Schmieden erklärt: Prozess, Arten & Materialien

Was ist Schmieden?

Schmieden ist ein Fertigungsprozess, bei dem Metall durch Hämmern, Pressen oder Walzen geformt wird. Diese Druckkräfte werden mit einem Hammer oder Werkzeug (Die) ausgeübt. Schmieden wird oft nach der Temperatur kategorisiert, bei der es durchgeführt wird: Kalt-, Warm- oder Heißschmieden.

Eine breite Palette von Metallen kann geschmiedet werden. Typische Schmiedemetalle sind Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl und Edelstahl. Sehr weiche Metalle wie Aluminium, Messing und Kupfer können ebenfalls geschmiedet werden. Der Schmiedeprozess kann Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei minimalem Abfall erzeugen.

Das Grundkonzept: Das Ausgangsmetall wird plastisch in die gewünschte geometrische Form verformt, was höhere Ermüdungsfestigkeit und Festigkeit verleiht. Der Prozess ist wirtschaftlich mit der Fähigkeit zur Massenfertigung und Erreichung spezifischer mechanischer Eigenschaften im Fertigteil.

Schmieden wird seit Jahrtausenden von Schmieden praktiziert; traditionelle Produkte waren Küchenutensilien, Hardware, Handwerkzeuge, Blankwaffen, Zimbeln und Schmuck.

Seit der Industriellen Revolution werden geschmiedete Teile überall in Mechanismen und Maschinen eingesetzt, wo ein Bauteil hohe Festigkeit erfordert; solche Schmiedeteile erfordern meist Nachbearbeitung (z. B. Zerspanung) für ein fast fertiges Teil. Heute ist Schmieden eine weltweite Hauptindustrie.

Geschichte des Schmiedens

Schmieden wird seit Tausenden von Jahren von Schmieden praktiziert. Zunächst waren Bronze und Kupfer die häufigsten Schmiedemetalle im Bronzezeitalter; später, als Temperaturkontrolle und Eisenverhüttung entdeckt wurden, wurde Eisen zum primären Schmiedemetall.

Traditionelle Produkte: Küchenutensilien, Hardware, Handwerkzeuge, Blankwaffen. Die Industrielle Revolution machte Schmieden zu einem effizienteren Massenfertigungsprozess. Seitdem hat sich Schmieden mit Fortschritten in Ausrüstung, Robotik, elektronischen Steuerungen und Automatisierung weiterentwickelt.

Heute ist Schmieden eine weltweite Industrie mit modernen Schmiedeanlagen, die hochwertige Metallteile in großer Vielfalt an Größen, Formen, Materialien und Oberflächen produzieren.

Arten von Schmiedeprozessen

Es gibt mehrere Schmiedeverfahren mit unterschiedlichen Fähigkeiten und Vorteilen.

• Freiformschmieden (Drop Forging)
• Walzschmieden (Roll Forging)
• Pressschmieden (Press Forging)
• Upset-Schmieden (Upset Forging)
• Kalt Schmieden (Cold Forging)
• Präzisionsschmieden (Precision Forging)
• Isothermes Schmieden (Isothermal Forging)

1. Freiformschmieden (Drop Forging)

Der Name stammt vom Fallenlassen eines Hammers auf das Metall, um es in die Form des Werkzeugs (Die) zu bringen. Das Werkzeug bezeichnet die Flächen, die mit dem Metall in Kontakt kommen.

Es gibt zwei Arten: Freiformschmieden (Open-Die) und Gesenkschmieden (Closed-Die). Werkzeuge sind typischerweise flach, einige haben spezifisch geformte Oberflächen für Spezialoperationen.

Freiformschmieden (Open-Die Forging / Smith Forging)

Ein Hammer schlägt und verformt Metall auf einem stationären Amboss. Das Metall wird nie vollständig in den Werkzeugen eingeschlossen – es kann fließen, außer dort, wo es mit den Werkzeugen in Kontakt ist.

Der Bediener ist verantwortlich für Orientierung und Positionierung des Metalls zur Erreichung der gewünschten Endform. Flache Werkzeuge werden verwendet, einige mit speziell geformten Oberflächen für Spezialoperationen. Freiformschmieden eignet sich für einfache und große Teile sowie kundenspezifische Metallkomponenten.

Vorteile des Freiformschmiedens:

• Bessere Ermüdungsfestigkeit und Festigkeit
• Reduziert Fehler- und Hohlraumbildung
• Verbessert Mikrostruktur
• Kontinuierlicher Faserverlauf
• Feinere Korngröße

Gesenkschmieden (Closed-Die Forging / Impression-Die)

Das Metall wird in ein Werkzeug gelegt und an einem Amboss befestigt. Der Hammer fällt auf das Metall, wodurch es fließt und die Werkzeughöhlen füllt.

Der Hammer trifft in schneller Folge im Millisekundenbereich auf das Metall. Überschüssiges Metall wird aus den Werkzeughöhlen gedrückt, was Grat (Flash) bildet. Der Grat kühlt schneller als der Rest des Materials, wodurch er stärker wird als das Metall im Werkzeug. Nach dem Schmieden wird der Grat entfernt.

Damit das Metall den Endstadium erreicht, wird es durch eine Reihe von Kavitäten im Werkzeug geführt:

• Vorscheideeindruck (Edging/Fullering/Biegen): Erster Eindruck zur Grobformung.
• Vorförmungskavitäten (Blocking Cavities): Metall wird in Form gebracht, die dem Endprodukt näher kommt. Großzügige Biegungen und Radien.
• Endformkavität (Final Impression Cavity): Endstufe für Feinformung und Detailierung.

Vorteile des Gesenkschmiedens:

• Teile bis 25 Tonnen herstellbar
• Nahezu fertige Formen (Near-Net-Shape), nur wenig Nachbearbeitung nötig
• Wirtschaftlich für Großserien

2. Walzschmieden (Roll Forging)

Besteht aus zwei zylindrischen oder halbzylindrischen horizontalen Walzen, die einen runden oder flachen Stab verformen. Dies reduziert die Dicke und erhöht die Länge.

Der erhitzte Stab wird eingelegt und zwischen den zwei Walzen hindurchgeführt, die jeweils eine oder mehrere geformte Nuten enthalten – und wird progressiv geformt, während er durch die Maschine läuft. Der Prozess wiederholt sich, bis gewünschte Form und Größe erreicht sind.

Vorteile des automatischen Walzschmiedens:

• Kaum bis gar kein Materialverlust
• Günstige Gefügestruktur im Metall
• Reduziert Querschnittsfläche
• Erzeugt konische Enden

3. Pressschmieden (Press Forging)

Nutzt langsamen, kontinuierlichen Druck statt Schlag wie beim Fallhammer-Schmieden. Der langsamere Kolbenhub bewirkt, dass die Verformung tiefer reicht, sodass das gesamte Metallvolumen gleichmäßig beeinflusst wird.

Im Gegensatz dazu ist beim Fallhammer-Schmieden die Verformung oft nur oberflächlich, während das Innere des Metalls etwas unverformt bleibt. Durch Steuerung der Kompressionsrate beim Pressschmieden kann die innere Spannung ebenfalls kontrolliert werden.

Vorteile des Pressschmiedens:

• Wirtschaftlich für Großserien
• Höhere Genauigkeit in Toleranzen von 0,01–0,02 Zoll
• Werkzeuge haben weniger Entformschräge für bessere Maßgenauigkeit
• Geschwindigkeit, Druck und Werkzeughub sind automatisiert gesteuert
• Prozessautomatisierung möglich
• Pressenkapazität 500–9000 Tonnen

4. Upset-Schmieden (Upset Forging)

Fertigungsprozess, der den Durchmesser des Metalls durch Komprimierung seiner Länge erhöht. Kurbelpressen, spezielle Hochgeschwindigkeitsmaschinen, werden beim Upset-Schmieden eingesetzt.

Kurbelpressen sind typischerweise horizontal angeordnet für Effizienz und schnellen Austausch des Metalls zwischen Stationen. Vertikale Kurbelpressen oder Hydraulikpressen sind ebenfalls Optionen.

Vorteile des Upset-Schmiedens:

• Hohe Produktionsrate bis 4500 Teile/Stunde
• Vollautomatisierung möglich
• Eliminierung von Entformschräge und Grat
• Kaum bis gar kein Abfall

5. Automatisches Heißschmieden (Automatic Hot Forging)

Stahlstäbe in Walzlänge werden bei Raumtemperatur in ein Ende der Schmiedemaschine eingelegt, und heißgeschmiedete Produkte kommen am anderen Ende heraus. Der Stab wird mit Hochleistungs-Induktionsspulen in unter 60 Sekunden auf 2190–2370 °F erhitzt.

Der Stab wird mit Walzen entzundert und in Rohlinge geteilt. An diesem Punkt wird das Metall durch mehrere Formstufen geführt, die mit Hochgeschwindigkeits-Kaltumformoperationen gekoppelt sein können. Typischerweise bleibt die Kaltumformung für die Endbearbeitung. So profitiert man von Kaltumformvorteilen bei Beibehaltung der hohen Geschwindigkeit des automatischen Heißschmiedens.

Vorteile des automatischen Heißschmiedens:

• Hohe Ausbringungsrate
• Akzeptanz kostengünstiger Materialien
• Minimaler Personalbedarf für Maschinenbetrieb
• Kaum bis gar kein Materialverlust (Materialeinsparung 20–30 % gegenüber konventionellem Schmieden)

6. Präzisionsschmieden (Net-Shape / Near-Net-Shape Forging)

Erfordert wenig bis keine Endbearbeitung. Schmiedeverfahren zur Minimierung von Kosten und Abfall bei Nachbearbeitung. Kosteneinsparungen durch Reduktion von Material, Energie und Zerspanung.

7. Isothermes Schmieden (Isothermal Forging)

Schmiedeprozess, bei dem Metall und Werkzeug auf dieselbe Temperatur erhitzt werden. Adiabatische Erwärmung: kein Netto-Masse- oder Wärmeaustausch zwischen System und Umgebung. Änderungen erfolgen nur durch interne Änderungen, was hochkontrollierte Verformungsraten ergibt. Durch geringeren Wärmeverlust können kleinere Maschinen für diesen Prozess verwendet werden.

Anwendungen des Schmiedens

Neben Motor- und Getriebeteilen werden Schmiedeteile für diverse Zahnräder, Kettenräder, Hebel, Wellen, Spindeln, Kugelgelenke, Radnaben, Rollen, Gabeln, Achsträger, Lagerhalter und Verbindungsglieder verwendet.

• Hauptsächlich geschmiedete Produkte in jeder mechanischen Industrie.
• Turbinenrotor, Generatorrotor etc. sind Schmiedeteile.
• Höhere Ermüdungsfestigkeit: meisten bewegte Teile wie Kurbelwelle, Nockenwelle, Zahnräder etc. werden durch Schmieden hergestellt.
• Kalt Schmieden für Meißel, Bolzen etc.
• Meist in Handwerkzeug- und Hardwarefertigung.
• Im Schiffbau für diverse Strukturarbeiten.

Vorteile des Schmiedens

Schmieden bietet bessere mechanische Eigenschaften, Duktilität, Ermüdungs- und Schlagfestigkeit, da der Prozess den Faserverlauf entsprechend der Bauteilform verfeinert und richtet. Fast alle Metalle, ferro- und nicht-ferro, können geschmiedet werden.

• Geschmiedete Teile sind stärker
• Zuverlässiger und kostengünstiger
• Besseres Ansprechverhalten auf Wärmebehandlung
• Konsistentere und bessere metallurgische Eigenschaften
• Breites Produktgrößenspektrum
• Weniger Nachbearbeitungsschritte nötig
• Große Designflexibilität

Nachteile des Schmiedens

• Bei Heißschmieden schwierig, Nachbearbeitung durchzuführen
• Hohe Investitionskosten
• Sehr hohe Sicherheitsverfahren für Personal und Material erforderlich