Gesenkschmieden von Stahl

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Geschichtliche Entwicklung
1.2 Technische und wirtschaftliche Bedeutung

2 Grundlagen

3 Werkstoffe
3.1 Definition
3.2 Vergleich des Umformverhaltens der Werkstoffe
3.3 Werkstoffarten
3.3.1 Unlegierte und legierte Baustähle
3.3.2 Nichtrostende Stähle

4 Unterteilung und Anwendung des Verfahrens
4.1 Übersicht über die Verfahren
4.2 Gesenkschmieden von der Stange (mit teilweise umschlossenem Werkstück)
4.2.1 Definition
4.2.2 Formrecken
4.2.3 Reckstauchen
4.2.4 Formrundkneten
4.2.5 Schließen im Gesenk
4.2.6 Formstauchen
4.3 Gesenkschmieden vom Stück (mit ganz umschlossenem Werkstück)
4.3.1 Definition
4.3.2 Anstauchen im Gesenk
4.3.3 Formpressen ohne Grat
4.3.4 Formpressen mit Grat
4.3.5 Gesenkdrücken
4.4 Gesenkschmieden vom Spaltstück

5 Arbeitsgänge und Arbeitsberechnungen
5.1 Arbeitsablauf beim Gesenkschmieden
5.2 Vorgänge im Gesenk
5.2.1 Definition
5.2.2 Stauchen
5.2.3 Breiten
5.2.4 Steigen
5.3 Materialeinsatzmasse mA
5.4 Berechnung des Grateinflusses
5.5 Kraft und Arbeitsberechnung
5.5.1 Umformgeschwindigkeit w0 zu Beginn
5.5.2 Mittlere Umformgeschwindigkeit wm
5.5.3 Formänderungswiderstand kwa zu Beginn der Umformung
5.5.4 Formänderungswiderstand kwe am Ende der Umformung
5.5.5 Maximale Presskraft F
5.5.6 Formänderungsarbeit W

6 Werkzeuge zum Gesenkschmieden
6.1 Prozessspezifische Unterscheidung
6.1.1 Vorformen
6.1.2 Zwischenformen
6.1.3 Entgraten
6.1.4 Endformen
6.2 Arten und Benennungen
6.3 Belastungen der Gesenke
6.3.1 Thermische Beanspruchung
6.3.2 Mechanische Beanspruchung
6.3.3 Tribologische Beanspruchung
6.3.4 Chemische Beanspruchung
6.4 Gesenkschäden
6.5 Schmieren von Gesenken
6.5.1 Aufgaben der Schmierung
6.5.2 Anforderungen der Schmierstoffe
6.6 Kühlen von Gesenken
6.7 Treibmittel
6.8 Herstellung von Gesenken

7 Gesenkschmiedemaschinen
7.1 Hauptunterschiede der Gesenkschmiedemaschinen
7.1.1 Weggebunden
7.1.1.1 Senkrechte Arbeitsbewegung
7.1.1.2 Waagrechte Arbeitsbewegung
7.1.1.3 Rotatorische Arbeitsbewegung
7.1.2 Kraftgebunden
7.1.2.1 Senkrechte Arbeitsbewegung
7.1.3 Arbeit- bzw. Energiegebunden
7.1.3.1 Senkrechte Arbeitsbewegung
7.1.3.2 Waagrechte Arbeitsbewegung
7.2 Bauarten
7.2.1 Exzenterschmiedepressen (Maximapressen)
7.2.2 Keilpressen
7.2.3 Spindelpressen
7.2.3.1 Funktionsweise der Spindelpressen
7.2.3.2 Funktionsweise der Kupplungs-Spindelpressen
7.2.3.3 Betriebsvorgänge bei Kupplungs-Spindelpressen
7.2.3.4 Der grundsätzliche Unterschied
7.2.3.5 Eigenschaften der Kupplungs-Spindelpressen
7.2.3.6 Spindelpressentypische Eigenschaften
7.2.3.7 Gesenkschmieden in Reihe
7.2.3.8 Das Verhältnis zu Schmiedepressen mit Kurbeltrieb
7.2.4 Hydraulische Pressen
7.2.5 Hämmer
7.2.6 Reckwalzen
7.2.7 Elektro-Stauchmaschinen

8 Wärmen von Gesenkschmieden

9 Gestaltung von Gesenkschmiedeteilen

10 Fertigungsbeispiele von Gesenkschmiedeteilen

11 Zusammenfassung auf Deutsch

12 Zusammenfassung auf Englisch

13 Literaturverzeichnis
13.1 Bücher
13.2 Zeitschriften
13.3 Internetrecherche

14 Abbildungsverzeichnis

15 Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Geschichtliche Entwicklung

Die Wurzeln des Gesenkschmiedens reichen mehrere Jahrtausende zurück. Die erste Wurzel ist das Schmieden von Eisen schlechthin; sie lässt sich bis auf die Anfänge der Eisengewinnung in Rennfeuern mit dem Ausschmieden der Luppen zu Stäben und deren Weiterverarbeitung zu Waffen, Schmuck und Gerät zurückführen. Dafür wurde die ganze Kraft und Geschicklichkeit des Schmiedens eingesetzt. Dieses wurde damals hoch angesehen. In der griechischen Mythologie ist der Schmied zum Gott Hephaistos^[1] geworden; aus der germanischen ist der mit übermenschlichen Fähigkeiten ausgestattete Wieland bekannt. Eine weitere Grundlage geht auf die Münztechnik zurück. Erste Vorläufer unserer heutigen Gesenke sind die antiken einseitigen Steinhohlformen zum Prägen von Gold- und Silberblechen für die Schmuckherstellung (Mykene und Kreta ab 1600 v. Chr.). Ab 800 v. Chr. werden die Münzen mit einseitiger Prägung in ähnlichen Formen gefertigt, und ab 600 v. Chr. sind die ersten Bronzewerkzeuge überliefert. Um 200 n. Chr. verwandte man in Rom bereits ein geschlossenes Münzgesenk zur Doppelprägung mit quadratischer Führung des Oberstempels. Im Mittelalter handhabte man sich einseitiger, flacher Gesenke zum Schmieden ornamentaler Eisenteile (etwa 1250 n. Chr.). Rollgesenke zum Schmieden von Perldraht wurden schon früher (980 n. Chr.) von Theophilus Presbyter^[2] beschrieben. Im ausgehenden Mittelalter dienten Rollgesenke häufig zum Schmieden von Kanonen- und Arkebusenkugeln von der Stange oder zum Überschmieden geschweißter Läufe. Die Gesenke in heutiger Form sind allerdings erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts zu finden. Sie waren für das Gesenkschmieden im modernen Sinne erst zu dieser Zeit zu verwenden, nachdem geeignete Maschinen, Fallhämmer mit geführtem Bären (etwa um 1750), zur Verfügung standen. Diese Gesenke gehen auf die Pfahlrammen zurück. Im Mittelalter waren auch schon Fallhammerbauarten zum Prägen von Münzen bekannt (Leonardo Da Vinci^[3] ).

Sämtliche Grundlagen des Schmiedens von Stahl wuchsen im Wesentlichen erst im Laufe des 19. Jahrhunderts zusammen und begründeten das Arbeitsverfahren des Gesenkschmiedens.

Mitte vorigen Jahrhunderts entstanden z. B. die ersten Messerschlägereien in Solingen. Zunächst auf handwerklicher Tradition beruhend, hat sich das Gesenkschmieden sodann etwa ab 1870 zu einem industriellen Arbeitsverfahren entwickelt, das zum größten Teil in einem eigenen Industriezweig, der Gesenkschmiedeindustrie, zum Teil jedoch auch in Schmiedeabteilungen größerer Werke ausgeübt wird. Hierbei ist ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen dem Gesenkschmieden und dem Austauschbau, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, festzustellen. [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1 Blick in eine Produktionshalle (um 1910) [24]

Zugleich nahm die Genauigkeit der Gesenkschmiedestücke laufend zu. Diese Entwicklung wurde durch Aufstellung von Toleranznormen und Lieferbedingungen in verschiedenen Ländern ab 1937 beträchtlich gefördert. Mit dem stets steigenden Massenbedarf der ebenso laufend wachsenden Weltbevölkerung wird das Gesenkschmieden, dessen Natur die Massenfertigung ist, seine Bedeutung noch vermehren. Als Arbeitsverfahren der Umformtechnik erspart es Zeit und Stoff und erfüllt gleichzeitig hohe Ansprüche an die technischen Eigenschaften der Werkstücke. [1]

1.2 Technische und wirtschaftliche Bedeutung

Das Gesenkschmieden zählt zu den Verfahren der Massenproduktion einzelner Werkstücke. Die Gesenkschmiedestücke können eine Masse von wenigen Gramm oder mehreren Tonnen haben. Des weiteren können die Abmessungen der Bauteile mehrere Meter betragen. Die Seriengrößen liegen zwischen einigen Stück bis zu mehreren Millionen.

Gesenkschmiedestücke werden im wesentlichen als Konstruktionsteile für Maschinen, insbesondere Fahrzeuge verwendet, daneben dienen sie der Herstellung von Werkzeugen wie Hämmer, Zangen, Schraubenschlüssel und von Befestigungsmitteln wie Schrauben, Bolzen, Nieten, Muttern. Die Verteilung auf verschiedene Abnehmergruppen entsprechend Tabelle 1.1 zeigt einerseits deutlich die Schwerpunkte, andererseits aber auch die Breite der Anwendung von Gesenkschmiedestücken. [6], [19]

Tabelle 1.1 Anteile verschiedener Abnehmergruppen an den Gesamtlieferungen der Gesenkschmiedeindustrie im Jahre 1999 [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Bedeutung des Gesenkschmiedestücks für den modernen Maschinen- und Fahrzeugbau lässt sich in den folgenden 6 Punkten zusammenfassen:

1. Gesenkschmiedestücke sind innerhalb jeder Metallgruppe Konstruktionsteile, deren Stoff entsprechend den Formgebungsmöglichkeiten des Gesenkschmiedens optimal ausgenutzt wird. Das günstige Festigkeits-Gewichtsverhältnis von Gesenkschmiedestücken erlaubt die Fertigung von hochbeanspruchbaren und dennoch verhältnismäßig leichten Bauteilen.
2. Um hohe wirtschaftliche und konstruktive Vorteile zu erzielen, wird das Gesenkschmiedestück mit anderen Fertigungsverfahren wie z.B. Kaltprägen, Fließpressen und Schweißen kombiniert.
3. Die nahezu unbegrenzte Werkstoffauswahl bei Stählen und Nichteisenmetallen gestattet in Verbindung mit den verfügbaren modernen Wärmebehandlungsverfahren optimale Anpassung der Schmiedestückeigenschaften an den Verwendungszweck. Gebrauchseigenschaften und Bearbeitungseigenschaften lassen sich optimal einstellen.
4. Durch die vorgegebenen Toleranzen und Genauigkeitsstufen der Abmessungen und der Form, kann ein Gesenkschmiedestück als Rohteil oder Endteil weiter verarbeitet werden.
5. Gesenkschmiedestücke sind frei von Poren und anderen Hohlräumen; sie haben ein dichtes, homogenes Gefüge, das mit modernen Verfahren Stück für Stück prüfbar ist. Gesenkgeschmiedete Bauteile werden deshalb überall dort verwendet, wo es auf ein hohes Maß an Sicherheit ankommt.
6. Gesenkschmiedestücke haben denkbar geringe und in engen Grenzen gleichmäßige Stoffzugaben. Damit entfällt unnötige Bearbeitungszeit und unnötige Beförderung nutzloser Abfälle. In Verbindung mit den anfallenden großen Mengen ist der Einsatz leistungsfähiger Bearbeitungsverfahren, z. B. des Räumens möglich, mit dem das Bearbeitungsideal erreicht wird. Man kann von der Schmiedefläche in einem Arbeitsgang eine einzige Spanschicht so abheben, dass das Fertigmaß bei guter Oberfläche erreicht wird. [6], [19]

Die Weltproduktion von Gesenkschmiedestücken aus Stahl wird auf über 10 Mill. Tonnen jährlich geschätzt. Der Gesamtwert aller in Ländern der westlichen Welt produzierten Gesenkschmiedestücke betrug 1999 weit über 7,5 Mrd. €. Die im Industrie-Verband Deutscher Schmieden zusammengeschlossenen Unternehmen produzieren mit 25000 Beschäftigten gegenwärtig etwa l Mill. t Gesenkschmiedestücke bei einem Stahleinsatz von etwa 1,2 Mill. t im Jahr. Daneben werden etwa 25000 t Gesenkschmiedestücke aus Kupfer- und 10000 t aus Aluminiumlegierungen produziert. Bei den Unternehmen der amerikanischen Forging Industry Association hat die Produktion von Gesenkschmiedestücken aus Nichteisenmetallen, insbesondere hochbeanspruchten Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt nach 1970 die Produktion an Gesenkschmiedestücken aus Stahl wertmäßig stark überschritten. [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2 Produktionsvolumen in der EU: 1 990 500 t (1997) [16]

2 Grundlagen

Gesenkschmieden ist ein Warm-Massivumformverfahren. Nach DIN 8583 gehört es zu den Druckumformverfahren mit gegeneinander bewegten Formwerkzeugen, wobei der Werkstoff in eine bestimmte Richtung gedrängt wird und die Form der im Gesenk vorhandenen Gravuren annimmt. Dabei wird das Rohteil auf ca. 1200 °C erwärmt und über mehrere Zwischenformen zum fertigen Werkstück umgeformt, Der Arbeitsablauf besteht aus Massenverteilung, Querschnittsvorbildung (oft durch Freiformschmieden) und Formpressen Abbildung 2.1, das aus den Grundvorgängen Stauchen, Breiten und Steigen besteht Abbildung 2.2. [3], [5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Arbeitsablauf beim Schmieden im Mehrstufengesenk [1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Grundtypen von Vorgängen beim Füllen von Schmiedegravuren: Stauchen; Breiten; Steigen [1]

Das Rohteil und die Zwischenformen sind so auf das Fertigteil abzustimmen, dass der günstigste Faserverlauf erzielt wird Abbildung 2.3.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 a-c Rohteilwahl, Verfahren und Faserverlauf bei Schmiedeteilen. a) Recken; b) Recken und Stauchen; c) Stauchen [1]

Beim Formpressen mit Grat wird der den Vorgang stark beeinflussende Grat im letzten Arbeitsgang durch Abgraten entfernt. Für das Genauschmieden ist mindestens ein Arbeitsgang im Geschlossenen Gesenk nötig. Es werden dadurch Schmiedestücke mit einer Maßgenauigkeit von IT9 bis IT11 gegenüber IT12 und IT16 erreicht. Außerdem wird eine genauere Oberflächenqualität erzielt. Präzisionsschmieden (z.B. unter Schutzgas, mit genauer Temperaturführung) erzeugt bei ausgewählten Maschinenteilen (z.B. Turbinenschaufeln, Kegelräder) einbaufertige Werkstücke noch höherer Genauigkeit. Die hauptsächlichen Schmiedegesenkarten sind bei den Gesenken mit Gratspalt das Vollgesenk. Dies können Einfachgesenke als Einsatzgesenk oder Mehrfachgesenke als Mehrstufengesenk sein. Geschlossene Gesenke sind Gesenke ohne Gratspalt mit einer Teilfuge. Bei Mehrstufengesenken gibt es dann mehrere Teilfugen. Infolge der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung (Erwärmung bis auf 700 °C, Spannungen bis 1000 N/mm2) ist die Lebensdauer der Werkzeuge begrenzt. Die Standart Stähle für Schmiedegesenke sind niedrig legierte Warmarbeitsstahle wie z.B. 55NiCrMoV6, 56NiCrMoV7, 57NiCrMoV77 für Vollgesenke und hochlegierte Warmarbeitsstähle wie z.B. X38CrMoV51, X37CrMoW51, X32CrMoV33 für Gesenkeinsätze. [8], [5]

3 Werkstoffe

3.1 Definition

Es werden grundsätzlich alle knetbaren Metalle als Werkstoff für Gesenkschmiedestücke verwendet. Hohe Bedeutung haben heute vor allem unlegierte und legierte Stähle, weiter Magnesium, Aluminium, Titan, Kupfer, Nickel bzw. ihre Legierungen, daneben in bisher sehr begrenztem Umfang hochwarmfeste Werkstoffe wie Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen. Auch Werkstoffe mit geringem Umformvermögen können durch Formpressen von gesinterten Zwischenformen im Gesenk umgeformt werden.

Die bedeutsamsten Werkstoffe für Gesenkschmiedestücke werden in den weiteren Abschnitten beschrieben. Es werden außerdem die allgemeinen Kennzeichnungen des Werkstoffes, seine Eigenschaften, seine Anwendung und sein Umformverhalten beschrieben. [6], [20]

3.2 Vergleich des Umformverhaltens der Werkstoffe

Die Werkstoffe lassen sich nach ihrer Schmiedbarkeit, Umformvermögen und Fließspannung kennzeichnen und wie folgt ordnen: Al-Leg., Cu-Leg., Mg-Leg., unlegierte und legierte Baustähle, ferritische nicht rostende Stähle, austenitische nicht rostende Stähle, Ti-Leg., Fe-Basis-Leg., Ni-Basis-Leg., Co-Basis-Leg., Nb-Leg., Ta-Leg., W-Leg., Be-Leg.

Bei zunehmender Temperatur wird das Umformverhalten metallischer Werkstoffe im generellen besser. Die obere Temperaturgrenze wird vor allem durch die Solidustemperatur bestimmt, die Temperatur, bei der ein Werkstoff zu schmelzen beginnt. Ferner können auch Phasenumwandlungen (z. B. bei Titanlegierungen) oder chemische Reaktionen (z. B. starke Zunderbildung, Entkohlung oder Korngrenzenoxidation) und Grobkornbildung die maximale Schmiedetemperatur festlegen. Durch die Rekristallisations-Temperatur oder durch die Phasenumwandlungen (z. B. a-g-Umwandlung bei Stahl) wird der untere Temperaturbereich begrenzt. Häufig wird der Bereich der Schmiedetemperatur wegen der mit abnehmender Temperatur stark ansteigenden Fließspannung oder wegen des ungünstigen Einflusses niedriger Schmiedetemperaturen auf die Eigenschaften (z. B. Grobkornbildung bei Stahl) weiter eingeengt.

Die Abbildung 3.1 zeigt die Temperaturbereiche für die verschiedene Werkstoffgruppen. Diese zeigt den Bereich der Schmiedetemperaturen für jeweils eine Werkstoffklasse. Es kann jedoch kein direkter Rückschluss auf die Schmiedetemperatur für einen bestimmten Werkstoff gezogen werden.

Das Bild zeigt auch, dass Schmiede-, Werkzeug- und Schmierschichttemperatur bei Al- und Mg-Legierungen relativ eng beieinander liegen, woraus sich starke Rückwirkungen auf die bei diesen Werkstoffgruppen angewandte Technologie ergeben. Der Fertigungsablauf und die Wahl der Maschinenart werden von der Lage der Schmiedestücktemperatur zur Solidustemperatur mitbestimmt (z. B. wird die Solidustemperatur unter Umständen überschritten, wenn Aluminiumlegierungen mit großen Umformgraden je Schlag, und kurzzeitig aufeinanderfolgenden Schlägen im Hammer geschmiedet werden). [6], [20]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1 Schmiedestück- und Werkzeugtemperaturbereiche beim Gesenkschmieden [6]

Maßgebend ist auch die Schmiedestücktemperatur. Diese ist für die Grundtemperatur des Werkzeugs und damit für die Wahl des Werkzeugstoffs wichtig. Das Verhältnis von Schmiedestücktemperatur zu Werkzeugtemperatur hat schließlich wegen der dadurch gegebenen Abkühlung des Schmiedestücks bzw. Anwärmung der Werkzeuge Rückwirkungen auf die mögliche Druckberührzeit und damit auf die Maschinenauswahl (hydraulische Pressen sind für das Schmieden von Magnesium- und Aluminium-Liegerungen ohne weiteres anwendbar, für das Schmieden von Stählen dagegen nur bedingt geeignet).

Um den günstigsten Temperaturbereich für das Umformvermögen festzustellen, werden Verdrehversuche (Anzahl der Umdrehungen bis zum Bruch) durchgeführt. Des weiteren kann man das Umformvermögen anhand der Bruchdehnung oder Einschnürung bei Zug- oder Schlagzugversuchen beurteilen. [6], [20]

Die Abbildung 3.2 zeigt die Fließspannungen einiger häufig verwendeter Werkstoffe bei den jeweiligen Schmiedetemperaturen. Aus der Größe der kf Werte und dem Kurvenverlauf erhält man Hinweise über die Schwierigkeiten beim Schmieden (steiler Anstieg der Fließspannung mit abnehmender Temperatur bedeutet enge Temperaturbereiche beim Schmieden). Dies ist aber nur bedingt einsetzbar, da sich die Druckspannungen und Kräfte aus dieser Darstellung nur bedingt ziehen lassen können, da zum Teil verschiedene Umformbedingungen (z.B. Umformgeschwindigkeit) angewendet werden und unterschiedliche Reibverhältnisse vorliegen. [6], [20]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2 Fließspannungen metallischer Werkstoffe (j = 0,5; j’ = 8 s-1 ) [6]

Einige für das thermische Verhalten wichtige Werkstoff-Kennwerte sind in Tabelle 3.1 angegeben.

Tabelle 3.1 Eigenschaften von Metallen [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn man vor der Aufgabe steht, eine noch wenig bekannte Legierung zu schmieden, wird man zuerst den Bereich der Schmiedetemperatur (Solidustemperatur, Rekristallisations-Temperatur, Temperatur von Phasenumwandlungen, Abhängigkeit des Formänderungsvermögens und der Fließspannung von der Temperatur) feststellen. Aus der absoluten Höhe der Schmiedetemperatur, der Größe des Temperaturbereiches und seiner Lage zur Solidustemperatur sowie dem Verhältnis von Schmiedetemperatur zu Werkzeugtemperatur ergeben sich dann wichtige Hinweise für die Gestaltung des Fertigungsablaufes, der Werkzeuge und der Maschinenauswahl. [6], [20]

3.3 Werkstoffarten

3.3.1 Unlegierte und legierte Baustähle

Für das Gesenkschmieden ist der wichtigste Werkstoff Stahl. Er ist deshalb so wichtig, weil es eine große Anzahl genormter Stahlsorten mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt. Er lässt sich durch Legierungszusätze und Wärmebehandlung unterschiedlichen Anforderungen an Härte, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit, Dauerschwingfestigkeit, Warmfestigkeit, Zerspanbarkeit und Korrosionsbeständigkeit anpassen. Für Gesenkschmiedestücke werden je nach Verwendungszweck Werkstoffe aus den übrigen in Tabelle 3.2 aufgeführten Stahlarten verwendet. [6], [20]

Tabelle 3.2 Stahlarten für Gesenkschmiedestücke [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In den Tabelle 3.3, Tabelle 3.4, Tabelle 3.5 sind eine Auswahl der wichtigsten Stahlwerkstoffe für Gesenkschmiedestücke mit Beispielen für ihre Verwendung zusammengestellt.

Tabelle 3.3 Allgemeine Baustähle nach DIN 17100 für Gesenkschmiedestücke [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.4 Einsatzstähle nach DIN 17210 für Gesenkschmiedestücke [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.5 Vergütungsstähle nach DIN 17200 für Gesenkschmiedestücke [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn ein bestimmter Stahl für ein Schmiedestück eingesetzt werden soll, dann ist er nach den Festigkeitseigenschaften (Härtbarkeit abhängig in erster Linie vom C-Gehalt), der Verteilung der Festigkeitseigenschaften (Härtewerte über dem Querschnitt) und der Einhärtbarkeit (abhängig vom C-Gehalt, von Art und Menge der Legierungselemente, Austenitkorngröße und Abschreckmedium) auszusuchen. Falls Werkstücke ohne Wärmebehandlung hergestellt werden sollen, wird dies zweckmäßig aus Stählen nach DIN 17100 gemacht. Es werden mikrolegierte Edelstähle anstelle von Vergütungsstählen (z. B. 49 MnVS 3 statt Ck 45) verwendet, wenn Schmiedestücke aus der Schmiedewärme gesteuert abgekühlt werden sollen.

Sofern bei Torsions- und Biegebeanspruchungen in den Randzonen ein hoher Festigkeitswert erzielt werden soll, dann ist eine Durchvergütung nicht nötig (Beispiel: Pkw-Kurbelwellen werden aus Ck 45 statt aus legierten Stählen geschmiedet).

Die unlegierten und legierten Baustähle haben bei Raumtemperatur ein kubisch-raumzentriertes Gefüge (Ferrit, a-Gefüge), bei höheren Temperaturen ein kubisch-flächenzentriertes Gefüge (Austenit, g-Gefüge). Bei Schmiedetemperatur ist nur eine Phase vorhanden. Oberhalb 700 bis 750 °C kommt es zu starker Oxidation und Entkohlung.

Der Legierungsspielraum bei Baustähle liegt bei 0,1 bis 1% C zur Erreichung von Härte und Festigkeit. Bis zu 5% Cr, Mo, V, Ni und andere Legierungselemente werden zugesetzt, um Härtbarkeit, Warmfestigkeit, Wärmewechselbeständigkeit, Dauerschwingfestigkeit, Korngröße und Bearbeitbarkeit zu beeinflussen.

Die Fließspannungen nehmen bei Hochlegierten Stählen merklich zu, während das Umformvermögen geringer ist. Dies hat zur folge, dass eine höherer Werkzeugbelastung entsteht und der Fertigungsablauf erschwert wird. Die Mindestabmessungen, Toleranzen und Bearbeitungszugaben sind aus diesem Grunde vom Werkstoff abhängig.

Unlegierte Vergütungsstähle lassen sich auf Zugfestigkeiten zwischen 500 und 900 N/mm2 bringen bei Bruchdehnungen zwischen 11 und 20% je nach C-Gehalt und Wärmebehandlung. Bei legierten Vergütungsstählen sind es 800 bis 1500 N/mm2 Zugfestigkeit (Streckgrenze 550 bis 900 N/mm2) bei 8 bis 12% Bruchdehnung. Bei Einsatzstählen richtet sich die Härte in der aufgekohlten Schicht sowie im Kern ebenfalls nach der Zusammensetzung des Grundwerkstoffes. Ergänzend nach der Einsatzdauer, der Art der Aufkohlung und der Wärmebehandlung. Hierbei lassen sich die Werkstückeigenschaften weitgehend den Beanspruchungen anpassen.

Unlegierte und niedriglegierte Baustähle haben bei den jeweiligen Schmiedetemperaturen ein ähnliches Umformverhalten, jedoch erfordern die Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt niedrigere Umformtemperaturen, wodurch die Fließspannung höher liegt Abbildung 3.3, Tabelle 3.6. [6], [20]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3 Bereich der Schmiedetemperaturen bei Kohlenstoffstahl [6]

Tabelle 3.6 Schmiedetemperatur von Stahl [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schwefel beeinträchtigt das Umformvermögen. Ob ein Stahl nach DIN 17100 zur Herstellung von Gesenkschmiedestücken geeignet ist, wird durch die Angabe des Buchstabens P gekennzeichnet, z. B. UP St 37-2.

Das Ausgangsmaterial für das Gesenkschmieden ist meist gewalzter Stahl. Darunter sind Stäbe bis Æ 50mm, Knüppel: □ 50 bis 130mm, Vorblö />

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4 Mittlerer Längenausdehnungskoeffizient zwischen 20 und u °C für verschiedene Stahlsorten [6]

Tabelle 3.7 gibt für 800, 950 und 1100 °C einige danach ausgerechnete Werte für das Schwindmaß. Es zeigt sich, dass wegen der starken Schwankung das Arbeiten im Gesenkbau mit einer einzigen Zahl für das Schwindmaß den wahren Verhältnissen nicht gerecht wird. Die Wahl falscher Werte sowie Abweichungen von den zugrunde gelegten Ablegetemperaturen beeinflussen unmittelbar die Maßgenauigkeit der Gesenkschmiedestücke. [6], [20]

Tabelle 3.7 Schwindmaße verschiedener Stahlwerkstoffe bei Ablegetemperaturen zwischen 800 und 1100 °C [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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^[1] Hephaistos (röm. Vulcanus) ist der griechische Gott des Feuers und der Schmiedekunst.

^[2] Theophilus Presbyter verfasste sein Werk über das mittelalterliche Kunsthandwerk zu Anfang des 12. Jahrhunderts wahrscheinlich in einem Kloster im Bistum Paderborn oder Hildesheim.
Er war gebildeter Theologe, ein vielseitig interessierter Handwerker und arbeitete selbst als Goldschmied.

^[3] Leonardo da Vinci (1452 – 1519) war nicht nur ein herausragender Künstler, sondern verband als Universalgenie das Wissen der Renaissance über Wissenschaft und Technik in seiner Person.

^[4] Pmax und Smax = 0,050 mit Ausnahme von St 52-3: Pmax und Smax = 0,045

^[5] Qualitätsstähle Pmax und Smax = 0,045; Edelstähle Pmax und Smax = 0,035

^[6] Qualitätsstähle Pmax und Smax = 0,045; Edelstähle Pmax und Smax = 0,035