Das Schmieden ist nach wie vor eines der wichtigsten Metallumformverfahren in der modernen Fertigung und beeinflusst direkt die Festigkeit, Zuverlässigkeit und Lebenszykluskosten der Bauteile.
Die Wahl des richtigen Schmiedeverfahrens ist angesichts der steigenden Anforderungen der Industrie an engere Toleranzen und höhere Leistung zu einer strategischen Ingenieursentscheidung geworden. Metalleigenschaften und Bauteilgeometrie beeinflussen direkt Herstellbarkeit, Leistung, Kosten und Nachhaltigkeit.
Was sind Schmiedeverfahren?
Um die gewünschte Form und innere Struktur zu erzielen, wird Metall beim Schmieden unter Druckkräften plastisch verformt. Im Gegensatz zum Gießen, das auf der Erstarrung von flüssigem Metall beruht, formt das Schmieden massives Metall um, was zu einer besseren Kornkontinuität und mechanischen Festigkeit führt.
Das Prinzip des Schmiedens beruht auf kontrollierter plastischer Verformung. Wird Metall über seine Streckgrenze hinaus, aber unterhalb seiner Bruchgrenze verformt, fließt das Material und ordnet sein Korngefüge neu. Dieser Prozess verfeinert die Korngröße, richtet die Kornrichtung entlang der Lastpfade aus und beseitigt die bei Gussteilen häufig auftretenden inneren Poren.
Schmiedeprozesse werden typischerweise nach ihrem Temperaturbereich klassifiziert:
- Warmumformung erfolgt bei Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur und ermöglicht so eine ausgedehnte Verformung bei reduzierter Umformkraft.
- Das Warmschmieden findet bei Temperaturen zwischen Warm- und Kaltschmieden statt und erzielt einen Kompromiss zwischen Materialformbarkeit und Maßhaltigkeit.
- Das Kaltumformen erfolgt bei oder nahe der Umgebungstemperatur und liefert eine hervorragende Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit, erfordert jedoch deutlich höhere Umformkräfte.
Jedes Temperaturregime interagiert auf unterschiedliche Weise mit den Metalleigenschaften, weshalb die Wahl der Temperatur untrennbar mit der Wahl des Schmiedeverfahrens verbunden ist.
Überblick über die wichtigsten Schmiedeverfahren
Das moderne Schmieden umfasst mehrere unterschiedliche Verfahren, die jeweils für bestimmte Werkstoffe, Geometrien und Produktionsvolumina optimiert sind.
- Freiformschmieden Das Verfahren basiert auf flachen oder nur minimal konturierten Werkzeugen, die das Werkstück nicht vollständig umschließen. Das Metall wird durch wiederholte Kompressionsvorgänge schrittweise geformt, wodurch es sich für große oder relativ einfache Teile eignet.
- Gesenkschmieden Das sogenannte Gesenkschmieden, oft auch als Form- und Formschmieden bezeichnet, verwendet konturierte Werkzeuge, die das Werkstück vollständig umschließen und den Materialfluss in präzise Werkzeughohlräume lenken. Dieses Verfahren ermöglicht komplexe Geometrien und gleichbleibende Wiederholgenauigkeit.
- Gesenkschmieden ist eine Unterart des Gesenkschmiedens, bei der die Verformungsenergie durch wiederholte Hammerschläge zugeführt wird, wodurch in kleineren Bauteilen ein feineres Korngefüge entsteht.
- Gedrücktes Schmieden Das Verfahren verkürzt das Werkstück durch axiale Kompression, wodurch sich die Querschnittsfläche vergrößert, und wird häufig zur Herstellung von Befestigungselementen und Wellenenden eingesetzt.
- Walzschmieden Reduziert oder formt Querschnitte mithilfe rotierender Matrizen, die üblicherweise für gestufte Wellen und Vorformlinge verwendet werden.
- Ringschmieden produziert nahtlose Ringe mit ausgezeichneter Umfangsfaserung, die in großem Umfang in Lagern und Druckbehältern eingesetzt werden.
- Beim Präzisionsschmieden liegt der Fokus auf Bauteilen mit nahezu endformnaher Beschaffenheit, wodurch Bearbeitungsaufwand und Materialverschwendung minimiert werden.
Jede Methode birgt Kompromisse zwischen Werkzeugkosten, erreichbarer Geometrie, Produktionseffizienz und mechanischer Leistungsfähigkeit.
Wie Metalleigenschaften die Wahl des Schmiedeverfahrens beeinflussen
Das Materialverhalten unter Verformung spielt eine entscheidende Rolle bei der Wahl des Schmiedeverfahrens. Metalle unterscheiden sich erheblich in ihrer Reaktion auf Wärme, Spannung und Dehnungsrate.
DuktilitätDie Duktilität bestimmt, wie stark ein Metall verformt werden kann, bevor es reißt. Hochduktile Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen ermöglichen komplexe Formen durch Gesenkschmieden oder Präzisionsschmieden, während Legierungen mit geringer Duktilität unter Umständen offenes Gesenkschmieden oder kontrolliertes Warmschmieden erfordern.
Fließspannungbeeinflusst die Anforderungen an die Umformkraft. Werkstoffe mit hoher Fließspannung, wie Edelstahl oder Titan, erfordern robuste Anlagen und eine sorgfältige Temperaturkontrolle.
WärmeleitfähigkeitDie Wärmespeicherung wird beim Schmieden beeinflusst. Aluminium leitet Wärme schnell ab, was schnellere Arbeitsabläufe erfordert, während Stahl die Wärme länger speichert.
Oxidationsempfindlichkeithat Auswirkungen auf die Oberflächenqualität. Titan und einige Edelstähle erfordern Schutzatmosphären oder eine schnelle Verarbeitung, um Oberflächenbeeinträchtigungen zu verhindern.
Rekristallisationsverhaltenbestimmt, wie sich die Kornstruktur während der Verformung entwickelt, und beeinflusst so die endgültigen mechanischen Eigenschaften.
Das Verständnis dieser Materialeigenschaften ermöglicht es den Ingenieuren, ungeeignete Schmiedeverfahren frühzeitig im Prozess auszuschließen.
Auswahl von Schmiedeverfahren für Kohlenstoffstahl
Das beliebteste Schmiedemetall ist nach wie vor Kohlenstoffstahl, da er sich durch außergewöhnliche Festigkeit, Duktilität und Erschwinglichkeit auszeichnet.
- Gute Warmumformbarkeit macht niedrig- und mittelgekohlte Stähle für eine Vielzahl von Schmiedeverfahren geeignet. Bei großen Wellen und Blöcken, wo Maßflexibilität erforderlich ist, wird häufig das Freiformschmieden eingesetzt. Das Gesenkschmieden dominiert in der Automobil- und Industriebranche, wo Wiederholgenauigkeit und komplexe Geometrien entscheidend sind.
- Das Stauchschmieden eignet sich besonders gut für Verbindungselemente, Schrauben und Flanschwellenenden aus Kohlenstoffstahl. Das Walzschmieden wird häufig zur Herstellung von Vorformlingen eingesetzt, um den Materialverlust in nachfolgenden Bearbeitungsschritten zu reduzieren.
Der großzügige Schmiedebereich von Kohlenstoffstahl ermöglicht es den Herstellern, Produktionseffizienz und Werkzeugwirtschaftlichkeit zu priorisieren, ohne die mechanische Integrität zu beeinträchtigen.
Auswahl von Schmiedeverfahren für legierten Stahl
Chrom, Molybdän, Nickel und Vanadium gehören zu den Bestandteilen, die legierten Stählen ihre besondere Komplexität verleihen.
- Diese Legierungselemente verbessern Festigkeit, Zähigkeit und Dauerfestigkeit, erhöhen aber auch die Fließspannung und verringern die Schmiedbarkeit. Daher ist häufig ein Warmumformprozess mit präziser Temperaturkontrolle erforderlich.
- Gesenkschmieden wird häufig für Bauteile aus legiertem Stahl gewählt, die eine hohe Maßgenauigkeit und gleichbleibende mechanische Eigenschaften erfordern. Walzschmieden und Stauchschmieden werden eingesetzt, um den Faserverlauf in Wellen und tragenden Bauteilen zu optimieren.
Die Werkzeugkonstruktion wird entscheidend, da legierte Stähle einen höheren Werkzeugverschleiß aufweisen. Die Leistungsvorteile rechtfertigen jedoch häufig die erhöhte Verarbeitungskomplexität, insbesondere bei Antriebssträngen in der Automobilindustrie, im Schwermaschinenbau und in Energieanwendungen.
Auswahl von Schmiedeverfahren für Edelstahl
Edelstahl stellt aufgrund seiner höheren Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und seiner Empfindlichkeit gegenüber Temperaturgradienten besondere Herausforderungen dar.
- Austenitische Edelstähle weisen eine gute Duktilität, aber eine hohe Fließspannung auf, weshalb das Warmschmieden mit geschlossenem Gesenk für komplexe Geometrien das bevorzugte Verfahren ist. Martensitische und Duplex-Edelstähle erfordern eine strengere Temperaturkontrolle, um Rissbildung und Phasenungleichgewicht zu vermeiden.
- Freiformschmieden wird häufig für große Edelstahlbauteile gewählt, bei denen die innere Qualität Vorrang vor der Oberflächenkomplexität hat. Präzisionsschmieden findet zunehmend Anwendung, um die Bearbeitungskosten korrosionsbeständiger Teile zu senken.
Die Wärmebehandlung nach dem Schmieden ist unerlässlich, um die Korrosionsbeständigkeit und die mechanische Ausgewogenheit wiederherzustellen und beeinflusst somit die gesamte Prozessplanung.
Auswahl von Schmiedeverfahren für Aluminiumlegierungen
Aluminiumlegierungen werden wegen ihrer geringen Dichte, Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneten Umformbarkeit geschätzt.
- Das Warmschmieden ermöglicht es Aluminium, problemlos in komplexe Formhohlräume zu fließen, wodurch das Gesenkschmieden und das Präzisionsschmieden besonders effektiv sind. Das Kaltschmieden wird ebenfalls häufig für kleine Aluminiumbauteile eingesetzt, die eine exzellente Oberflächengüte und enge Toleranzen erfordern.
- Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium müssen Schmiedeprozesse zügig ablaufen, um eine gleichmäßige Temperatur zu gewährleisten. Die Werkzeugstandzeit ist im Allgemeinen günstig und die Materialausnutzung hoch.
Diese Eigenschaften machen Aluminiumschmiedeteile ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Transportwesen.
Auswahl von Schmiedeverfahren für Titan und Hochleistungslegierungen
Titanlegierungen und Nickelbasis-Superlegierungen erfordern eine außergewöhnliche Prozesskontrolle.
Diese Werkstoffe weisen ein enges Schmiedetemperaturfenster auf und reagieren sehr empfindlich auf Umformgeschwindigkeit und Oxidation. Warmschmieden unter kontrollierter Atmosphäre ist in der Regel erforderlich.
Bei großen Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt wird häufig das Freiformschmieden eingesetzt, um die Verformung schrittweise zu steuern. Das Gesenkschmieden ist hochwertigen Teilen vorbehalten, bei denen die Maßgenauigkeit die Werkzeugkosten rechtfertigt.
Obwohl das Schmieden von Titan teuer ist, sind das resultierende Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und die Dauerfestigkeit unübertroffen, weshalb eine Prozessoptimierung unerlässlich ist.
Die Rolle der Teilegeometrie bei der Auswahl des Schmiedeverfahrens
Die Geometrie des Bauteils bestimmt oft die Wahl des Schmiedeverfahrens ebenso stark wie die Materialwahl.
Einfache, rotationssymmetrische Formen wie Stäbe, Scheiben und Ringe eignen sich gut für das Freiformschmieden, Walzschmieden oder Ringschmieden. Komplexe Geometrien mit Rippen, Ansätzen und Aussparungen erfordern das Gesenkschmieden oder Präzisionsschmieden.
Dünne Wandstärken erhöhen das Risiko einer unvollständigen Werkzeugfüllung und begünstigen daher Hochtemperaturverfahren oder mehrstufiges Schmieden. Hinterschneidungen und scharfe Übergänge erfordern eine sorgfältige Werkzeugkonstruktion und können eine zusätzliche Bearbeitung notwendig machen.
Auch die Toleranzanforderungen beeinflussen die Wahl des Verfahrens, da Kalt- und Präzisionsschmieden im Vergleich zu Freiformschmiedeverfahren eine höhere Maßgenauigkeit bietet.
Zuordnung von Schmiedeverfahren zu gängigen Bauteiltypen
| Teileart | Bevorzugte Schmiedeverfahren | Wichtigste Vorteile |
| Wellen und Stangen | Freiform-Walzschmieden | Ausgerichteter Faserverlauf, flexible Formatierung |
| Flansche und Scheiben | Gesenkschmieden | Hohe Festigkeit, Maßgenauigkeit |
| Ringe und Lager | Ringschmieden | Nahtlose Struktur, Ermüdungsbeständigkeit |
| Zahnräder und Keilwellen | Gesenkschmieden, Präzisionsschmieden | Präzise Zahngeometrie |
| Strukturteile | Geschlossenes Werkzeug, offenes Werkzeug | Optimierung des Lastpfads |
Diese Abstimmung zwischen Geometrie und Schmiedeverfahren gewährleistet optimale Leistung und Herstellbarkeit.
Werkzeug-, Formenbau- und Produktionsvolumenüberlegungen
Die Werkzeugkosten machen einen erheblichen Teil der Schmiedekosten aus und müssen auf das Produktionsvolumen abgestimmt sein.
Freiformschmieden benötigt nur minimale Werkzeuge und eignet sich daher ideal für Kleinserien oder kundenspezifische Bauteile. Präzisions- und Gesenkschmieden bieten zwar niedrigere Stückkosten bei der Serienfertigung, erfordern aber höhere Anfangsinvestitionen in die Werkzeuge.
Die Standzeit des Werkzeugs hängt von der Materialhärte, der Schmiedetemperatur und der Schmierung ab. Automatisierung verbessert zudem die Konsistenz und Produktivität in der Serienfertigung.
Die Balance zwischen Werkzeugkosten und Produktionsvolumen ist für die Wirtschaftlichkeit unerlässlich.
Kosten-, Effizienz- und Materialnutzungsanalyse
| Schmiedeverfahren | Werkzeugkosten | Materialnutzung | Produktionseffizienz |
| Freiformschmieden | Niedrig | Medium | Niedrig bis mittel |
| Gesenkschmieden | Hoch | Hoch | Hoch |
| Präzisionsschmieden | Sehr hoch | Sehr hoch | Mittel bis hoch |
| Ringschmieden | Medium | Hoch | Medium |
Gesenkschmieden und Präzisionsschmieden bieten trotz höherer Werkzeugkosten oft die niedrigsten Gesamtkosten für die Serienfertigung.
Fallstudien
Eine industrielle Welle aus Kohlenstoffstahl profitiert von Freiformschmieden hinsichtlich Flexibilität und Kosteneffizienz. Eine Aluminiumhalterung für die Luft- und Raumfahrt erzielt Gewichtsreduzierung und Präzision durch Gesenkschmieden. Ein druckfestes Bauteil aus Edelstahl benötigt kontrolliertes Warmschmieden, um Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.
Eine falsche Methodenwahl führt oft zu übermäßiger Bearbeitung, verkürzter Lebensdauer oder erhöhten Ausschussquoten.