Schmieden

Schmieden ist das schlagartige spanlose Druckumformen von Metallen durch mehrere bis viele Werkzeugschläge zwischen zwei Werkzeugen unter örtlicher Änderung der Querschnittsform. Vorteile sind geringer Materialverlust im Gegensatz zur spanenden Bearbeitung und die gezielte Änderung des Feingefüges, also der Kristallstruktur. Nachteilig ist die gegenüber spanenden Verfahren geringere Genauigkeit.

Das manuelle Schmieden (Freiformschmieden) gehört zu den ältesten Handwerken. Hier muss der Schmied die Form seines Werkstücks am Amboss oder heute auch am Lufthammer frei erarbeiten, was Einfühlungsvermögen und vor allem Erfahrung voraussetzt. Der Schmied (auch Kunstschmied) arbeitet mit Schmiedehammer, Amboss und Kohlen- oder Gas-Esse.

Das industrielle Schmieden stellt Bauteile für den Maschinen- und Anlagenbau und den Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau her. Das industrielle Schmieden ist ein wichtiger Wirtschaftszweig in Deutschland. 2006 lag das industrielle Produktionsvolumen in Deutschland bei 2,75 Millionen Tonnen, das entsprach mindestens 1,8 Milliarden umgeformter Teile. Im Jahre 2008 belief sich das industrielle Produktionsvolumen in Deutschland auf 3 Millionen Tonnen, was 2 Milliarden umgeformter Teile entspricht.<ref>Brancheninfo 2008, Industrieverband Massivumformung, abgerufen am 3. Juni 2013.</ref>

Geschichte

Wahrscheinlich wurden von Menschen zuerst die Metalle Gold, Silber und Kupfer bearbeitet. Diese drei kommen in der Natur gediegen (metallisch) vor – Kupfer allerdings selten – und können im kalten Zustand zu Blechen oder Werkzeugen kaltverformt und somit verarbeitet werden. Bisher älteste Funde von Kupferplättchen für Schmuck stammen aus dem 8. Jahrtausend v. Chr. aus Anatolien. Die Bewohner des heutigen Afghanistans sollen bereits um 6000 v. Chr. Metalle be- und verarbeitet haben. Etwa aus der gleichen Zeit stammen auch die ersten Nachweise durch Verhüttung hergestellter Kupferbeile und Meißel im heutigen Serbien (Pločnik)<ref>Angelika Franz: Archäologen rätseln über 7000 Jahre alte Kupferfunde. In: Spiegel Online vom 27. Dezember 2010, abgerufen am 3. Oktober 2013</ref>, deren Klingen kalt ausgeschmiedet und damit oberflächlich verfestigt wurden.

Auch Funde in Mesopotamien, Ägypten und in Indien (Indus-Kultur) haben gezeigt, dass dort vermutlich schon vor über 5.000 Jahren in warmem Zustand geschmiedet wurde. In Mitteleuropa ist die berühmte Himmelsscheibe von Nebra vor ca. 4000 Jahren ein bedeutendes Zeugnis der Schmiedekunst,<ref>Herstellungstechnik der Himmelsscheibe und beiliegenden Fundstücke (Schwerter). Landesamt für Denkmalpflege und Archäologie Sachsen-Anhalt / Landesmuseum für Vorgeschichte. Abgerufen am 3. Oktober 2013.</ref> zu deren Herstellung die damaligen Schmiede über große Materialerfahrung verfügt haben mussten.

Die Erfindung des härtbaren Eisens (Stahl) gelang nach geschichtswissenschaftlichen Erkenntnissen erstmals um 1400 v. Chr. den Hethitern.<ref>Friedrich Cornelius: Geistesgeschichte der Frühzeit, Band 1, Verlag Brill-Archive, 1960, S. 132.</ref> Bereits in der vorrömischen Eisenzeit fanden Ambosse aus Bronze oder Eisen Verwendung. Aufgrund ihres seltenen Vorkommens in gediegener Form und der aufwändigen Gewinnung aus alternativen Erzen sowie der guten Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Werkstoffen hatten diese und auch andere Metalle einen hohen materiellen und kulturellen Wert. Sie waren begehrtes Handelsgut, Kultobjekt und Statussymbol.

Bei allen historischen Völkern hat das Schmieden in Kunst und Kultur Einzug gehalten:

• in der Mythologie: (z. B. in der griechische Sage der Gott „Hephaistos“ und dessen Helfer die „Kyklopen“ (Zyklopen) oder „Pythagoras in der Schmiede“, in der römischen Mythologie „Vulcanus“, in der germanischen „Wieland der Schmied“, aus der Hebräischen Bibel der Schmied „Tubal-Kain“ oder der Wunderschmied „Ilmarinen“ im Kalevala)
• in Sprichwörtern und Redensarten: („man muss das Eisen schmieden, solange es „warm“ ist“ … „Pläne schmieden“ … „jemanden zur Weißglut treiben“ … „zwei Eisen im Feuer haben“ … „ein jeder ist seines Glückes Schmied“)
• in der Literatur: (ausführlich in Karl Simrocks Amelungenlied)
• in der Malerei: (Adolph Menzel Die Gesenkschmiede, Hans Leu der Ältere Wunder des hl. Eligius)
• in der Musik: (in Richard Wagners Der Ring des Nibelungen)

Mircea Eliade untersucht in seinem Werk Schmiede und Alchemisten die Vorstellungen und Bräuche, die in Urzeiten mit dem Bergbau, mit dem Werk der Metallurgen und der Schmiede verbunden waren.

Als globale Technologieführer beliefern die deutschen Schmieden und Massivumformer die Schlüsselindustrie Fahrzeugbau mit rund zwei Dritteln der Produktion und den Maschinenbau mit weiteren 20 Prozent. Hinzu kommen die Luft- und Raumfahrttechnik, der Energiesektor, die Medizintechnik und der Schiffbau. Im Bereich des industriellen Schmiedens sind in Deutschland rund 250 meist mittelständische Unternehmen mit über 31.000 Mitarbeitern tätig. Der Umsatz der Branche lag im Jahr 2006 bei etwa 7,8 Milliarden Euro.

siehe auch → Schmied

Schmiedbare Werkstoffe

Zum Schmieden eignen sich bis auf wenige Ausnahmen alle Metalle und Metall-Legierungen. Aus über 2500 Stahlsorten kann die Sorte für den wirtschaftlichsten Einsatz ausgewählt werden. Man spricht nur dann vom Schmieden, wenn die Umformung oberhalb der Raumtemperatur stattfindet, das Werkstück also erwärmt wird oder sich das Werkstück durch die Umformung erheblich erwärmt.

Umformung

Die Umformung erfolgt beim Schmieden in der Regel bei höheren Temperaturen als bei der Gebrauchstemperatur mit Änderung des Metallgefüges oder mit hohem Druck auch bei Normaltemperatur. Die Verarbeitungstemperatur liegt entweder oberhalb der Rekristallisationstemperatur (Warmumformen) oder unterhalb der Rekristallisationstemperatur (Kaltumformen).

Zum Prozess des Schmiedens gehören auch das Gießen oder Walzen des Rohlings, das Härten und das Anlassen sowie das Schleifen. Im Vergleich zum Gießen verbleibt der Werkstoff im festen Aggregatzustand und wird mit Hammer und Amboss oder mit Maschinen, beispielsweise Lufthämmer und Pressen, bearbeitet.

Warm-, Halbwarm-, Kaltumformen und Thixoschmieden

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

• 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 <ref>Doege, E.; Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen, Springer Verlag, 2010, S. 671f.</ref>
  • 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.<ref>Stonis, M.: Mehrdirektionales Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen, In: Behrens, B.-A.; Nyhuis, P.; Overmeyer, L. (Hrsg.): Berichte aus dem IPH, Band 01/2011, PZH Produktionstechnisches Zentrum GmbH, Garbsen 2011</ref>

Einsatz von Aluminiumschmiedeteilen

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.<ref>Richter, J.; Stonis, M.: Qualitätsverbesserung beim Aluminiumschmieden, In Aluminium Praxis, Giesel Verlag GmbH, 20. Jg. (2015), Nr. 6/15, S. 20.</ref>

Formgebung

Manuelles Freiformschmieden

Kunstschmiede verwenden das Freiformschmieden vor allem bei der Restaurierung, in der Denkmalpflege und in der Gestaltung von Einzelstücken wie Vordächer, Gitter, Tore, Geländer, Brunnen usw. oder auch Leuchten, Garderoben, Kerzenständer.

Die verschiedenen Techniken, die vom Schmied beim Freiformschmieden am Amboss angewandt werden, sind folgende Schmiedeverfahren:

• Fügen:
  • Schweißen
  • Schrumpfen

• Trennen:
  • Abschroten
  • Spalten
  • Lochen

• Umformen:
  • Spitzen
  • Breiten
  • Absetzen
  • Stauchen
  • Strecken
  • antiklastisches Schmieden (vor allem für Schmuckstücke)
  • Schlichten
  • Biegen
  • Tordieren

• weitere Verfahren sind:
  • Treiben
  • Dengeln
  • Falten

Sowohl der Kunstschmied wie 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 %).

Industrielles Freiformschmieden

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.

• Hammering out a draw bar on the steam drop hammer in the blacksmith shop, Santa Fe RR.jpg

  Freiformschmieden unter einem Dampfhammer

• Drop forging Gesenkschmieden.jpg

  Gesenkschmiede

Gesenkschmieden

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.

Der Verfahrensprozess des Gesenkschmiedens lässt sich in folgende fünf Abschnitte einteilen:

1. Erwärmen

In der Regel wird beim industriellen Schmieden ein Vierkant- oder Rund-Stahl induktiv oder mittels gasbeheiztem Stoß- oder Drehherdofen auf die erforderliche Umformtemperatur von 750 bis 950 Grad Celsius beim Halbwarm- und von 950 bis 1250 Grad Celsius beim Warmumformen erwärmt.

2. Vorformen

Soll das geschmiedete Bauteil eine komplexe Gestalt mit stark unterschiedlicher Massenverteilung aufweisen, wird es vor dem eigentlichen Gesenkschmiedeprozess vorgeformt, d.h. es findet eine gezielte Massenverteilung statt, die dem endgültigen Schmiedeteil schon relativ nahekommt. So lassen sich Bauteilfehler durch lokal zu hohe Umformgrade vermeiden bzw. hohe Umformgrade werden überhaupt erst ermöglicht. Gleichzeitig werden die Kosten durch geringeren Werkstoffverbrauch gesenkt.

3. Fertigschmieden

Seine endgültige Gestalt erhält das Schmiedeteil beim Gesenkschmieden im Gesenk, bestehend aus zwei Gesenkhälften. Unter hohem Druck eines Schmiedehammers oder einer Schmiedepresse findet hier bei Schmiedetemperatur von rund 1.200 Grad Celsius die gezielte Massenverteilung und endgültige Formgebung statt.

4. Abgraten und Lochen

Man unterscheidet Kalt- und Warmabgraten. Der Prozess Warmabgraten und Lochen beim Gesenkschmiedeprozess ist direkt dem Gesenkschmiedevorgang nachgeschaltet. Beim Abgraten wird der außen am Teil befindliche Grat entfernt. Hierbei wird das Bauteil mittels eines Stempels durch eine Schnittplatte gedrückt. Beim Lochen wird der Innengrat (Butzen) mit Hilfe eines Stempels entfernt. Beim Kaltabgraten wird nach dem Erkalten der Werkstücke in einem Prozess abgegratet und gelocht. Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei sehr feingliedrigen Schmiedestücken verwendet, beispielsweise bei Schneidwaren.

5. kontrolliertes Abkühlen

(Wärmebehandlung aus der Schmiedewärme): Je nachdem, wie schnell oder langsam der Abkühlprozess erfolgt (an statischer Umgebungsluft, unter einem Lüftergebläse oder in einem flüssigen Medium (Wasser, Öl, Salzbäder, wässrige Polymer-Lösung)) oder ob dieser in einem oder mehreren Schritten (gestuftes Abkühlen) stattfindet, können dadurch dem fertigen Bauteil zusätzliche Materialeigenschaften gegeben werden.

Langschmieden

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.<ref>Günter Spur, Dieter Schmoeckel, Theodor Stöferle: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 2 Umformen und Zerteilen. Hanser-Verlag, München 1984, ISBN 3-446-13805-6, S. 620 f.</ref>

Präzisionsschmieden

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.

Schmiedemaschinen

Man unterscheidet zwischen Freiform-, Gesenkschmiedehämmern und Schmiedepressen.

Hämmer sind für große Werkstückmassen geeignet. Hämmer sind je nach Bauart für kleinste bis große Schmiedstücke geeignet. Die Stückgewichte können von etwa 100 Gramm bis 1.000 Kilogramm haben. Bei Schmiedehämmern treten große Umformgeschwindigkeiten auf. Die Eindringtiefe der Umformung ist wegen der Reibverluste im Werkstück begrenzt. Bei Schmiedepressen wird die Kraft langsamer aufgebracht, dadurch kann der Fließvorgang in den Werkstoff tiefer eindringen. Dieses ist besonders bei sehr großen Werkstücken wichtig. Das Arbeitsvermögen von Gesenkschmiedehämmern wird in kJ und die Arbeitskraft bei Pressen in kN angegeben.

Man unterscheidet folgende Typen von Schmiedemaschinen:

• arbeitsgebunden
  • Maschinenhammer zum Freiformschmieden, z. B. Lufthammer, Federhammer, Fallhammer
  • Gesenkschmiedehammer
  • Spindelpressen
• weggebunden
  • Kurbelpressen
  • Kniehebelpressen
  • Exzenterpressen
  • Horizontalschmiedepressen
• kraftgebunden
  • Hydraulische Pressen (langsamer Kraftaufbau)

Literatur

• Johannes Grossewinkelmann: Schmieden – Entwicklung eines Gewerbes vom Handwerk zur Fabrik. Rheinland-Verlag, Köln 1989, ISBN 3-7927-1065-X. (= Museumspädagogische Arbeitsmaterialie; H. Nr. 2)
• Stahl-Informations-Zentrum (Hrsg.): Geschmiedeter Stahl – immer in Form. Stahl-Informations-Zentrum, Düsseldorf 2008. (PDF; 951 kB)
• Adolf: Schmiedeteile – Gestaltung, Anwendung, Beispiele. Hagen 1994/1995, ISBN 3-928726-12-9.
• Axel Specker: Untersuchungen zum gratlosen Gesenkschmieden von Kurbelwellen. PZH-Verlag, Berichte aus dem IPH 04/2009, ISBN 978-3-941416-25-3.
• Industrieverband Massivumformung: Leichtbau durch Massivumformung. Inforeihe Massivumformung, März 2007, ISBN 3-928726-20-X.

Weblinks

• Forschungsschwerpunkt gratloses Präzisionsschmieden, IPH – Institut für integrierte Produktion Hannover gGmbH

Einzelnachweise

<references />