ESR i VAR: przetapiane stale czyste do wysokiej klasy matryc i elementów krytycznych

Po co w ogóle przetapiać

Konwencjonalne topienie i odlewanie wlewków pozostawiają w stali dwa dziedzictwa: wtrącenia (tlenki i siarczki z odtleniania i rafinacji) oraz segregację (nierównomierność chemiczną podczas krzepnięcia wlewka). To wtrącenia są miejscem, w którym zaczynają się pęknięcia zmęczeniowe, powodem, dla którego ciągliwość różni się między kierunkiem wzdłużnym a poprzecznym, oraz tym, co pojawia się jako wżer lub smuga, gdy wnęka formy jest polerowana na lustro. Przetapianie jest odpowiedzią przemysłu, gdy zwykła czystość nie wystarcza.

ESR — przetapianie elektrożużlowe

Odlewana lub kuta elektroda ze stali pierwotnej jest przetapiana, kropla po kropli, przez kąpiel stopionego żużla reaktywnego do chłodzonej wodą formy miedzianej. Żużel wykonuje pracę rafinacyjną: pochłania wtrącenia i usuwa siarkę, gdy metal przez niego przechodzi. Kierunkowe krzepnięcie w formie daje gęsty, jednorodny wlewek o znacznie mniejszej segregacji niż oryginał.

Praktycznymi zyskami są czystość, jednorodność i ciągliwość poprzeczna — właściwości wystarczająco jednorodne dla dużych bloków matrycowych, z polerowalnością, której zwykła stal narzędziowa topiona w powietrzu nie może dorównać. ESR jest podstawową metodą przetapiania dla wysokiej klasy stali narzędziowych i matrycowych (H13 jakości ESR jest ustalonym wyborem dla wymagających matryc do odlewania ciśnieniowego), stali łożyskowych i dużych półfabrykatów kuźniczych.

VAR — przetapianie łukowe w próżni

W VAR elektroda jest przetapiana łukiem elektrycznym wewnątrz komory próżniowej. Bez żużla i bez powietrza próżnia wyciąga wodór i lotne pierwiastki śladowe, a nic nowego nie może się utlenić do metalu. Krzepnięcie jest ściśle kontrolowane, co daje bardzo niską zawartość wtrąceń oraz zdrowy, jednorodny wlewek.

VAR jest standardową drogą dla najbardziej krytycznych stali obrotowych i lotniczych i często łączy się go z innymi etapami próżniowymi — topieniem indukcyjnym w próżni plus VAR („podwójne topienie”), a dla najbardziej wymagających stopów z trzecim przetapianiem („potrójne topienie”).

Co przetapianie daje — a czego nie daje

• Obniża liczbę i rozmiary wtrąceń (widoczne jako lepsze oceny według ASTM E45 lub ISO 4967), poprawia zachowanie zmęczeniowe i izotropię oraz podnosi pułap polerowania stali matrycowych.
• Nie zmienia gatunku: skład chemiczny jest ustalany przez wytop pierwotny. ESR lub VAR to droga jakości dodana do gatunku, a nie sam gatunek — dlatego drogę przetapiania należy podać w zamówieniu i powinna ona występować w dokumentacji materiałowej, a nie być zakładana na podstawie nazwy gatunku.
• Kosztuje: dodatkowe topienie, mniejsze efektywne uzyski i dłuższe czasy realizacji sprawiają, że przetapiany materiał jest wyraźnie droższy niż odpowiedniki topione w powietrzu. Dokładne premie różnią się zbyt mocno w zależności od gatunku i rynku, by podać uniwersalną liczbę.

Gdzie nabywcy za to płacą

• Matryce do odlewania ciśnieniowego pod wysokim ciśnieniem, gdzie trwałość na zmęczenie cieplne zależy od czystości — logika stojąca za wymaganiami NADCA dotyczącymi wysokiej jakości H13.
• Formy optyczne i do tworzyw sztucznych o wysokim połysku, gdzie pojedyncze wtrącenie może zezłomować polerowaną wnękę.
• Łożyska, koła zębate i elementy obrotowe dla lotnictwa, gdzie trwałość zmęczeniowa ma krytyczne znaczenie dla certyfikacji.
• Duże bloki matrycowe wysokiej klasy, gdzie jednorodność na całej grubości przekroju jest całym problemem.

W zwykłych zastosowaniach konstrukcyjnych lub maszynowych premia nie kupuje nic mierzalnego. Przetapianie zarabia na swoją cenę dokładnie tam, gdzie o uszkodzeniu decyduje najgorsze wtrącenie w elemencie — a nabywca powinien umieć nazwać ten tryb uszkodzenia przed zapłaceniem.