Metallschmieden erklärt: Welche Metalle, Stahlarten und wie es funktioniert

Metalllschmieden ist der Prozess der Formung von Metall mithilfe von Druckkraft – durch Hämmern, Pressen oder Walzen – typischerweise während das Metall erhitzt wird, um es formbarer zu machen. Fast jedes Metall, das erhitzt werden kann, ohne zu spröde zu werden, kann technisch geschmiedet werden. In der Praxis dominieren jedoch Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Aluminium, Titan und Kupferlegierungen das industrielle Schmieden, da sie die beste Kombination aus Bearbeitbarkeit und den durch das Schmieden erzielten Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften bieten.

Welche Metalle können geschmiedet werden und warum manche besser geschmiedet werden können als andere?

Die Schmiedbarkeit eines Metalls hängt von seiner Duktilität bei Schmiedetemperatur und davon ab, wie seine Kornstruktur auf Verformung reagiert. Stähle mit einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur (FCC) verformen sich bei hoher Temperatur gleichmäßiger unter Druck, weshalb Stahl das am häufigsten geschmiedete Metall in industriellen Umgebungen ist.

Metalle mit einem hohen Kohlenstoffgehalt über ungefähr 0,6 % sowie Gusseisen gelten im Allgemeinen als schlechte Kandidaten für das Schmieden, da ihnen selbst bei erhöhten Temperaturen die ausreichende Duktilität fehlt und sie unter Hammer- oder Presskraft eher zur Rissbildung als zur Verformung neigen.

Wie schmiedet man Stahl: Der grundlegende Prozess erklärt

Das Schmieden von Stahl folgt einem Ablauf, der sich seit der traditionellen Schmiedekunst nicht grundlegend geändert hat, auch wenn sich Maßstab und Ausrüstung in industriellen Umgebungen dramatisch weiterentwickelt haben.

1. Heizung: Der Stahl wird in einer Schmiede – traditionell kohle- oder koksbefeuert, heute oft gas- oder induktionsbefeuert – auf seine Schmiedetemperatur erhitzt, typischerweise zwischen 10 und 10 % 1.100 °C und 1.250 °C (2.000 °F bis 2.300 °F) für die meisten Kohlenstoffstähle, erkennbar an einer leuchtend orangen bis gelben Farbe.
2. Verformung: Durch Hämmern, Pressen oder Walzen wird eine Druckkraft ausgeübt, um den erhitzten Stahl zu formen – dies kann im offenen Gesenk (Freiformung) oder im geschlossenen Gesenk (Metall in einen geformten Hohlraum drücken) erfolgen.
3. Aufwärmen nach Bedarf: Stahl kühlt schnell ab, sobald er aus der Schmiede entnommen wird, und wenn er unter den Schmiedetemperaturbereich fällt, muss er vor der Weiterverarbeitung wieder zur Wärmequelle zurückgeführt werden – bei der Bearbeitung von zu kühlem Stahl besteht eher die Gefahr von Rissen als von Verformungen.
4. Normalisieren oder Glühen: Nach dem Formen wird das geschmiedete Stück oft wieder auf eine kontrollierte Temperatur erhitzt und langsam abgekühlt, um die beim Schmieden entstehenden inneren Spannungen abzubauen und die Kornstruktur zu verfeinern.
5. Fertigstellung: Überschüssiges Material (Abgraten beim Gesenkschmieden) wird abgeschnitten und das Teil kann je nach endgültiger Anwendung einer zusätzlichen Wärmebehandlung, Bearbeitung oder Oberflächenveredelung unterzogen werden.

Arten von Metallschmiedeprozessen

Industrielles Schmieden wird im Allgemeinen nach der Temperatur und der verwendeten Gesenkkonfiguration kategorisiert. Die Wahl zwischen diesen Methoden hängt von der Komplexität des Teils, dem Produktionsvolumen und den erforderlichen mechanischen Eigenschaften ab.

• Warmschmieden: Wird oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Metalls durchgeführt, wodurch erhebliche Formänderungen mit relativ geringem Kraftaufwand möglich sind und das Risiko einer Rissbildung verringert wird – die gebräuchlichste Methode für Stahl.
• Kaltschmieden: Wird bei oder nahe Raumtemperatur durchgeführt und erzeugt Teile mit engeren Maßtoleranzen und einer glatteren Oberflächenbeschaffenheit, erfordert jedoch deutlich höhere Kräfte und begrenzt die mögliche Verformung ohne Rissbildung.
• Warmschmieden: Ein Mittelweg, der bei mittleren Temperaturen funktioniert und den geringeren Kraftbedarf des Warmschmiedens mit einigen der Präzisionsvorteile des Kaltschmiedens in Einklang bringt.
• Freiformschmieden: Das Metall wird zwischen flachen oder einfach geformten Matrizen geformt, die es nicht vollständig umschließen, sodass das Metall nur dort fließen kann, wo die Matrizen es berühren – wird für große, einfache Formen wie Wellen und Scheiben verwendet.
• Gesenkschmieden (Gesenkschmieden): Das Metall wird in einen Formhohlraum gedrückt, der es vollständig umschließt, wodurch komplexere Formen mit engeren Toleranzen entstehen – die für großvolumige Teile wie Automobilkomponenten verwendet werden.
• Gesenkschmieden: Eine spezielle hammerbasierte Schmiedemethode, bei der ein schweres Gewicht auf das in oder auf einer Matrize positionierte Werkstück fallen gelassen wird, was üblicherweise mit herkömmlichen industriellen Schmiedevorgängen in Verbindung gebracht wird.

Was ist Schmiedestahl und wie wirkt sich der Kohlenstoffgehalt auf das Ergebnis aus?

„Geschmiedeter Stahl“ bezieht sich auf Stahl, der durch Schmieden und nicht durch Gießen (gießen von geschmolzenem Metall in eine Form) oder maschinelle Bearbeitung (Abschneiden von Material von einem massiven Block) geformt wurde. Der Schmiedevorgang komprimiert und richtet die innere Kornstruktur des Stahls entlang der Verformungsrichtung aus, was im Allgemeinen zu einer verbesserten Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu einem Gussteil derselben Zusammensetzung führt. Aus diesem Grund werden geschmiedete Komponenten häufig für Teile verwendet, die hoher Beanspruchung oder Stößen ausgesetzt sind, wie z. B. Kurbelwellen, Zahnräder und Strukturbeschläge.

Der Kohlenstoffgehalt ist der Hauptfaktor zur Unterscheidung verschiedener Schmiedestahlsorten und bestimmt den Kompromiss zwischen Festigkeit, Härte und Duktilität nach dem Schmieden:

Ein höherer Kohlenstoffgehalt ermöglicht, dass das geschmiedete Teil durch eine anschließende Wärmebehandlung eine größere Härte erreicht, verengt aber auch das Temperaturfenster, innerhalb dessen der Stahl sicher und ohne Rissbildung geschmiedet werden kann – weshalb Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt mit strengerer Temperaturkontrolle und häufigerem Wiedererhitzen geschmiedet werden.

Was verwenden Schmiede: Werkzeuge und Ausrüstung zum Handschmieden

Während das industrielle Schmieden auf hydraulischen Pressen und mechanischen Hämmern beruht, entsprechen die Kernwerkzeuge, die Schmiede beim Handschmieden verwenden, weitgehend der traditionellen Praxis und werden an den Umfang der geleisteten Arbeit angepasst.

• Schmiede: Eine Wärmequelle – traditionell eine mit Kohle oder Koks befeuerte Schmiede, heute sind Propan- und Induktionsschmieden üblich – wird verwendet, um Stahl auf Schmiedetemperatur zu bringen
• Amboss: Ein schwerer Stahlblock, der eine stabile, starre Oberfläche zum Hämmern bietet und über verschiedene Merkmale (Horn, Hardy-Loch, Pritchel-Loch) verfügt, die für verschiedene Formtechniken verwendet werden
• Hämmer: Eine Reihe von Hammergewichten und Schlagflächenformen für unterschiedliche Aufgaben – Kreuzhämmer zum Herausziehen von Metall, Kugelhämmer und Rundhämmer zum Strukturieren und Formen
• Zange: Dient zum sicheren Halten heißer Werkstücke mit verschiedenen Backenformen für Rundmaterial, Flachmaterial oder bestimmte Teilegeometrien
• Meißel und Locher: Wird verwendet, während das Metall heiß ist, um es zu schneiden, zu durchbohren oder eine dekorative Textur zu erzeugen
• Abschreckbecken: Ein Behälter mit Wasser, Öl oder einem anderen Abschreckmittel, das zum schnellen Abkühlen von Stahl zum Härten verwendet wird, wobei die Wahl des Abschreckmittels die resultierende Härte und das Risiko von Rissen beeinflusst

Sowohl beim manuellen als auch beim industriellen Schmieden ist die Farbe der traditionelle Indikator für die Temperatur – eine leuchtend gelb-orange Farbe entspricht im Allgemeinen dem optimalen Schmiedebereich für die meisten Kohlenstoffstähle, während eine mattrote Farbe darauf hinweist, dass der Stahl unter den sicheren Arbeitsbereich abgekühlt ist und bei Stößen die Gefahr einer Rissbildung besteht.