Zusammenfassung

Der Hauptvorteil der Warmumformung hinsichtlich der Festigkeit liegt in ihrer Fähigkeit, die innere Korngestalt eines Metalls bei hohen Temperaturen zu verfeinern. Dieser Prozess beseitigt innere Fehler und richtet den Kornfluss entlang der Bauteilform aus, was zu überlegener Festigkeit, hoher Duktilität und außergewöhnlicher Zähigkeit führt. Warmumgeformte Teile sind daher fester und zuverlässiger als Bauteile, die durch Gießen oder maschinelles Bearbeiten hergestellt wurden.

Die Wissenschaft hinter der Festigkeitssteigerung durch Warmumformung

Das Warmumformen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Metall bei Temperaturen oberhalb seines Rekristallisationspunkts geformt wird – oft über 1.000 °C für Stahl. Diese extreme Hitze macht das Metall formbarer, aber noch wichtiger ist, dass sich dadurch die innere Struktur grundlegend verändert und stärkere, widerstandsfähigere Bauteile entstehen. Die Festigkeitsvorteile sind nicht nur oberflächlich, sondern ergeben sich direkt aus kontrollierten metallurgischen Veränderungen, die die mechanischen Eigenschaften des Materials optimieren.

Die wichtigste Veränderung ist die Feinung der Kornstruktur. Im Rohzustand weist Metall häufig eine grobe, inhomogene Kornstruktur auf. Durch Erhitzen über die Rekristallisationstemperatur bilden sich neue, feinere Kristallite, wodurch die ursprüngliche grobe Struktur beseitigt wird. Während das Metall durch Druckkräfte umgeformt wird, richten sich diese feinen Körner kontinuierlich entlang der Konturen des Bauteils aus. Dieser gerichtete Kornfluss, der in einem Artikel von Queen City Forging , ist ein wesentlicher Faktor für erhöhte Festigkeit und Zähigkeit, da es eine kontinuierliche Struktur bildet, die Verformung und Bruch wirksamer widersteht als die zufällige Kornausrichtung in gegossenen Teilen.

Darüber hinaus schließt der immense Druck, der während des Warmumformens angewendet wird, innere Hohlräume, Gasblasen oder andere mikroskopische Fehler im Rohmetallblock physisch und verschweißt sie nahtlos. Diese Verdichtung erzeugt ein dichteres, homogeneres Material. Durch die Beseitigung dieser inneren Schwachstellen reduziert der Schmiedeprozess das Risiko von Rissbildung und -ausbreitung unter Belastung erheblich, was zu einem haltbareren und zuverlässigeren Endprodukt führt. Dies ist ein klarer Vorteil gegenüber dem Gießen, bei dem Porosität ein kritischer Fehlerpunkt bleiben kann.

Schließlich verhindert der Umformprozess bei hohen Temperaturen ein Phänomen, das als Kaltverfestigung bekannt ist. Wie von Farinia Group , tritt Kaltverfestigung auf, wenn Metall bei niedrigeren Temperaturen verformt wird, wodurch seine Härte zunimmt, aber die Duktilität abnimmt und es spröder wird. Durch die Bearbeitung des Metalls im plastischen Zustand ermöglicht das Warmumformen eine umfangreiche Formgebung, um komplexe Geometrien zu erzeugen, ohne diese Sprödigkeit hervorzurufen. Das Ergebnis ist ein Bauteil, das eine optimale Streckgrenze erreicht und gleichzeitig die hohe Duktilität behält, die erforderlich ist, um Schläge aufzunehmen und Ermüdung entgegenzuwirken.

Wesentliche mechanische Vorteile von warmumgeformten Bauteilen

Die durch Warmumformen hervorgerufenen metallurgischen Veränderungen führen direkt zu überlegenen mechanischen Eigenschaften, die für Hochleistungsanwendungen entscheidend sind. Diese Vorteile machen das Warmumformen zur bevorzugten Methode für Bauteile, die während ihrer Nutzungsdauer extremen Belastungen, Stößen und Ermüdung standhalten müssen.

Erhöhte Zähigkeit und Duktilität

Einer der bedeutendsten Vorteile des Warmumformens ist die außergewöhnliche Zähigkeit und Duktilität, die dadurch erreicht wird. Zähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Energie aufzunehmen und sich zu verformen, ohne zu brechen. Da das Warmumformen die Kornstruktur verfeinert und innere Fehler beseitigt, ist das resultierende Bauteil weitaus weniger anfällig für sprödes Versagen. Diese hohe Duktilität, wie von Tecnofor hervorgehoben, ermöglicht es dem Bauteil, sich unter extremen Lasten zu verbiegen oder zu dehnen, anstatt zu brechen, was eine entscheidende Sicherheits- und Zuverlässigkeitsmerkmale in vielen Anwendungen darstellt.

Optimale Streckgrenze und Ermüdungsfestigkeit

Das Warmumformen erzeugt Teile mit einer hervorragenden Kombination aus Streckgrenze und Ermüdungsfestigkeit. Der ausgerichtete Korngewebefluss stellt sicher, dass die Materialfestigkeit entlang der Linien höchster Belastung konzentriert ist, wodurch die Fähigkeit verbessert wird, hohe Lasten ohne bleibende Verformung zu tragen. Diese strukturelle Integrität erhöht auch die Ermüdungslebensdauer, da die glatten, kontinuierlichen Korngewege die Bildung und Ausbreitung mikroskopischer Risse unter zyklischer Belastung hemmen. Dadurch eignen sich warmumgeformte Teile ideal für Komponenten wie Kurbelwellen, Pleuelstangen und Getrieberäder.

Hervorragende strukturelle Integrität für kritische Anwendungen

Die Kombination aus einer dichten, fehlerfreien inneren Struktur und einem kontinuierlichen, ausgerichteten Korngewebefluss verleiht warmumgeformten Teilen eine unübertroffene strukturelle Integrität. Für Branchen, in denen ein Versagen von Komponenten keine Option ist, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, ist diese Zuverlässigkeit unverzichtbar. Unternehmen wie Shaoyi Metal Technology spezialisiert auf die Herstellung von nach IATF16949 zertifizierten warmgeschmiedeten Teilen, wodurch sichergestellt wird, dass Komponenten extremen Belastungen und den Betriebsanforderungen moderner Fahrzeuge standhalten können. Dieses Verfahren wird zur Herstellung aller Arten von Fahrgestellkomponenten bis hin zu Motorteilen eingesetzt, bei denen Festigkeit und Haltbarkeit entscheidend sind.

Kraftvergleich: Warmumformung versus Kaltumformung

Während sowohl das Warm- als auch das Kaltumformen Metall durch Druckkräfte formt, führt die Temperatur, bei der die Verfahren durchgeführt werden, zu signifikanten Unterschieden hinsichtlich der Festigkeit, Härte und Duktilität des Endprodukts. Die Wahl zwischen beiden Verfahren hängt oft von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung sowie wirtschaftlichen Faktoren ab. Bei der Warmumformung erfolgt die Bearbeitung oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Metalls, während die Kaltumformung bei oder nahe Raumtemperatur stattfindet.

Der Hauptkompromiss besteht zwischen Festigkeit mit Duktilität (Warmumformung) und Festigkeit mit Härte (Kaltumformung). Das Kaltumformverfahren erhöht die Festigkeit durch Verfestigung infolge plastischer Verformung, wodurch das Material härter, aber auch spröder wird. Im Gegensatz dazu vermeidet die Warmumformung eine Verfestigung infolge plastischer Verformung und führt zu einem Werkstoff mit hervorragender Duktilität und Zähigkeit, der sich daher besser für komplexe Formen und Bauteile eignet, die mechanischen Belastungen standhalten müssen. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zusammen:

Wie in einem Vergleich dargestellt von General Kinematics , liegt der Hauptvorteil des Warmumformens in seiner Vielseitigkeit bei der Herstellung komplexer, kundenspezifischer Teile. Die hohe Temperatur macht das Metall äußerst formbar, sodass es komplexe Hohlräume in den Formen ausfüllen kann. Dieses Verfahren führt jedoch aufgrund der thermischen Schrumpfung beim Abkühlen zu geringerer Maßgenauigkeit. Das Kaltumformen hingegen erzeugt Teile mit hervorragender Maßhaltigkeit und einer besseren Oberflächenqualität, wodurch oft ein nachträgliches Bearbeiten entfällt. Seine Haupteinschränkung besteht darin, dass es im Allgemeinen nur für einfachere Formen geeignet ist und nicht bei Metallen mit geringer Duktilität angewendet werden kann, die bei Raumtemperatur unter hohem Druck zur Rissbildung neigen.

Häufig gestellte Fragen zum Warmumformen

1. Welche Vorteile bietet das Warmumformen?

Die Hauptvorteile des Warmumformens sind die Möglichkeit, komplexe und verwickelte Formen herzustellen, verbesserte mechanische Eigenschaften wie hohe Duktilität und Zähigkeit sowie die Verfeinerung der inneren Kornstruktur des Metalls. Dieser Prozess beseitigt Porosität und Fehler und führt zu Bauteilen mit überlegener Festigkeit und Zuverlässigkeit, die sich ideal für kritische Anwendungen eignen.

2. Warum erhöht das Schmieden die Festigkeit?

Das Schmieden erhöht die Festigkeit, indem es den Kornfluss des Metalls verfeinert und entlang der Bauteilform ausrichtet. Dieser Prozess beseitigt innere Fehler wie Hohlräume und erzeugt eine dichtere, gleichmäßigere Materialstruktur. Der ausgerichtete Kornfluss bietet eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungen, Ermüdung und Stößen im Vergleich zur zufälligen Kornstruktur von gegossenen oder maschinell bearbeiteten Teilen.

3. Was ist der Unterschied zwischen der Festigkeit von Warm- und Kaltumformung?

Kaltumformen erreicht eine höhere Zugfestigkeit und Härte durch einen Prozess, der als Verfestigung durch Kaltverformung bezeichnet wird, bei dem das Metall durch Verformung bei Raumtemperatur verstärkt wird. Dieser Prozess verringert jedoch die Duktilität, wodurch das Material spröder wird. Beim Warmumformen ergibt sich eine optimale Streckgrenze mit hoher Duktilität und Zähigkeit, da die hohe Temperatur die Verfestigung durch Kaltverformung verhindert und es sich daher besser für Bauteile eignet, die Schläge absorbieren müssen.

4. Macht das Schmieden von Stahl diesen härter?

Das hängt vom Verfahren ab. Kaltumformen erhöht die Härte von Stahl erheblich aufgrund der Verfestigung durch Kaltverformung. Warmumformen führt dagegen im Allgemeinen zu einer geringeren Härte im Vergleich zum Kaltumformen, da der Prozess oberhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt wird, wodurch die Verfestigung durch Kaltverformung verhindert und die Duktilität des Materials erhalten bleibt.