Schmieden von Pulvermetall

Schmieden ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Schmiedemaschinen Druck auf Metallrohlinge ausüben, sodass diese plastisch verformt werden und Schmiedestücke mit bestimmten mechanischen Eigenschaften, Formen und Abmessungen entstehen. Es ist ein Teilbereich des Schmiedens und Stanzens. Durch Schmieden können Fehler wie Lunker und andere Gussfehler beseitigt werden, die während des Schmelzprozesses entstehen, und das Gefüge kann optimiert werden. Da gleichzeitig die vollständigen Metallfaserverläufe erhalten bleiben, sind die mechanischen Eigenschaften von Schmiedestücken im Allgemeinen besser als die von Gussteilen aus demselben Material. Wichtige Bauteile mit hohen Belastungen und schwierigen Betriebsbedingungen in entsprechenden Maschinen werden - abgesehen von einfacheren Formen, die aus gewalzten Blechen, Profilen oder Schweißkonstruktionen hergestellt werden können - überwiegend als Schmiedestücke ausgeführt.

01 Umformtemperatur

Die anfängliche Rekristallisationstemperatur von Stahl liegt bei etwa 727℃, jedoch werden im Allgemeinen 800℃ als Grenzwert verwendet. Schmieden bei über 800℃ wird als Warmschmieden bezeichnet; Schmieden zwischen 300 und 800℃ nennt man Halbwarm- oder Warmumformung, und Schmieden bei Raumtemperatur wird als Kaltschmieden bezeichnet. Die in den meisten Branchen verwendeten Schmiedestücke sind Warmschmiedestücke. Halbwarm- und Kaltschmieden werden hauptsächlich zur Herstellung von Teilen für Automobile, allgemeine Maschinen usw. eingesetzt. Halbwarm- und Kaltschmieden können Werkstoffe wirksam einsparen.

02 Schmiedekategorien

Wie oben erwähnt, kann das Schmieden entsprechend der Schmiedetemperatur in Warmschmieden, Halbwarm- und Kaltschmieden unterteilt werden. Nach dem Umformmechanismus wird zwischen Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Ringwalzen und Sonderschmiedeverfahren unterschieden.

1) Freiformschmieden bezeichnet ein Fertigungsverfahren, bei dem einfache Universalwerkzeuge verwendet oder direkt äußere Kräfte auf den Rohling zwischen dem oberen und unteren Amboss der Schmiedeausrüstung ausgeübt werden, um den Rohling zu verformen und die erforderliche geometrische Form sowie die innere Qualität des Schmiedestücks zu erreichen. Die durch Freiformschmieden hergestellten Schmiedestücke werden Freiformschmiedestücke genannt. Freiformschmieden wird hauptsächlich zur Herstellung kleiner Losgrößen eingesetzt. Schmiedeausrüstungen wie Schmiedehämmer und hydraulische Pressen formen die Rohlinge zu qualifizierten Schmiedestücken. Zu den grundlegenden Verfahren des Freiformschmiedens gehören Stauchen, Strecken, Lochen, Abtrennen, Biegen, Verdrehen, Verschieben und Schmieden. Beim Freiformschmieden werden Warmumformverfahren eingesetzt.

2) Gesenkschmieden Das Gesenkschmieden wird in offenes und geschlossenes Gesenkschmieden unterteilt. Der Metallrohling wird in einem Gesenk mit einer bestimmten Form verdichtet und verformt, um ein Schmiedestück zu erhalten. Gesenkschmieden wird im Allgemeinen zur Herstellung von Teilen mit geringem Gewicht und großen Stückzahlen eingesetzt. Es kann in Warmgesenkschmieden, Halbwarm- und Kaltschmieden unterteilt werden. Halbwarm- und Kaltschmieden sind die zukünftigen Entwicklungsrichtungen des Gesenkschmiedens und repräsentieren zugleich den Stand der Schmiedetechnik.

Nach dem Werkstoff kann das Gesenkschmieden außerdem in Gesenkschmieden von Eisenmetallen, Gesenkschmieden von Nichteisenmetallen und Formen von Pulvererzeugnissen unterteilt werden. Wie der Name sagt, handelt es sich bei den Werkstoffen um Eisenmetalle wie Kohlenstoffstahl, Nichteisenmetalle wie Kupfer und Aluminium sowie pulvermetallurgische Werkstoffe.

Strangpressen ist dem Gesenkschmieden zuzuordnen und kann in Strangpressen von Schwermetallen und Strangpressen von Leichtmetallen unterteilt werden.

Geschlossenes Gesenkschmieden und geschlossenes Stauchen sind zwei fortschrittliche Gesenkschmiedeverfahren. Da kein Grat entsteht, ist die Werkstoffausnutzung hoch. Die Fertigbearbeitung komplexer Schmiedestücke kann in einem oder mehreren Arbeitsgängen abgeschlossen werden. Da kein Grat vorhanden ist, wird die Kraftangriffsfläche des Schmiedestücks verringert, wodurch auch die erforderliche Last sinkt. Es ist jedoch zu beachten, dass der Rohling nicht vollständig eingeschlossen werden darf. Daher muss das Volumen des Rohlings streng kontrolliert, die relative Position des Gesenks gesteuert und das Schmiedestück vermessen werden, um den Verschleiß des Gesenks möglichst gering zu halten.

3) Ringwalzen Ringwalzen bezeichnet die Herstellung von Ringteilen mit unterschiedlichen Durchmessern mithilfe spezieller Ringwalzmaschinen. Es wird auch zur Herstellung von radförmigen Teilen wie Automobilnaben und Eisenbahnrädern eingesetzt.

4) Sonderschmieden Das Sonderschmieden umfasst Walzschmieden, Querkeilwalzen, Radialschmieden, Flüssiggesenkschmieden und weitere Schmiedeverfahren, die sich besser für die Herstellung von Teilen mit bestimmten Sonderformen eignen. Beispielsweise kann Walzschmieden als wirksames Vorformverfahren eingesetzt werden, um den nachfolgenden Umformdruck stark zu reduzieren; durch Querkeilwalzen können Teile wie Stahlkugeln und Antriebswellen hergestellt werden; durch Radialschmieden lassen sich große Trommeln, Stufenwellen und andere Schmiedestücke fertigen.

5) Schmiedegesenke Entsprechend der Bewegungsart des Schmiedegesenks kann das Schmieden in Schwenkwalzen, Schwenkrotationsschmieden, Walzschmieden, Querkeilwalzen, Ringwalzen und Schrägwalzen unterteilt werden. Schwenkwalzen, Schwenkrotationsschmieden und Ringwalzen können auch durch Präzisionsschmieden bearbeitet werden. Um die Werkstoffausnutzung zu verbessern, können Walzschmieden und Querwalzen als Vorstufen für schlanke Werkstoffe eingesetzt werden. Wie beim Freiformschmieden erfolgt auch beim Rotationsschmieden eine teilweise Umformung. Der Vorteil besteht darin, dass im Vergleich zur Größe des Schmiedestücks auch bei geringerer Schmiedekraft eine Umformung erreicht werden kann. Bei diesem Schmiedeverfahren, einschließlich des Freiformschmiedens, dehnt sich der Werkstoff während der Bearbeitung ausgehend von der Gesenkoberfläche zur freien Oberfläche aus, sodass die Genauigkeit nur schwer gewährleistet werden kann. Durch computergesteuerte Regelung der Bewegungsrichtung des Schmiedegesenks und des Rotationsschmiedeprozesses lassen sich jedoch mit geringerer Schmiedekraft Produkte mit komplexen Formen und hoher Präzision herstellen, beispielsweise Schmiedestücke wie Turbinenschaufeln in großer Vielfalt und Größe.

03 Schmiedeausrüstung:

Begrenzung der Schmiedekraft: Hydraulikpresse mit hydraulischem Direktantrieb des Stößels.

Quasi-Hubbegrenzungsverfahren: Hydraulikpresse mit hydraulischem Antrieb eines Kurbelpleuelmechanismus.

Hubbegrenzungsverfahren: Mechanische Presse mit Kurbel-, Pleuel- und Keilmechanismus zum Antrieb des Stößels.

Energiebegrenzungsverfahren: Spindel- und Friktionspresse mit Spindelmechanismus. Um eine hohe Präzision zu erreichen, muss darauf geachtet werden, eine Überlastung im unteren Totpunkt zu verhindern und Geschwindigkeit sowie Gesenkposition zu kontrollieren. Diese Faktoren beeinflussen die Toleranz, Formgenauigkeit und Lebensdauer des Schmiedegesenks. Außerdem muss zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit auf die Einstellung des Führungsspiels des Stößels, die Gewährleistung der Steifigkeit, die Einstellung des unteren Totpunkts und den Einsatz zusätzlicher Übertragungseinrichtungen geachtet werden.

Der Stößel kann sich außerdem vertikal oder horizontal bewegen, beispielsweise beim Schmieden schlanker Teile, zur Schmierung und Kühlung sowie zur Hochgeschwindigkeitsproduktion von Schmiedeteilen. Mithilfe von Ausgleichseinrichtungen kann die Bewegung in andere Richtungen erweitert werden. Die oben genannten Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich der erforderlichen Schmiedekraft, des Prozesses, der Werkstoffausnutzung, der Ausbringung, der Maßtoleranz sowie der Schmier- und Kühlverfahren. Diese Faktoren beeinflussen auch den Automatisierungsgrad.

04Schmiedewerkstoffe

Schmiedewerkstoffe sind hauptsächlich Kohlenstoffstahl und legierter Stahl unterschiedlicher Zusammensetzung, gefolgt von Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan usw. sowie deren Legierungen. Der Ausgangszustand des Werkstoffs kann ein Stab, Block, Metallpulver oder flüssiges Metall sein. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Metalls vor der Umformung zur Querschnittsfläche nach der Umformung wird als Schmiedeverhältnis bezeichnet. Die richtige Wahl des Schmiedeverhältnisses, eine angemessene Erwärmungstemperatur und Haltezeit, eine angemessene Anfangs- und Endschmiedetemperatur sowie eine angemessene Umformmenge und Umformgeschwindigkeit stehen in engem Zusammenhang mit der Verbesserung der Produktqualität und der Kostensenkung. Im Allgemeinen werden Rund- oder Vierkantstäbe als Rohlinge für kleine und mittlere Schmiedestücke verwendet. Das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften des Stabs sind gleichmäßig und gut, Form und Abmessungen sind genau und die Oberflächenqualität ist gut, was die Organisation einer Serienproduktion erleichtert. Solange die Erwärmungstemperatur und die Umformbedingungen angemessen kontrolliert werden, können Schmiedestücke mit hervorragenden Eigenschaften ohne große Umformgrade hergestellt werden.

Blöcke werden nur für große Schmiedestücke verwendet. Blöcke weisen ein Gussgefüge mit großen Säulenkristallen und einem lockeren Kern auf. Daher müssen die Säulenkristalle durch große plastische Verformung in feine Körner umgewandelt und verdichtet werden, um ein hervorragendes Metallgefüge und gute mechanische Eigenschaften zu erzielen.

Gepresste und gesinterte pulvermetallurgische Vorformlinge können im heißen Zustand durch gratloses Gesenkschmieden zu Pulverschmiedestücken verarbeitet werden. Das Schmiedepulver erreicht nahezu die Dichte gewöhnlicher Gesenkschmiedestücke, weist gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Präzision auf und kann den anschließenden Zerspanungsaufwand reduzieren. Das innere Gefüge des Pulverschmiedestücks ist gleichmäßig und weist keine Entmischung auf, sodass es zur Herstellung kleiner Zahnräder und anderer Werkstücke verwendet werden kann. Der Preis von Pulver ist jedoch wesentlich höher als der gewöhnlicher Stäbe, weshalb sein Einsatz in der Produktion gewissen Einschränkungen unterliegt.

Durch das Ausüben von statischem Druck auf das in den Gesenkhohlraum eingegossene flüssige Metall, sodass es unter Druck erstarrt, kristallisiert, fließt, sich plastisch verformt und seine Form annimmt, können Gesenkschmiedestücke mit der erforderlichen Form und Leistung hergestellt werden. Flüssiggesenkschmieden ist ein Umformverfahren zwischen Druckguss und Gesenkschmieden und eignet sich besonders für komplexe dünnwandige Teile, die sich mit gewöhnlichem Gesenkschmieden nur schwer formen lassen.

Neben den üblichen Werkstoffen sowie Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan usw. und deren Legierungen werden auch eisenbasierte, nickelbasierte und kobaltbasierten Hochtemperaturlegierungen geschmiedet oder gewalzt. Diese Legierungen besitzen jedoch eine relativ schmale plastische Zone, weshalb sie vergleichsweise schwer zu schmieden sind. Für die verschiedenen Werkstoffe gelten strenge Anforderungen an die Erwärmungstemperatur, die Anfangsschmiedetemperatur und die Endschmiedetemperatur.

05 Prozessablauf

Für verschiedene Schmiedeverfahren gelten unterschiedliche Abläufe, wobei der Warmgesenkschmiedeprozess der längste ist. Die allgemeine Reihenfolge lautet: Ablängen → Erwärmen → Walzschmieden → Gesenkschmieden → Beschneiden → Lochen → Richten → Zwischenprüfung, Prüfung der Abmessungen und Oberflächenfehler des Schmiedestücks → Wärmebehandlung der Schmiedestücke zur Beseitigung von Schmiedespannungen und Verbesserung der Zerspanbarkeit des Metalls → Reinigung, hauptsächlich zur Entfernung von Oberflächenzunder → Richten → Prüfung. Im Allgemeinen müssen Schmiedestücke einer Sicht- und Härteprüfung unterzogen werden. Bei wichtigen Schmiedestücken sind außerdem Analysen der chemischen Zusammensetzung, der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen sowie weitere Prüfungen und zerstörungsfreie Prüfungen erforderlich.

06 Eigenschaften von Schmiedestücken

Im Vergleich zu Gussteilen können Metalle durch Schmieden ihr Gefüge und ihre mechanischen Eigenschaften verbessern. Nachdem das Gussgefüge durch die Warmumformung beim Schmieden verformt wurde, werden die ursprünglichen groben Dendriten und Säulenkörner durch Verformung und Rekristallisation des Metalls in gleichachsige rekristallisierte Gefüge mit feineren und gleichmäßigeren Körnern umgewandelt. Dadurch werden die ursprünglichen Entmischungen, Lockerstellen, Poren, Schlackeneinschlüsse usw. im Block verdichtet und verschweißt, und das Gefüge wird kompakter, wodurch sich die Plastizität und die mechanischen Eigenschaften des Metalls verbessern.

Die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen sind geringer als die von Schmiedestücken aus demselben Material. Darüber hinaus kann das Schmieden die Kontinuität der Metallfaserstruktur gewährleisten, sodass die Faserstruktur des Schmiedestücks der Form des Schmiedestücks folgt und der Metallfaserverlauf vollständig erhalten bleibt. Dadurch können gute mechanische Eigenschaften und eine lange Lebensdauer der Teile gewährleistet werden. Durch Präzisionsgesenkschmieden, Kaltfließpressen, Warmfließpressen und andere Verfahren hergestellte Schmiedestücke sind Gussteilen überlegen.

Schmiedestücke sind Gegenstände, bei denen Metall durch Druck und plastische Verformung in die erforderliche Form gebracht oder einer geeigneten Druckkraft ausgesetzt wird. Diese Kraft wird typischerweise mithilfe eines Hammers oder einer Presse erzeugt. Der Schmiedeprozess erzeugt ein feines Korngefüge und verbessert die physikalischen Eigenschaften des Metalls. Bei der tatsächlichen Verwendung von Bauteilen kann eine korrekte Konstruktion dafür sorgen, dass die Körner in Richtung der Hauptbelastung fließen. Gussteile sind durch verschiedene Gießverfahren geformte Metallgegenstände. Dabei wird das geschmolzene flüssige Metall durch Gießen, Einspritzen, Ansaugen oder andere Gießverfahren in eine vorbereitete Form eingebracht. Nach dem Abkühlen wird es geschliffen, gereinigt und nachbearbeitet, um einen Gegenstand mit einer bestimmten Form, Größe und Leistung zu erhalten.