Schmieden
Schmieden ist das spanlose Umformen von Metallen zwischen zwei Werkzeugen durch Querschnittsveränderung. Vorteile sind geringer Materialverlust im Gegensatz zur spanenden Bearbeitung, nachteilig die geringere Genauigkeit. Das heutzutage fast ausgestorbene Handwerk des Schmiedens wird von einem Schmied betrieben. Früher arbeitete der Schmied mit Hammer, Amboss und Steinkohlen-Esse. Das heutige industrielle Schmieden stellt Bauteile für den Maschinen- und Anlagenbau her. Industriell wurden im Jahre 2008 in Deutschland rund 8 Milliarden Teile geschmiedet, die im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau zum Einsatz kommen.
Im Vergleich zum Gießen verbleibt der Werkstoff (in der Regel Metall) im festen Aggregatzustand und wird mit Hammer, Amboss oder gleichartigen Maschinen bearbeitet.
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Geschichte
Wahrscheinlich wurden von Menschen zuerst die Metalle Gold, Silber und Kupfer bearbeitet. Diese drei kommen in der Natur gediegen (metallisch) vor und können im kalten Zustand zu Blechen verarbeitet werden. So sollen die Bewohner des heutigen Afghanistan bereits um 6000 v. Chr. Metalle be- und verarbeitet haben. Auch Funde in Ägypten und Indien haben gezeigt, dass dort vermutlich schon vor über 5.000 Jahren in heißem Zustand geschmiedet wurde. Schon in der vorrömischen Eisenzeit fand der Amboss Verwendung. Aufgrund ihres seltenen Vorkommens in gediegener Form und der aufwendigen 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.
Auch in Kunst und Kultur hat das Schmieden Einzug gehalten, z. B.
- in der Mythologie (Gott Hephaistos/Vulcanus, Wieland der Schmied, Tubal-Kain ein Schmied der Hebräischen Bibel, der Wunderschmied Ilmarinen im Kalevala)
- in Sprichworten und Redensarten („Man muss das Eisen schmieden, solange es heiß ist.“ und „Pläne schmieden“)
- in der Literatur (ausführlich in Karl Simrocks Amelungenlied)
- in der Malerei (auf Adolph Menzels Bild Die Gesenkschmiede)
- 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.
Heutzutage ist das industrielle Schmieden ein wichtiger Wirtschaftszweig in Deutschland. 2006 lag das Produktionsvolumen hier bei 2,75 Millionen Tonnen. Das entspricht 1,8 Milliarden umgeformter Teile. 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.
Schmiedbare Werkstoffe
Zum Schmieden eignen sich bis auf wenige Ausnahmen alle Metalle und Metall-Legierungen. Aus über 2.500 Stahlsorten kann die Sorte für den wirtschaftlichsten Einsatz ausgewählt werden.
Warm-, Halbwarm- und Kaltschmieden
Abhängig von der Umformtemperatur unterscheidet man:
- Warmschmieden (auch: Warmumformung) von Stahl:
- Arbeitstemperatur liegt oberhalb der Rekristallisationstemperatur, zwischen 950 und 1.250 °C
- Große Umformbarkeit der Werkstoffe
- Geringe Umformkräfte
- Keine Änderung der Festigkeit am umgeformten Werkstück
- Halbwarmschmieden (auch: Halbwarmumformung) 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
- Kaltschmieden (auch: Kaltumformung) von Stahl:
- Arbeitstemperatur liegt bei Raumtemperatur, Erwärmung auf bis zu 150 °C durch die Energie des Umformprozesses
- Enge Maßtoleranzen sind erreichbar
- Keine Verzunderung der Oberfläche
- Erhöhung der Festigkeit und Verringerung der Dehnung durch Kaltverfestigung
Beim Warmschmieden wird das zu schmiedende Halbzeug in einem Ofen auf Temperaturen zwischen 950 °C und 1.250 °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 verändert sich das Gefüge und somit die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs wesentlich.
Messing, Bronze, Kupfer, Edelmetalle und deren Legierungen werden dagegen in der Regel kalt geschmiedet.
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 sowie innen und/oder außen profilierten Ringen. Der größte lieferbare Durchmesser liegt im Jahr 2009 bei 8,0 Meter.
Freiformschmieden
Manuelles Freiformschmieden
Kunstschmiede verwenden das Freiformschmieden vor allem bei der Restaurierung, in der Denkmalpflege und in der Gestaltung hochwertiger Einzelstücke.
Die verschiedenen Techniken, die vom Schmied beim Freiformschmieden am Amboss angewandt werden, sind folgende Schmiedeverfahren:
- Trennen:
- abschroten
- spalten
- lochen
Der Kunst- oder Hufschmied erwärmt seine Schmiedestücke im Schmiedefeuer. 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, mit Vulkangestein gefüllte Feuer, mit denen man aber nicht feuerschweißen kann.
Das Schmieden ist ein alter Handwerksberuf. Es gibt eine Reihe von Spezialisierungsrichtungen für das Schmieden bestimmter Werkstoffe oder Gegenstände.
Die heutige Berufsbezeichnung für einen Kunstschmied ist Metallbauer Fachrichtung Metallgestaltung.
Industrielles Freiformschmieden
Beim Freiformschmieden wird das Schmiedestück zwischen zwei Sätteln durch eine Presse oder Hammer verformt. Dabei kann der Werkstoff in die nicht von den Werkzeugen umschlossenen Bereiche ausweichen.
In Freiformschmieden werden sehr große Werkstücke hergestellt wie beispielsweise Kurbelwellen von Schiffsdieseln oder Generatorläufer für Turboantriebe. Stückgewichte von bis zu 250 t sind dabei keine Seltenheit.
Das Anwärmen der großen Schmiedestücke erfolgt ebenso wie das temperaturgesteuerte Abkühlen in Herdwagenöfen.
Gesenkschmieden
Das Gesenkschmieden unterscheidet sich vom Freiformschmieden darin, dass das Schmiedestück völlig vom geschlossenen Werkzeug, dem Gesenk umschlossen wird. Die in das Gesenk vom Formenbauer eingebrachte Gravur bestimmt die Form des fertigen Schmiedestücks. Durch Gesenkschmieden werden vor allem sicherheitsrelevante Teile, wie beispielsweise kleinere Kurbelwellen, Pleuel, Zahnräder oder Spurstangenköpfe, hergestellt, da der Werkstoff durch das Schmieden weniger rissempfindlich wird. 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 mit Originalformen im Ölbad. Eine Alternative für das Gesenkschmieden ist (in der Regel für NE-Metalle) das Druckgießen, welches bei Teilen mit geringeren Ansprüchen an die Festigkeit angewendet wird.
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 (Strom) oder mit offenen Gasflammen auf Schmiedetemperatur – 1.200 Grad Celsius – 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 nahe kommt. So lassen sich Bauteilfehler durch zu hohe Umformgrade vermeiden bzw. hohe Umformgrade überhaupt erst ermöglichen.
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: Die Prozessstation „Abgraten und Lochen“ beim Gesenkschmiedeprozess ist im allgemeinen 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 Innengrad (Butzen) mit Hilfe eines Schnittstempels entfernt. Man unterscheidet Kalt- und Warmabgraten.
5. kontrolliertes Abkühlen: 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 vor allem schwer umformbare Werkstoffe bearbeitet, da beim Schmieden ein Spannungszustand mit einem hohen hydrostatischen Anteil vorliegt. Das Schmieden erfolgt in Langschmiedemaschinen, in denen Hämmer paarweise gegeneinander arbeiten. Der Vorschub und die Anstellung der Hämmer werden dabei programmgesteuert.
Schmiedemaschinen
Man unterscheidet zwischen Gesenkschmiedehämmern und Schmiedepressen.
Hämmer sind für große Werkstückmassen geeignet. Bei Schmiedehämmern treten große Verformgeschwindigkeiten auf, aber der Schlagimpuls kann bei großen Werkstücken nicht ganz nach innen durchdringen. Es gibt Energieverluste von bis zu 40 %. Das Arbeitsvermögen von Gesenkschmiedehämmern wird in kJ angegeben.
Schmiedepressen bringen die Kraft langsamer auf, dafür aber bis in die Kernzonen. Außerdem kann man mit Schmiedepressen präziser fertigen. Die Arbeitskraft wird in to angegeben.
Man unterscheidet folgende Typen von Schmiedemaschinen:
- arbeitsgebunden
- Gesenkschmiedehämmer
- Spindelpressen
- weggebunden
- kraftgebunden
- Hydraulische Pressen (langsamer Kraftaufbau)
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.
Siehe auch
Literatur
- Håvard Bergland: Die Kunst des Schmiedens. Das große Lehrbuch der traditionellen Technik. Wieland, Bruckmühl 2004, ISBN 3-9808709-4-4
- Lars Enander, Karl-Gunnar Norén: Schmieden lernen. Schäfer, Hannover 2003, ISBN 3-87870-672-3
- Johannes Grossewinkelmann: Schmieden – Entwicklung eines Gewerbes vom Handwerk zur Fabrik. (= Museumspädagogische Arbeitsmaterialie ; H. Nr. 2). Rheinland-Verlag, Köln ISBN 3-7927-1065-X
- Hermann Hundeshagen: Der Schmied am Amboß. Ein praktisches Lehrbuch für alle Schmiede. 8. Auflage. VEB-Verlag, Berlin 1937 (Nachdruck: Edition rari, Hannover 2001, ISBN 3-88746-430-3)
- Stahl-Informations-Zentrum (Hrsg.): Geschmiedeter Stahl – Inmmer in Form. Stahl-Informations-Zentrum, Düsseldorf 2008 (PDF)
- Hephaistos – Internationale Zeitschrift für Metallgestalter. Verlag Hephaistos, Immenstadt, 1992–, ISSN 0942-7511
