Schmieden von Werkzeugstahl: Sorten, Methoden und Prozessparameter

Beim Schmieden von Werkzeugstahl werden Werkzeugstahllegierungen unter hoher Druckkraft geformt – typischerweise zwischen 1.900 °F und 2.200 °F (1.040 °C–1.200 °C) – zur Herstellung von Matrizen, Stempeln, Schneidwerkzeugen und Strukturbauteilen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften. Im Vergleich zu bearbeiteten oder gegossenen Alternativen bieten geschmiedete Werkzeugstahlteile eine deutlich höhere Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Maßhaltigkeit, was das Schmieden zur bevorzugten Herstellungsmethode für Werkzeuganwendungen mit hoher Beanspruchung macht.

Unabhängig davon, ob Sie Rohlinge für ein Kaltarbeitsgesenk beschaffen oder ein Schmiedeverfahren für einen Warmarbeitsstempel auswählen, ist es wichtig zu verstehen, wie der Prozess mit bestimmten Werkzeugstahlsorten zusammenwirkt, um die von Ihnen benötigte Leistung zu erzielen.

Warum überhaupt Werkzeugstahl schmieden?

Werkzeugstähle können aus Stangenmaterial bearbeitet oder durch Pulvermetallurgie hergestellt werden. Daher ist die Entscheidung für das Schmieden bewusst – bedingt durch Leistungsanforderungen, die andere Methoden nicht vollständig erfüllen können.

Beim Schmieden werden die beim Erstarren entstehenden Karbidnetzwerke aufgebrochen und neu verteilt. Bei hochlegierten Werkzeugstählen wie D2 oder M2 kann das Hartmetallstreifen im Gusszustand die Querzähigkeit um reduzieren 30–50 % im Vergleich zu einem ordnungsgemäß geschmiedeten und bearbeiteten Knüppel. Die mechanische Bearbeitung schließt auch die innere Porosität, richtet den Kornfluss an der Teilegeometrie aus und erzeugt eine verfeinerte Kornstruktur, die vorhersehbarer auf die Wärmebehandlung reagiert.

In der Praxis überdauert ein geschmiedeter H13-Gesenkeinsatz in der Regel ein bearbeitetes Äquivalent um den Faktor 1,5–3× bei Hochdruck-Druckgussanwendungen, abhängig von der Schwere der Temperaturwechselbelastung.

Gängige Werkzeugstahlsorten und ihre Schmiedeeigenschaften

Nicht alle Werkzeugstähle lassen sich auf die gleiche Weise schmieden. Legierungsgehalt, Kohlenstoffgehalt und Karbidtyp beeinflussen alle die Schmiedbarkeit und das erforderliche Prozessfenster.

D2, mit seinem ~12 % Chrom und 1,5 % Kohlenstoffgehalt gehört zu den am schwierigsten zu schmiedenden Werkzeugstählen. Das hohe Volumen an Chromkarbiden erfordert starke, kontrollierte Reduktionen, um das eutektische Karbidnetzwerk aufzubrechen. Beim Schmieden von D2 unter 1.850 °F besteht die Gefahr von Rissen; Über 1.975 °F besteht die Gefahr eines beginnenden Schmelzens an den Karbidgrenzen.

Schmiedemethoden für Werkzeugstahl

Die Wahl der Schmiedemethode beeinflusst den Kornfluss, die Oberflächenbeschaffenheit, die Toleranzen und den Umfang der nach dem Schmieden erforderlichen Bearbeitung.

Freiformschmieden (Smith).

Beim Freiformschmieden werden flache oder einfach geformte Gesenke verwendet, um einen erhitzten Barren durch eine Reihe von inkrementellen Kompressionen zu bearbeiten. Es handelt sich um die flexibelste Methode und den Standardansatz zur Herstellung von Werkzeugstahlrohlingen, großen Matrizenblöcken und kundenspezifischen Formen, die anschließend bearbeitet werden.

• Geeignet für Scheite von ein paar Pfund bis zu mehrere Tonnen
• Ermöglicht die vollständige Kontrolle über Untersetzungsverhältnis und Arbeitsrichtung
• Mindestuntersetzungsverhältnis von 4:1 Typischerweise erforderlich für einen ausreichenden Karbidabbau in hochlegierten Sorten
• Wird von den meisten Spezialstahlherstellern für die Standardproduktion runder, quadratischer und flacher Stangen verwendet

Gesenkschmieden (Abdruckschmieden).

Beim Gesenkschmieden wird erhitztes Material zwischen zusammenpassenden Gesenkhälften gepresst, die einen Hohlraum enthalten, der der Form des fertigen Teils entspricht. Mit dieser Methode werden in der Regel endkonturnahe Schmiedestücke mit kontrolliertem Kornfluss und engen Maßtoleranzen hergestellt ±0,010 bis ±0,030 Zoll auf kritische Dimensionen.

Gesenkschmieden wird für Stempel, Einsätze und kleinere Werkzeugkomponenten verwendet, wenn das Volumen die Werkzeuginvestition rechtfertigt. Bei Werkzeugstählen stellt die Lebensdauer der Gesenke selbst ein Problem dar – H13-Prägematrizen werden üblicherweise zum Schmieden anderer Werkzeugstahlsorten bei erhöhten Temperaturen verwendet.

Rotierendes (Ring-)Walzen und Radialschmieden

Bei zylindrischen Bauteilen wie Ringen, Buchsen oder Rundstäben sorgen Rotationsschmiedeverfahren für eine kontinuierliche Kornverfeinerung in Umfangsrichtung. Beim Radialschmieden wird ein runder Knüppel gleichzeitig aus mehreren Richtungen gepresst, wodurch sehr gleichmäßige Mikrostrukturen in runden oder sechseckigen Stäben entstehen. Diese Methode wird häufig zur Herstellung verwendet Rundstab aus Schnellarbeitsstahl (HSS). zum Schneiden von Werkzeugrohlingen.

Isothermes Schmieden

Beim isothermen Schmieden werden sowohl das Werkstück als auch die Gesenke auf die gleiche Temperatur erhitzt, wodurch der Temperaturabfall vermieden wird, der bei schwer schmiedbaren Legierungen zu Oberflächenabkühlung und Rissbildung führt. Bei Werkzeugstählen kommt es aufgrund der Ausrüstungskosten weniger häufig vor, wird jedoch für HSS- und pulvermetallurgische Werkzeugstähle in Luft- und Raumfahrtqualität verwendet, die extrem schmale Warmumformfenster aufweisen.

Kritische Prozessparameter zur Kontrolle

Für die richtige Metallurgie beim Schmieden von Werkzeugstahl ist eine strenge Kontrolle mehrerer voneinander abhängiger Variablen erforderlich.

Vorheiz- und Einweichtemperatur

Werkzeugstähle müssen langsam und gleichmäßig erhitzt werden, um einen Thermoschock zu vermeiden. Ein typisches Vorheizprotokoll für einen großen H13-Block:

1. Erhitzen 1.200 °F (650 °C) und halten, bis sich die Temperatur im gesamten Querschnitt ausgleicht
2. Rampe auf Schmiedetemperatur bei ≤200°F/Stunde (110°C/Stunde)
3. Mindestens bei Schmiedetemperatur einweichen 1 Stunde pro Zoll Dicke

Zu schnelles Einweichen führt zu einem kalten Kern, der zu ungleichmäßiger Verformung führt und beim Pressen zu inneren Rissen führen kann.

Endschmiedetemperatur

Die Arbeiten müssen oberhalb der Mindestendtemperatur abgeschlossen werden, um eine Kaltverfestigung des Stahls in einem spröden Zustand zu vermeiden. Bei den meisten Werkzeugstählen sollte das Schmieden nicht weiter unten erfolgen 1.750 °F (955 °C) . Wenn das Stück unter diesen Schwellenwert fällt, sollte es in den Ofen zurückgeführt werden und nicht durch zusätzliche Reduzierungen gezwungen werden.

Untersetzungsverhältnis

Das Reduktionsverhältnis (Ausgangsquerschnitt ÷ Endquerschnitt) fördert den Karbidabbau und die Kornverfeinerung. Industriestandards für Schmiedeteile aus Werkzeugstahl erfordern in der Regel Folgendes:

• Mindestens 3:1 für stoßfeste und wasserhärtende Sorten (S7, W1)
• Mindestens 4:1 bis 6:1 für Kaltarbeitsklassen (A2, D2)
• Mindestens 6:1 oder höher für Schnellarbeitsstähle (M2, T1), um eutektische Karbidnetzwerke ausreichend aufzubrechen

Abkühlen nach dem Schmieden

Werkzeugstähle müssen nach dem Schmieden langsam abgekühlt werden, um Risse aufgrund von Transformationsspannungen zu vermeiden. Übliche Praxis besteht darin, das Schmiedestück in trockenem Sand, Vermiculit oder isolierendem Kalk zu vergraben oder es direkt in einen Ofen zu legen 595–650 °C (1.100–1.200 °F) für eine langsame, kontrollierte Abkühlung auf Umgebungstemperatur. Luftkühlung ist nur für die tolerantesten Typen wie S7 in kleinen Querschnitten akzeptabel.

Glühen nach dem Schmieden

Durch das Schmieden wird Werkzeugstahl gehärtet und Eigenspannungen werden eingeschlossen. Vor jeder Bearbeitung oder Wärmebehandlung müssen geschmiedete Werkzeugstahlrohlinge geglüht werden, um:

• Erweichen Sie den Stahl auf eine bearbeitbare Härte (normalerweise). HB 180–250 je nach Jahrgangsstufe)
• Restspannungen beim Schmieden abbauen
• Erzeugen Sie eine gleichmäßige sphäroidisierte Hartmetall-Mikrostruktur für eine optimale Reaktion auf die Wärmebehandlung

Ein vollständiges Sphäroidisierungsglühen für D2-Werkzeugstahl erfordert beispielsweise ein Halten bei 1.600 °F (870 °C) für 2–4 Stunden, dann langsames Abkühlen im Ofen bei ≤25°F/Stunde (14°C/Stunde) auf unter 1.000 °F (540 °C) steigen. Das Überspringen oder Verkürzen dieses Schrittes führt häufig zu Schleifrissen oder Verzug beim Härten.

Häufige Fehler bei Schmiedestücken aus Werkzeugstahl und wie man sie vermeidet

Werkzeugstahlschmieden vs. Pulvermetallurgie: Wissen, wann man sich für beide entscheiden sollte

Pulvermetallurgische (PM) Werkzeugstähle, die durch Zerstäuben und Sintern von Legierungspulvern hergestellt werden, bieten eine äußerst gleichmäßige Karbidverteilung, die durch Schmieden allein bei hochlegierten Sorten nicht erreicht werden kann. PM-Güten wie CPM 3V, CPM M4 oder Vanadis 4 Extra sind bei anspruchsvollen Anwendungen zu beliebten Alternativen zu konventionell geschmiedetem D2 oder M2 geworden.

Allerdings bietet das Schmieden in mehreren Szenarien immer noch klare Vorteile:

• Kosten: Typischerweise handelt es sich um konventionell geschmiedete Werkzeugstahlstangen 30–60 % günstiger als gleichwertige PM-Typen
• Große Querschnitte: Die Verfügbarkeit von PM-Stäben ist in schweren Abschnitten begrenzt; Geschmiedete Werkzeugstahlblöcke werden routinemäßig in Größen über 24 Zoll hergestellt
• Benutzerdefinierte Formen: Durch das Freiformschmieden können Vorformen nahezu endkonturnah hergestellt werden, wodurch der Materialabfall in großen Gesenkblöcken reduziert wird
• Bewährte Leistung: Forged H13, A2 und S7 verfügen über jahrzehntelange Feldleistungsdaten für nahezu jede Werkzeuganwendung

PM ist die bessere Wahl, wenn die Zähigkeit in alle Richtungen von entscheidender Bedeutung ist, der Vanadiumgehalt etwa 3–4 % übersteigt (was herkömmliches Schmieden unpraktisch macht) oder wenn die Anwendung die absolut feinste Hartmetallstruktur erfordert. Für die meisten Arbeitswerkzeuge gilt: Richtig geschmiedeter herkömmlicher Werkzeugstahl bleibt die kostengünstigste Lösung .

Beschaffung und Qualitätsprüfung

Zu den wichtigsten Qualitätssicherungspraktiken beim Kauf von geschmiedetem Werkzeugstahl gehören:

• Mühlenzertifizierungen: Fordern Sie eine chemische Analyse (Wärmezertifikat) und, sofern verfügbar, mechanische Testergebnisse (Zug, Schlag) aus der Schmiedehitze an
• Ultraschallprüfung (UT): Kritisch für große Matrizenblöcke; ASTM A388 ist die Standard-UT-Methode für Stahlschmiedestücke und kann interne Hohlräume oder Entmischungen oberhalb der angegebenen Akzeptanzgrenzen erkennen
• Bewertung des Hartmetallnetzwerks: Für hochlegierte Qualitäten sollten Lieferanten in der Lage sein, eine metallografische Inspektion durchzuführen oder zu veranlassen, die eine angemessene Karbidverteilung gemäß einem definierten Akzeptanzstandard bestätigt (z. B. SEP 1520 für Karbidstreifen).
• Prüfung der geglühten Härte: Ein Brinell-Härtewert beim Erhalt bestätigt, dass das Material ordnungsgemäß geglüht wurde und innerhalb des erwarteten Bereichs für die Sorte liegt

Renommierte Werkzeugstahllieferanten wie Böhler-Uddeholm, Carpenter Technology und Crucible Industries (für PM-Güten) bieten standardisierte Produktzertifizierungen an, für sicherheitskritische oder hochvolumige Werkzeugprogramme ist jedoch eine unabhängige Überprüfung ratsam.