Przeróbka plastyczna jest to proces technologiczny, podczas którego działając odpowiednio dużą siłą zewnętrzną na obrabiany materiał uzyskujemy jego żądane ukształtowanie dzięki odkształceniom trwałym.

Istotą przeróbki plastycznej jest nadanie kształtu i wymiarów wyrobom przez ich odkształcenie w stanie stałym. Przy przeróbce zmienia się struktura oraz własności metalu.

Pod pojęciem przeróbki plastycznej określamy takie procesy jak:

1. Walcowanie - polega na odkształceniu metalu pomiędzy walcami, obracającymi się bądź w tym samym kierunku (walcowanie poprzeczne i skośne) bądź w przeciwnym kierunku (walcowanie podłużne). W walcowaniu podłużnym metal wciągany jest w szczelinę pomiędzy walcami przez co zmniejsza swą wysokość i znacznie zwiększa długość;

2. Kucie - polega na ściskaniu metalu pomiędzy kowadłem górnym, zamocowanym do bijaka a kowadłem dolnym lub pomiędzy odpowiednio ukształtowanymi narzędziami, zwanymi matrycami. Kucie odbywa się pod młotami – działanie dynamiczne lub w prasach – działanie statyczne. Pod działaniem siły uderzeń bijaka metal wydłuża się w kierunku prostopadłym do kierunku siły uderzenia – kucie swobodne. Przy kuciu w matrycach metal przybiera kształt i wymiary wykroju matryce.

Zarówno przy kuciu swobodnym jak i matrycowym dolne narzędzie (kowadło, dolna matryca) jest zazwyczaj nieruchoma, zaś górna (bijak, kowadło górne, górna matryca) są ruchome;

3. Ciągnienie - polega na przeciąganiu metalu przez narzędzie z odpowiednio ukształtowanym otworem, zwane ciągadłem. Przyłożona siła powoduje odkształcenie pręta, rury lub drutu (zmniejszenie przekroju i wydłużenie).

Ciągnieniu na zimno poddaje się przede wszystkim wyroby walcowane uprzednio na gorąco;

4. Wyciskanie - jest procesem stosowanym do wyrobu prętów i kształtowników z metali nieżelaznych i stali oraz stopów specjalnych. Polega ono na wywieraniu nacisku na metal umieszczony w pojemniku, w którego dnie znajduje się matryca z odpowiednio ukształtowanym otworem.

Na gorąco wyciska się pręty, rury i kształtowniki, na zimno różne wyroby gotowe i części maszyn;

5. Tłoczenie - polega na powstawaniu elementów trójwymiarowych (np. naczyń) z materiału płaskiego (np. blacha).

Wsad do przeróbki plastycznej

Wydziały przeróbki plastycznej (walcownie, kuźni, prasownie, ciągarnie) związane są ściśle ze sobą przebiegiem procesu technologicznego, od którego zależy produkcja wyrobów końcowych i półwyrobów.

Czynnikiem wiążącym poszczególne wydziały produkcyjne jest wsad. W układzie produkcyjnym huty wsadem pierwotnym jest wlewek, który po przewalcowaniu w walcowni staje się wyrobem gotowym, a jednocześnie wsadem dla innych kolejnych w cyklu technologicznym wydziałów przetwórczych.

Stal odlewa się do form żeliwnych (niekiedy staliwnych) zwanych wlewnicami. Po zastygnięciu i zdjęciu wlewnic otrzymuje się, tzw. wlewki o różnym kształcie przekroju poprzecznego: okrągłe, kwadratowe, płaskie i wielokątne. W walcowniach bruzdowych walcuje się przede wszystkim wlewki o przekroju kwadratowym. Wlewki do walcowania i kucia są różnej wielkości od 100 kg do 200 ton – masa wlewka zależy od przeznaczenia, typu walcowni czy kuźni.

Masa wlewków, walcowanych zazwyczaj w zgniataczach, wynosi 2 – 20 ton. Budowa wewnętrzna skrzepłego wlewka i jego skład chemiczny nie są jednorodne, co nazywa się segregacją. Po skrzepnięciu pozostaje w górnej części wlewka, tzw. jama usadowa – skurczowa, w której gromadzi się znaczna ilość zanieczyszczeń. Niekiedy jednak jama skurczowa ma znaczną długość (sięga głębiej do środka wlewka) i pogarsza jakość wlewka. Po przewalcowaniu górną część wlewka odcina się jako odpad, który jest tym większy im jama usadowa jest większa.

Wlewki mogą mieć różne wady powierzchniowe i wewnętrzne. Do powierzchniowych wad wlewków należą łuski, wtrącenia niemetaliczne, pęknięcia podłużne i poprzeczne oraz dziury, pęcherze. Do wad wewnętrznych zalicza się pozostałości jamy usadowej, porowatość, pęcherze podskórne i segregację. Najbardziej niebezpieczne są pęcherze podskórne, które powodują pęknięcia i rysy na wyrobach walcowanych oraz mogą być przyczyną wybraków podczas obróbki cieplnej (stali stopowych).

Wsadem pierwotnym jest wlewek, z którego po pierwszym etapie przerobu – walcowaniu wstępnym – otrzymuje się kęsisko lub nawet kęs. W drugim etapie kęsiska i kęsy przerabia się plastycznie na wyroby – kształtowniki, pręty, blachę, rury, w trzecim etapie otrzymuje się wyroby o małym przekroju poprzecznym (blachy i taśmy cienkie, rury), zaś w czwartym etapie wyroby uszlachetnione, jak: pręty, druty i rury ciągnione, blachy powlekane metalami lub plastikami, elektrody i wiertła.

Otrzymanie dobrego wyrobu w wyniku przeróbki plastycznej zależą od czystości powierzchni wsadu na pierwszych etapach przerobu. Należy więc usunąć wady powierzchniowe na wlewkach, kęsiskach i kęsach. Sposób czyszczenia wsadu zależy od gatunku stali czy metali nieżelaznych i od wymagań stawianych wyrobom i od sposobu grzania.

Wady powierzchniowe z wlewków i półwyrobów usuwa się przez:

· skórowanie, toczenie, struganie;

· wycinanie dłutami pneumatycznymi;

· szlifowanie;

· płukanie ogniowe (stopienie warstwy powierzchniowej z wadami).

Nagrzewanie wsadu do przeróbki plastycznej

Podstawową operacją poprzedzającą przeróbkę plastyczną na gorąco jest nagrzewanie wsadu. Czynnikami wpływającymi na stan przeróbki plastycznej i jakość wsadu są:

· temperatura ładowania wsadu do pieca;

· temperatura nagrzania;

· czas nagrzewania;

· atmosfera pieca.

Temperatura załadowania wsadu do pieca

Do pieca może być ładowany wsad gorący lub zimny. Wlewki po wyjęciu z wlewnic ładuje się do pieców walcowni zgniataczy; temperatura wlewków w chwili ładowania wynosi 700¸ 900°C. Często takie gorące półwyroby, otrzymane po jednej operacji przeróbki plastycznej na gorąco, ładuje się do pieców w celu ich dogrzania przed następną operacją. Celem dogrzewania gorącego wsadu – oprócz podwyższenia temperatury – może być wyrównanie temperatury w całej objętości wsadu.

Temperatura pieca w miejscu lub chwili ładowania zimnego wsadu, podobnie jak i prędkość nagrzewania zależy od jego składu chemicznego. Np. temperatura pieca przy ładowaniu wsadu zimnego ze stali węglowych może wynosić nawet 1300°C. Gdy jednak stal zawiera dużo węgla, wtedy temperatura pieca nie powinna przekraczać 600°C. Niekiedy stale, np. narzędziowe ładuje się do pieców o temperaturze mniejszej lub równej 350°C.

Od wysokości temperatury, do której nagrzewa się metal przed obróbką plastyczną, zależy jego plastyczność, tzn. zdolność do odkształcenia pod działaniem sił zewnętrznych, np. stal nagrzana do 1200°C jest 4 razy bardziej plastyczna niż nagrzana do 1000°C. Od temperatury nagrzania zależy również zużycie energii potrzebnej do walcowania oraz jakość gotowego wyrobu.

Niejednorodne nagrzanie może spowodować skrzywienie metalu podczas walcowania, uszkodzenie urządzeń, a niekiedy i złamanie walców.

We wszystkich piecach, z wyjątkiem indukcyjnych, ciepła przenika od powierzchni w głąb metalu. Temperatura warstw powierzchniowych podwyższa się szybciej, aniżeli warstw wewnętrznych, co powoduje występowanie różnic w rozszerzalności cieplnej i prowadzi do powstania naprężeń wewnętrznych. Im mniejsze jest przewodnictwo cieplne metalu i im mniejsza jest jego zdolność do odkształceń plastycznych, tym ostrożniej i dłużej trzeba go nagrzewać. Np. niektóre stale stopowe należy nagrzewać wolniej od stali węglowych, zaś aluminium – wolniej od miedzi.

Na ogół plastyczność metali zwiększa się z podwyższeniem temperatury. W pewnych jednak zakresach podwyższonych temperatur niektóre metale wykazują zmniejszenie plastyczności; nagrzewanie w zakresie temperatur zmniejszonej plastyczności (lub też twardości na gorąco) powinno być bardzo ostrożna. Nie dotyczy to nagrzewania indukcyjnego.

Powierzchnia metalu nagrzewanego łatwo ulega utlenieniu, tj. pokrywa się warstwą tlenków metalu zwaną zgorzeliną. Składnikami utleniającymi w atmosferze pieca są tlen O₂, para wodna H₂O i dwutlenek węgla CO₂.

Zgorzelina składa się, w uproszczeniu, z trzech warstw tlenków żelaza Fe₂O₃, Fe₃O₄ i FeO. Powstawanie zgorzeliny jest zjawiskiem niepożądanym gdyż metal utleniony stanowi stratę, odpadająca warstwa zgorzeliny może spowodować powstanie wad powierzchniowych (np. przez odsłonięcie podskórnych pęcherzy), wskutek nacisku narzędzia zgorzelina może zostać wciśnięta w metal, co spowoduje pogorszenie jakości powierzchni wyrobów.

Grubość warstwy zgorzeliny zależy od rodzaju i sposobu prowadzenia pieca oraz od rodzaju nagrzewanego wsadu. Skutkiem nagrzewania wsadu w atmosferze spalającego się paliwa jest zgar, który wynosi średnio dla wlewków stalowych ok. 3%, kęsisk i kęsów stalowych 2¸ 2,5%, miedzi ok. 0,5%, mosiądzu 0,25%.

W większości pieców grzewczych wsad nagrzewa się w przestrzeni wypełnionej gorącymi spalinami. W praktyce nie można tak dokładnie dobrać ilości powietrza i gazu, aby podczas spalania otrzymać atmosferę obojętną. Atmosfera jest albo utleniająca, albo redukująca, tzn. zawierająca znaczne ilości CO i H₂; zapobiega to utlenianiu, lecz powoduje stratę energetyczną.

Dąży się do nagrzewania metalu w atmosferze lekko redukującej, zbliżonej do obojętnej.

Czas nagrzewania ustala się na ogół na podstawie danych praktycznych. Można obliczyć czas z równania:

t=C*B,

gdzie:
t – czas nagrzewania wsadu zimnego w godz.

B – średnica lub krawędź wlewka (kęsiska) w cm

C – współczynnik, zależny od składu chemicznego stali

dla stali węglowych C = 0,1-0,15

dla stali stopowych konstrukcyjnych C = 0,15-0,2,

dla stali wysokostopowych konstrukcyjnych, specjalnych C = 0,2-0,3

dla stali narzędziowych wysokostopowych C = 0,3-0,4.

Niedogrzanie wsadu może być spowodowane nieodpowiednim paliwem, niewłaściwą budową pieca lub nieodpowiednim prowadzeniem nagrzewania.

Kęsisko może być na powierzchni dobrze nagrzane a w środku chłodniejsze, wskutek czego walce mogą ulec złamaniu. Przegrzany lub przepalony metal może podczas walcowania pękać poprzecznie, a niekiedy rozsypuje się w walcach, dając wybrak.

Temperatura początku walcowania zwykłej stali miękkiej wynosi 1200-1250°C, natomiast stali o większej zawartości węgla oraz stali stopowych ok. 1120°C.