zależności od liczby wykonanych elementów: a) porównanie kucia z metodami odlewania, b) znaczenie głównych składowych całkowitego kosztu produkcji podczas kucia [23], [21].. Kolejnym, niezwykle istotnym aspektem są koszty produkcji, które w zależności od techniki wytwarzania, gabarytów elementu i wielkości serii mogą ulegać gwałtownym zmianom. Na rysunku 1.2a przedstawiono schematyczne porównanie zmiany kosztów w zależności od liczby wykonanych elementów (w tym przypadku stalowych korbowodów o przedstawionych gabarytach) [21]. Analizując zmianę szacowanych kosztów można zauważyć, że niezależnie od techniki wytwarzania (kucie czy dolewanie) całkowity koszt produkcji maleje wraz z liczbą wykonanych sztuk. W przypadku produkcji jednostkowej największe koszty generowane są w procesach kucia i odlewania ciśnieniowego, co jest związane z przygotowaniem narzędzi 10.

(11) do procesu. Ze względu na fakt, iż podczas odlewania do form piaskowych nie wykorzystuje się specjalistycznych narzędzi, proces ten jest najbardziej opłacalny. W miarę zwiększania wolumenu produkowanych wyrobów można zauważyć bardzo szybki spadek kosztów kucia. W przypadku produkcji przekraczającej 100 tys. sztuk technologia ta staje się najbardziej opłacalna spośród analizowanych. Odlewanie do form piaskowych również nie generuje dużych kosztów, jednak czas potrzebny na przygotowanie form jest relatywnie długi, co wprowadza pewne ograniczenia produkcyjne. Procesem najmniej opłacalnym z ekonomicznego punktu widzenia, w przypadku dużej liczby sztuk, jest odlewanie metodą traconego wosku. Dodatkowa analiza kosztów generowanych podczas kucia (rys. 1.2b) pozwoliła na wyodrębnienie trzech najbardziej istotnych składowych wpływających na opłacalność produkcji: koszty zakupu materiału, wykonania narzędzi oraz koszty instalacyjne, związane z utrzymaniem infrastruktury zakładu, przezbrojeniem maszyn itp. O ile w przypadku zamówień jednostkowych wszystkie trzy aspekty mają duże znaczenie, o tyle podczas produkcji wielkoseryjnej istotne pozostają jedynie koszty związane z zakupem materiału. Fakt ten spowodowany jest przez stosunkowo długą żywotność narzędzi kuźniczych, co utrzymuje powtarzalność wykonywanych elementów na stałym poziomie i nie generuje dodatkowych kosztów. Na wybór techniki wytwarzania detali ma wpływ wiele czynników. Najistotniejsze z nich to konieczność osiągnięcia wymaganego kształtu i własności produktów z uwzględnieniem optymalnych. kosztów. ponoszonych. przez. producenta.. W. przypadku. zamówień. wielkoseryjnych, połączonych z wysokimi wymaganiami co do finalnych własności wyrobów bezkonkurencyjne są procesy kucia.. Zapotrzebowanie na odkuwki wielkogabarytowe Duże. zapotrzebowanie. na. odkuwki. wielkogabarytowe. o. podwyższonej. odpowiedzialności jest związane z takimi gałęziami przemysłu, jak np.: energetyka (turbiny elektrowni wiatrowych - rys. 1.3a), transport morski (wały przenoszenia napędu, wały korbowe. -. rys.1.3b). czy. lotnictwo. (dyski. i. pierścienie. do. zastosowań. wysokotemperaturowych - rys.1.3c). Tego typu elementy przeznaczone są do pracy w ekstremalnych warunkach, gdzie często narażone są na działanie m.in. wysokich temperatur,. agresywnego. środowiska. oraz. bardzo. dużych,. zmiennych. obciążeń. mechanicznych, w których muszą się wykazać bezwzględną niezawodnością. Rosnące wymagania nieustannie rozwijającego się przemysłu niosą za sobą konieczność wykorzystywania coraz to nowszych technologii, które oprócz zapewnienia odpowiednich 11.

(12) własności mechanicznych wyrobu gotowego, muszą spełniać również aspekty ekonomiczne oraz środowiskowe. Obecnie obserwuje się nieustanną ewolucję wymagań jakościowych w stosunku do odkuwek wielkogabarytowych oraz towarzyszący im rozwój technik wytwarzania, od odlewania poprzez wstępny przerób plastyczny, aż po finalną obróbkę cieplną i mechaniczną [24], [25].. a). b). c). Rys. 1.3. Przykład zróżnicowania kształtów odkuwek wielkogabarytowych: a) wały wydłużane z kołnierzami, b) wał korbowy kuty półswobodnie, c) pierścień kuto-walcowany [12], [26], [27].. Rosnąca liczba zamówień oraz ciągłe zwiększanie gabarytów elementów kutych swobodnie,. zmusza. producentów. do. wprowadzania. różnego. rodzaju. innowacji. technologicznych związanych m.in. z bezdotykowymi metodami kontroli geometrii wyrobów [28]. Zmiany te mają służyć spełnieniu wymagań jakościowych oraz minimalizowaniu kosztów związanych z produkcją, bądź ewentualnymi inwestycjami zakładu warunkującymi osiągnięcie założonych celów [29]. Perspektywa rozwoju branży energetycznej Zapotrzebowanie na wielkogabarytowe odkuwki kute swobodnie uzależnione jest w dużej mierze od perspektywy rozwoju branży energetycznej w Polsce i na świecie. Zgodnie z prognozami opracowanymi przez Międzynarodową Agencję Energetyczną (IEA) do roku 2040 spodziewany jest 28% wzrost zapotrzebowania na energię na świecie w porównaniu z rokiem 2015 (rys. 1.4). Ponad 60% całkowitego zapotrzebowania generowane będzie przez kraje nie wchodzące w skład Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD), co świadczy o dynamicznym rozwoju tych państw i zarazem poszerzeniu rynku zbytu na odkuwki o znacznych gabarytach [30].. 12.

(13) Rys. 1.4. Zużycie energii na świecie w latach 1990-2015 i prognozowane wartości do roku 2040 (quadrillion Btu = 1.055x1018 J) [30].. Analizując zużycie energii w odniesieniu do źródeł jej pozyskiwania (rys.1.5) można stwierdzić, że w najbliższych latach udział energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych oraz z gazu ulegnie dalszemu zwiększeniu. Węgiel, dotychczas powszechnie stosowane źródło energii, będzie stopniowo eliminowany, w związku z rosnącymi, restrykcyjnymi wymaganiami dotyczącymi ochrony środowiska naturalnego.. Rys. 1.5. Podział zużycia energii w zależności od źródła w latach 1990-2015 i prognoza do roku 2040 [30].. Najnowsze raporty Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) ukazują także szacunkowy wzrost zużycia energii elektrycznej w różnych obszarach gospodarki (rys. 1.6a). W tym przypadku również widoczny jest wzrost popularności energii pozyskiwanych ze źródeł odnawialnych oraz elektrowni gazowych (rys. 1.6b) [30]. Na podstawie przedstawionych danych można spodziewać się wzrostu zapotrzebowania na części turbin gazowych, wodnych oraz wiatrowych, których dużą grupę stanowią elementy wielkogabarytowe, wytwarzane w postaci ciężkich odkuwek kształtowanych swobodnie, z powodu oczekiwanej niezawodności. Dodatkowo należy mieć na uwadze konieczność zastępowania wyeksploatowanych jednostek energetycznych nowymi, a także modernizacji istniejących już instalacji.. 13.

(14) a). b). Rys. 1.6. Zużycie energii elektrycznej na świecie: a) przez poszczególne sektory gospodarki, b) w zależności od źródła energii [30].. W przypadku przemysłu energetycznego istotnym aspektem jest dążenie do zwiększenia sprawności energetycznej urządzeń, co wiąże się ze zwiększeniem temperatury pracy podzespołów i ich obciążenia dynamicznego. Rozwój technologii energetycznych będzie narzucał konieczność stosowania materiałów o coraz lepszych parametrach jakościowych. W konsekwencji bardziej powszechnym materiałem do produkcji wielkogabarytowych części dla przemysłu energetycznego staną się stale wysokostopowe oraz stopy na bazie niklu, które w połączeniu z odpowiednio przeprowadzonym procesem przeróbki termomechanicznej, spełniają wysokie wymagania odbiorcze [24], [25]. 1.1. Wielkogabarytowe odkuwki ze stali i stopów niklu. Odkuwki stalowe Jedną z najistotniejszych składowych wysokich kosztów produkcji odkuwek o dużych gabarytach są koszty energii związane z nagrzewaniem wlewka kuźniczego do temperatury kucia wraz z wyżarzaniem homogenizującym oraz w przypadku zbyt dużego spadku temperatury kutego materiału, stosowanie dogrzewów międzyoperacyjnych. W czasie kucia następuje intensywna wymiana ciepła pomiędzy kształtowanym materiałem a narzędziami oraz otoczeniem. W związku z tym, można zaobserwować duży gradient temperatury na przekroju przekuwanego materiału wpływający na niejednorodność odkształcenia, co w konsekwencji powoduje zróżnicowanie własności na przekroju gotowej odkuwki. Zabiegi dogrzewania międzyoperacyjnego ograniczają występowanie tego efektu, kosztem strat energetycznych wydatkowanych na ponowne osiągnięcie temperatury początku kucia.. 14.

(15) Rys. 1.7. Schematyczne przedstawienie zmiany temperatury w czasie przemysłowego procesu kucia odkuwek wielkogabarytowych.. Liczba dogrzewów międzyoperacyjnych w czasie procesu technologicznego związana jest z: rodzajem kutego materiału, temperaturą narzędzi, liczbą i rodzajem operacji kucia oraz gabarytami wlewka. Na rysunku 1.7 przedstawiono typowy schemat procesu nagrzewania i kucia wlewka oraz dogrzewania pomiędzy operacjami kształtowania. Po nagrzaniu wlewka do temperatury kucia musi on zostać wytrzymany w tej temperaturze przez kilkanaście godzin w celu wyrównania temperatury w całej objętości. Analogicznie, w przypadku każdorazowego dogrzewania pomiędzy poszczególnymi operacjami kucia (ε1, ε2, ε3) ten schemat musi zostać powtórzony z tym, że czas wytrzymania ulega skróceniu. Duża liczba takich zabiegów w łańcuchu technologicznym generuje znaczne koszty związane ze zużyciem gazu, energii elektrycznej, przestojem maszyn kuźniczych czy transportem przedkuwek do pieca. Innym, istotnym aspektem, wpływającym na całościowy koszt produkcji jest pękanie elementów podczas kształtowania w niekorzystnym stanie naprężenia. Charakterystyczna struktura i nierównomierne własności wlewka wsadowego oraz konieczność racjonalizacji kosztów produkcji podwyższają ryzyko uszkodzenia elementu podczas kucia. Z punktu widzenia parametrów przeróbki plastycznej przyczyną pęknięć może być przekroczenie krytycznych parametrów kucia (np. skrajnie niska temperatura będąca konsekwencją minimalizacji dogrzewów międzyoperacyjnych) lub zbyt duże wartości odkształcenia względnego, wynikające z konieczności osiągnięcia wymaganych wartości stopnia przekucia oraz właściwego przerobu struktury w osi elementu. Dodatkowo, konieczność optymalizacji masy wsadu (głównie w przypadku kucia stali wysokostopowych, stopów niklu lub tytanu) narzuca konieczność wprowadzania restrykcyjnych wymagań dotyczących dokładności kucia, co zmusza producentów do modyfikacji technologii i uwzględniania złożonych operacji wymagających specjalistycznych narzędzi o skomplikowanym kształcie (np. przebijaki, trzpienie, narzędzia kształtowe do wydłużania) [8], [31]. 15.

(16) Przykładem technologii kucia, której modyfikacja przyniosła korzyści związane ze zwiększeniem uzysku materiału i dokładności wymiarowych kosztem zwiększenia ryzyka wystąpienia pęknięć jest kształtowanie wału głównego, będącego podstawowym elementem elektrowni wiatrowej dużej mocy, który łączy piastę wirnika z generatorem [32]. Powszechnie stosowana technologia produkcji tego elementu obejmuje operacje kucia swobodnego i półswobodnego [8], [33]. Wsadem do konwencjonalnego procesu kucia jest wlewek kuźniczy ze stali 34CrNiMo6 o masie 50 ton. Proces technologiczny uwzględnia dwie podstawowe operacje kucia swobodnego (spęczanie i wydłużanie) wykonywane przy pomocy kowadeł płaskich, które pozwalają na ukształtowanie wału z odsadzeniami oraz półswobodne matrycowanie kołnierza. Operacje te przeprowadzane są na prasie hydraulicznej o maksymalnej sile nacisku 80 MN. Ograniczenia siłowe maszyny zmuszają producentów do zastosowania skomplikowanego sposobu matrycowania kołnierza. W związku z tym, że zabieg jest niemożliwy do wykonania jednym naciskiem kowadła stosuje się tzw. spęczanie sekwencyjne, które polega na zadawaniu odkształceń w określonej kolejności, kowadłem o mniejszej powierzchni roboczej [34], [35]. W pełni ukształtowany wał z kołnierzem poddawany jest następnie zabiegom skrawania, z których najistotniejszym, z punktu widzenia strat materiału, jest drążenie otworu centralnego.. Rys. 1.8. Porównanie dwóch technologii kształtowania wału głównego siłowni wiatrowej: a) technologia bez dziurowania przedkuwki, b) technologia uwzględniająca dziurowanie [8].. W celu ograniczenia zakresu obróbki mechanicznej zaproponowano technologię polegającą na wykonywaniu otworu w trakcie proces kucia. Wstępny jego kształt uzyskiwany jest już w początkowych operacjach linii technologicznej metodą dziurowania przebijakiem pełnym. Zabieg ten wiąże się ze zmniejszeniem masy gotowej odkuwki, a co za tym idzie, także masy wlewka, o 10 ton. Kucie wału z uwzględnieniem dziurowania wymaga odmiennego sposobu kształtowania, innego doboru parametrów procesu, sekwencji zadawanych odkształceń itp. Wynika to z konieczności zapewnienia właściwego stopnia przerobu i rozkładu odkształcenia mającego wpływ na własności mechaniczne wyrobu gotowego. Wykonanie otworu we wczesnym stadium produkcji powoduje jego deformację 16.

(17) oraz zwężenie podczas matrycowania kołnierza. Ten problem oraz dużo bardziej skomplikowany proces wydłużania z wykorzystaniem trzpienia wymuszają wprowadzenie istotnych zmian w linii produkcyjnej [8], [36]. Pierwszy etap wytwarzania wału obejmuje nagrzewanie wsadu do temperatury kucia. Porównania na tym etapie dokonano przy pomocy symulacji numerycznej nagrzewania modeli geometrycznych wlewków kuźniczych o masach 40 i 50 ton do osiągnięcia równomiernej temperatury kucia w całej objętości. Temperatura początkową wlewków (przed nagrzewaniem) wynosi 700ºC, co odpowiada średniej temperaturze mierzonej na powierzchni na wysokości równej 2/3 długości korpusu. Jej wysokie wartości są wynikiem transportowania wlewków w specjalistycznych pojemnikach izolacyjnych, co jest możliwe tylko i wyłącznie wówczas gdy dany zakład dysponuje wydziałem stalowni i istnieje możliwość dostarczania do kucia wlewków w stanie gorącym [33], [37], [38]. Wielkość wlewka ma duży wpływ na wyrównanie temperatury w rdzeniu elementu, co w przypadku zmniejszonej jego masy następuje w czasie krótszym o kilkanaście godzin. Czas osiągnięcia temperatury kucia na powierzchni jest zbliżony w obu przypadkach, co wpływa dodatkowo niekorzystnie na przypowierzchniowe strefy wlewka oraz degradację powierzchni wskutek dłuższej ekspozycji. Podczas kucia temperatura przedkuwki spada, co jest spowodowane kontaktem z narzędziami o niższej temperaturze oraz oddziaływaniem środowiska. Skrajna temperatura pozwalająca na kontynuowanie procesu bez ryzyka uszkodzenia narzędzi oraz przedkuwki wynosi około 880°C. Relatywnie długi czas wykonywania poszczególnych operacji kucia zmusza producentów do stosowania dogrzewania przedkuwki pomiędzy tymi operacjami. Wał dziurowany wymaga większej liczby dogrzewów, co powoduje wydłużenie sumarycznego czasu przebywania w piecu o 7% w stosunku do odkuwki wału pełnego. Odpowiednio przygotowane wlewki są poddawane w pierwszej kolejności spęczaniu, w celu zwiększenia średnicy oraz stopnia przerobu materiału. Po tej operacji wykonuje się wydłużanie na przedkuwkę o średnicy 1400 mm w przypadku wału pełnego i 1750 mm w przypadku wału dziurowanego, z których matrycowane są kołnierze wałów. Analizując wyniki obliczeń numerycznych można zauważyć, że średnia wartość intensywności odkształcenia na przekroju poprzecznym przedkuwek wynosi odpowiednio 3,5 i 4,3 [8]. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, iż w przypadku odkuwki wału drążonego rozkład intensywności odkształcenia ma większy gradient, a wysokie wartości tego parametru zlokalizowane są w okolicach otworu centralnego. Dla wału pełnego lokalne wartości intensywności odkształcenia są nieco mniejsze, lecz równomiernie rozłożone na przekroju poprzecznym odkuwki [8], [38]. 17.

(18) Wykonywanie odsadzeń powoduje wzrost stopnia przerobu w zależności od zmniejszenia średnicy elementu. Maksymalne wartości stopnia przekucia obserwowane są na przeciwległym, w stosunku do kołnierza, końcu wału. Na rysunku 1.9 porównano rozkład intensywności odkształcenia na przekroju wzdłużnym analizowanych elementów. Oprócz trzonu, kluczowym z punktu widzenia własności fizycznych obszarem odkuwki jest kołnierz. Kształtowany jest on poprzez półswobodne matrycowanie części wału o największej średnicy przy pomocy zestawu złożonego z matrycy, pierścieni dystansowych oraz kowadła płaskiego. Odmienny kształt przedkuwki przeznaczonej do matrycowania, ma decydujący wpływ na rozkład odkształceń w przekroju osiowym kołnierza.. a). b). Rys. 1.9. Rozkład intensywności odkształcenia na przekroju w wzdłużnym wału: a) pełnego, b) dziurowanego [8].. Duża średnica kołnierza w ostatnim etapie jego kształtowania nie pozwala na realizację całości odkształcenia jednym suwem prasy. Z tego powodu spęczanie odbywa się w sposób segmentowy. Oznacza to, że finalny kształt wyrobu jest otrzymywany w sekwencji odkształceń zadawanych węższym kowadłem, których wielkość i kolejność jest odpowiednio dobrana, tak aby zapewnić wypełnienie matrycy [35]. Wspominane modyfikacje cyklu technologicznego powodują, że warunki kucia stają się bardziej niekorzystne z punktu widzenia złożoności stanu odkształcenia i naprężenia. Dodatkowo skomplikowany zestaw narzędzi do wydłużania, w skład którego wchodzą kowadło płaskie, kształtowe i trzpień powoduje intensywniejsze obniżanie temperatury kutego materiału. Etapem niezwykle istotnym, wynikającym z tego, że finalnie z analizowanych technologii otrzymuje się odkuwki o różnych kształtach, jest obróbka mechaniczna. Ogólnie można ją podzielić na dwie części. Wstępna obróbka mechaniczna ma na celu przygotowanie komponentów do pierwszego badania ultradźwiękowego oraz do wiercenia lub rozwiercania otworu centralnego, który w przypadku wału pełnego wykonywany jest w końcowej fazie tego etapu produkcji. 18.

(19) Początkowe operacje skrawania muszą zostać wykonane przed obróbką cieplną, gdyż zabiegi cieplne bezpośrednio po kuciu mogą doprowadzić do pęknięć odkuwki w miejscach niewielkich wad przypowierzchniowych [6]. Dzięki wstępnej obróbce mechanicznej wady te są usuwane i ryzyko uszkodzenia elementu znacznie się zmniejsza. Celem finalnej obróbki mechanicznej jest uzyskanie żądanych wymiarów elementu oraz odpowiedniej jakości powierzchni. Powyższe rozważania przedstawiają porównanie dwóch technologii wytwarzania wału głównego dla elektrowni wiatrowej dużej mocy różniące się kształtem wykonywanej odkuwki i wielkością wlewka wymaganego do ich ukształtowania. Przedstawione procesy uwzględniają. typowe. operacje. stosowane. podczas. kształtowania. odkuwek. wielkogabarytowych, począwszy od nagrzewania wlewka, poprzez kucie swobodne (w tym przypadku również i półswobodne), a na obróbce cieplnej i mechanicznej kończąc. Charakterystyczny przebieg technologii kucia swobodnego może ulegać zmianie w zależności od gabarytów i skomplikowania kształtu produkowanego detalu [1], [6], [16]. Ważnym parametrem, mającym duży wpływ na koszt wytwarzania odkuwek wielkogabarytowych jest uzysk, liczony jako iloraz masy elementu po procesie i masy wsadu [16]. Dla rozpatrywanych procesów kucia wałów elektrowni wiatrowej uzysk kuźniczy wynosi 61,9% dla wału bez otworu i 62,5% w przypadku elementu dziurowanego. Otrzymane wyniki wskazują, iż w obu przypadkach ponad 37% masy materiału wsadowego stanowi odpad. Wynika to z konieczności odcięcia dużej ilości materiału od strony nadlewu i stopy wlewka, gdyż w miejscach tych podczas krzepnięcia dochodzi do koncentracji wad, które mogą wpłynąć na pogorszenie jakości odkuwki [8].. Rys. 1.10. Porównanie uzysków na różnych etapach produkcji wału dziurowanego i pełnego [8].. Porównanie technologii uwzględniające rozdział na poszczególne etapy pozwala zlokalizować możliwości optymalizacji kosztów w zależności od upodobań i możliwości producentów. Kierując się uzyskiem bądź korzystniejszym stopniem przekucia, należy rozważyć technologię uwzględniającą dziurowanie przedkuwki. Jeśli natomiast priorytetem. 19.

(20) jest czas lub ograniczony zasób narzędzi do kucia, lepszym rozwiązaniem jest proces kucia wału pełnego. Pewne analogie co do zmian w cyklach kucia odkuwek wielkogabarytowych można znaleźć również w pracach [1], [5], [16], [31], [36], [39]. Wspólnym celem tych modyfikacji jest dążenie do osiągnięcia wymiarów wyrobu gotowego (minimalizacja naddatków technologicznych) np. poprzez modyfikację kształtu narzędzi, wykonywanie otworu metodami kuźniczymi. Z drugiej strony podejmowane działania mogą powodować wzrost ryzyka pojawienia się pęknięć powierzchniowych, które z powodu zminimalizowanych naddatków mogą zdecydować o wybrakowaniu elementu.. Odkuwki na bazie niklu Wielkogabarytowe odkuwki ze stopów niklu znajdują zastosowanie jako części podzespołów pracujących w ekstremalnie wysokich temperaturach, głównie w przemyśle energetycznym i lotniczym [39], [40]. Można do nich zaliczyć m.in. elementy turbin gazowych (w tym wały i koła turbin (rys. 1.11a) oraz przekładki), wały turbin i elementy do elektrowni konwencjonalnych (rys. 1.11c, 1.11d) i jądrowych, a także części silników odrzutowych (wały turbin, wały kompresorów i dyski (rys. 1.11b)).. a). b). c). d). Rys. 1.11. Wielkogabarytowe odkuwki do zastosowań wysokotemperaturowych: a) odkuwka koła turbiny GE 9FB ze stopu Inconel 718, b) odkuwka koła turbiny GE 9FB i dysk silnika odrzutowego (Inconel 718), c) odkuwka wału turbiny ze stopu Inconel 617 mod. do elektrowni węglowej, d) odkuwka korpusu zaworu ze stopu Inconel 617 mod. do elektrowni węglowej [41]–[43].. Przedstawione elementy są przykładem wyrobów pracujących w ekstremalnych warunkach obciążenia – są narażone równocześnie na działanie wysokiej temperatury (dochodzącej do 700-800°C), działanie korozyjne czynnika roboczego oraz bardzo duże, często gradientowe obciążenia mechaniczne. Od jakości ich wykonania zależy niezawodność i bezpieczeństwo pracy urządzeń energetycznych i silników lotniczych. Tego rodzaju elementom konstrukcyjnym stawia się bardzo wysokie wymagania eksploatacyjne. Przede wszystkim oczekuje się wysokiej stabilności własności mechanicznych w szerokim zakresie temperatury oraz wymaga się m.in.: dużej wytrzymałości zmęczeniowej, wysokiej odporność na korozję atmosferyczną i naprężeniową, odporności na pełzanie i pękanie [44]–[46]. 20.

(21) Właściwości te są często przeciwstawne oraz trudne do uzyskania w materiałach monolitycznych, zwłaszcza w wielkogabarytowych wyrobach kutych. Z tego powodu do produkcji tego typu elementów konstrukcyjnych niezbędne jest stosowanie żarowytrzymałych stopów specjalnych.. Rys.1.12. Podział stopów stosowanych w przemyśle energetycznym [47].. Spośród wszystkich stopów żarowytrzymałych, najczęściej stosowane są stopy niklu (rys. 1.12). Charakterystyczną cechą tych materiałów jest odporność korozyjna w szerokim zakresie temperatur połączona z dobrymi własnościami mechanicznymi. Wykorzystywane są one ze względu na ich specyficzne własności fizyczne, takie jak mała rozszerzalność cieplna, duża oporność elektryczna oraz unikalne własności magnetyczne. Szeroką grupę stopów niklu stanowią stopy umacniane wydzieleniowo i roztworowo nazywane nadstopami niklu. Wykonane z nich elementy wykazują bardzo dużą wytrzymałość i odporność na korozję, dzięki czemu mogą pracować w wysokiej temperaturze w środowisku gazów utleniających. Nadstopy na bazie niklu mają bardzo złożony skład chemiczny. Duża liczba stosowanych pierwiastków stopowych oraz zróżnicowanie ich zawartości wskazują na niemal nieograniczone możliwości projektowania oraz modyfikacji składu chemicznego [45]. Większość stopów na osnowie niklu umacniana jest głównie koheretnymi wydzieleniami fazy (γ’). Posiada ona niezwykle korzystne własności, gdyż jej wytrzymałość wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, przy zachowaniu dobrej plastyczności, co zwiększa żarowytrzymałość stopu bez skłonności do kruchości. Jak wiadomo wpływ tej fazy na własności stopu zależny jest od wielkości i kształtu jej wydzieleń. Niemniej, efekt umocnienia wydzieleniowego słabnie dopiero powyżej temperatury 0,6Ttop, wskutek rozrostu wydzieleń, bądź ich koagulacji i tym samym utraty koherencji z osnową [44], [46]. Optymalny skład chemiczny i odpowiednia obróbka cieplna powodują, że nadstopy na bazie niklu osiągają wytrzymałość na rozciąganie nawet do 1380 MPa oraz granicę plastyczności do około 1035 MPa. O tak wysokich parametrach decyduje bardzo złożona struktura i własności osnowy, ale również jej stabilność w szerokim zakresie temperatury, 21.

(22) możliwość umocnienia wydzieleniowego i roztworowego oraz wysoki moduł sprężystości. Jednym z najbardziej korzystnych czynników mającym wpływ na poprawę własności stopów niklu jest dobra rozpuszczalność w osnowie-niklu wielu pierwiastków. Daje to możliwości nie tylko umocnienia roztworowego, ale również kontrolowanych zmian składu roztworu stałego, co w efekcie prowadzi do powstania stabilnych w wysokiej temperaturze faz umacnianych. wydzieleniowo.. Przykładem. materiałów. o. korzystnej. kombinacji. żarowytrzymałości z odpornością na zmęczenie cieplne i kruche pękanie w podwyższonej temperaturze oraz inne korzystne własności fizykochemiczne jest grupa stopów na osnowie niklu o handlowej nazwie Inconel [45], [46]. Tabela 1.1. Cena niklu w porównanie z innymi pierwiastkami i złomem stalowym [48] - stan na listopad 2018. Cena Materiał (US$/tona) Aluminium 1 925,00 Cynk 2 587,00 Miedź 6 130,00 Nikiel 11 370,00 Złom stalowy 319,00. O ile sam Inconel jest dobrze znanym w praktyce inżynierskiej materiałem konstrukcyjnym, o tyle proces produkcji wielkogabarytowych odkuwek ze stopów niklu wciąż wymaga wiele uwagi. Składa się on z etapów analogicznych do technologii produkcji odkuwek stalowych, obejmujących: wytwarzanie wlewków, nagrzewanie wsadu, kucie odkuwek, obróbkę cieplną i mechaniczną. Wlewki do kucia wielkogabarytowych elementów ze stopów niklu wytwarza się najczęściej w dwóch etapach, tj. wytapianie stopu w piecu indukcyjnym i odlewanie elektrod oraz przetapianie metodą elektrożużlową (ESR) lub w próżni (VAR) [46], [49]. W ten sposób uzyskuje się materiał wsadowy do kucia o bardzo dużej czystości metalurgicznej, niskim poziomie segregacji i małym nasileniu wad skurczowych w porównaniu do wlewków konwencjonalnych (stalowych). Różnica w przygotowaniu materiału wsadowego spowodowana jest wysoką ceną niklu (tabela 1.1), co powoduje konieczność osiągnięcia jak najwyższego uzysku. Odpowiednio przygotowany materiał jest w następnym etapie poddawany wyżarzaniu homogenizującemu, w celu ujednorodnienia składu chemicznego stopu (rys. 1.13a). Kolejnym etapem produkcji jest wstępny przerób wlewków metodą kucia swobodnego (rys. 1.13b i 1.13c). Głównym zadaniem przeróbki plastycznej wlewka jest zapewnienie odpowiedniej struktury wewnętrznej. Zakrzepły wlewek charakteryzuje się licznymi wadami i niejednorodnościami materiałowymi, które w dużym stopniu mogą zostać usunięte podczas kucia. W czasie przeróbki plastycznej zachodzą procesy mikrostrukturalne pozwalające na 22.

(23) likwidację niekorzystnych efektów struktury materiału odlewanego, takie jak np.: rekrystalizacja (ujednorodnienie struktury, rozdrobnienie ziarna) czy zamykanie dużych nieciągłości. W praktyce wstępny przerób ciężkich wlewków ze stopów specjalnych jest realizowany poprzez kilkukrotne powtarzanie sekwencji spęczania i wydłużania. Ze względu na objętość wlewka, która jest znacznie bardziej zbliżona do objętości wyrobu finalnego niż w przypadku odkuwek stalowych, pominięcie operacji spęczania w cyklu technologicznym może nie zagwarantować odpowiedniego stopnia przekucia. W technologii kucia odkuwek stalowych proces technologiczny można zaprojektować w ten sposób, aby pominąć operację spęczania, kosztem zwiększenia masy wlewka wsadowego. Zwiększone wymiary wlewka (głównie średnica korpusu) spowoduje, że właściwy stopień przekucia zostanie osiągnięty w operacji wydłużania, natomiast nadmiar materiału zostanie odcięty w ostatnich operacjach produkcyjnych. W przypadku odkuwek ze stopów niklu, korzystniejsze z ekonomicznego punktu widzenia, jest wykonanie kilku cykli wydłużania i spęczania (które wymagają przebudowy maszyny i dogrzewów międzyoperacyjnych) przy jednoczesnym zmniejszeniu masy wlewka wsadowego. Celem kolejnego etapu kształtowania jest uzyskanie żądanych wymiarów odkuwki, jak najbardziej zbliżonych do wymiarów wyrobu gotowego (rys. 1.13d). Może się to odbywać metodą kucia swobodnego lub matrycowego, w zależności od kształtu odkuwki i maksymalnej siły nacisku dostępnej prasy. Wykonana odkuwka poddawana jest następnie zabiegom wstępnej i jakościowej obróbki cieplnej, która w połączeniu z przeróbką plastyczną, pozwala na spełnienie wymagań odnoszących się do struktury i własności mechanicznych. Ostatni etap produkcji ma na celu uzyskanie wymaganych wymiarów oraz określonej jakości powierzchni wyrobu na drodze obróbki mechanicznej. a). b). c). d). Rys. 1.13. Produkcja wału turbiny dla elektrowni węglowej ze stopu inconel 617 mod.: a) wyżarzanie homogenizujące wlewka o masie 38,8 Mg, b) wlewek przed spęczaniem, c) wydłużanie elementu, d) gotowa odkuwka [42].. Elementom przeznaczonym do zastosowań wysokotemperaturowych stawia się szczególnie wysokie wymagania. Katalog badań odbiorczych obejmuje zazwyczaj statyczne 23.

(24) próby rozciągania, badania twardości, odporności na pełzanie, udarności, mikrostruktury wraz z oceną wielkości ziarna, badania ultradźwiękowe oraz badania stabilności temperaturowej. Poza wymaganiami klienta, technologia wytwarzania takich odkuwek musi uwzględniać także szereg aspektów związanych z charakterystyką danego rodzaju materiałów [45], [46]. Stopy niklu zaliczane są do grupy materiałów trudnoodkształcalnych, co oznacza, że materiał oprócz bardzo wysokich oporów odkształcania plastycznego, jest szczególnie wrażliwy na parametry procesowe. Z tego powodu do przeróbki plastycznej tych materiałów występuje konieczność zastosowania urządzeń o ściśle określonych i w pełni kontrolowanych parametrach, zwłaszcza w przypadku stopów zaprojektowane jako odporne na odkształcenia w podwyższonych temperaturach. Wysokie wartości naprężenia uplastyczniającego stopów niklu narzucają konieczność stosowania pras o dużych naciskach oraz częstych zabiegów dogrzewania międzyoperacyjnego. Odrębną trudność stwarza niska plastyczność materiałów na bazie niklu. Mała zdolność do trwałych odkształceń bez naruszenia wewnętrznej spójności w zakresie temperatury przeróbki plastycznej może powodować wystąpienie pęknięć powierzchniowych (rys. 1.14a) i wewnętrznych w czasie kucia. Zadawane odkształcenia nie powinny przekraczać wartości granicznych. a). b). c). Rys.1.14. Wady elementów ze stopów niklu: a) wady powierzchniowe powstałe po kuciu odkuwki dysku o średnicy 1000 mm, b) struktura duplex uzyskana w odkuwce ze stopu niklu, c) nieciągłości wewnętrzne wlewka ze stopu niklu [50]–[52].. Niezwykle istotnym zagadnieniem przy produkcji odkuwek ze stopów niklu są zjawiska związane z mikrostrukturą. Brak przemian fazowych umożliwiających rozdrobnienie ziarna w ramach obróbki cieplnej, powoduje, że jedynym sposobem pozwalającym na uzyskanie drobnego ziarna jest rekrystalizacja zachodząca podczas kucia na gorąco. Wydzielone fazy i węgliki mogą być elementami mikrostruktury hamującymi rozrost ziarna. Niekorzystne warunki procesu nagrzewania i kucia (oraz segregacje pierwotne) mogą doprowadzić do powstania struktury typu duplex z częściowo zrekrystalizowanymi obszarami (rys. 1.14b) [51]. Z drugiej strony wydzielające się fazy prowadzą do umocnienia materiału w czasie kucia i zwiększenia wartości naprężenia uplastyczniającego. Dobór właściwych parametrów. 24.

(25) jakościowej obróbki cieplnej (przesycania i starzenia) pozwala na uzyskanie odpowiedniej struktury i własności odkuwek. Pomimo zastosowania specjalnych technik przeróbki, wlewki ze stopów niklu charakteryzują się różnego rodzaju wadami i niejednorodnościami (rys. 1.14c). Istotny wpływ na uzyskiwaną strukturę i własności ma pierwotna budowa kolumnowa wraz z segregacjami pierwiastków oraz lokalnie obniżona gęstość materiału. Tego rodzaju wady można częściowo wyeliminować podczas kucia. Należy uwzględnić kluczowe parametry termomechaniczne, takie jak właściwa temperatura nagrzewania i wąski zakres temperatury wstępnego przerobu wlewków i kucia na gotowo, odpowiednia prędkość odkształcenia i cząstkowe stopnie odkształcenia przy poszczególnych naciskach prasy. Problem ten jest niezwykle złożony, szczególnie w przypadku kucia swobodnego, gdzie kształtowanie realizuje się w czasie wielu operacji kuźniczych poprzedzonych dogrzewami międzyoperacyjnymi. Duża masa wlewków do kucia swobodnego powoduje wydłużenie czasu nagrzewania wsadu oraz dogrzewów międzyoperacyjnych [6], [8]. Ze względu na gabaryty odkuwek, czas wykonania poszczególnych operacji kucia jest wielokrotnie dłuższy w porównaniu do kucia matrycowego, czego konsekwencją jest duży gradient temperatury na przekroju przekuwanego materiału, wpływający na niejednorodność odkształcenia. Zjawisko to jest charakterystyczne dla procesów produkcji wielkogabarytowych odkuwek niezależnie od materiału, z którego są wykonane. Istotnym czynnikiem podczas kucia swobodnego jest wymiana ciepła pomiędzy wsadem, a narzędziami. Problem szybkiego stygnięcia materiału musi być niwelowany poprzez sprawne manipulowanie wsadem oraz realizację dogrzewania, tak aby nastąpiła pełna rekrystalizacja przekutej struktury [6], [8], [46]. Mechaniczne parametry kucia (odkształcenie względne, posuw, kształt strefy odkształcania, prędkość kształtowania) mają wpływ na stopień penetracji odkształcenia w głąb wsadu i tym samym wpływają na zmianę struktury na przekroju poprzecznym oraz wzdłużnym. Istotne jest takie dobranie parametrów, które pozwoli na przekucie materiału w całej objętości elementu z zachowaniem ciągłości struktury oraz tolerancji wymiarowych. Najłatwiej efekt ten osiągany jest poprzez dobór wsadu o znacznie większej średnicy w porównaniu ze średnicą gotowej odkuwki. W przypadku, gdy nie ma takiej możliwości, wprowadza się dodatkowe operacje kuźnicze pozwalające na zwiększenie stopnia przerobu i likwidację struktury pierwotnej. Zakres wielkości poszczególnych odkształceń cząstkowych w czasie kucia jest, z jednej strony, ograniczony siłą nacisku dostępnych urządzeń kuźniczych oraz odkształcalnością graniczną materiału. Z drugiej strony, korzystne jest zastosowanie dużych odkształceń, co sprzyja eliminacji struktury odlewniczej oraz uzyskaniu lepszych efektów rozdrobnienia 25.

(26) ziarna [1], [6]. Konsekwencją stosowania nieprawidłowych parametrów kucia może być powstawanie pęknięć powierzchniowych i wewnętrznych oraz powiązana z tym zjawiskiem niewłaściwa struktura i wielkość ziarna. W obu przypadkach wiąże się to z powstaniem wybraku i dużymi stratami ze względu na wysoki koszt wytworzenia materiału wsadowego oraz procesów nagrzewania i kucia. Kucie na gorąco stopów Inconel możliwe jest w wąskim zakresie temperatury, który może być podzielony na dwa podzakresy [40], [46]: zakres 1 - poniżej temperatury rozpuszczania fazy δ (940°C-1025°C), zakres 2 - powyżej tej temperatury (1025°C-1150°C) (rys. 1.15).. Rys. 1.15. Temperaturowy zakres kucia stopów Inconel [46].. W zakresie poniżej temperatury rozpuszczania fazy δ wielkość ziarna kontrolowana jest przez unieruchomienie granic ziarn dzięki wydzieleniom. Kucie w tej temperaturze prowadzi zatem do znacznego rozdrobnienia ziarna, w przeciwieństwie do kucia w temperaturze powyżej. rozpuszczania fazy δ, które wywołuje rozrost ziarna.. Wybór zakresu. temperaturowego uzależniony jest więc od wymagań stawianych końcowemu produktowi. W trakcie odkształcania na gorąco, gdy faza δ zostaje rozpuszczona, rozwój mikrostruktury kontrolowany jest tyko przez osnowę niklową (A1). a). b). Rys. 1.16. Rozdrobnienie ziarna stopu Inconel 718: a) z chłodzeniem pomiędzy odkształceniami, b) z ograniczonym chłodzeniem pomiędzy odkształceniami [53].. Każdy z przedstawionych zakresów prowadzi do innego stopnia rozdrobnienia struktury i poziomu jej zrekrystalizowania, jednakże w przypadku kucia swobodnego występuje chłodzenie pomiędzy odkształceniami zarówno dotyczące narzędzi, jak i wsadu. Z reguły 26.

(27) w większości przypadków kucie jest prowadzone z ograniczeniem czasu chłodzenia pomiędzy odkształceniami,. co pozwala. osiągnąć wymagane. rozdrobnienie ziarna. (rys. 1.16) [53]. Ograniczenie chłodzenia pozwala na kontrolę rozwoju mikrostruktury, a zatem determinuje końcową mikrostrukturę, poziom rekrystalizacji, jak również końcowe własności odkuwek. W tym względzie istotnym problemem jest kontrola ułamka zrekrystalizowania mikrostruktury. W przypadku dużych odkuwek, w sytuacji braku możliwości zwiększenia stopnia odkształcenia. Ułamek ten zależy głównie od temperatury odkształcania oraz od prędkości chłodzenia. Im wyższa jest temperatura kucia, tym wyższy staje się ułamek rekrystalizacji (rys. 1.17). Dodatkowo, jeżeli odkuwka jest wygrzewana odpowiednio długo, faza δ może zostać w całości rozpuszczona w osnowie austenitycznej w temperaturze 1020°C. W stopach Inconel występują 3 charakterystyczne fazy międzymetaliczne: γ’, γ” oraz δ. Każda z nich odpowiedzialna jest w różny sposób za umocnienie materiału, ma swój zakres oddziaływania w innych temperaturach, wydziela się w różny sposób [46], [54] oraz, co ma największe znaczenie w kontekście odkształcalności, może mieć inny wpływ na plastyczność w określonych warunkach kształtowania.. Rys 1.17. Zmiana ułamka zrekrystalizowania struktury dla stopu Inconel po odkształceniu względnym równym 20% [46].. 1.2. Struktura wlewka kuźniczego i jej wpływ na proces kucia wyrobów o złożonym cyklu technologicznym Wielokątne wlewki kuźnicze są podstawowym rodzajem elementów wsadowych do procesów kucia stalowych odkuwek wielkogabarytowych. Obecnie panujące trendy oraz wymagania odbiorców zmuszają producentów do wytwarzania tych elementów o masie przekraczającej 600 ton [55]. Specyfika kucia swobodnego w połączeniu z trudnościami związanymi z transportem wlewków o tak dużej masie powoduje, że uzysk kuźniczy waha się 27.

(28) w przedziale 50-70%. Jednym z najnowszych rozwiązań związanych z oszczędnością materiału jest odlewanie wlewków z otworami osiowymi, które przygotowywane są jako wsad do kucia odkuwek dziurowanych [24]. a). b). c). d). Rys. 1.18. Przykłady aktualnych światowych trendów w produkcji kuźniczych wlewków stalowych: a) wlewek o masie 670 ton i b) wykonana z niego odkuwka wału; c) wlewek z otworem i d) wykonana z niego odkuwka wału z otworem centralnym [24], [55].. Nowoczesne technologie stosowane w przemyśle stalowniczym i odlewniczym, wspierane symulacjami komputerowymi, zakładają wytwarzanie wlewków o dużej czystości, gwarantującej wysoką jakość wyrobów finalnych. Istotny jest fakt, iż wady pojawiające się w strukturze wlewka mogą zostać zniwelowane podczas przeróbki plastycznej, jednak istnieje ryzyko, że niektóre z nich mogą spowodować wybrakowanie odkuwki. Aby nie dopuścić do takiej sytuacji niezbędne jest zrozumienie zjawisk zachodzących w strukturze wlewka podczas krzepnięcia oraz poprawne zidentyfikowanie jego wad przed rozpoczęciem procesu kucia [16], [56]–[58]. Wszystkie metale podczas krzepnięcia w normalnych warunkach produkcyjnych otrzymują strukturę polikrystaliczną – składają się z dużej liczby kryształów (ziarn), oddzielonych od siebie warstwą substancji międzykrystalicznej. Wielkość i kształt ziarn zależy głównie od wlewnicy, której temperatura jest znacznie niższa od temperatury ciekłego metalu. Odlana stal najszybciej krzepnie w miejscach zetknięcia z zimnymi ściankami, w wyniku czego na powierzchni wlewka tworzy się cienka warstwa kryształów zamrożonych (rys. 1.19). Po nagrzaniu się ścian wlewnicy proces krzepnięcia przebiega wolniej. Kolejną 28.

(29) powstałą strefą w strukturze wlewka jest strefa kryształów iglastych, tzw. dendrytów. Kierunek ich krystalizacji jest zgodny z kierunkiem odprowadzenia ciepła. Warstwa ta ma znaczną grubość i nazywana jest strefą transkrystalizacyjną (kryształy słupkowe). Powierzchnie zetknięcia się ze sobą tych stref na krawędziach wlewków wielokątnych tworzą miejsca tzw. słabizn, w których najczęściej dochodzi do pęknięć podczas przeróbki plastycznej. Usunięcie słabizn jest głównym zadaniem podczas wstępnego przerobu plastycznego wlewków. Następnie rozpoczyna się krzepnięcie środka wlewka i powstaje trzecia strefa tzw. globulityczna. W strefie tej osi kryształów mają dowolną orientację i noszą nazwę kryształów wolnych (zwanych także równoosiowymi lub glubolitami). Wyraźne granice między wymienionymi warstwami oraz ich wielkość zależna jest od sposobu odlewania wlewka, jego wielkości oraz materiału [1], [16].. Rys. 1.19. Schemat struktury zakrzepłego wlewka kuźniczego: 1 – warstwa kryształów zamrożonych, 2 – warstwa kryształów słupkowych, 3 – strefa przejściowa kryształów różnokierunkowych, 4 – strefa segregacji, 5 – strefa kryształów równoosiowych, segregacja ujemna, 6 – jama usadowa [38].. Podczas typowego krzepnięcia dużych wlewków płynięcie ciekłego metalu połączone z sedymentacją części stałych prowadzi do nierównomierności składu chemicznego. Segregacja składu chemicznego, zwana makrosegregacją, może być problemem dla producentów odkuwek wielkogabarytowych, ponieważ zwykle jest ona zauważalna w strukturze wyrobu. gotowego,. nawet. po intensywnym. przerobie plastycznym.. Makrosegregacja prowadzi do szeregu zjawisk, takich jak np.: segregacja typu A, segregacja górna, segregacja typu V czy segregacja dolna (zwana także odwróconą segregacją stożkową - rys. 1.20). Zjawiska te są obserwowane od wielu lat [6], [16], [37] i nadal są przedmiotem licznych prac badawczych [57]–[59]. Ogólny podział rozróżnia segregację pozytywną (dodatnia) lub negatywną (ujemna). Segregacja pozytywna związana jest z lokalnym wzbogacaniem materiału w pierwiastki stopowe (segregacja typu A, segregacja górna, segregacja typu V) natomiast segregacja negatywna (segregacja dolna) prowadzi do obniżenia stężenia pierwiastków stopowych w niektórych obszarach wlewka. 29.

(30) Niejednorodność struktury związana ze zjawiskiem makrosegregacji stanowi poważny problem w momencie, gdy lokalny skład chemiczny znacząco odbiega od specyfikacji danego stopu. Znaczne odległości pomiędzy poszczególnymi strefami praktycznie uniemożliwiają zniwelowanie tego problemu zabiegami termicznymi wywołującymi zjawisko dyfuzji pierwiastków. Wzbogacone obszary, oprócz podwyższonego stężenia pierwiastków stopowych, charakteryzują się również wyższym stężeniem węgla, co prowadzi do powstawania twardej, a zarazem kruchej struktury [1], [59]. a). b). Rys. 1.20. Rozmieszczenie różnych typów segregacji we wlewku kuźniczym: a) schemat wlewka, b) przekrój wlewka [59].. Kolejnym istotnym czynnikiem wpływającym na jakość wlewka jest zawartość tlenu, który dostaje się do ciekłej stali w trakcie procesów stalowniczych i w konsekwencji powoduje kruchość podczas przeróbki plastycznej na gorąco. Odtlenienie stali wiąże się najczęściej z dodaniem do niej krzemu (w postaci żelazokrzemu), manganu (w postaci żelazomanganu) oraz aluminium, co ma na celu zmniejszenie ilości tlenków żelaza (FeO), które podczas krzepnięcia powodują powstawanie pęcherzy gazowych (CO) [60]. 𝐹𝑒𝑂 + 𝐶 = 𝐶𝑂 + 𝐹𝑒. (1.1). Powyższe zjawisko decyduje o stopniu uspokojenia stali. Stal uspokojona (rys. 1.21a) krzepnie bez wydzielania dużej ilości pęcherzy gazowych, ponieważ tlen zostaje związany przez krzem lub aluminium w postaci tlenków, które przechodzą do żużla lub pozostają w stali jako wtrącenia niemetaliczne. Cechą charakterystyczną tego rodzaju krzepnięcia jest jama usadowa tworząca się w górnej części wlewka oraz mała ilość zanieczyszczeń (siarki i fosforu). 30.

(31) W stali półuspokojonej (rys. 1.21b) tworzą się pęcherze, które są równomiernie rozmieszczone w całej objętości wlewka. Dodatkowo powstaje również jama usadowa, która jest znacznie mniejsza niż w przypadku stali uspokojonej. a). b). c). Rys. 1.21. Schematyczne przedstawienie przekroju wlewka ze stali: a) uspokojonej, b) półuspokojonej, c) nieuspokojonej [60].. Stal nieuspokojona (rys. 1.21c) jest odtleniona tylko w niewielkim stopniu przy pomocy manganu. Liczne, rozmieszczone w całej objętości wlewka pęcherze kompensują skurcz stali podczas krzepnięcia. Zaletą tego typu stali jest duży uzysk materiału, gdyż nie ma konieczności odcinania górnej części wlewka opanowanej przez jamę usadową. Powstałe pęcherze mogą ulec zgrzaniu podczas przeróbki plastycznej pod warunkiem, że nie uległy utlenieniu w trakcie nagrzewania przed kuciem. Tego typu stal charakteryzuje się dużą ilością zanieczyszczeń, przez co stosowana jest głównie na wyroby o niezbyt wysokich wymaganiach odbiorczych [60]. Powyższe zjawiska stwarzają konieczność do usuwania określonych części wlewka przed lub w trakcie procesu kucia. Odcięcie stopy wlewka (miejsce dolnej segregacji) odbywa się zazwyczaj na początku cyklu technologicznego, natomiast górna część wlewka (obszar występowania jamy usadowej) przekuwana jest na uchwyt pod manipulator i usuwana po zakończeniu kształtowania wyrobu [6], [16]. Oprócz. makrosegregacji. powszechnie. spotykanym. zjawiskiem. występującym. w strukturze stalowego wlewka kuźniczego jest mikrosegregacja, związana z podziałem pierwiastków stopowych w obszarze pojedynczych dendrytów. W prawie każdym procesie odlewania można zauważyć, że stopy metali krzepnąc uzyskują strukturę dendrytyczną. Analizując zjawiska zachodzące wewnątrz wlewka można wyodrębnić w nim ciało stałe (część zakrzepnięta), ciecz oraz strefę przejściową (rys. 1.22), z uwzględnieniem faktu, że większość pierwiastków stopowych wzbogaca ciecz, tym samym zubożając ciało stałe. Tak więc, należy pamiętać, że w czasie krzepnięcia, gdy mamy do 31.

(32) czynienia jednocześnie z ciałem stałym i cieczą, to ciecz jest wzbogacona pierwiastkami stopowymi w stosunku do stężenia analizowanego stopu, kosztem ciała stałego.. Rys. 1.22. Schemat powstawania mikrosegregacji w strukturze wlewka [59].. Jeżeli takie zjawisko będzie przebiegało bez zaburzeń do całkowitego zakrzepnięcia wlewka, to wówczas w jego strukturze nie zaobserwujemy zjawisk związanych z makrosegregacją. Jednakże w praktyce przemysłowej w przypadku dużych wlewków w większości przypadków zachodzi zarówno mikro-, jak i makrosegregacja. Podczas krzepnięcia dochodzi do przemieszczania się części stałych w cieczy poprzez dwa podstawowe mechanizmy. Pierwszy z nich zakłada, że fragmenty dendrytów mogą się oddzielić w wyniku działania prądów konwekcyjnych wywołanych różnicą temperatury oraz ciśnienia materiału we wlewnicy i z powodu swojej gęstości (większej od gęstości cieczy) opaść na dno wlewka (rys. 1.23). Prowadzi to do segregacji ujemnej, która ostatecznie przyjmuje kształt stożka. Opadające części dendrytów są uboższe w pierwiastki stopowe w stosunku do ich całkowitego stężenia w rozważanym stopie [59]. a). b). Rys. 1.23. Mechanizm powstawania segregacji ujemnej: a) odpadanie fragmentów dendrytów spowodowane ruchem cieczy, b) osiadanie fragmentów dendrytów w dolnej części wlewka [59].. 32.

(33) Drugi. z. podstawowych. mechanizmów. prowadzi. do. powstawania. segregacji. typu A. Wzbogacona w pierwiastki stopowe ciecz znajdująca się w strefie przejściowej nosi nazwę substancji międzydendrytycznej i charakteryzuje się mniejszą gęstością niż ciecz w dalszych obszarach wlewka (rys. 1.24a), czego powodem jest podwyższone stężenie takich pierwiastków jak węgiel i krzem [59], [61]. Różnica gęstości powoduje, że płyn międzydendrytyczny ma tendencję do przemieszczania się w górę wlewka w trakcie krzepnięcia. a). b). Rys. 1.24. Mechanizm powstawania segregacji typu A: a) kierunki ruchu cieczy, b) tworzenie kanałów [59].. Przemieszczanie się wzbogaconej w pierwiastki stopowe cieczy powoduje naruszenie struktury zakrzepniętej części wlewka (rys. 1.24b), w wyniku czego powstają trwałe kanały, które na przekroju wlewka kształtem przypominają literę A (stąd nazwa: segregacja typu A) [59]. Przepływ substancji międzydendrytycznej jest relatywnie szybki. W czasie krzepnięcia wzbogacona ciecz jest ciągle dostarczana do górnej części wlewka (rys. 1.25), co finalnie prowadzi do powstawania segregacji dodatniej.. Rys. 1.25. Schemat ruchu cieczy we wlewku podczas krzepnięcia [59].. 33.

(34) Osobny, mniej znany i znacznie mniej szczegółowo opracowany mechanizm opisuje powstawanie segregacji typu V. Ten typ segregacji jest rzadziej opisywany w literaturze w porównaniu z segregacjami wspomnianymi powyżej. Uważa się, że w ostatnim etapie krzepnięcia wlewka, w jego części środkowej występuje luźna sieć ziaren równoosiowych. Założeniem mechanizmu powstawania segregacji typu V jest fakt, iż okresowo ziarna te się zapadają i wzbogacona substancja międzydendrytyczna, przemieszczająca się w górę wlewka, wypełnia utworzone w ten sposób szczeliny. Liczne,. niezwykle. wielkogabarytowych. skomplikowane. podczas. krzepnięcia. zjawiska powodują,. zachodzące że. otrzymana. we. wlewkach. struktura. jest. niejednorodna. Celem przeróbki plastycznej, a w szczególności pierwszych operacji linii technologicznej, jest możliwie jak największa ingerencja w budowę wlewka, powodująca przebudowę struktury pierwotnej i poprawę własności wyrobu [5], [16]. 1.3. Charakterystyka wad wlewka i możliwości ich anihilacji podczas kucia 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. 34.

(35) Tabela 1.2. Charakterystyka głównych wad wlewka kuźniczego [16], [62].. Wada Jama usadowa. Wtórna jama usadowa Pęcherze. Łuski i rozpryski. Niespawy. Segregacja. Wtrącenia niemetaliczne. Pęknięcia. Charakterystyka 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. W przeciwieństwie do jamy usadowej występuje w części korpusu wlewka, głównie w przypadku elementów o dużej smukłości. 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. 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. 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. 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. 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. 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.. 35.

(36) 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.. 36.