Kohlenstoffstahl eignet sich für viele Schmiedeteile für allgemeine Anwendungen, legierter Stahl bietet eine höhere Härtbarkeit für anspruchsvolle Querschnitte, und Edelstahl ist die richtige Wahl bei Korrosionsbelastung. Letztendlich bestimmen die Einsatzbedingungen des fertigen Bauteils, welches Material für den Einsatz geeignet ist.
Bei Wellen, Hülsen, Flanschen und Zahnradrohlingen sollten Sie die Werkstoffsorte, den Querschnitt, die Wärmebehandlung und die Prüfanforderungen miteinander vergleichen, bevor Sie sich für eine Materialspezifikation entscheiden.
Wichtige Faktoren bei der Auswahl von Werkstoffen für das Freiformschmieden
Die Materialauswahl für das Freiformschmieden orientiert sich in erster Linie an den Betriebsanforderungen des Bauteils und nicht an einer allgemeinen Präferenz für eine bestimmte Stahlgruppe. Eine für eine mäßig belastete Welle geeignete Güteklasse erfüllt möglicherweise nicht die Anforderungen eines stark belasteten Zahnradrohlings.
Das Freiformschmieden ermöglicht die Herstellung großer und relativ einfacher Schmiedeteile durch wiederholtes Pressen und kontrollierte Bewegung des Werkstücks. Die daraus resultierenden Eigenschaften hängen jedoch vom Werkstoff, der Schmiedetechnik, der anschließenden Wärmebehandlung und den Bauteildimensionen ab.
Betriebsumgebung und mechanische Anforderungen
Ingenieure sollten vor der Materialauswahl die auftretenden Kräfte, Temperaturen, Umgebungsmedien und erwarteten Betriebszyklen ermitteln. Diese Bedingungen bestimmen, welche Eigenschaften bei der Beschaffung Vorrang haben sollten.
Wichtige Betriebsanforderungen sind unter anderem:
- Zugfestigkeit: Bestimmt die Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs gegenüber Zugkräften und hilft bei der Feststellung seiner Eignung für tragende Bauteile.
- Streckgrenze: Gibt an, ab wann unter Belastung eine bleibende Verformung einsetzt.
- Schlagzähigkeit: Ist von Bedeutung, wenn Bauteile plötzlichen Belastungen, Vibrationen oder möglichen Stößen ausgesetzt sind.
- Ermüdungsfestigkeit: Beeinflusst die Leistungsfähigkeit unter wiederholter Be- und Entlastung.
- Verschleißfestigkeit: Spielt eine wichtige Rolle bei Kontaktflächen, rotierenden Teilen und Bauteilen, die Reibung ausgesetzt sind.
- Korrosionsbeständigkeit: Bestimmt die Eignung für Feuchtigkeit, Chemikalien, industrielle Umgebungen und andere korrosive Umgebungen.
Diese Eigenschaften müssen gemeinsam bewertet werden. Eine Erhöhung der Härte durch Wärmebehandlung verbessert beispielsweise nicht automatisch die Schlagzähigkeit oder die Ermüdungsfestigkeit.
Geometrie der Bauteile und fertigungstechnische Überlegungen
Die Querschnittsabmessungen beeinflussen, wie ein Schmiedeteil während der Wärmebehandlung abkühlt. Bei einer dicken Welle oder einem schweren Block können sich unterschiedliche Oberflächen- und Kerneigenschaften entwickeln, da die Wärmeabfuhr und die Umwandlungsraten über den Querschnitt hinweg variieren.
Die Geometrie wirkt sich zudem auf den Materialverbrauch, die Schmiedevorgänge, die Bearbeitungszugaben und die Zugänglichkeit für die Prüfung aus. Tiefe Schultern, große Durchmesseränderungen und Hohlprofile verdienen bei der Fertigungsplanung besondere Beachtung.
Die Zerspanbarkeit ist ein weiterer Kaufaspekt. Ein Material, das in einem geeigneten geglühten oder normalisierten Zustand geliefert wird, kann je nach Fertigungsablauf des Bauteils die Grobbearbeitung vor der abschließenden Wärmebehandlung vereinfachen.
Einkäufer sollten daher den gesamten Prozess vom Schmieden über die Wärmebehandlung, die Zerspanung bis hin zur Prüfung bewerten, anstatt Materialpreise oder Nennfestigkeitswerte isoliert zu vergleichen.
Kohlenstoffstahloptionen für das Freiformschmieden
Kohlenstoffstahl wird häufig in Betracht gezogen, wenn Bauteile zuverlässige mechanische Eigenschaften, eine gute Bearbeitbarkeit und eine relativ unkomplizierte Materialauswahl erfordern. Seine Eigenschaften hängen in erster Linie vom Kohlenstoffgehalt, anderen Legierungselementen, der Verarbeitungsgeschichte und der Wärmebehandlung ab.
Verschiedene Kohlenstoffstahlsorten dienen unterschiedlichen Zwecken. Sorten mit geringerem Kohlenstoffgehalt bieten im Allgemeinen eine höhere Duktilität und Schweißbarkeit, während Sorten mit mittlerem Kohlenstoffgehalt nach entsprechender Verarbeitung eine höhere Festigkeit und Härte aufweisen können.
Gängige Sorten und mechanische Eigenschaften
Zwei repräsentative Optionen sind die Kohlenstoffstähle 1020 und 1045. Ihre unterschiedlichen Kohlenstoffgehalte führen zu wesentlichen Unterschieden hinsichtlich Festigkeitspotenzial, Härtbarkeit, Zerspanbarkeit und Reaktion auf die Wärmebehandlung.
Kohlenstoffstahl 1020 ist eine kohlenstoffarme Variante, die dort zum Einsatz kommt, wo Duktilität, Zerspanbarkeit und moderate mechanische Anforderungen wichtig sind. Er eignet sich für weniger stark beanspruchte Schmiedeteile und Anwendungen, bei denen eine umfassende Durchhärtung nicht erforderlich ist.
Sein relativ niedriger Kohlenstoffgehalt begrenzt die Härte, die durch herkömmliches Abschrecken und Anlassen erreicht werden kann. Wenn eine härtere Oberfläche erforderlich ist, kann ein geeignetes Verfahren zur Oberflächenhärtung in Betracht gezogen werden, sofern die Konstruktion und die Spezifikation des Bauteils dies zulassen.
Kohlenstoffstahl 1045 ist eine Sorte mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, die durch geeignete Wärmebehandlung eine höhere Festigkeit und Härte erreichen kann. Er wird häufig für Wellen, Zahnradrohlinge und andere Bauteile in Betracht gezogen, die mäßigen oder erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Im Vergleich zu 1020 bietet 1045 ein größeres Potenzial an Härte und Festigkeit, erfordert jedoch im Allgemeinen eine sorgfältigere Beachtung der Wärmebehandlungsbedingungen. Im Vergleich zu vielen legierten Stählen weist 1045 eine geringere Härtbarkeit auf, was bei großen Querschnitten zu einem größeren Problem wird.
Bei größeren Bauteilen sollten Einkäufer nicht davon ausgehen, dass eine zufriedenstellende Oberflächenhärte auf gleichmäßige Eigenschaften im gesamten Querschnitt hindeutet. Die mechanischen Eigenschaften im Kern müssen anhand der spezifizierten Abmessungen und des Wärmebehandlungsverfahrens bewertet werden.
Typische Wärmebehandlung und Anwendungen
Schmiedeteile aus Kohlenstoffstahl können im geschmiedeten Zustand, normalisiert, geglüht oder in anderen spezifizierten Zuständen geliefert werden. Der geeignete Lieferzustand hängt von den Bearbeitungsanforderungen und den für den Einsatz erforderlichen mechanischen Eigenschaften ab.
Die Normalisierung kann die Mikrostruktur verfeinern und eine gleichmäßigere Ausgangsbasis für nachfolgende Bearbeitungsschritte schaffen. Das Glühen kann die Zerspanbarkeit verbessern, während das Abschrecken und Anlassen bei geeigneten Stahlsorten mit mittlerem Kohlenstoffgehalt die Festigkeit und Härte erhöhen kann.
Bei der Auswahl muss die Wandstärke berücksichtigt werden, da dicke Bauteile möglicherweise nicht gleichmäßig auf eine schnelle Abkühlung reagieren. Eine Wärmebehandlungsspezifikation sollte daher den erforderlichen Zustand und die anzuwendenden Stellen für mechanische Prüfungen festlegen.
Zu den gängigen Anwendungen gehören:
- Wellen: Stahlsorten mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wie 1045 eignen sich für Wellen mit moderaten Festigkeitsanforderungen und entsprechenden Abmessungen.
- Flansche: Kohlenstoffstahl bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen mechanischer Leistungsfähigkeit und Bearbeitbarkeit für allgemeine industrielle Verbindungen.
- Zahnradrohlinge: Geeignete Kohlenstoffstahlsorten können in Betracht gezogen werden, wenn die erforderlichen Kerneigenschaften und der anschließende Zahnhärtungsprozess miteinander vereinbar sind.
- Schwere Blöcke: Sorten mit geringerem Kohlenstoffgehalt können geeignet sein, wenn Duktilität, Zerspanbarkeit und strukturelle Anforderungen Vorrang vor hoher Härte haben.
Einschränkungen bei der Auswahl
Kohlenstoffstahl ist nicht für jede Betriebsumgebung die bevorzugte Wahl. Seine Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt, sodass Bauteile, die Feuchtigkeit, Chemikalien oder korrosiven Prozessmedien ausgesetzt sind, möglicherweise Schutzmaßnahmen oder eine andere Werkstoffgruppe erfordern.
Die Schweißbarkeit variiert zudem je nach Kohlenstoffgehalt, Dicke und Fertigungszustand. Käufer, die Reparaturen oder Schweißverbindungen planen, sollten vor der Produktion geeignete Material- und Schweißanforderungen festlegen.
Legierte Stahlsorten für das Freiformschmieden
Legierter Stahl wird häufig gewählt, wenn Kohlenstoffstahl nicht die erforderliche Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit, Härtbarkeit und Verschleißfestigkeit bieten kann. Chrom, Molybdän, Nickel und Mangan beeinflussen das Verhalten des Stahls bei der Wärmebehandlung und unter mechanischer Belastung.
Diese Elemente machen nicht automatisch jeden legierten Stahl fester oder langlebiger. Ihre Auswirkungen hängen von der Konzentration, den Wechselwirkungen zwischen den Legierungselementen, der Mikrostruktur, der Schmiedetechnik und dem endgültigen Wärmebehandlungszustand ab.
Gängige Stahlsorten und ihre mechanischen Eigenschaften
Für kundenspezifisch geschmiedete Bauteile kommen verschiedene legierte Stahlsorten in Betracht. Unter diesen sind 4140, 4340, 42CrMo und 42CrMo4 relevante Optionen, deren Bezeichnungen jedoch anhand der geltenden Werkstoffnormen überprüft werden müssen.
Der legierte Stahl 4140 enthält Chrom und Molybdän als wichtige Legierungselemente. Er bietet eine gute Härtbarkeit und lässt sich durch geeignetes Abschrecken und Anlassen in eine Kombination aus Festigkeit, Härte und Zähigkeit bringen.
Er wird üblicherweise für geschmiedete Wellen, Zahnradrohlinge, Bauteile für Schwermaschinen und andere Teile in Betracht gezogen, die eine hohe mechanische Festigkeit erfordern. Seine Eignung hängt von der tatsächlichen Querschnittsgröße und den spezifizierten Eigenschaften ab.
Der legierte Stahl 4340 enthält neben Chrom und Molybdän auch Nickel. Dieses Legierungssystem bietet eine höhere Härtbarkeit als viele weniger legierte Alternativen, weshalb es für stark beanspruchte Bauteile und größere Querschnitte eine Überlegung wert ist.
Seine höhere Härtbarkeit garantiert jedoch keine identischen Eigenschaften bei jedem Schmiedestück. Die Auslegung der Wärmebehandlung, die Bauteilgeometrie, die Abkühlbedingungen und die Prüfanforderungen bleiben weiterhin wichtig.
42CrMo und 42CrMo4 sind Bezeichnungen für Chrom-Molybdän-Legierungsstähle, die unterschiedlichen Werkstoffnormen zugeordnet sind. Auch wenn sie ähnliche chemische Zusammensetzungen und Verwendungszwecke aufweisen mögen, dürfen Einkäufer diese Bezeichnungen nicht automatisch als austauschbar betrachten.
Die maßgebliche Norm, die Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung, die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, der Lieferzustand und die Prüfkriterien müssen vor einem Austausch geprüft werden. Bevor 4140 als Alternative zu 42CrMo oder 42CrMo4 in Betracht gezogen wird, müssen auch die Anforderungen der jeweiligen Normen verglichen werden.
Vergleich von Kohlenstoff- und legierten Stahlsorten
| Werkstoffsorte | Hauptmerkmale | Typische Auswahlkriterien |
| 1020 Kohlenstoffstahl | Niedriger Kohlenstoffgehalt und gute Duktilität; die Bearbeitbarkeit hängt vom Zustand ab | Bauteile mit mäßigen mechanischen Anforderungen |
| Kohlenstoffstahl 1045 | Mittlerer Kohlenstoffgehalt, höhere potenzielle Härte | Wellen, Zahnradrohlinge und allgemeine Maschinenbauteile |
| 4140-Legierter Stahl | Chrom-Molybdän-Legierung, gute Härtbarkeit | Geschmiedete Wellen und hochbelastete Bauteile |
| Legierter Stahl 4340 | Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung, hohe Härtbarkeit | Große oder stark beanspruchte Bauteile, die eine sorgfältige Kontrolle der Eigenschaften erfordern |
| 42CrMo | Chrom-Molybdän-Legierungsstahl | Anwendungen gemäß der geltenden Werkstoffnorm |
| 42CrMo4 | Chrom-Molybdän-Legierungsstahl nach einem anderen Bezeichnungssystem | Anwendungen, bei denen die Einhaltung der festgelegten europäischen Werkstoffnorm erforderlich ist |
Dieser Vergleich dient als erste Auswahlhilfe und ersetzt nicht die werkstoffspezifische Materialprüfung. Die tatsächlichen Eigenschaften müssen sich aus der vereinbarten Norm, dem Lieferzustand und den Prüfergebnissen ergeben.
Anforderungen an das Abschrecken und Anlassen
Härten und Anlassen sind gängige Wärmebehandlungsverfahren für Schmiedeteile aus legiertem Stahl. Durch das Härten erhält der Stahl eine härtere Mikrostruktur, während das anschließende Anlassen das Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Härte und Zähigkeit optimiert.
Die Behandlung muss auf die jeweilige Güteklasse und die Abmessungen des Bauteils abgestimmt sein. Ein für eine relativ kleine Welle geeignetes Verfahren führt bei einem wesentlich größeren Schmiedeteil möglicherweise nicht zu gleichwertigen Eigenschaften im Kern.
Käufer sollten vor der Auftragserteilung mehrere Details klären:
- Erforderlicher Wärmebehandlungszustand und geltende Werkstoffnorm.
- Zielwerte für Zugfestigkeit, Streckgrenze, Härte und Schlagzähigkeit, sofern angegeben.
- Abmessungen des Bauteils und die für die mechanische Prüfung verwendeten Querschnittsstellen.
- Ob sich die Prüfungen auf die Oberfläche, den Kern oder bestimmte Probenahmestellen beziehen.
- Ob Wärmebehandlungsnachweise und Ergebnisse der mechanischen Prüfungen erforderlich sind.
Bei größeren Schmiedeteilen verdient die Härtbarkeit besondere Beachtung. Legierungselemente können die Eindringtiefe der gewünschten gehärteten Strukturen verbessern, doch die tatsächlichen Ergebnisse hängen weiterhin von den Querschnittsabmessungen und den Abkühlbedingungen ab.
Typische Anwendungsbereiche für hochbelastbare Schmiedebauteile
Legierter Stahl wird häufig für Bauteile in Betracht gezogen, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind oder unter wiederholter Beanspruchung betrieben werden. Die geeignete Güte hängt von der Kombination aus Belastung, Geometrie, Fertigungsbedingungen und Wartungsanforderungen ab.
Geschmiedete Wellen sind eine repräsentative Anwendung, da ihr Durchmesser, ihre Länge, ihre Schultern und ihre Betriebsbelastungen sowohl die Materialauswahl als auch die Planung der Wärmebehandlung beeinflussen. Käufer können die geschmiedeten Wellen von Boberry Machining hinsichtlich relevanter Anforderungen an kundenspezifische Bauteile prüfen.
Legierter Stahl kann auch geeignet sein für:
- Hochbelastbare Flansche: Hier sind unter mechanischer Belastung eine bestimmte Festigkeit und Zähigkeit wichtig.
- Zahnradrohlinge: Hier müssen die Kernfestigkeit und die Anforderungen der anschließenden Zahnbearbeitung oder Oberflächenhärtung aufeinander abgestimmt werden.
- Große Maschinenblöcke: Hier erfordern Querschnittsgröße und mechanische Eigenschaften im Querschnitt eine sorgfältige Bewertung.
- Hohlschmiedeteile: Hier beeinflussen Wandstärke, innere Geometrie und das Verhalten bei der Wärmebehandlung die Materialauswahl.
Für diese Anwendungen sollte die Werkstoffsorte unter Berücksichtigung der Schmiedemaße, des Wärmebehandlungszustands, der Bearbeitungsreihenfolge und der erforderlichen Prüfprotokolle ausgewählt werden.
Edelstahloptionen für das Freiformschmieden
Edelstahl wird gewählt, wenn geschmiedete Bauteile neben bestimmten mechanischen Eigenschaften auch Korrosionsbeständigkeit erfordern. Verschiedene Edelstahlfamilien bieten erheblich unterschiedliche Kombinationen aus Festigkeit, Zähigkeit, Härte und Wärmebehandlungsverhalten.
Bei der Werkstoffauswahl müssen die tatsächliche korrosive Umgebung, die Betriebstemperatur, die mechanische Beanspruchung und die Querschnittsabmessungen berücksichtigt werden. Ob eine Edelstahlsorte geeignet ist, hängt von der jeweiligen Betriebsumgebung und den Einsatzanforderungen ab.
Austenitischer Edelstahl – 304 und 316
Edelstahl 304 bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit, Duktilität und Zähigkeit für allgemeine industrielle Anwendungen. Er wird häufig für geschmiedete Flansche, Ringe und Bauteile in Betracht gezogen, die atmosphärischer Feuchtigkeit oder kompatiblen Prozessflüssigkeiten ausgesetzt sind.
Edelstahl 316 enthält Molybdän, wodurch unter geeigneten Bedingungen die Beständigkeit gegen bestimmte Formen der lokalisierten Korrosion im Vergleich zu 304 verbessert wird. Allerdings ist 316 nicht seewasserbeständig und bleibt anfällig für chloridinduzierte Lochfraß- und Spaltkorrosion.
Weder 304 noch 316 werden durch herkömmliches Abschrecken gehärtet. Ihre Eigenschaften hängen von der Zusammensetzung, der Verarbeitungsgeschichte und dem Lieferzustand ab, wobei ein Lösungsglühen vorgeschrieben werden kann, um eine geeignete korrosionsbeständige Mikrostruktur wiederherzustellen.
Martensitischer Edelstahl – 410 und 420
Edelstahl 410 kann durch geeignete Wärmebehandlung gehärtet werden und kommt dort zum Einsatz, wo mechanische Festigkeit, mäßige Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit wichtig sind.
Edelstahl 420 bietet aufgrund seines Kohlenstoffgehalts im Allgemeinen eine höhere erreichbare Härte als 410, wobei die Eigenschaften von der jeweiligen Güteklasse abhängen. Beide erfordern geeignete Härtungs- und Anlassverfahren.
Im Vergleich zu austenitischen Sorten weisen martensitische Edelstähle im Allgemeinen eine geringere Korrosionsbeständigkeit auf. Bei der Auswahl müssen Härte, Zähigkeit, Korrosionsbelastung und die mit Verformungen durch die Wärmebehandlung verbundenen Risiken gegeneinander abgewogen werden.
2205 Duplex-Edelstahl: Mikrostruktur und Eigenschaften
Die Mikrostruktur des Duplex-Edelstahls 2205 enthält sowohl austenitische als auch ferritische Phasen. Er bietet eine relativ hohe Festigkeit und eine gute Beständigkeit gegen bestimmte chloridbedingte Korrosionsmechanismen, wodurch er für ausgewählte Anwendungen in der chemischen Verarbeitung und im Schiffsbau geeignet ist.
Die Eigenschaften von Duplex-Stahl hängen von der Aufrechterhaltung eines angemessenen Phasengleichgewichts ab. Sortenspezifische Lösungsglüh- und Abkühlverfahren sind wichtig, da eine ungeeignete thermische Behandlung schädliche Phasen erzeugen kann, die die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verringern.
Ausscheidungsgehärteter Edelstahl – 17-4PH
Der Edelstahl 17-4PH entwickelt seine Festigkeit durch eine ausscheidungshärtende Wärmebehandlung. Geschmiedete Wellen und andere mechanische Bauteile können aus 17-4PH gefertigt werden, wenn die Anwendung sowohl Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit erfordert.
Bei 17-4PH ist der erforderliche Alterungszustand in der Bestellung anzugeben, um die angestrebten mechanischen Eigenschaften festzulegen. Käufer müssen die erforderliche Wärmebehandlungsbezeichnung und die mechanischen Abnahmekriterien angeben, anstatt ausschließlich nach der Gütebezeichnung 17-4PH zu bestellen.
Vergleich der Edelstahlfamilien
| Edelstahlfamilie | Repräsentative Güteklassen | Wärmebehandlung | Wichtigste Auswahlkriterien |
| Austenitisch | 304, 316 | Lösungsglühen; nicht abschreckhärtbar | Korrosionsbeständigkeit, Duktilität, Zähigkeit |
| Martensitisch | 410, 420 | Härten und Anlassen | Härte, Verschleißfestigkeit, mäßige Korrosionsbeständigkeit |
| Duplex | 2205 | Sorten-spezifische Lösungsglühbehandlung | Festigkeit, Chloridbeständigkeit, Phasengleichgewicht |
| Ausscheidungshärtung | 17-4PH | Lösungsglühen und kontrollierte Alterung | Hohe Festigkeit, Alterungszustand, Korrosionsbeständigkeit |
Die Tabelle dient lediglich der vorläufigen Auswahl. Die endgültige Materialfreigabe hängt von der maßgeblichen Norm, den vorgegebenen Wärmebehandlungsbedingungen, der Einsatzumgebung und den erforderlichen mechanischen Eigenschaften ab.
Alternative Werkstoffe für spezielle Schmiedeanforderungen
Obwohl Stahl in vielen industriellen Schmiedeanwendungen vorherrscht, rechtfertigen bestimmte Einsatzbedingungen die Prüfung von Nichteisenlegierungen. Diese Alternativen erfordern eine gesonderte Bewertung hinsichtlich Schmiedbarkeit, Querschnittsgröße, Wärmebehandlung und Fertigungsdurchführbarkeit.
Nickelbasislegierungen
Nickelbasislegierungen können für Bauteile geeignet sein, die hohen Temperaturen, korrosiven Chemikalien oder Bedingungen ausgesetzt sind, die eine spezifische Oxidations- oder Kriechfestigkeit erfordern.
Ihre Schmiedetemperaturbereiche, ihr Verformungsverhalten und ihre Anforderungen an die Wärmebehandlung variieren je nach Sorte erheblich. Käufer sollten prüfen, ob die ausgewählte Legierung und die Bauteildimensionen mit dem vorgeschlagenen Fertigungsverfahren kompatibel sind.
Titanlegierungen
Titanlegierungen bieten attraktive Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse und Korrosionsbeständigkeit in bestimmten Umgebungen. Sie können in Betracht gezogen werden, wenn die Reduzierung der Bauteilmasse wichtig ist, ohne dabei die geforderte mechanische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Das Schmieden von Titan erfordert jedoch eine sorgfältige Kontrolle von Temperatur, Oberflächenverunreinigungen, Verformung und der anschließenden Weiterverarbeitung. Die Materialgüte und die Fertigungsmachbarkeit müssen überprüft werden, bevor ein großes kundenspezifisches Bauteil spezifiziert wird.
Aluminiumlegierungen
Aluminiumlegierungen kommen zum Einsatz, wenn ein geringes Bauteilgewicht, gute Zerspanbarkeit und geeignete mechanische Eigenschaften im Vordergrund stehen. Ihre Festigkeit und ihr Verhalten bei der Wärmebehandlung variieren erheblich zwischen den verschiedenen Legierungsfamilien.
Nicht jede Aluminiumlegierung eignet sich für denselben Schmiedeprozess. Auftraggeber müssen die Eignung für das Schmieden, die erzielbaren Querschnittseigenschaften, die Kompatibilität mit der Wärmebehandlung sowie die vorgesehenen Betriebsbedingungen des Bauteils überprüfen.
Wie sich Querschnittsgröße und Wärmebehandlung auf die Eigenschaften von Schmiedeteilen auswirken
Selbst bei Auswahl der richtigen Legierung können die Schmiedemaße die endgültigen mechanischen Eigenschaften erheblich beeinflussen. Große Querschnitte stellen besondere Herausforderungen dar, da Temperaturverteilung und Abkühlgeschwindigkeiten im gesamten Werkstück variieren.
Temperatur- und Eigenschaftsunterschiede zwischen Oberfläche und Kern
Wenn ein dickes Schmiedeteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird, geben seine äußeren Bereiche im Allgemeinen schneller Wärme ab als sein Kern. Dieser Unterschied beeinflusst die mikrostrukturelle Umwandlung und kann zu Schwankungen bei Härte, Festigkeit und Zähigkeit führen.
Die Härtbarkeit bestimmt, wie leicht ein Stahl unter bestimmten Abkühlbedingungen im gesamten Querschnitt gehärtete Mikrostrukturen entwickelt. Eine höhere Härtbarkeit verbessert das Potenzial für eine gleichmäßige Reaktion über den gesamten Querschnitt, garantiert jedoch keine einheitlichen Eigenschaften.
Bei Hohlbauteilen spielen sowohl die Wandstärke als auch die Gesamtgeometrie eine Rolle. Abnehmer, die geschmiedete Zylinderlaufbuchsen beziehen, sollten Innenabmessungen, Außenabmessungen, Anforderungen an die Wandstärke sowie relevante Prüfstellen spezifizieren.
Auswahl der Wärmebehandlung nach Werkstoffsorte
Die Wärmebehandlung muss auf die Werkstoffgruppe und die maßgebliche Spezifikation abgestimmt sein. Je nach den vorgegebenen Eigenschaftszielen können Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle einer Normalisierung oder einem Abschrecken und Anlassen unterzogen werden.
Austenitische rostfreie Stähle erfordern andere Behandlungsziele als martensitische Sorten. Duplexstähle erfordern eine angemessene Phasensteuerung, während ausscheidungsgehärtete Edelstähle von festgelegten Alterungsbehandlungen abhängen.
Bei großen Schmiedeteilen sollten Käufer festlegen, inwieweit die Ergebnisse der mechanischen Prüfungen für das fertige Bauteil repräsentativ sind. Die Lage und Ausrichtung der Prüfkörper, die thermische Vorgeschichte sowie die Abnahmeanforderungen müssen vor Produktionsbeginn vereinbart werden.
Verformung, Eigenspannungen und Bearbeitungszugaben
Durch Erwärmung und Abkühlung können Eigenspannungen oder Maßänderungen entstehen, insbesondere bei Schmiedeteilen mit ungleichmäßigen Querschnitten, Schultern, Bohrungen oder erheblichen Unterschieden in der Wandstärke.
In den Fertigungsplänen sollten Grobbearbeitung, Wärmebehandlung, Endbearbeitung und Prüfung aufeinander abgestimmt werden. Die erforderlichen Bearbeitungszugaben hängen von der Geometrie, dem Materialverhalten, der Verarbeitungsreihenfolge und den vereinbarten Zeichnungsanforderungen ab.
In der Beschaffungsspezifikation müssen die Endmaße, der Lieferzustand, die Anforderungen an mechanische Prüfungen sowie die Abnahmekriterien festgelegt werden. Anhand dieser Angaben lässt sich feststellen, ob das fertige Schmiedeteil die vorgesehenen Betriebsanforderungen erfüllt.
Materialauswahl für gängige Freiformschmiedeteile
Die Werkstoffauswahl wird praktischer, wenn sie mit der Bauteilgeometrie, den Belastungsbedingungen und den Fertigungsanforderungen verknüpft wird. Wellen, Flansche, Ringe, Zahnradrohlinge, schwere Blöcke und Hohlzylinder stellen unterschiedliche technische Herausforderungen dar.
Geschmiedete Wellen und hochbelastbare Flansche
Geschmiedete Wellen erfordern in der Regel eine geeignete Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit. Kohlenstoffstahl eignet sich für moderate Belastungen, während legierter Stahl zum Einsatz kommt, wenn eine höhere Härtbarkeit erforderlich ist.
Bei Flanschen hängt die Werkstoffauswahl vom Betriebsdruck, der Temperatur, den angeschlossenen Anlagen und den Einsatzbedingungen ab. Wenn die Betriebsumgebung eine höhere Korrosionsbeständigkeit erfordert, kann der Einsatz von Edelstahl in Betracht gezogen werden.
Ringe und Zahnradrohlinge
Geschmiedete Ringe erfordern unter Umständen Maßhaltigkeit, Zähigkeit und Beständigkeit gegen Betriebsbeanspruchungen. Die Materialauswahl hängt davon ab, ob der Ring eine tragende, rotierende oder korrosionsausgesetzte Funktion erfüllt.
Zahnradrohlinge erfordern oft eine hohe Kernzähigkeit sowie geeignete Oberflächeneigenschaften. Legierter Stahl kann gewählt werden, wenn eine anschließende Zahnhärtung geplant ist, vorausgesetzt, die Sorte unterstützt die vorgesehene Behandlung.
Schwere Blöcke und Hohlzylinder
Bei schweren Schmiedeblöcken müssen Querschnittsabmessungen, innere Unversehrtheit, das Verhalten bei der Wärmebehandlung und die Stellen für mechanische Prüfungen besonders berücksichtigt werden. Die spezifizierten Eigenschaften müssen an repräsentativen Stellen innerhalb des Schmiedeteils erreichbar sein.
Bei Hohlzylindern kommen zusätzliche Aspekte wie Wandstärke, Bohrungsgeometrie und Zugänglichkeit für die Bearbeitung hinzu. Bei der Werkstoffauswahl müssen gegebenenfalls Innendruck, Verschleiß, Korrosion und Maßanforderungen berücksichtigt werden.
Hypothetisches Einkaufsbeispiel: Ein Anlagenhersteller benötigt eine große geschmiedete Getriebewelle, die wiederholten Torsionsbelastungen ausgesetzt ist. Zu den ersten in Frage kommenden Werkstoffen gehören die Stahlsorten 1045 und 4140.
Der Ingenieur würde die erforderliche Festigkeit, Ermüdungsaspekte, den Wellendurchmesser und die erreichbaren Kerneigenschaften vergleichen. Wenn 1045 die festgelegten Anforderungen für den gesamten Querschnitt nicht erfüllen kann, könnte eine entsprechend wärmebehandelte 4140-Stahlsorte eine weitere Bewertung rechtfertigen.
Die endgültige Kaufentscheidung würde eher von den verifizierten mechanischen Anforderungen, einer vereinbarten Werkstoffnorm, der Durchführbarkeit der Wärmebehandlung und den Prüfkriterien abhängen als allein von der Gütebezeichnung.
So legen Sie Werkstoffe bei der Bestellung von Sonder-Schmiedeteilen fest
Eine vollständige Angebotsanfrage (RFQ) ermöglicht es dem Schmiedelieferanten, die Eignung des Werkstoffs, die Fertigungsanforderungen und die Prüfvorgaben zu bewerten, bevor er einen Auftrag bestätigt.
Werkstoffgüte, Normen und mechanische Anforderungen
Geben Sie die Werkstoffbezeichnung zusammen mit der maßgeblichen Norm und der geltenden Ausgabe an. Ähnliche Gütebezeichnungen aus unterschiedlichen Bezeichnungssystemen dürfen nicht ohne Überprüfung der jeweiligen Anforderungen ausgetauscht werden.
Mechanische Anforderungen sollten die spezifizierten Eigenschaften, Prüfbedingungen und Abnahmekriterien festlegen. Klären Sie gegebenenfalls, ob sich die Eigenschaften auf das fertige Bauteil oder auf repräsentative Prüfkörper beziehen.
Abmessungen, Wärmebehandlung und Prüfung
Legen Sie Zeichnungen vor, aus denen die Fertigmaße, die Schmiedezusätze, kritische Oberflächen und relevante geometrische Merkmale hervorgehen. Geben Sie den erforderlichen Lieferzustand sowie alle im Lieferumfang enthaltenen Bearbeitungsvorgänge an.
Die Anforderungen an die Wärmebehandlung sollten den spezifizierten Zustand und die geltenden Abnahmekriterien festlegen. Bei den Prüfanforderungen muss zwischen obligatorischen Prüfungen und optionalen Prüfungen oder Dokumentationen unterschieden werden.
Checkliste für die Angebotsanfrage zu kundenspezifischen Freiformschmiedeteilen
Geben Sie bei der Anforderung eines Angebots folgende Informationen an:
- Bauteilangaben: Bauteilbezeichnung, Verwendungszweck und benötigte Menge.
- Werkstoffspezifikation: Güteklasse, maßgebende Norm und gültige Ausgabe.
- Konstruktionszeichnungen: Abmessungen, Geometrie und Bearbeitungszugaben.
- Mechanische Anforderungen: Festigkeit, Härte, Zähigkeit sowie gegebenenfalls Prüfstellen.
- Wärmebehandlungszustand: Erforderliche Behandlung und endgültiger Lieferzustand.
- Prüfanforderungen: Maßkontrollen, mechanische Prüfungen und festgelegte zerstörungsfreie Prüfungen.
- Dokumentation: Erforderliche Materialnachweise, Prüfberichte und Prüfergebnisse.
- Lieferumfang: Schmiederohling, Halbzeug oder fertig bearbeitetes Bauteil.
Eine klare Dokumentation hilft dabei, wesentliche technische Anforderungen von Präferenzen zu unterscheiden, die im Rahmen der Angebotserstellung bewertet werden können.
Unterstützung bei der Werkstoffauswahl und beim kundenspezifischen Schmieden durch Boberry Machining
Boberry Machining liefert maßgeschneiderte, im Freiformschmieden hergestellte Rohlinge, Halbzeuge und Fertigteile, darunter Wellen, Flansche, Ringe, Zahnradrohlinge, schwere Blöcke und Hohlzylinder.
Je nach vereinbartem Auftragsumfang kann Boberry Machining Bauteile liefern, bei denen Wärmebehandlung, Bearbeitung und Prüfung bereits enthalten sind. Der angeforderte Umfang muss die relevante Werkstoffspezifikation, die Bauteilabmessungen, den Lieferzustand und die Abnahmekriterien enthalten.
Bei Anfragen zur Werkstoffauswahl helfen die Bereitstellung vollständiger Konstruktionszeichnungen und die Angabe der Leistungsanforderungen dabei, eine geeignete Angebotsgrundlage zu schaffen. Die endgültige Wahl der Werkstoffgüte und die Fertigungsanforderungen sollten anhand der tatsächlichen technischen Spezifikation des Bauteils bestätigt werden.