Schmieden

Abhängig von der Umformtemperatur unterscheidet man:

• Warmumformung beim Schmieden von Stahl:
  • Arbeitstemperatur liegt oberhalb der Rekristallisationstemperatur, zwischen 950 und 1250 °C
  • Große Umformbarkeit der Werkstoffe
  • Geringe Umformkräfte
  • Keine Änderung der Festigkeit am umgeformten Werkstück

• Halbwarmumformung beim Schmieden von Stahl:
  • Arbeitstemperatur liegt für Stahl bei 750–950 °C
  • Kein bzw. geringes Verzundern an der Oberfläche
  • Geringere Umformkräfte als beim Kaltumformen
  • Engere Maßtoleranzen als beim Warmumformen
  • Eingeschränkte Umformbarkeit bzw. höhere Kräfte erforderlich

• Kaltumformung (Kaltumformung ist im engeren Sinn kein Schmieden) von Stahl:
  • Arbeitstemperatur liegt bei Raumtemperatur, eigene Erwärmung auf bis zu 150 °C durch die Umformenergie
  • Enge Maßtoleranzen sind erreichbar
  • Keine Verzunderung der Oberfläche
  • Erhöhung der Festigkeit und Verringerung der Dehnung durch Kaltverfestigung

• Thixoschmieden:
  • Arbeitstemperatur liegt zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der jeweiligen Stahllegierung und damit deutlich über der Warmschmiedetemperatur
  • Umformbarkeit ähnlich dem Gießen
  • Geringe Umformkräfte

Beim Warmschmieden wird das zu schmiedende Halbzeug in einem Ofen auf Temperaturen zwischen 950 °C und 1250 °C erwärmt und anschließend durch Druck eines Hammerschlags oder den Druck zwischen zwei Gesenkhälften geschmiedet (auch: umgeformt). Im Gegensatz zum Prägen wird dabei der gesamte Werkstoffquerschnitt plastifiziert. Bei den hohen Schmiedetemperaturen geht Stahl in eine andere Kristallstruktur über und wird weicher. Durch die Umformung verändern sich das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs wesentlich.

Für industrielle Verfahren werden die Metalle Stahl, Eisen und deren Legierungen grundsätzlich warm geschmiedet, wobei jedes Metall eine andere Umformtemperatur erfordert. Messing, Bronze, Kupfer, Edelmetalle und deren Legierungen werden dagegen in der Regel kalt umgeformt.

Die Methode des Umformens durch Walzen ist aus dem Schmieden entstanden. Nahtlos gewalzte Ringe sind typische Produkte der Massivumformung. Das Ringwalzen ermöglicht nahtlose Ringe mit quadratischen und rechteckigen Querschnitten sowie innen und/oder außen profilierte Ringe. Der größte lieferbare Durchmesser lag 2010 bei 8,0 Meter.

• Warmumformung beim Schmieden von Aluminium:
  • Umformtemperaturen von Aluminiumknetlegierungen liegen zwischen 350 und 550 °C
  • Umformtemperaturen oberhalb von 550 °C liegen zu nahe an der Solidustemperatur der Legierungen und führen in Verbindung mit lokal unterschiedlichen Umformgraden zu einer ungünstigen Werkstückoberflächentopographie, sowie möglicherweise zu einer lokalen Anschmelzung und Faltenbildung[5]
  • Umformtemperaturen unter 350 °C reduzieren die Umformbarkeit des Werkstoffs durch Erhöhung der Fließspannung und können zu nicht vollständig ausgeformten Werkzeuggravuren, einer möglichen Rissbildung auf der Werkstückoberfläche sowie einem Anstieg der Umformkraft und damit der Gesenkbelastung führen

Durch die geringe Temperaturspanne bei der Umformung bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium lässt sich Aluminiumschmieden nur in einem eng begrenzten Prozessfenster realisieren. Die Werkzeugtemperierung ist daher beim Aluminiumschmieden von großer Bedeutung. Um gute Umformbedingungen zu gewährleisten, ist es notwendig, auf eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Gesamtbauteil zu achten. Etwa durch Optimierung der Vorformgeometrien lassen sich die lokalen Umformgrade gezielt beeinflussen, somit die lokalen Aufheizungen reduzieren und schließlich die Temperaturverteilung homogener gestalten.[6]

Hochfeste Aluminiumlegierungen erreichen die Festigkeiten mittlerer Stähle bei deutlichen Gewichtsvorteilen. Daher werden Aluminiumschmiedeteile in der Luftfahrt, im Fahrzeugbau und in vielen anderen Gebieten des Maschinenbaus vor allem in solchen Anwendungsfällen verwendet, bei denen ein Höchstmaß an Sicherheit gegen Versagen durch Missbrauch, durch Stoßbelastung und durch schwingende Beanspruchung gewährleistet sein muss. Im Automobilsektor zählen hierzu etwa Fahrwerks-, Lenkungs- und Bremsteile. Häufig verwendete Legierungen sind AlSi1MgMn (EN AW-6082) und AlZnMgCu1,5 (EN AW-7075). Aus der Legierung AlSi1MgMn werden etwa 80 % aller Aluminiumschmiedeteile gefertigt. Die hochfeste Legierung AlZnMgCu1,5 (EN AW-7075) kommt vornehmlich in der Luftfahrt zum Einsatz.[7]

Esse mit Kohlenbefeuerung:

Die Esse mit Kohlenfeuer wird seit Jahrhunderten mit einer Mischung von Steinkohle und Koks oder mit Holzkohle befeuert. In der Steinkohle ist viel Schwefel enthalten, welcher während des Erwärmungsvorgangs in den Stahl eindringt und die Qualität des Stahls mindert. Deswegen wird Koks hinzugegeben, er enthält fast keinen Schwefel. Holzkohle ist schwefelfrei, dafür aber leichter und verbrennt viel schneller.

Gas-Esse:

Eine Gas-Esse entwickelt kaum Abgase, außer Kohlendioxid und Wasser, daher entsteht keine Verunreinigungen (z. B. durch Schwefel).

Amboss:

Ambosse werden entweder gegossen oder geschmiedet und meistens ist die Ambossbahn (der mittlere Teil) gehärtet. Es gibt viele verschiedene Arten von Ambossen, welche jeweils auf die Arbeiten (z. B. Hufeisen, Werkzeug oder Kunstschmieden etc.), die auf dem Amboss ausgeführt werden, abgestimmt sind. Die Größe des Ambosses wird ebenfalls auf die Verwendungsart abgestimmt. Wenn das Ambossgewicht falsch ausgelegt wird, kann der Amboss zu federn oder zu schwingen beginnen, was sich ungünstig auf den Schmiedevorgang auswirkt.

Schraubstock:

Die meisten Schraubstöcke in den Schmiedewerkstätten sind Flaschenschraubstöcke. Die Führung der beweglichen Backen wird durch einen fixen Drehpunkt verbunden. Somit stehen die Backen im offenen Zustand nicht parallel zueinander. Das wirkt sich negativ aus, weil das Werkstück nicht über der ganzen Backenfläche gespannt werden kann. Die Backen sind jedoch geschmiedet oder aus Stahlguss, was sie um ein Vielfaches robuster und somit für Schläge unempfindlicher macht. Sie sind zusätzlich mit Rundungen und Kanten versehen, um Biegearbeiten zu erleichtern.

Hämmer:

Zum Schmieden werden je nach Situation verschiedene Hämmer verwendet.

Hilfshämmer sind Spalthämmer, Lochhämmer oder Aufdornhämmer. Sie werden verwendet, um Löcher ins Werkstück zu schmieden oder es zu spalten. Ein Spalthammer hat eine gerundete Schneide, wodurch eine bessere Geradführung gewährleistet wird als mit gerader Schneide. Aufdornhämmer werden verwendet, um ein Loch in eine Ellipsen-, Rechteck-, Flach- oder Kreisform zu schlagen.

Die Zuschlaghämmer werden von einem zweiten Schmied geführt und wiegen zwischen 5 und 15 Kilogramm. Sie werden in zwei Hauptarten Kreuzzuschlaghämmer und Vorschlaghämmer eingeteilt. Kreuzzuschlaghämmer haben ihre Finne in die Richtung des Hammerstieles. Vorschlaghämmer haben die Finne quer zum Hammerstiel.

Zangen:

Die Zangen sind meist selbstgeschmiedet; für jede Arbeit gibt es die passende oder passend gemachte Zange. Der Bereich der Zange, der das Werkstück hält, heißt Maul, der Drehpunkt heißt Auge und die Griffe heißen Schenkel. Das Verhältnis von Maul zu Schenkel wird in etwa 1:6 gefertigt, damit die Klemmkraft gewährleistet ist.[8]

Freiformschmieden unter einem Dampfhammer

Kunstschmiede verwenden das Freiformschmieden vor allem bei der Restaurierung, in der Denkmalpflege und bei der Gestaltung von Einzelstücken wie Vordächern, Gittern, Toren, Geländern, Brunnen usw. oder auch Leuchten, Garderoben, Kerzenständern.

Folgende Schmiedeverfahren werden beim Freiformschmieden am Amboss angewandt:

• Fügen:
  • Schweißen
  • Aufschrumpfen

• Trennen:
  • Abschroten (Abtrennen des warmen und auch kalten Materials – hist. meist Eisen – vom Schmiedestück mittels Meißel bzw. Kalt- oder Warmschrot)
  • Spalten
  • Lochen

Gesenkschmiede

• Umformen:
  • Spitzen (Bezeichnet das Ausschmieden von runden oder auch quadratischen Stäben zu einer ebensolchen feinen Spitze. Als Beispiele zur Historie gelten geschmiedete Pfeilspitzen, Kettenrüstungen oder auch bis zur Gegenwart handgeschmiedetes Blattwerk in Ziergittern u.v.m.)
  • Breiten
  • Absetzen
  • Stauchen
  • Strecken
  • antiklastisches Schmieden (vor allem für Schmuckstücke)
  • Schlichten
  • Biegen
  • Tordieren

• weitere Verfahren sind:
  • Treiben
  • Dengeln
  • Falten

Sowohl der Kunstschmied als auch der Hufschmied erwärmen ihre Schmiedestücke im Schmiedefeuer. Das Werkstück nimmt Wärme auf, man sagt, es hat Hitze. Reicht „eine Hitze“ nicht aus, bekommt es eine „zweite Hitze“.

Während in Großbritannien das koksbeheizte Feuer üblich ist, benutzt man in Kontinentaleuropa nahezu ausschließlich das mit einer speziellen Fettkohle (genannt „Fettnuss“) beschickte Kohlefeuer und neuerdings auch gasbetriebene, gelegentlich auch mit Keramik-Chips oder Vulkangestein gefüllte Feuer. Allerdings sind die Vorkommen für gute Schmiedekohle weltweit erschöpft bzw. unrentabel für den gewohnten großindustriellen Abbau; die heute meist erhältliche Kohle hat einen viel zu hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen (bis über 30 %).

Beim Freiformschmieden wird das Schmiedestück zwischen nicht formgebundenen Werkzeugen, den Sätteln, durch eine Presse oder einen Hammer (Lufthammer) umgeformt. Dabei kann der Werkstoff in die nicht von den Werkzeugen umschlossenen Bereiche ausweichen.

Besonders sehr große Einzelstücke werden mittels industriellen Freiformschmiedens bearbeitet; beispielsweise Kurbelwellen von Schiffsdieseln oder Generatorläufer für Turboantriebe. Stückgewichte von bis zu 250 t sind dabei möglich. Große Schmiedestück-Hersteller in Deutschland sind beispielsweise Buderus-Edelstahl, die Schmiedewerke Gröditz und die Saarschmiede. Die letztgenannte ist Europas größte Schmiede.

Das Erwärmen der großen Schmiedestücke erfolgt ebenso wie das temperaturgesteuerte Abkühlen in brennstoffbeheizten Kammer- oder Herdwagenöfen.

Zur Bewegung des Werkstücks dienen entsprechend große Greifer, sogenannte Schmiedemanipulatoren.

Darstellung des Gesenkschmiedens

Das Gesenkschmieden unterscheidet sich vom Freiformschmieden darin, dass das Schmiedestück nahezu völlig vom geschlossenen Werkzeug, dem Gesenk umschlossen wird. Die in das Gesenk vom Formenbauer eingebrachte Negativform bestimmt die Form des fertigen Schmiedestücks. Durch Gesenkschmieden werden vor allem sicherheitsrelevante Teile wie kleinere Kurbelwellen, Pleuel, Zahnräder oder Spurstangenköpfe, Lenkungsteile, Getriebeteile und Verschleißteile für Baumaschinen hergestellt. Der Werkstoff erhält durch das Schmieden einen günstigen Faserverlauf. Damit wird die Rissempfindlichkeit gesenkt und die Bauteilsicherheit erhöht. Der Nachteil des Gesenkschmiedens ist, dass eine Mindestanzahl von gleichartigen Schmiedestücken hergestellt werden muss, da die Kosten für ein Gesenk hoch sind. Die Herstellung der Gesenke erfolgt mittels Gravur- bzw. Ausfräsen und/oder durch Senkerodieren nach Originalformen im Ölbad.

Werden durch Schmieden nahezu einbaufertige Werkstücke hergestellt, so spricht man vom Präzisionsschmieden. Dabei ist unerheblich, welches Schmiedeverfahren zum Einsatz kommt, lediglich die erzielte Genauigkeit definiert einen Schmiedeprozess als Präzisionsschmieden. Üblicherweise geht man hier von einer Toleranz von IT8 bis IT6 (besser als ±0,1 mm) aus. Präzisionsschmieden wird in der Industrie vielfach eingesetzt. Vor allem Teile in Verbrennungsmotoren (z. B. Nocken für „gebaute“ Nockenwellen zur Ventilsteuerung) sowie am Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen – z. B. Getriebezahnräder – werden auf diese Weise hergestellt.

Eines der Verfahren des Präzisionsschmiedens ist das gratlose Schmieden. Dieses Verfahren benötigt im Gegensatz zum gratbehafteten Schmieden keinen oder nur sehr geringen Materialüberschuss (in Form von Grat) zur Formfüllung. Durch gratloses Schmieden bzw. Präzisionsschmieden können daher Bauteile mit einer sehr hohen Genauigkeit und einer hohen Oberflächengüte erzeugt werden[9].

Hier liegt der Werkstoff in einem speziellen „halbflüssigen“ Zustand vor, der als thixotrop bezeichnet wird. Dadurch werden ein sehr hohes Umformvermögen, geringe Bearbeitungskräfte und hohe Genauigkeit erreicht.

Prinzipieller Aufbau einer Langschmiedemaschine

Durch Langschmieden werden mit nicht formgebundenen Werkzeugen lange Werkstücke mit einfachen Geometrien (z. B. Geschützrohre) gefertigt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein automatisiertes Freiformschmieden mit besonderer Genauigkeit der Werkstücke. Das Schmieden erfolgt in Längschmiedemaschinen, in denen senkrecht zum Werkstück angebrachte Hämmer paarweise gegeneinander arbeiten. Der Vorschub und die Anstellung der Hämmer werden dabei programmgesteuert.[10]

Unter mehrdirektionalem Schmieden versteht man das Umformen eines Werkstücks in unterschiedliche Richtungen in einem Umformschritt. Dabei wird die mehrdirektionale Umformung durch konstruktive Maßnahmen am Werkzeug erreicht: Die vertikale Bewegung des Pressenstößels und damit die Umformkraft wird über Keile in horizontale Richtungen umgelenkt.[11]