Abschnitt Eins – Schmiedeverfahren (Industrielles Schmieden)

1. Einleitung zum Schmieden: Das älteste und zugleich leistungsstärkste Verfahren der Metallumformung

Das Schmieden (Forging) bzw. industrielles Schmieden ist eines der grundlegendsten und widerstandsfähigsten Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile. Im Unterschied zum Gießen wird das Metall hierbei nicht geschmolzen; vielmehr wird es durch die Einwirkung von Druckkräften (Druck, Schlag oder Presskraft) in seine Endform gebracht.
Da die Umformung im festen Zustand erfolgt, verbessern sich die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes erheblich und übertreffen die vieler anderer Produktionsverfahren.

Das Schmieden wird seit Tausenden von Jahren genutzt, hat sich jedoch aufgrund von Mehrzonenöfen, großen Pressen mit mehreren Hundert Tonnen Presskraft und moderner Ausrüstung zu einer der wichtigsten Säulen der Herstellung sicherheitskritischer Industriekomponenten entwickelt.

2. Grundprinzipien der Umformung beim Schmieden

Beim Schmieden wird das Metall unter den folgenden Bedingungen verformt:

• Einwirkung schlagartiger Kräfte
  (z. B. Lufthämmer oder Schlagpressen)

• Einwirkung kontinuierlicher, gleichmäßiger Kräfte
  (hydraulische oder mechanische Pressen)

• Druckeinwirkung im heißen, halbwarmen oder kalten Zustand

Diese Kräfte verursachen eine plastische Verformung des Metalls, ohne dass seine innere Struktur bricht. Dies führt zu:

• hoher Dichte,

• großer Festigkeit,

• hoher Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen.

3. Schmiedeverfahren

3.1 Freiformschmieden (Open-Die Forging)

Das Metall wird zwischen zwei einfachen metallischen Werkzeugflächen (meist flach oder halbrund) platziert. Das Werkzeug begrenzt die endgültige Form des Teils nicht vollständig, daher bewegt der Bediener das Werkstück zwischen den Schlägen, bis die gewünschte Endform erreicht ist.

Vorteile:

• geeignet für große Bauteile

• hohe mechanische Belastbarkeit

• gleichmäßige Kornstruktur

• Herstellung spezieller Bauteile ohne Gießform

Anwendungen:
Großringe, massive Wellen, Komponenten für Kraftwerke, Walzen, Hämmer.

3.2 Gesenkschmieden (Closed-Die / Impression-Die Forging)

Hier besitzt das Gesenk die vollständige Endkontur des Bauteils. Das Metall wird in die Gesenkkavität eingelegt und durch hohen Druck in seine endgültige Form gebracht.

Vorteile:

• Serienproduktion möglich

• hohe Maßgenauigkeit

• Fertigung komplexer Geometrien

• ausgezeichnete Festigkeit

Anwendungen:
Zahnräder, Buchsen, Automobilverbindungen, Luft- und Raumfahrtkomponenten.

3.3 Warm-, Halbwarm- und Kaltumformung

Warmschmieden:
Das Metall wird auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisation erhitzt.
Einsatz für große oder harte Legierungen.

Halbwarmumformung:
Geringerer Energieverbrauch, bessere Maßhaltigkeit.

Kaltumformung:
Ohne Erwärmung; sehr hohe Präzision und ausgezeichnete Oberflächengüte.
Geeignet für gut verformbare Stähle, Zinn, Zink.

4. Vorteile und Einsatzgebiete des Schmiedens

4.1 Vorteile

• außergewöhnlich hohe Festigkeit durch Kornverdichtung

• längere Lebensdauer des Bauteils

• hervorragende Ermüdungsbeständigkeit

• geeignet für hochbelastete Bauteile

• geringere Porosität im Vergleich zum Gießen

4.2 Anwendungen

• Luft- und Raumfahrtindustrie

• Automobilindustrie

• Öl-, Gas- und Petrochemie

• Kraftwerke

• Energieindustrie

• Präzisionsmaschinenbau

5. Kritische technische Aspekte beim Schmieden

Zur Verhinderung von Rissen, unvollständigem Füllen oder Verzug müssen folgende Parameter kontrolliert werden:

• präzise Temperaturregelung (vor und während der Umformung)

• Einstellung der Schlag- oder Pressgeschwindigkeit

• Reduzierung der Reibung zwischen Werkstück und Gesenk

• Einsatz geeigneter Schmierstoffe (Graphit, MoS₂, ölbasierte Schmiermittel)

• Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit

Übliche Nachbehandlungen:

• Wärmebehandlung

• Feinbearbeitung

• Oberflächenbehandlung

• Spannungsarmglühen

6. Verbrauchsmaterialien und Schmierstoffe beim Schmieden

• wasserbasierte Graphitschmierstoffe

• ölbasierte Schmierstoffe

• BN-Schmierstoffe (Bornitrid)

• trockene Schmiergranulate und Pulver

• hochtemperaturbeständige Fette für mechanische Komponenten

7. Bedeutung der Schmierung beim Schmieden

Ein geeigneter Schmierstoff:

• verhindert Anhaften des Werkstücks am Gesenk

• verlängert die Standzeit des Werkzeugs

• verbessert das Ausfüllen der Gesenkform

• erzeugt glattere Oberflächen

• verhindert Risse und Werkzeugverschleiß

Abschnitt Zwei – Druckgussverfahren (High Pressure Die Casting – HPDC)

1. Einleitung zum Druckguss: Schnelle, präzise und industrielle Herstellung von Metallteilen

Der Druckguss (Die Casting) ist eines der wichtigsten und fortschrittlichsten Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile in der Automobilindustrie, Elektroindustrie, Haushaltsgeräten, Maschinenbau usw.
Beim Druckguss wird geschmolzenes Metall mit sehr hohem Druck in eine Stahlform eingespritzt, wodurch Bauteile mit hervorragender Maßgenauigkeit und glatter Oberfläche entstehen.

Der Druckguss ist ideal für Bauteile:

• mit präzisen Abmessungen,

• mit glatter Oberfläche,

• mit komplexer Geometrie,

• für großvolumige Serienproduktion.

2. Vollständiger Ablauf des Druckgussprozesses (Step-by-Step)

2.1 Schmelzen des Metalls (Melting)

Typische Druckgussmetalle:

• Aluminium

• Zink

• Magnesium

• Messing / Kupfer (bei bestimmten Maschinen)

Das Metall wird im Ofen bis zur vorgeschriebenen Temperatur geschmolzen.

2.2 Schließen der Form (Die Locking)

Die Form besteht aus:

• einem festen Teil,

• einem beweglichen Teil.

Vor der Einspritzung muss die Form vollständig geschlossen und verriegelt werden.
Die Verriegelung muss 700 bis 1500 bar Druck standhalten.

2.3 Einspritzen der Schmelze (High Pressure Injection)

Dies ist der wichtigste Schritt im Druckguss.

Die Schmelze wird durch:

• einen Plunger

• oder einen Einspritzkolben

mit einem Druck von 700 bis 1500 bar in die Kavität gepresst.

Vorteile des Hochdrucks:

• schnelles Füllen

• Vermeidung vorzeitiger Erstarrung

• Reduzierung von Porositäten

• vollständiges Ausfüllen kleinster Details

2.4 Abkühlung und Erstarrung (Cooling & Solidification)

Nach der Einspritzung erstarrt die Schmelze durch:

• wasserbasierte Schmierstoffe

• Formbeschichtungen (Die Coat)

• Sprühsysteme

Die Wärme wird rasch über die Form an das Kühlsystem abgeführt.

2.5 Öffnen der Form und Auswerfen des Bauteils (Ejection)

Nach der Erstarrung öffnet sich die Form und das Bauteil wird mit:

• Auswerferstiften

ausgeworfen.

Die Schmierung der Auswerferstifte mit hitzebeständigen Fetten ist entscheidend.

2.6 Nachbearbeitung (Finishing)

Druckgussteile benötigen üblicherweise:

• Entfernen des Angusses

• Schleifen

• Entgraten

• Polieren

• Strahlen

• Lackieren oder Beschichten

3. Arten von Druckgussmaschinen

3.1 Warmkammer-Druckgussmaschine (Hot Chamber)

Eigenschaften:

• Schmelze befindet sich im Einspritzsystem

• sehr hohe Produktionsgeschwindigkeit

• geeignet für niedrig schmelzende Metalle

Anwendungen:
Zink, Magnesium.

3.2 Kaltkammer-Druckgussmaschine (Cold Chamber)

Eigenschaften:

• Schmelze befindet sich in einem separaten Schmelzofen

• Schmelze wird mit einer Schöpfkelle in den Einspritzzylinder gegeben

• geeignet für hochschmelzende Metalle

Anwendungen:
Aluminium, Kupfer, Messing.
Diese Maschinen sind in der Automobilindustrie am verbreitetsten.

4. Vorteile und Nachteile des Druckgusses

Vorteile:

• sehr hohe Maßgenauigkeit

• schnelle und großvolumige Produktion

• glatte und glänzende Oberflächen

• Fertigung hochkomplexer Bauteile

• lange Werkzeugstandzeiten

Nachteile:

• sehr hohe Werkzeugkosten

• begrenzte Bauteilgröße

• nur für niedrig schmelzende Metalle geeignet

• erfordert präzise Temperatur- und Schmierkontrolle

5. Wichtige Schmierstoffe und Verbrauchsmaterialien im Druckguss

• Pfannenbeschichtung

• Coverall / Flussmittel

• Die Coat (Formbeschichtung)

• Entgasungsmittel

• Hochtemperaturfett

• Silberfett

• Schwarzes Fett

• Wasserbasierter Graphit

• Plungeröl

• Hydrauliköl

• Granulate

• Sprühmittel

• Flussmaterialien

6. Häufige Fehler im Druckguss und deren Ursachen

7. Reinigungs- und Klärmittel für Schmelzen

• Coverall

• Reinigungsflussmittel

• Entgasungstabletten

Diese Materialien haben einen großen Einfluss auf die Bauteilqualität.

8. Rolle des Bedieners und Prozesskontrolle

Der Druckguss ist stark abhängig von der Erfahrung des Bedieners:

• Druckregelung

• Steuerung der Formtemperatur

• Einstellung der Schmiermittelmenge

• Einstellung der Sprühparameter

• Anpassung der Einspritzgeschwindigkeit

Ein erfahrener Bediener kann die Bauteilqualität um bis zu 30 % verbessern.

9. Qualitätskontrolle im Druckguss

• Röntgenuntersuchung (X-Ray)

• Porositätsprüfung

• Dichtigkeitsprüfung

• Maßprüfung

• Härteprüfung

• metallografische Analyse

Abschnitt Drei – Extrusionsverfahren (Extrusion)

1. Einleitung: Kontinuierliches Umformen für Profile und Langprodukte

Die Extrusion ist eines der präzisesten und vielseitigsten Verfahren zur Umformung von Metallen und Polymeren. Sie ermöglicht die Herstellung von sehr langen und komplexen Profilen mit hoher Oberflächenqualität und gleichmäßiger Form.
Das Funktionsprinzip ähnelt dem Herausdrücken von Zahnpasta aus einer Tube:
Die Form des Matrizenlochs bestimmt exakt die Form des Endprodukts.

Weit verbreitet bei Materialien wie:

• Aluminium

• Kupfer

• Stahl

• Magnesium

• Polymergranulate

2. Vollständiger Ablauf des Extrusionsverfahrens

2.1 Vorbereitung des Ausgangsmaterials

Metallische Extrusion:

• Ausgangsmaterial ist ein Bolzen (Billet).

• Der Billet wird im Ofen bis zur Umformtemperatur erhitzt.

• Bei Aluminium liegt diese zwischen 400–500 °C.

Polymerextrusion:

• Ausgangsmaterial ist Polymergranulat.

• Das Granulat wird im Zylinder geschmolzen.

2.2 Austritt des Materials durch die Matrize

Metallische Extrusion:

• Ein Pressstempel übt Druck auf den Billet aus.

• Drücke von 200–400 MPa sind üblich.

• Das Material fließt durch die Matrize und nimmt die endgültige Form an.

Kunststoffextrusion:

• Eine Schnecke transportiert, schmilzt und fördert das Granulat zur Matrize.

• Der Prozess ist kontinuierlich.

2.3 Kühlung und Formstabilisierung

Nach dem Austritt:

• Metalle werden mit Luft oder Wasser gekühlt.

• Polymere werden üblicherweise durch ein Wasserbad (Cooling Bath) geführt.

Zweck:
Sicherstellung von Form- und Maßstabilität.

2.4 Schneiden und Endbearbeitung

Nach dem Abkühlen:

• Das Produkt wird auf die gewünschte Länge zugeschnitten.

• Bei Aluminium: mögliche Nachbehandlung durch Eloxieren, Pulverbeschichten oder Polieren.

• Bei Stahl: Wärmebehandlung oder Korrosionsschutz.

3. Extrusionstypen und ihre Anwendungen

4. Vorteile und Nachteile der Extrusion

Vorteile

• Herstellung komplexer Profilgeometrien

• glatte Oberflächen

• sehr hohe Maßgenauigkeit

• geeignet für Serienproduktion

• große Produktlängen möglich

Nachteile

• Einschränkungen bei sehr dicken Profilen

• Werkzeugverschleiß bei hohen Temperaturen

• Bedarf an präziser Druck- und Temperaturkontrolle

5. Schmierstoffe und Verbrauchsmaterialien in der Extrusion

• wasserbasierte Graphitschmierstoffe

• ölbasierte Schmierstoffe

• BN-Beschichtungen (Bornitrid) für Matrizen

• trockene Schmiergranulate

• Antihaft- und Reibungsbeschichtungen

Diese Materialien erhöhen die Werkzeugstandzeit und verhindern das Anhaften des Billets.

6. Industrielle Anwendungen der Extrusion

• Herstellung von Aluminiumprofilen

• Produktion von Rohren

• Fertigung von Kabeln und deren Ummantelungen

• Präzisionsteile

• Umformung von Stahl und Kupfer in der Automobilindustrie

• Bauteile für Luft- und Raumfahrt sowie Energieindustrie

Abschnitt Vier – Pfannenbeschichtung (Ladle Coating / Refractory Coating)

1. Definition der Pfannenbeschichtung

Pfannenbeschichtung ist ein feuerfestes Material, das auf die Innenfläche von Pfannen, Schmelztiegeln und Werkzeugen aufgetragen wird, die mit Schmelzen in Kontakt kommen.
Sie liegt meist als Suspension (Slurry) vor und bildet eine Schutzschicht gegen:

• Reaktion der Schmelze mit der Pfanne

• Anhaften des Metalls

• Einschlussbildung

• thermischen Schock

• rasche Abnutzung der Pfanne

Die Pfannenbeschichtung hat einen direkten Einfluss auf die Qualität der Schmelze und des Bauteils.

2. Anwendungen der Pfannenbeschichtung

2.1 Verhindern des Anhaftens

Vor allem bei Aluminium-, Gusseisen- und Stahllegierungen.

2.2 Schutz vor thermischem Schock

• Aluminium: ~700 °C

• Gusseisen: ~1300 °C

• Stahl: ~1600 °C

Ohne Beschichtung würde die Pfanne schnell reißen.

2.3 Verbesserung der Schmelzqualität

Die Beschichtung verhindert, dass Oxide und Zunder in die Schmelze gelangen.

2.4 Reduzierung von Einschlüssen und Schlacken

Dies verbessert die Oberflächenqualität und die Kantenbildung des Endprodukts.

3. Arten von Pfannenbeschichtungen

4. Anwendungsschritte

• Reinigung der Pfanne

• homogenes Aufrühren des Materials

• Auftrag per Pinsel, Sprühen oder Tauchen

• Trocknung bei 150–250 °C

• Vorwärmen der Pfanne vor Kontakt mit Schmelze

5. Kriterien zur Auswahl der Beschichtung

• Art der Schmelze

• Arbeitstemperatur

• chemische Verträglichkeit

• gewünschte Schichtdicke

• Trocknungsgeschwindigkeit

Abschnitt Fünf – Coverall

1. Was ist Coverall?

Coverall ist ein Pulver oder Tablettenmaterial, das auf die Oberfläche der Schmelze aufgebracht wird. Es dient:

• der Verhinderung von Oxidation von Aluminium

• der Aufnahme von Einschlüssen und Schlacken

• der Reduzierung des Verdampfens von Legierungselementen

• der Verringerung gelöster Gase

• der Verbesserung der Oberflächenqualität des Bauteils

2. Zusammensetzung von Coverall

• Chloridsalze (NaCl, KCl)

• Fluoride (CaF₂, NaF)

• Carbonate

• Oxide

• antioxidative Additive

3. Anwendungen von Coverall

4. Arten von Coverall

• Pulverform

• Tablettenform

• Flussmittel

5. Anwendung

• Auf die Schmelzoberfläche geben

• mit graphitbasiertem Werkzeug einmischen

• Schlacke abziehen

• gereinigte Schmelze weiterverarbeiten

Abschnitt Sechs – Die Coat (Formbeschichtung)

Die Coat ist eine feuerfeste Beschichtung, die auf Formen im Druckguss, Schmieden und Gießen aufgetragen wird.

Aufgaben von Die Coat:

• verhindert Anhaften der Schmelze

• lokale Kühlung der Form

• verlängert die Werkzeugstandzeit

• verbessert die Oberflächenqualität des Bauteils

Arten von Die Coat:

• wasserbasiert

• ölbasiert

• alkoholverdünnbar

Anwendung:

• Mischung auf die gewünschte Konzentration bringen

• Auftragen durch Sprühen oder Pinsel

• Trocknen lassen

• Produktion starten

Abschnitt Sieben – Fette (Hochtemperaturfett, Silberfett, Schwarzes Fett)

1. Hochtemperaturfett

Geeignet für:

• Auswerferstifte

• Schieber

• Buchsen

• Verriegelungssysteme

Arten: graphitbasiert, kupferbasiert, MoS₂-basiert.

2. Silberfett

Verwendung bei:

• Schrauben

• Gewinden

• Heißplatten

• Gewinden von Heizelementen

Hitzebeständig bis ca. 1000 °C.

3. Schwarzes Fett

• Graphit / MoS₂-basiert

• hitzebeständig bis 600 °C

• antihaftend und verschleißmindernd

Abschnitt Acht – Wasserbasierter Graphit

Graphit in feiner Partikelgröße, dispergiert in Wasser und durch Emulgatoren stabilisiert.

Anwendungen:

• Druckguss

• Schmieden

• Aluminiumguss

• heiße Formen

Eigenschaften:

• nicht brennbar

• hitzebeständig bis ca. 1000 °C

• sprühbar

• geringere Arbeitsplatzverschmutzung

Abschnitt Neun – Plungeröl (Plunger Oil)

Einsatz bei der Schmierung von:

• Plunger

• Hülse (Sleeve)

• Gleitflächen des Einspritzsystems

Arten:

• mineralölbasiert

• synthetisch

• wasserbasiert

• Trockenschmierstoffe (Pellets / Granulate)

Abschnitt Zehn – Hydrauliköl im Druckguss

Eigenschaften:

• hohe thermische Stabilität

• hoher Verschleißschutz (AW)

• gute Luftabscheidung

• Viskosität ISO VG 46–68

• feuchtigkeitsbeständig

Arten:

• mineralölbasiert

• synthetisch

• schwer entflammbar

Abschnitt Elf – Sprühpistole (Spray Gun)

Wichtige Punkte:

• 90° Sprühwinkel

• exakter Druck

• gleichmäßige Benetzung

• vollständige Kompatibilität mit Formbeschichtungen

Abschnitt Zwölf – Granulate im Druckguss und Schmieden

Im Druckguss:

• Schmierung der Form

• Herstellung von Sprühlösungen

• Verhinderung lokaler Überhitzung

Im Schmieden:

• Reibungsreduzierung

• Verhinderung von Anhaftung

• Erhöhung der Werkzeugstandzeit

Abschnitt Dreizehn – Entgasungstabletten (Degassing Tablets)

Dienen zur Entfernung von Wasserstoff aus der Schmelze.

Ergebnisse der Anwendung:

• reduzierte Porosität

• erhöhte Festigkeit

• glattere Oberflächen

• Verhinderung innerer Risse