Schmiedetechniken für Metalle: Verfahren, Werkzeuge und Anwendungen

Schmiedeverfahren für Metalle

Schmieden ist ein Umformverfahren: Metall wird unter hohem Druck (Pressen, Hämmern, Quetschen) im festen Zustand zu hochfesten Schmiedeteilen geformt. Im Gegensatz zum Gießen wird das Metall nicht geschmolzen oder gegossen.

Definition: Metallbearbeitung, bei der die konkrete Form eines Werkstücks im festen Zustand durch Druckkräfte mittels Werkzeugen und Formen erzielt wird. Kontrollierte Verformung. Modern: Pressen oder Hämmer (Druckluft, Elektro, Hydraulik, Dampf).

Alle Metalle/Legierungen sind schmiedbar, aber Schmiedbarkeit (Forgeability) variiert (hoch bis gering) nach Zusammensetzung, Kristallstruktur, mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich. Breiterer Temperaturbereich = höhere Schmiedbarkeit. Meist Warmumformung, Kaltumformung bei Raumtemperatur möglich.

Eines der ältesten Metallbearbeitungsverfahren (~8000 v. Chr.), entwickelt aus Schmiedehandwerk (Hammer & Amboß = Urform). Heute: maschinenggetriebene Hämmer/Pressen mit kontrolliertem Druck.

Vorteile gegenüber Gießen

• Dichtere Mikrostruktur
• Ausgeprägtere Kornstruktur (Gefüge)
• Geringere Porosität
• → Deutlich höhere Festigkeit

Schmieden verfeinert das Gefüge und verbessert mechanische Eigenschaften. Bei propertem Design kann der Faserfluss (Grain Flow) in Richtung der Hauptspannungen ausgerichtet werden. Faserfluss = Richtung des Kristallmusters bei Plastischer Verformung. Mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit) sind im Schmiedeteil weit besser als im Grundwerkstoff (zufällige Kristallorientierung). Richtungsgebundener Faserfluss → hohe Festigkeit, überlegene Ermüdungsfestigkeit, metallurgische Integrität. Beseitigt innere Hohlräume/Porosität.

Schmieden produziert überlegene mechanische Eigenschaften bei minimalem Materialverlust. Ausgangsmaterial: einfache Geometrie → in einem/mehreren Schritten zu komplexer Form. Aufwendiges Werkzeug → wirtschaftlich bei Großserien und/oder wenn Eigenschaften nur durch Schmieden erreichbar.

Klassifikation der Schmiedeverfahren

1. Nach Werkstücktemperatur

Verfahren	Temperaturbereich	Merkmale
Warm Schmieden (Hot Forging)	Über Rekristallisationstemperatur (Neukornbildung)	Meistverbreitet. Vermeidet Verfestigung. Vorteile: Hohe Umformgeschwindigkeiten, leichter Fluss, Rekristallisation/Recovery möglich, geringere Kräfte. Nachteile: Schmierung schwierig, Oxidation/Zunder, schlechtere Oberflächen, geringere Maßhaltigkeit, Verzug beim Abkühlen. Barreling (Tonnenform) durch Reibung & Wärmeübergang (kühlere Werkzeugoberfläche → höherer Widerstand) – steuerbar durch Schmierung.
Halbwarm Schmieden (Warm Forging)	Über Raumtemperatur, unter Rekristallisationstemperatur (Stahl: bis 700–800 °C)	Ziel: Fließspannung & Schmiededruck senken. Radialfließende Teile (Rund mit Mittelbund), Rechteck, nicht-achssymmetrisch (3-/6-fach Symmetrie) via Warmextrusion. Wahl bei höherlegierten Stählen oder zur Einsparung Zwischenlüten. Vorteile: Geringere Werkzeug-/Pressenlast, höhere Duktilität, kein Vorlüten, günstige As-forged-Eigenschaften (Wärmebehandlung entfällt), hohe Produktionsraten, gute Toleranzen/Oberflächen, Material-/Bearbeitungseinsparung, günstiger Faserfluss, höhere Zähigkeit.
Kalt Schmieden (Cold Forging)	Raumtemperatur	Umfasst: Biegen, Ziehen, Kalibrieren, Lochen, Extrudieren, Gewinderollen. Formen: Wellen, Tassen, Hohlkörper mit Stielen, Upsetting (Köpfen), Biegungen, Kombinationen. Stahl: 3-Ebenen-Biegungen + Kopfformungen üblich. Kostenoptimal ≤ 5 kg, symmetrisch ≤ 3 kg → automatisierbar. Werkstoffe: niedrig/ mittellegierte Stähle, 300/400er rostfrei, Al-Legierungen, Messing, Bronze. Prozess: chemisch geschmierter Bolzen in geschlossene Form unter Extremdruck. Vorwärts-Extrusion (↓Durchmesser, ↑Länge), Rückwärts-Extrusion (Hohlkörper), Upsetting (↑Durchmesser, ↓Länge). Vorteile: Sehr hohe Raten, lange Werkzeugstandzeiten, Eigenschaftsverbesserung, weniger Reibung, einfache Schmierung, kein Zunder. Nachteile: Eigenspannungen, stärkere Pressen/Werkzeuge nötig, kritisches Werkzeugdesign.

Kaltgeschmiedete Teile: integrierte Flansche/Bosse → Lenkung/Federung (Auto), ABS, Beschläge, Rüstung – dort, wo hohe Festigkeit, enge Toleranzen, Großserie wirtschaftlich sind.

2. Nach Schmiedeausrüstung

• Hammerschmieden: Aufeinanderfolgende Formennester, wiederholte Schläge. Qualität, Wirtschaftlichkeit, Produktivität hängen von Werkzeug & Bedienerkönnen ab.
• Pressenschmieden: Einzelner, kontinuierlicher Preßhub pro Formennest. Formdesign kritischer, Bedienerkönnen weniger kritisch.

Hammerschmieden

Hammer & Amboß = häufigste, günstigste, vielseitigste Ausrüstung. Mehrfache Impaktstöße zwischen konturierten Formen. Hauptsächlich Warmumformung.

• Fallhämmer (Gravity Drop): Älteste Bauart. Bewegbarer Oberhammer wird gehoben, fällt auf festen Unterhammer/Amboß. Verformungsenergie = potenzielle Energie (Höhe). Hubmechanismen: Reibung (Bretter, Bandbremsen, Riemen) oder Hebezylinder (Dampf, Druckluft, Hydraulik). 0,6–400 kNm Schlagenergie.
• Gegenhämmer / Doppelwirkende Hämmer (Power Hammers): Hebezylinder hebt, Kraft auch auf Abwärtshub → höhere Energie bei gleichem Hammergewicht, höhere Schließgeschwindigkeiten. Antrieb: doppeltwirkend Dampf/Druckluft/Hydraulik. 3–830 kNm.
• Vertikale Gegenhämmer (Counterblow): Zwei fast gleich schwere Hämmer werden zueinander getrieben, Impact in Maschinenmitte. Mehr Energie ins Werkstück, weniger in Fundament. 30–2.000 kNm.
• Horizontale Gegenhämmer (Impacters): Zwei Riemen, doppeltwirkende Zylinder. Beheiztes Material vertikal zwischen Formen positioniert (Automat). 4–55 kNm.

Schraubenpressen

Oberhammer & Form an großer vertikaler Spindel, angetrieben durch Schwungrad. Hubenergie begrenzt → mehrfache Schläge wie Hammer. 63–6.300 to.

Hydraulische Pressen

Bewegliche Form an Hydraulikzylinder. Breites Größenspektrum bis 50.000+ to. Variable Hübe, Kräfte, Schließgeschwindigkeiten. Optional: horizontale Hilfszylinder für Seitenniederungen.

3. Nach Formanordnung (Matrizen)

Freiformschmieden (Open Die Forging)

Flache Formen ohne vorgeprägtes Profil. Einfache Formen, Material kann lateral frei fließen. Werkstückbewegung ist Schlüssel. >100 to, ~25 m Länge möglich. Geeignet für einfache Formen (geringere Maßhaltigkeit). Hohes Bedienerkönnen nötig. Formen einfach/günstig. Einfachster Prozess.

Progressive Formgebung vom Ausgangsmaterial (meist zwischen planen Formen). Praktisch: viele Varianten → extrem breites Form-/Größenspektrum. Wenn Designkriterien optimale strukturelle Integrität für riesige Bauteile fordern → Freiformschmieden oft einzige Alternative zu Nicht-Schmiede-Verfahren. Obergrenze = größter gießbarer Block.

Praktisch alle schmiedbaren ferro-/nichteisernen Werkstoffe möglich, inkl. exotische (aushärtbare Superlegierungen, korrosionsbeständige Refraktärmetalle).

Formvielfalt: Stufenwellen (Durchmesseränderungen entlang Achse), Hohlzylinder (Länge ≫ Durchmesser, variable Wanddicke/ID/OD), Ringformen (Scheibe bis Hohlzylinder), konturierte Schalen (Druckbehälter mit aufgeschweißten Düsen). Mehrere Freiformoperationen kombinierbar → gezielte Gesamtverformung & optimaler Faserfluss → Eigenschaftsmaximierung. Beispiel: Zahnradrohling mit Nabe → Ziehen + Upsetting. Ringrohling → Upsetting + Ausbohren + Ringschmieden.

Gesenkschmieden (Closed Die / Impression Die Forging)

Zwei Formen (Werkzeug) mit Negativprofil des Teils. Material vollständig in Kavität (Ober-/Unterform)Constrained. Wenige Gramm bis >25 to. Auch Kaltgesenkschmieden für Kleinteile. Stahl, Al, Ti & Legierungen → fast unbegrenzte 3D-Formen. Routine auf Hydraulik-/Mechanikpressen & Hämmern.

Formen schließen, Werkstoff plastisch verformt. Da Fluss durch Formkonturen begrenzt → komplexere Formen, engere Toleranzen als Freiform. Erfordert: höhere Grenzflächendrücke, exakte Volumenkontrolle, propertes Formdesign.

Echtes Gesenkschmieden (Flashless): Kein Grat (Flash) für Formfüllung nötig. Kavität lässt wenig/keinen Überlauf → höhere Anforderungen an Formdesign.

Zusätzliche Flexibilität durch Vorformoperationen (manchmal Biegen) vor Endform. Geometrien: einfache Kugeln/Blöcke/Scheiben bis hin zu komplexen Dünnwand-/Hochwandstrukturen (Rippen, Bossen). Symmetrisch & asymmetrisch (Flansche, Vorsprünge, Löcher, Taschen). Gebogene/Krümmung in einer/mehreren Ebenen.

Ablauf: Vorbearbeitung in Vorform (Blocking) → Endform (Finishing). Beide in gleichen Formblock. Anzahl Formen steigt mit Komplexität. Halbschalen schließen, Verformung unter Hochdruck. Hohe Maßgenauigkeit, enge Toleranzen, komplexe Formen. Formen komplex/teuer → hohe Stückzahlen zur Rechtfertigung nötig.

Formdesign abhängt von: Festigkeit/Duktilität Werkstoff, Empfindlichkeit gg. Verformungsrate/Temperatur, Reibung, Formkomplexität, Formverformung unter Last. Formwerkstoff: Hochtemperaturfestigkeit/Zähigkeit, Durchhärtbarkeit, Gleichmäßigkeit, Thermo-/Mechanoschockfestigkeit, Verschleißfestigkeit (Zunderabrieb). Auswahlkriterien: Formgröße, Werkstoff, Komplexität, Arbeitsschritte, Temperatur, Operationstyp, Kosten, Stückzahl, Wärmeübergang. Standard: Werkzeugstähle.

Mehrere Ingenieurwerkstoffe via konventionelles Gesenkschmieden: C-/Legierungsstähle, Werkzeugstähle, rostfrei, Al-/Cu-Legierungen, bestimmte Ti-Legierungen. Dehnraten-/Temperatursensitive Werkstoffe (Mg, hochlegierte Ni-Basis-Superlegierungen, Refraktärmetalle, manche Ti) → anspruchsvollere Prozesse/Spezialausrüstung.

Weitere Schmiedeverfahren

Nahtloses Ringwalzen (Seamless Rolled Ring Forging)

Loch in dickem Rundmaterial stanzen (Donut) → Walzen/Quetschen (oder Hämmern) zu dünnem Ring. Durchmesser: cm bis ~10 m. Gewicht: <1 kg bis 150 to. Uneingeschränkte Leistung für kreisrunde Querschnittsringe in Energie, Bergbau, Luftfahrt, Off-Highway.

• Flach (Unterlegscheibe) oder hohe Wandungen (hohlzylindrisch)
• Höhen: cm bis >3 m
• Wanddicke/Höhe: 1:16 bis 16:1 (Sonderverfahren mehr)
• Nahtlose Rohre bis 1.200 mm Ø, >6 m auf Schmiedepressen extrudiert
• Konturierte Ringe (Innen-/Außenkontur) → Tausende Formen, deutliche Bearbeitungsreduzierung, Kostensenkung durch Teilekonsolidierung. Max. Abmessungen etwas geringer als Flachringe, aber immer noch beeindruckend.

Hohe tangentiale Festigkeit & Duktilität → Drehmoment-/Druckbeanspruchte Bauteile: Zahnräder, Flugzeug-Triebwerkslager, Radlager, Kupplungen, Rotordistanzringe, Dichtscheiben/Gehäuse, Flansche, Druckbehälter, Ventilkörper. Werkstoffe: C-/Legierungsstähle, NE-Legierungen (Al, Cu, Ti), Ni-Basis.

Schmiedeoperationen (Grundoperationen)

• Ziehen (Drawing): Verlängern, Querschnitt verringern. Kräfte ⟂ Längsachse.
• Stauchen (Swaging): Kalt. Abmessungsänderung via Formkraft.
• Upsetting: Querschnitt vergrößern. Kräfte ∥ Längsachse. Typisch: Muttern/Schrauben.
• Walzen/Verteilen (Fullering): Freiform, konvexe Formen → Material aus einem Bereich zu beiden Seiten fließen lassen. Vorbereitung für Folgeoperationen.
• Schweißschmieden (Forge Welding): Zwei Teile bei Schmiedetemperatur durch Schlag/Druck verbinden → Längenverlängerung.
• Ebenen/Absetzen (Flatting/Setting Down): Hammer-/Wellenspuren beseitigen → glatte Oberfläche.
• Kanten (Edging): Material an Kante schlagen → Formgebung. Oft erste Operation.
• Biegen: Stab/Blech umformen. Für gebogene Teile.
Schneiden: Hammer & Meißel → Stäbe/Platten trennen (heiß).
• Lochen (Punching): Hohlzylinder-Form → Loch in Platte.

Schmiedeausrüstung – Grundlagen

Kontinuierliche Weiterentwicklung erfordert Verständnis von Maschinenkapazitäten/-eigenschaften. Ausrüstung beeinflusst Prozess: Verformungsrate, Temperatur, Produktionsrate. Prozessanforderungen müssen mit Last, Energie, Zeit, Genauigkeit der Maschine kompatibel sein.

Einteilung in zwei Grundtypen:

• Arbeitsbegrenzte Maschinen (Work-restricted): Verformung pro Hub/Schlag begrenzt durch verfügbare Energie/Kraft. Wenn nicht genug → mehrere Hübe/Schläge. Hämmer, Reibungsschraubenpressen, Hydraulikpressen.
• Hubbegrenzte Maschinen (Stroke-restricted): Verformung fix durch Hub. Wenn Kraft/Energie nicht reicht → Maschine blockiert, größere nötig. Mechanische Pressen (Kurbel/Exzenter fixiert Hub).

Arbeitsbegrenzte Maschinen

Hämmer

Häufigste Maschinen. Bevorzugt für kleine/mittlere Losgrößen (schnelles Umrüsten, niedrige Overheads). Auch für langgestreckte/verzweigte Schmiedeteile (mehr Vorformennester). Typen siehe oben (Fall-, Gegen-, Vertikal/Horizontal-Gegenhämmer).

Schraubenpressen

Oberhammer an Spindel mit Schwungrad. Begrenzte Hubenergie → Mehrfachschläge. 63–6.300 to.

Hydraulische Pressen

Bis 50.000+ to. Variable Hübe/Kräfte/Geschwindigkeiten. Optional horizontale Hilfszylinder.

Hubbegrenzte Maschinen

Mechanische Pressen

Breite Klasse. Motorrotation → Translationskraft (Pressen). Energie vom Motor. Schneller als Hydraulik/Schraube (Schraube auch mechanisch einordenbar). Kraft variiert in Geschwindigkeit & Betrag über Hub. Korrekter Hubbereich essenziell. Mechanismen: Kurbel, Kniehebel, Schottkyoke, Keil. Vertikale Preßbewegung zwischen Ober-/Unterform.

Schmiedefehler

Warm: Heißbrüchigkeit (Hot Shortness), Scherbänder, Korngrenzenkavitation.
Kalt: Oberflächenrisse, Scherbänder, Mittelbersten (Centre Burst).

Allgemeine Betriebsfehler:

1. Unvollständiges Formfüllen
2. Formversatz (Die Misalignment)
3. Schmiedegrate (Forging Laps)
4. Unvollständige Durchschmiedung
5. Mikrostrukturelle Unterschiede → Eigenschaftsstreuung
6. Heißbrüchigkeit (hoher S in Stahl/Ni)
7. Grübchenoberfläche (Zunder haftet an Form)
8. Knicken beim Upsetting (hohe Druckspannung)
9. Oberflächenrisse (Temperaturdifferenz Oberfläche/Kern, Überbearbeitung bei zu niedriger Temp.)
10. Mikrorisse (Eigenspannungen)

Weitere Fehler: Kaltschweißung (Cold Shut), Formversatz (Die Shift), falscher Faserfluss, Flakes, Zundergruben (Scale Pits), Gratrisse.

Ursachen & Vermeidung (Auswahl)

Fehler	Ursache	Vermeidung
Cold Shut	Unvollständiges Schweißen, übermäßiges Abkühlen, scharfe Ecken, hohe Reibung	Größere Radius an Formkanten
Die Shift	Formhälftenversatz	Exakte Ausrichtung, Passkerben oben/unten
Ungefüllte Bereiche	Schlechtes Formdesign, unzureichende Erwärmung, zu wenig Material	Design, Temperatur, Materialmenge prüfen
Scale Pits	Unregelmäßige Außenreinigung, Zunder/Oxid in Oberfläche	Reinigung verbessern
Falscher Faserfluss	Formdesign lässt Material nicht richtig fließen	Propertes Formdesign
Flakes	Interner Riss, falsches Abkühlen	Richtige Abkühlverfahren
Eigenspannungen	Falsches Abkühlen, ungleichmäßige Verformung	Langsames Abkühlen (Ofen/Asche)
Oberflächenrisse	Zu niedrige Temp., Überbearbeitung	Geignete Schmiedetemperaturen
Unvollständiges Schmieden	Nur Oberflächenbearbeitung, Inneres unberührt	Leichtere Hämmer
Gratrisse	Unzureichende Gratdicke	Gratdicke erhöhen